汽车物理仿真摇摆试验台总体设计与研究

摘要：根据汽车物理仿真摇摆试验台的功能和技术要求对摇摆台进行总体方案设计。对汽车物理仿真摇摆试验台的机械本体结构进行具体设计和研究，并对摇摆台结构中存在的难点问题进行深入研究，提出合理的解决方案。

关键词：汽车 物理仿真 摇摆试验台 设计 研究

1、引言

从汽车物理仿真摇摆试验台的功能和性能指标、工作指标出发，对设计中存在的难于解决的问题作深入、细致的分析和研究，制定符合工作条件的设计方案，并进行可行性分析，最终通过实验验证和确定设计方案，为今后的类似系统设计和结构设计提出建设性建议和经验参考。

2、汽车物理仿真摇摆试验台的结构方案

2.1汽车物理仿真摇摆试验台的性能指标

汽车物理仿真摇摆试验台可以模拟纵、横向、偏航三个自由度的摇摆运动；可以精确测量，并实时向控制系统反馈其工作状态。

三自由度重型摇摆试验台主要功能：

1）.在要求的工作范围内和动态满载条件下实现偏航、纵摇、横摇三个转动自由度的单轴摇摆运动和复合摇摆运动。

2）.在静态满载情况下，运动到其工作范围内的任意角度并静止。

3）.在动态条件下，可以以任意角度为零点，在工作范围内做正弦摇摆运动。

4）.具有完善的自检功能和多重安全保护装置。

5）.长时间不使用时，台体可以锁定。

6）.应具有足够的强度和刚度，布局合理，结构紧凑。

7）.应具有良好的传动性能、工作要可靠、维护要方便。

汽车物理仿真摇摆试验台在满足上述功能的同时，还有具体的性能指标和工作指标，如表1-1、1-2所示。

从设计技术要求可以看出，汽车物理仿真摇摆试验台是一种技术要求高，测量数据精确，承受载荷大的“高、精、大”试验设备。为实现其技术要求，必须充分考虑和研究该试验台各个环节的设计。

3、汽车物理仿真摇摆试验台的基本组成

汽车物理仿真摇摆试验台主要由机械台体、动力系统、电控系统、测量系统和安全保护系统等组成。

机械台体 机械台体是汽车物理仿真摇摆试验台的本体结构，机械台体起到承载被测试件，实现纵、横向、偏航三个自由度的摇摆运动功能。机械本体结构的设计也是本文的工作重点。

动力系统 理论上三自由度并联摇摆试验台的驱动方式可以有多种，对于小负载、低频响的摇摆台，采用电机驱动方案较佳；而对那些大负载、高频响的仿真摇摆台，采用液压驱动为宜。由于汽车物理仿真摇摆试验台的负载重量大且精度高，故采用液压系统作为动力源。摇摆台的液压系统主要包括泵站、液压缸、伺服阀、油路、供油环等组成。

电控系统 电控系统主要是通过计算机根据设定的工作曲线及油缸的输出位移和速度，计算出PWM控制信号，经功率放大后，驱动伺服液压阀，实现对液压缸的速度控制及位置控制。它属于汽车物理仿真摇摆试验台的控制环节，本文不作具体研究。

测量系统 主要是对摇摆台在工作时，对三个自由度的位移、转角等姿态进行实时跟踪检测。

安全保护系统包括：在选型上注重质量、在软件和硬件上增加安全措施等。

4、汽车物理仿真摇摆试验台总体设计

从实现摇摆台的三个自由度来考虑，可以将汽车物理仿真摇摆试验台设计成大平台的结构形式，但是这种结构也存在一些缺点。由于载荷质量大，完全采用液压缸来支撑对液压缸的刚度要求较高；通过改变不同液压缸行程的组合来实现三个自由度使得控制实现较为困难；另外，这种结构不能直接测量各自由度的角度变化。因此考虑摇摆试验台的每个自由度由单独液压缸驱动来实现，并且采用双层并联式结构。

汽车物理仿真摇摆试验台的机械本体包括上、下台面、钢丝球轴承、十字轴、支座、底座等组成。具体的设计依据是：当汽车物理仿真摇摆台按照最大参数运动时，其重心的运动轨迹投影将完全包含在液压缸支撑点构成的四边形内。这种结构可以保证该汽车物理仿真摇摆试验台整体结构的稳定行，从而使摇摆台的刚度符合运行条件。

5、汽车物理仿真摇摆试验台功能实现

被测试件固定在上台面上，这样只要使上台面进行三自由度摆动就可以带动试件进行摆动了。上台面通过钢丝球轴承与下台面连接并可以相对转动，偏航液压缸的缸体、缸杆分别连接在上、下台面上，这样通过缸杆的伸缩运动就可以带动上台面相对下台面进行转动，从而实现上台面的偏航运动。上、下台面之间只有相对转动，故只要推动下台面进行横摇和纵摇摆动，上台面就会随着下台面一同摆动。根据摇摆台的功能要求，下台面要实现单轴方向摆动和横摇、纵摇的复合运动，采用十字轴的连接支撑方式。由于横摇、纵摇两个自由度位置关系的限制，十字轴设计成两轴不同长度的形式，长轴端通过轴承与下台面连接，短轴端通过轴承与支座连接。下台面的四个支点与液压缸的缸杆通过关节轴承连接[27]，缸体通过关节轴承与底座连接，四个液压缸两两对称放置。与长轴端在一直线的两个液压缸一推一拉驱动下台面绕短轴线摆动，实现纵摇运动；同理，与短轴端在一直线的两个液压缸一推一拉驱动下台面绕长轴线摆动，实现横摇运动；十字轴回转中心与四个关节轴承的回转中心在同一个平面内，这样在几何关系上保证了驱动横摇、纵摇的两两液压缸能够同步工作，并且四个液压缸可以实现联动，最终实现汽车物理仿真摇摆试验台的性能要求。

6、结论

根据汽车物理仿真摇摆试验台的功能和技术要求，对汽车物理仿真摇摆试验台进行总体方案设计。对汽车物理仿真摇摆试验台机械本体进行具体设计和研究，提出合理的设计方案。

参考文献

[1]赵江波， 王军政， 汪首坤， 吕戎. 四自由度摇摆台的研制.液压与气动. 2003年第10期：5～7

[2]郭海艳.摇摆试验台的刻线. 机械工人（冷加工）. 2001年， 第11期：33～34

[3]王旭永， 骆涵秀， 吴江宁， 李世伦， 刘宇.六自由度并联电液伺服平台的特点及应用. 液压与气动. 1995年第2期：16～18

[4] Ralph C Merkle. A new family of six degrees of freedom positional devices. Nanotechnology 8， 1997：47～52

作者简介：孙德玉，1973年7月出生，毕业于哈尔滨理工大学工业电气自动化专业，研究方向：汽车物理仿真摇摆试验台