電動汽車檢測線上的定位行進(jìn)機構(gòu)的設(shè)計

張孟熙，李成群，高鐵軍

（河北聯(lián)合大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

在全球能源匱乏和環(huán)境污染問題的嚴(yán)峻形勢下，節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)成為國家科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點，其中，電動汽車作為主要技術(shù)方案之一倍受矚目。電動汽車與燃油車相比，其優(yōu)點是采用蓄電池或燃料電池作為原動力，節(jié)油環(huán)保，在國內(nèi)有著巨大的市場潛力，因此對電動汽車的檢測尤其重要。但是在對每一項性能指標(biāo)逐一檢測時，需要在每一工位上單獨定位，花費的整體時間則會很長，還有可能會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)等問題，而且多項檢測臺總體所占的面積也過大，所以電動汽車檢測設(shè)備的自動化、集成化是目前電動汽車檢測的發(fā)展方向［1－2］。

1 電動汽車檢測線基本組成及原理分析

1.1 檢測線各工位分布圖設(shè)計與實現(xiàn)

檢測線一般按單線布置，工位數(shù)量按4個～6個設(shè)置，軟件系統(tǒng)按模塊化系列設(shè)計，各系統(tǒng)之間應(yīng)具有較強的通用性和直接性。檢測線必須具有較強的穩(wěn)定性、可靠性和齊全的功能性，并具有強大的數(shù)據(jù)庫存儲功能。在數(shù)據(jù)庫中需存儲每輛受檢車輛的各項數(shù)據(jù)，可隨時查詢并按日檢、月檢、年檢車數(shù)打印出所需統(tǒng)計報表。同時該軟件系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行注冊登記，符合GB7258《機動車運行安全技術(shù)條件》、GA468《機動車安全檢驗項目和方法》、JT/T478《汽車檢測站計算機控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等最新標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定要求［3］。綜上所述，設(shè)計出的檢測試驗臺包括底盤測功機、制動速度檢測臺、側(cè)滑臺、懸掛軸重試驗臺、燈級計、聲級計、路況試驗臺等檢測設(shè)備。檢測線工位分布應(yīng)遵循人員安全、功能需要、工位節(jié)拍均衡的原則設(shè)計，防止出現(xiàn)待檢時間過長或無用工位檢測。根據(jù)電動汽車在某工位檢測所占用的時間和該車輛所需檢測項目，設(shè)計出由4個工位組成的性能檢測線，如圖1所示。

圖1 電動汽車檢測線工位分布圖

1.2 定位行進(jìn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

為滿足電動汽車的檢測自動化，能自由地實現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換，并克服人工定位準(zhǔn)確度低的問題，設(shè)計出一個具有多自由度的定位行進(jìn)機構(gòu)裝置，能在多個方向工作，并能帶動電動汽車在檢測線上移動，進(jìn)行工位定位、轉(zhuǎn)換。

圖2為定位行進(jìn)機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置主要包括驅(qū)動裝置、起重裝置、橫向推移裝置和車輪防脫裝置等。其工作原理為：①當(dāng)電動汽車在試驗臺上的第一工位項目檢測完成后，定位行進(jìn)機構(gòu)驅(qū)動到第一工位定位點，確定車輛前輪位置；②由橫向推移裝置伸出起重梁至電動汽車前輪下方；③起重裝置啟動，抬升電動汽車前輪；④車輪防脫裝置擋塊向上旋轉(zhuǎn)，貼緊前輪并自鎖；⑤驅(qū)動裝置啟動，驅(qū)動定位行進(jìn)機構(gòu)到車輛待檢測的下一工位；⑥車輪防脫裝置回轉(zhuǎn)擋塊，起重裝置下降，橫向推移裝置收回起重梁；⑦電動汽車進(jìn)行此工位的性能檢測，定位行進(jìn)機構(gòu)準(zhǔn)備下一工位的轉(zhuǎn)換。

圖2 定位行進(jìn)機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 抬升過程的能耗與靜力學(xué)分析

圖3 電動汽車受力圖

由圖3所示的受力情況，可得出重心距車輪中心線的高度為（h3－r），當(dāng)電動汽車前輪被抬高一定高度時，抬升傾角會引起載荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致電動汽車重力W重新分配。圖4為增大傾角時的受力示意圖，其中距離Δ＝（h3－r）×tanα。分別對力F1的延長線與地面的交點O1及電動汽車后輪接地點O2取矩，根據(jù)幾何關(guān)系可得如下力矩平衡方程：

由式（2）、式（3）可求得：

求出的F1和F2分別為電動汽車水平放置時的前、后輪支反力合力，即由傾角引起的電動汽車前、后軸重力的增量可忽略不計。在整個抬升車輛運動過程中，由于抬升高度較小，后車輪所受的滾動阻力偶矩T較小，可忽略不計。電動汽車被抬升后，其前輪支反力F1落在起重裝置上，而其后輪法向反力F2由地面提供。

根據(jù)公式（1）得到的此抬升運動克服重力做功為：E＝422.18J。

圖4 增大傾角受力圖

3 定位行進(jìn)機構(gòu)的裝置分析

3.1 起重裝置

設(shè)計的起重裝置如圖5所示，它由電動機、齒輪副、蝸輪蝸桿副和滾珠絲杠副串聯(lián)構(gòu)成。電動機轉(zhuǎn)動通過齒輪副傳遞給蝸輪蝸桿副，蝸桿旋轉(zhuǎn)將力傳遞到與其嚙合的蝸輪上。與蝸輪同軸的絲杠隨著蝸輪旋轉(zhuǎn)，并通過與其嚙合的絲杠螺母轉(zhuǎn)化成直線運動。螺母與橫向推移裝置固定在同一連接板上，螺母的直線運動完成抬升電動汽車前輪的工作。因蝸輪蝸桿副有自鎖功能，所以在電動汽車前輪被抬升后進(jìn)行自鎖，防止前輪出現(xiàn)下落等危險情況。

圖5 起重裝置俯視圖

設(shè)起重裝置中的電動機輸出轉(zhuǎn)矩為T1，電動機轉(zhuǎn)速為n；齒輪副采用一級齒輪傳動，其傳動比為i1、傳動效率為η1；蝸輪蝸桿副傳動比為i2，傳動效率為η2；滾珠絲桿副的導(dǎo)程為S、傳動效率為η3。則電動汽車前輪抬升的速度為：

所需電動機功率P（kW）為：

所以選取額定功率略大于84W、額定扭矩略大于0.267N·m 的電動機［4］。

3.2 橫向推移裝置

設(shè)計的橫向推移裝置如圖6所示。

圖6 橫向推移裝置俯視圖

其工作原理為：由液壓缸推動滑動滑塊，并帶動連桿運動，使導(dǎo)軌軸橫向移動，推動滾子到車輪下方；當(dāng)液壓缸活塞桿做回復(fù)運動時，滾子則撤離車輪下方，回到其初始位置。

其中：F5、F6分別為O3軸和O2軸所承載的力，F(xiàn)5＝F6。取前輪直徑Φ1＝500mm，滾子直徑Φ2＝Φ3＝120mm，則cosβ＝0.528，依據(jù)公式（7）得F5＝F6＝1 767.8N。忽略橫向推移裝置自身重力，則抬升過程中一根導(dǎo)軌軸受力示意圖如圖8所示（以O(shè)3軸為例）。

圖7 前輪受力示意圖

圖8 導(dǎo)軌軸受力示意圖

圖8中，c＝450mm，d＝150mm。分別對點1和點2取矩列出平衡方程：

由式（8）、式（9）得到支座約束力：

由材料力學(xué)中剪力和彎矩的知識可以得出：導(dǎo)軌軸在固定滑塊處受彎矩最大，此處截面上的應(yīng)力為最大應(yīng)力，最大彎曲正應(yīng)力為：

其中：Mmax為最大彎矩；Wσ為抗彎界面系數(shù)。將相關(guān)參數(shù)代入式（12），求得最大應(yīng)力為σmax＝4.69MPa。

3.3 車輪防脫裝置

在定位行進(jìn)機構(gòu)上設(shè)置一組車輪防脫裝置，如圖9所示。

其工作原理為：通過兩個液壓推桿同時工作，推動固定在推桿前段的齒條帶動齒輪和軸轉(zhuǎn)動，并使左、右兩組擋塊同時旋起，夾緊車輪防止其脫離。

圖9 車輪防脫裝置俯視圖

4 結(jié)論

本文通過對電動汽車檢測線的技術(shù)升級改造，設(shè)計出了一種能自動行進(jìn)、定位的機構(gòu)，減少了人工定位次數(shù)，節(jié)省時間，滿足電動汽車在試驗臺上定位行進(jìn)的自動化。分析了行進(jìn)定位機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，基于力學(xué)對其進(jìn)行分析研究，對于電動汽車的檢測應(yīng)用具有一定參考價值。

［1］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］戴耀輝，于建國.汽車檢測與故障診斷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］呂其惠，蔣波，嚴(yán)朝勇.汽車檢測線制動檢驗臺在線測控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（7）：43－47.

［4］李建功.機械設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.