汽车四轮定位分析与侧滑试验台设计【含CAD图纸、说明书】
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本科生毕业论文(设计)中文题目 汽车四轮定位分析与侧滑试验台的设计 英文题目 Analysis of four wheel alignment and the design of sideslip tester 学生姓名学 院专 业指导教师目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题的提出11.2国内外研究现状及发展方向11.3主要研究内容及技术路径1第二章 侧滑检验台的整体方案论证32.1侧滑的基础知识32.1.1产生侧滑的原因32.2.2侧滑的方向32.2.3侧滑量对汽车性能的影响32.2侧滑检验台的工作原理42.2.1常见侧滑检验台对比分析42.2.2侧滑检验台的选型42.2.3双板联动式侧滑检验台的工作原理42.3侧滑检验台的可行性分析52.3.1侧滑检验台的使用场景62.3.2侧滑检验台与四轮定位分析的关系6第三章 侧滑检验台的技术要求73.1侧滑检验台的技术标准73.1.1检验台计量性能要求73.1.2检验台通用技术要求73.2 侧滑检验台的检定标准73.2.1检定的环境条件73.2.2检定设备73.2.3检定项目与周期83.2.4检定方法8第四章 侧滑检验台的设计114.1机械系统的设计114.1.1框架结构的设计114.1.2滑板的设计114.1.3滑动机构的设计124.1.4等臂摇杆机构的设计134.1.5回位装置的设计144.1.6测量装置的设计154.2检验台的装配164.3侧滑检验台的使用方法174.3.1检测前的准备174.3.2检测步骤174.3.3注意事项17第五章 四轮定位与侧滑检验195.1定位参数与侧滑量195.1.1前束侧滑量与外倾侧滑量的区分195.1.2前束与前束侧滑量195.1.3外倾角与外倾角侧滑量205.2定位参数与侧向力215.2.1前束侧向力与外倾侧向力的区分215.2.2前束与前束侧向力215.3外倾角与前束的函数关系225.4小结23第六章 结论25致谢27参考文献1中文摘要汽车的侧滑检测是汽车综合性能检测的重要组成部分之一,可以用来检测汽车前轮内倾角和前束的配合是否得当,从而提高汽车行驶的稳定性和安全性。现有的汽车侧滑检验台,受制于机械结构、传感器精度、仪表指示精度以及地面应力等影响,可能存在指示精度不足、测量结果不准确等问题。本次毕业设计将设计一款双滑板式侧滑检验台,力求在保留测量准确性的同时,提高测量精度。汽车的四轮定位同样也是保证汽车平稳安全行驶的重要手段。本文将对车轮的各项定位参数进行分析,探寻各定位参数与侧向力、侧滑量之间的关系。为侧滑检验台的设计提供理论支撑。关键词:侧滑;四轮定位;侧滑检验台;结构设计;AbstractThe sideslip detection is one of the important parts of the comprehensive performance detection of automobile. It can be used to detect whether the front wheel inclination and toe fit properly, so as to improve the stability and safety of automobile driving. Due to the influence of mechanical structure, sensor accuracy, instrument indication accuracy and ground stress, the existing automobile sideslip tester may have problems such as insufficient indication accuracy and inaccurate measurement results. This graduation project will design a twin slipper sideslip tester, striving to maintain the accuracy of measurement while improving the accuracy of measurement.The four-wheel alignment is also an important mean to ensure the stability and safety of automobile driving. In this paper, the wheel positioning parameters are analyzed to explore the relationship between the positioning parameters and the lateral force, the amount of sideslip. It provides theoretical support for the design of sideslip tester.Keywords:sideslip;four-wheel alignment;sideslip tester;structure design;II第一章 绪论1.1课题的提出为保证汽车具备行驶稳定、转向轻便等行驶特性,汽车的车轮在设计之初就被设定了种种定位参数。汽车的四个车轮按照一定位置的安装就叫做车辆的四轮定位。其中,汽车的前轮的定位参数对汽车行驶的影响较大。前轮的定位参数主要包括四个内容,分别是:车轮外倾角、车轮前束、主销内倾角和主销后倾角。车轮定位参数的配合不当就会引起车辆的侧滑,从而影响汽车的操纵稳定性、行驶安全性和燃油经济性1。因此,及时对汽车的侧滑量进行检测就显得尤为重要。在汽车进行安全技术诊断时,侧滑量的检测是其中重要步骤之一。机动车安检站一般采用侧滑检验台对汽车横向滑移量的大小和方向进行检测。GB7258-2017机动车运行安全技术条件中规定:对前轴采用非独立悬架的汽车,其转向轮的横向滑移量,用侧滑台检测的侧滑量应在5m/km之间2。1.2国内外研究现状及发展方向汽车侧滑的检测诊断依托于汽车整体检测诊断技术的发展,而汽车整体的检测诊断技术是随着汽车技术的发展而发展的。早在上世纪四五十年代,欧美国家就已建成了标准的汽车工业体系。自那时起,以故障诊断和性能调试为主的各种汽车检测诊断设备开始蓬勃发展。到了六十年代,将各项检测诊断设备集中到一起形成的检测诊断线得以形成。相比于国外,我国的汽车检测诊断技术发展较为迟缓。直到20世纪60年代,我国才开始研究简单的汽车检测诊断设备。到了70年代,汽车的检测诊断进入蓬勃发展时期,原国家科委将汽车的不解体检测诊断技术和设备列入开发应用项目。汽车侧滑检验台便是在那个时代被我国自主研发出来的。随着检测技术的不断普及,公安、交通部门的机动车安检站慢慢普及到县市下各乡镇。到了21世纪,我国已经基本形成全国性的机动车安全技术检测网。纵观我国机动车检测设备的发展历程,我国完成了由仿制到自主设计制造、由国企设计制造到各中小企业设计制造、由价格竞争到技术竞争的复杂历程。现如今,以吉林大学汽车运用专业的研究成果为基础,我国生产制造的检测诊断设备已经走出国门,在与外国设备的激烈竞争中,开辟出了广阔的市场。1.3主要研究内容及技术路径1. 搜集资料、阅读文献,熟练掌握侧滑检验台的工作原理,操作方式;2. 对现有侧滑检验台进行拆解测量,明确各零件之间的装配关系,对各零件的用途、工作方式和受力情况进行分析;3. 综合分析各类侧滑检验台,找出现有检验设备的不足之处,尝试改进,形成自己的侧滑检验台的设计方案;4. 利用CAD进行设计测查检验台的草图,完善自己的侧滑试验台设计,并验证设计方案的可行性;5. 受疫情影响,原定通过实验归纳定位参数与侧滑量的关系调整为从文献中归纳总结定位参数与侧滑量的关系,从而完成对汽车四轮定位的分析;31第二章 侧滑检验台的整体方案论证2.1侧滑的基础知识2.1.1产生侧滑的原因汽车转向轮的主要定位参数有四个,分别是车轮前束、车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角。其中,车轮前束和车轮外倾角对汽车的侧滑影响较大。在汽车的行进过程之中,当二者的参数匹配不准确时,车轮便会产生向外分离或向内聚拢的趋势。但由于车桥的限制,两侧轮胎之间的距离不会改变。此时,两侧的轮胎既会由于汽车的运动而产生纵向的滚动,又会由于定位参数的匹配不准确而产生横向的滑动。这种车轮横向的滑移现象便叫做车轮的侧滑。2.2.2侧滑的方向在对汽车侧滑量有影响的诸多定位参数中,车轮前束和车轮外倾角对侧滑量的影响较大。其中,车轮前束指的是汽车两前轮前端中心点之间的距离与后端中心点之间的之差。当前束值为正时,两前轮的前端中线点之间的距离小于后端中心点的距离。因此,正前束使两前轮在前进时有向内靠拢的趋势;而车轮外倾角是前轮所在平面与纵向垂直平面之间的夹角。当外倾角为正时,两车轮呈“v”字型,这使得两前轮在前进时有向外扩张的趋势。若让一台只有正前束的汽车通过侧滑检验台,正前束有让两车轮逐渐靠拢的趋势。由于作用力与反作用力的关系,当汽车缓缓通过检验台时,检验台的两块滑板会逐渐张开。反之,若让一台只有正外倾的汽车缓缓通过检验台,则两块检验台的滑板会向一起靠拢。我们将滑板向外滑动记为正向滑动,在侧滑检验台仪表处以“+”显示;将滑板向内的滑动记为负向滑动,在侧滑检验台仪表处以“-”显示。用一句话概括就是,在汽车前进过程中,正前束引起正侧滑,正侧倾引起负侧滑。汽车的侧滑量是车轮前束和外倾角共同作用的结果。假如侧滑量为正,说明前束对侧滑量的影响大于外倾角的影响;假如侧滑量为负,则说明外倾角对侧滑的影响大于前束的影响3。正常情况下,前束和外倾角对车辆侧滑的影响刚好互相抵消,汽车的侧滑量为零。但侧滑量为零只能说明前束和外倾角对车辆侧滑的影响刚好可以抵消,并不能说明前束和外倾角的值都合格。2.2.3侧滑量对汽车性能的影响在汽车的行进过程中,如发生侧滑现象,车轮会处于半滚动半滑动的状态,轮胎与地面的附着力就会降低,对汽车的各项性能指标都会产生影响,具体影响如下:1. 行驶阻力增大,会影响汽车的动力性和燃油经济性;2. 制动力降低,汽车的制动效果会受到影响;3. NVH(噪声、振动与声振粗糙度,为Noise、Vibration、Harshness的英文缩写)会增加,轮胎的胎噪会增加,由于滑动引起的震动也会增加4;4. 轮胎磨损会加剧,严重时还会发生轮胎偏磨现象,轮胎的寿命会降低;5. 行驶稳定性降低,高速行驶时汽车容易抖动、发飘,甚至丧失直线行驶的能力;2.2侧滑检验台的工作原理2.2.1常见侧滑检验台对比分析市场上常见的侧滑检验台有单板式侧滑检验台、双板独立式侧滑检验台以及双板联动式侧滑检验台三种。三种侧滑检验台在测量的方式和原理上大体相同,但在测量的准确性和精度上有所差别。单板式侧滑检验台只对单侧车轮的侧滑量进行测量。在测量侧滑量时,一只车轮在滑板上,另一只车轮在地面上,滑板上的轮子与地面的摩擦力很小。在实际测量过程中,假如存在一个侧向力,滑板上轮子无法承担横向的力,所以侧向力便全部集中到地面上的轮子上,引起地面上轮子的侧滑。然后这个侧滑量会通过车桥传递到滑板上,引起滑板的位移。因此单板式侧滑检验台在遭遇到侧向力时,测量结果会受到影响。双板独立式侧滑检验台相当于两个单板检验台的组合,两个滑板相互独立。当车辆通过滑板时,可以得到两组侧滑值,两组侧滑值取平均即为车辆的侧滑值。由于两滑板相对独立与地面的摩擦力几乎为零,当存在侧向力时,两滑板会在车桥的的作用下同时移动,因此双板独立式侧滑检验台可以抵抗侧向力的影响。但值得注意的是,假如侧向力过大使滑板触碰到了滑板的限位装置,那这组实验数据只能作废,碰撞会使侧滑量的值不准确。总而言之,双板独立式侧滑检验台具有抵抗微小侧向力的能力。双板联动式侧滑检验台在两侧的滑板之间增加了一套等臂摇杆机构,这使得两块滑板只能以相反的方向移动。当汽车通过检验台时,检验台可以直接测出前轴的侧滑量。并且由于滑板只能以相反的方向移动,外界的侧向力对结果没有影响。2.2.2侧滑检验台的选型考虑到外力对侧滑检验台测量精度及准确性的影响,此次毕业设计将设计出一款双板联动式侧滑检验台。此次设计的侧滑检验台滑板长度为1000mm,轴载质量为3t;量程为-1010m/km;仪表分度值0.1m/km。预计检验台的长宽高尺寸约为3000mm、1100mm和170mm。2.2.3双板联动式侧滑检验台的工作原理双板联动式侧滑检验台的结构如下:图2-1 双板联动式侧滑检验台示意图(1左滑板、2水平连杆、3回位弹簧、4回位弹簧支架、5回位机构、6底板框架结构、7右滑板、8中间连杆、9动滑道、10静滑道)如图2-1所示,检验台的两根水平连杆(2)固定在两侧的滑板上,随滑板运动。两根水平连杆的末端分别固定在中间连杆(15)上。由于等臂摇杆机构的左右结构完全相同,当前轮定位参数不正确引起的侧滑时,中间连杆能保证两滑板会产生大小相等,方向相反的两个位移。图2-2 汽车侧滑量示意图在汽车向前直线行驶过程中,汽车的侧滑量是左右车轮侧滑距离的平均值与汽车行驶距离之比。在双板联动汽车侧滑检验台中,汽车的侧滑量在图2-2中表示为:S=L2-L12D(21)其中,S为汽车的侧滑量,L1、L2是汽车前进通过侧滑检验台之前和之后,两滑板v之间的距离,D为汽车在检验台上行驶的距离。在测量汽车的侧滑量时,只需要让汽车匀速通过侧滑检验台,两个滑板会在前轮定位的各定位参数的共同作用下,产生一段位移。这个位移信息就会通过一系列信号传递,最终产生在检验台的屏幕上。2.3侧滑检验台的可行性分析2.3.1侧滑检验台的使用场景国家标准GB/T35347-2017机动车安全技术检测站(简称“国标”)对于机动车的安检站开展机动车的技术诊断提出了规范化的要求。为了规范汽车时检测仪器设备的使用,国标要求监测站按照其申请备案所检测车辆的类型和检测能力选择应当配备的检测仪器。其中对汽车侧滑检验台的要求如下:表2-1 侧滑检验台使用场景表检测仪器设备名称适用车辆类型载客汽车载货汽车(三轮汽车除外)、专项作业车挂车三轮汽车摩托车非营运小型、微型载客汽车其他类型载客汽车汽车侧滑检验台必备必备在表2-1中我们可以看出,侧滑检验台对于其他类型载客汽车、载货汽车(三轮汽车除外)和专项作业车的检测诊断是必要的。这就说明侧滑检验台的主要使用场景就是在机动车进行安全技术检测时。同时,国标还对汽车侧滑检验台的技术性能要求提出了规定,具体规定如下:1. 检验台应能检测汽车的侧滑量,单位为(m/km);2. 测量状态的检测数据应在小数点后保留一位;计量检定/标定状态时,小数点后应保留两位有效数据5;3. 安装检验台时,检验台台面前后与地面水平高度差不超过5mm;4. 宜采用带轮胎侧向力释放功能的双板联动侧滑检验台,滑板的有效长度为1000mm;5. 对双转向轴的车辆,应配备能适应该类汽车检测的侧滑检验台;6. 计量性能应满足JJG908的要求;7. 产品标准应依据JT/T507的规定;国标中提到的JJG文件,是由国家质量监督检验检疫总局批准执行的计量检定规程。目前最新的汽车侧滑检验台的计量检定规程编号为JJG908-2009。此规程主要用于侧滑检验台的首次检定、后继检定以及使用中的检验。国标中提到的另一份JT/T文件,为中华人民共和国交通部发布的交通行业标准。目前最新的标准编号为JT/T507-2004,此标准主要用于汽车侧滑检验台的术语、技术要求、实验方法、检验规程以及标志、包装运输和储存6。2.3.2侧滑检验台与四轮定位分析的关系事实上,滑板式侧滑检验台和四轮定位仪都可以对汽车的侧滑进行检测。四轮定位仪主要是对待检车量进行静态的、定量的定位参数检测。它通过一系列红外线的反射测出汽车每个车轮的全部定位参数,并与该车辆的原厂定位参数进行对比,从而判断车辆的侧滑是否合格。然而,侧滑检验台只能对待检车辆进行动态的、定性的侧滑量判断。虽然侧滑检验台在检测的精确度上比不上四轮定位仪,但它在测量速度、便利性和经济型上具有无可比拟的优势。因此,在一般的车辆进行侧滑检测时,先通过滑板式侧滑检验台,假如侧滑量不合格,在通过四轮定位仪进行进一步的定位参数的调整。第三章 侧滑检验台的技术要求3.1侧滑检验台的技术标准3.1.1检验台计量性能要求在进行侧滑检验台的设计之前,首先要清楚侧滑试验台的技术标准,这样才能使设计出的检验台满足生产的要求。对于侧滑检验台的计量性能,JJG908-2009汽车侧滑检验台检定规程提出了明确的要求。具体要求如下:1. 零点漂移:在15min内不大于0.2m/km。2. 零值误差:0.2m/km。3. 示值误差:0.2m/km。4. 示值重复性:0.1m/km。5. 滑板位移同步性:左右滑板位移同步性不大于0.1mm。6. 滑板移动所需的力:滑板从零位开始移动0.1mm时,所需作用力不大于60N;从零位开始移动至侧滑量5m/km时,所需作用力不大于120N。3.1.2检验台通用技术要求JJG908-2009汽车侧滑检验台检定规程对检验台的通用技术方面同样也提出了要求。外观方面,侧滑检验台应有清晰的铭牌,铭牌上应标注好设备名称、规格型号、额定载荷、测试量程、生产厂家、生产日期和出场编号等。在进行侧滑量的检验时,滑板的移动应灵活平稳,没有明显的阻滞和晃动现象;沿车辆行驶的方向滑板不应有明显的串动现象7。当仪表为数字式仪表时,数字应清晰稳定显示,不应出现影响读数的缺陷;当仪表为指针式仪表时,在侧滑量的不同显示段应有转换指示,表盘要刻度清晰;指针要笔直不弯曲,摆动应灵活平稳,没有跳动、卡滞等现象。3.2 侧滑检验台的检定标准3.2.1检定的环境条件检定规程首先对检定条件做出了规范。首先,检定场所的环境条件应在相对湿度小于等于85的地方进行,温度应保持在040之间,电源电压应满足(22022)V。另外,检定规程还强调,检定应在周围无污染、震动、电磁干扰等不影响测量结果的环境下进行。3.2.2检定设备侧滑试验台的检定设备如表3-1所示。表3-1 侧滑检验台检验设备表设备名称测量范围准确度等级百分表两个030mm1级,分度值0.01mm工作测力仪一个0200N2级,分度值5N挡位工具两个磁性表座两个3.2.3检定项目与周期为了保证测量结果的准确性和精确度,需要时常对侧滑检验台的通用技术性能和计量性能进行检定。不仅要在机器首次安装时需要检定,在机器进行维修保养时需要后续检定,某些关系到测量结果的量在使用过程中也需要进行检定。侧滑检验台的检定周期表标注了各项需要检定的项目以及检定周期,检定表3-2所示,其中“+”表示必检的项目;“-”表示选检的项目。表3-2 侧滑检验台检定项目周期表检定项目首次检定后续检定使用中检定通用技术要求外观及一般要求+-电器安全性+-计量性能要求零点漂移+零值误差+示值误差+示值重复性+滑板位移同步性+滑板移动所需作用力+3.2.4检定方法检定周期表简单的罗列了需要检定的项目,各个项目的具体检定方法如下所示:3.2.4.1外观及一般要求外观及一般要求通过目测和手动检查;3.2.4.2电器安全性电器安全性方面需要人工检查侧滑检验台及仪表的接地保护情况;3.2.4.3零点漂移检验零点漂移时,需要先预热检验台15min,调整好零位。随后每隔5min观察一次,连续三次,每次的漂移零位值都应满足小于等于0.2m/km的要求;3.2.4.4零值误差测量零值误差之前需要先安装百分表和挡位工具,百分表的测量杆应与单侧滑板的移动方向一致。测量时需先后向内、外移动滑板,当侧滑量分别达到3.0m/km和0.4m/km时,让滑板自由回位。重复上述过程三次并分别记录数据,三组数据都应符合0.2m/km的零值误差。3.2.4.5示值误差示值误差的检定应在3m/km、5m/km、7m/km这3个测试点进行。进行检定时,需要缓慢推动滑板到达三个测试点,分别记录此时的仪表示值xi,并计算出仪表示值与检测点侧滑值的差Dxi。之后重复实验三次,每次侧滑值的差都应在0.2m/km之内。3.2.4.6示值重复性重复性检测应与示值误差同时检测,将3m/km、5m/km、7m/km这三个测量点每个点的仪表最大示值与最小示值之差作为示值重复性,示值重复性应小于0.1m/km。3.2.4.7滑板位移同步性测量两滑板位移的同步性需要在两侧的滑板上分别安装测量装置。测量前先将测量装置调零,然后分别向内向外移动滑板至仪表示值5m/km的地方,计算量两测量工具显示的位移差,位移差需要小于0.1mm。3.2.4.8滑板移动所需作用力在滑板的一侧固定好挡位工具和百分表,然后用测力计去拉动滑板,滑板从零位开始移动0.1mm时,所需作用力应不大于60N;从零位开始移动至侧滑量5m/km时,所需作用力应不大于120N。第四章 侧滑检验台的设计4.1机械系统的设计机械结构的主要作用是承受车轮的作用力,将其平稳地转化为滑板的横向移动,并能在汽车通过后自动回到原有位置的机构。机构需要能承受车轮给予的垂直载荷和水平推力。机械系统主要由以下几部分构成分别为:框架、滑板、滑动机构、等臂摇杆机构、回位装置和测量装置。其中的难点部分主要在于整体机构的刚性和使用寿命、等臂摇杆机构的精度、滑动机构的耐磨性及使用寿命、回位装置的回弹力度以及测量装置的精度。4.1.1框架结构的设计框架结构作为整个侧滑检验台的基础,在安装时需要安装在地面以下。框架结构由底板、两条长槽钢和四条短槽钢焊接而成。几条槽钢构造出来的框架用于滑动、导向、摇杆等机构的装配。底板底部留有螺纹口,方便地脚螺栓的安装。框架的长宽高尺寸分别为2976、1096、90mm,底板厚度为10mm。考虑到安装环境和刚度要求,选用的热轧槽钢材料型号为8,尺寸如图4-1所示。图4-1 8号热轧槽钢截面图4.1.2滑板的设计滑板布置在两侧的框架结构里,左右两滑板通过等臂摇杆机构连接在一起。滑板的作用为支撑车轮并在车轮力的作用下自由滑动,因此滑板的设计不但要考虑承载能力,还要有足够的附着系数。滑板的长和宽均为1000mm,厚度为5mm,材料选择Q235A,表面有花纹以增加附着力。此滑板钢板标记为:扁豆形花纹钢板Q235A-510001000-GB/T3277-19918。对滑板钢板进行抗弯刚度和抗剪切强度校核。滑板截面的受力分析图、剪力图和弯矩图如图4-2所示:图4-2 滑板受力分析图、剪力图、弯矩图因为此次设计的侧滑检验台轴载重为3t,因此单侧滑板的载重为1500kg。设载荷的便宜系数q=1.2,g取10N/kg,则滑板中心收到的最大压力为:Fmax=qmg=1.2150010=18000N(41)所以两侧滑道的支撑力分别为9000N。此时,滑板上最大弯矩为:M=F2L=90000.4=3600Nm(42)此时,滑板截面的惯性矩IZ和抗弯截面WZ系数分别为:IZ=bh312=10.01312=8.3310-8m4(43)WZ=bh26=10.0126=1.6610-5m3(44)校核滑板中点的最大正应力:max=MWZ=36001.6610-5=216.1Mpa235Mpa=(45)滑板的抗弯强度符合要求,然后再校核滑板的最大切应力:max=Fh28IZ=3Fmax2A=3910320.012=1.35Mpa70Mpa=(46)综上所述,滑板的强度满足设计要求。4.1.3滑动机构的设计滑动机构是保证滑板在规定位置自由进行横向运动的保证,由于侧滑检验台只需要承受向下的力,所以无需选用闭合导轨。考虑到检验台垂直方向载荷大,移动速度低等特点,导轨选择两个三角形导轨组合的形式。三角形导轨具有良好的导向性,且磨损后由于自身结构特点,能自动补偿水平和竖直层面的磨损。另外两根导轨应定期进行润滑和保养,减少阻力,提高检测的精确度。滑动机构的装配图如4-3所示:图4-3 滑动机构装配图在导轨的截面形式方面,考虑到侧滑检验台移动速度低的特点,本次设计选择了凸型导轨。另外,由于检验台的工作环境比较恶劣,经常会有灰尘油污等杂物,凸形导轨也具有不易积灰,容易清理等特点。如图所示,固定在滑板上的动导轨长为80mm、宽为40mm,导轨两接触面夹角为90。为了防止接触部分磨损,动导轨的接触部分需要开一个1010mm的槽。同理,固定在底板上面的静导轨同样也需要做出相应的倒角来配合。静导轨长100mm,宽60mm,顶角为90。为了方便导轨与底板和滑板固定,导轨的上下两侧还需要做出10mm厚的底座。4.1.4等臂摇杆机构的设计等臂摇杆机构是双板联动侧滑试验台的普遍采用的机构,他能保证左右两侧的滑板有等大反向的位移。应用这种机构的侧滑试验台得出的侧滑量是同一转向轴上两个轮子的平均侧滑值。等臂摇杆机构由等摇臂轴、旋转杆、两根等摇臂和固定在滑板上的固定杆组成。旋转杆通过等摇臂轴固定在底板框架上。等臂摇杆机构的示意图如下所示:检测台的等臂摇杆机构的精度很高,需要精细的加工控制。JJG908-2009汽车侧滑检验台检定规程对检验台就对两侧滑板的同步性、示值重复性和误差做出了明确的要求。因此,两等摇臂的长度、厚度以及材料的选择就显得十分重要。图4-4 等臂摇杆机构等臂摇杆机构在侧滑检验台中的摆放位置如图4-4所示,位于中间的连杆轴长340mm,宽40mm,厚5mm;两根等摇臂长440mm,宽40mm,厚5mm。4.1.5回位装置的设计回位装置由压缩弹簧和固定装置组成。弹簧一端连接在可移动的滑板上,一端连接在固定的底板上。两根压缩弹簧均布置在滑板的右侧,共同控制滑板机构的回位。回位弹簧的示意图如图4-5所示。图4-5 回位弹簧布置示意图由于上方两块滑板之间由等臂摇杆机构构成,因此两块滑板的移动方向是同时向内或同时向外的。当滑板向内侧移动时,位于左侧的压缩弹簧将负责将两块滑板回位;当滑板向外侧的移动时,位于右侧的压缩弹簧负责将两块滑板回位。两根压缩弹簧的规格完全相同,保证滑板在向外或向内移动相同距离时,会有相同大小的恢复力。侧滑检验台能检验的侧滑量量程为10m/km,换算到长为1m的侧滑检验台上,滑板单侧的最大的位移量为10mm。因此我们取弹簧的最大压缩长度为20mm,预紧长度为5mm。JJG908-2009计量规程中规定了移动滑板所需的力:“滑板从零位开始移动0.1mm时,所需作用力不大于60N;从零位开始移动至侧滑量5m/km时,所需作用力不大于120N9。”为符合计量规程的要求,取弹簧压缩5mm为预紧位置。当侧滑量为0.5mm时,弹簧压缩量为5.5mm,回弹力为55N;当侧滑量为5mm时,弹簧压缩量为10mm,此时回弹力为100N。压缩弹簧的回弹力设置如图4-6。图4-6 弹簧长度、回弹力设计图接下来,我们选择弹簧的类型为冷卷压缩弹簧,弹簧的材料我们选择碳素弹簧琴钢丝,切变模量G=79GPa,弹性模量E=206GPa;为保证弹簧回弹机构的寿命,按第类弹簧进项考虑,ip=0.3sb;旋绕比C取8。根据弹簧的强度条件计算公式,我们可以求出弹簧钢丝的直径为:d1.6FmaxCP=1.431mm(47)因此我们取d为1.4mm;弹簧的刚度为:kp=F=F2-F12-1=150-5015-5=10N/mm(48)另弹簧外径为,则弹簧的圈数n为:n=Gd48D23KP=10.585(49)取n=10.5,螺旋角a=8,则弹簧总长为:H0=nD2tan+d=38mm(410)为了保证弹簧的稳定性,两端固定的弹簧的宽高比b,应小于等于5.3。而此次设计的弹簧:b=H0D=389.4=4.045.3(411)经检验此弹簧的稳定性合格。同时,弹簧在安装时应在两端各设置一个5mm高的圆柱形凸台用于固定弹簧,凸台的直径应为6.5mm,小于弹簧的内径。另外,弹簧在固定时应有5mm的压缩量提供预紧力。4.1.6测量装置的设计在测量装置方面,我们选择差动变压器式位移传感器将汽车的侧滑量转化为电信号。位移传感器由位移测量杆、线圈组、中间的衔铁和后部电路部分构成,示意图如图4-7所示:图4-7 位移传感器结构示意图图片中的位移测量杆与滑板连接,随滑板运动,将滑板的位移量变成中间衔铁的位移。中间的线圈组由一个一级线圈和两个二级线圈构成。尾部的电路部分为一级线圈提供交流电压,并将二级线圈产生的电势差信号传递给仪表。其中,由两组线圈组成的差动变压器是传感器的关键,差动变压器的原理图4-8如下:图4-8 差动变压器原理图一级线圈为变压器的激励线圈,在差动变压器工作时,需要在一级线圈一侧加上交流电,这样由于互感作用的影响,两个二级线圈就产生了感应电动势。衔铁另一侧的两个二级线圈匝数相同,长度相等,以极性相反的方式串联在一起。两个二级线圈感应电动势的计算公式分别为:E21=-jM1I(412)E22=-jM2I(413)由于两个二级线圈的极性相反,则二级线圈两输出点的电势差为:E=E21-E22= j(M2-M1)I(414)其中,E21、E22分别两个二级线圈的电动势,M1、M2为两个二级线圈的互感系数,j为电流的体密度,w为交流电的角频率,I为二级线圈上的电流。由于两个二级线圈为串联关系,两个线圈上的j、w、I都相等。这样一来,当铁芯位于中心位置时,两个二级线圈的互感系数相同,M1=M2。此时两端点的电势差为零,这个位置被称为差动变压器的机械零点,同时对应侧滑检验台的侧滑零点。图4-9 差动变压器电压特性图如图4-9所示,差动变压器在中间的衔铁在向一侧发生移动时,会产生与移动距离成正比的电压。同理向另一侧发生移动时,会产生方向相反但同为正比的电压。这就实现了差动变压器传感器精确的测量位移量的功能。需要注意的是,在实际测量实验中,需要把测量位移的量程设置在传感器的线性范围之内,这样才能保证测量效果的精准。4.2检验台的装配在完成了检测台各部分零件之后,需要将各部分装配成侧滑检验台。其中,滑板和动滑道需要通过螺纹链接;回位机构中的弹簧需要固定在滑板和框架结构之间;位移传感器也需要和定位机构组装好一起固定在底板上。为方便侧滑检验台的生产应用,说明书给出检验台的装配步骤,步骤如下。1. 框架结构的装配,将静滑道、弹簧定位装置安装到底板框架结构上;2. 将位移传感器固定在底座上,整理位移传感器的线路;3. 将整体框架结构通过埋地螺钉固定在预留的坑位里;4. 滑板的装配,将动滑道、弹簧定位装置安装到两个滑板上;5. 将滑板放置在底板上,注意回位弹簧的定位;6. 等臂摇杆机构的装配,将等臂摇杆机构通过铰链连接起来,并固定在两滑板之间。4.3侧滑检验台的使用方法双板式侧滑检验台属于较为精密的检测仪器,一点小小的操作误差就可能引起侧滑量检验的不合格。因此,检测前准备、检测步骤以及检测后的维护保养等步骤需要严格按照说明书来执行。检验台的具体操作步骤如下。4.3.1检测前的准备1. 在不通电的情况下,检查仪表指针是否在零位上;2. 接通电源,晃动滑板,待滑板静止后,查看指针是否在零位上或侧滑量的数值是否为零。如发现失准,则需要分别调整滑板零位和传感器零位,使读数清零;3. 检查侧滑台及场地是否存在机油、石子等影响检验的杂物,并清理干净;4. 将待检车辆的各轮胎气压恢复至规定值;5. 检查并清理轮胎上附着的水渍、油污,清理嵌入轮胎花纹的石子等杂物;6. 准备就绪,可以对汽车的侧滑量开始检验。4.3.2检测步骤1. 松开滑板的锁定手柄,接通电源;2. 驾驶汽车以3-5km/h的速度,让待检测的车轮垂直通过滑板。在汽车通过侧滑板时严禁驾驶员进行转向和制动的操作;3. 当被检车轮从滑动板上完全通过时,查看检验台仪表,读取侧滑值,注意区分滑板的运动方向,即向内侧滑还是向外侧滑。侧滑的方向由正负号进行区分,滑板向外侧滑动,记侧滑量为负值,表示车轮有向内侧的侧滑(即IN);滑板向内侧滑动,记侧滑量为正值,表示车轮有向外的侧滑(即OUT);4. 检测结束后,将车辆驶出侧滑检验台,将仪表归零后切断电源,最后手动锁止滑板。4.3.3注意事项1. 驾驶车辆通过检测台时需要注意控制车速,速度过高会因台板的惯性力和仪表的动态响应迟滞而影响测量精度,速度过低测量时间过长也会引起传感器的失真误差;2. 当被检车轮从滑动板上完全通过时应立即实施制动,防止另一组车轮驶上滑板,对测量结果造成影响;3. 注意检测台的限重,不能驾驶超过限定轴重的汽车驶入检验台,防止损害检验台;4. 不允许汽车在通过检验台时实施转向和制动,防止对测量结果的准确性造成影响;5. 前驱的车辆在进行侧滑量测试时,不应突然加油、收油或踩踏离合器,这样操作会改变汽车的前轮的受力状态和定位角,同样会造成测量的误差;6. 检验台在不适用时应保持清洁,禁止在检验台上停放车辆。第五章 四轮定位与侧滑检验5.1定位参数与侧滑量 我们在讨论四轮定位分析与侧滑检验的关系时,由于侧滑检验只能检验汽车转向轮的外倾角和前束匹配是否得当,因此只能对外倾角和前束进行定位分析,分析二者和侧滑量以及侧向力之间的关系。5.1.1前束侧滑量与外倾侧滑量的区分要想探寻前束外倾角与侧滑量的关系,首先要先将前束和外倾角的侧滑量区分开来。由于前束的存在,汽车在前进时轮胎有向内靠拢的趋势,在后退时两个轮胎有向两侧张开的趋势。但拥有车轮外倾角的车辆,无论在车辆前进还是后退的时候都有向外扩张的趋势。因此,我们可以利用汽车前进后退产生的侧滑量之差将汽车的前束侧滑量与外倾侧滑量分开。这样一来,我们让车辆前轮在侧滑检验台前进后退各一次,测量得侧滑量分别为C1和C2。同时令X表示外倾侧滑量,Y表示前束侧滑量。则有:C1=X-Y(51)C2=X+Y(52)由公式C1=X-Y(51)、Error! Reference source not found.可得:X=C1+C22(53)Y=C2-C12(54)在区分完侧滑量之后,我们就可以分析定位参数与该定位参数引起的侧滑量之间的关系。由于疫情原因,原定于汽运实验室中的实验无法进行,因此改为在文献中分析定位参数与侧滑量的关系。5.1.2前束与前束侧滑量在汽车转向轮前束值与侧滑量、侧向力的研究一文中,可以找到关于前束和前束侧滑量关系方面的研究。文章利用解放CA3101自卸汽车和北京BJ2020N型吉普车进行了前束前束侧滑量的实验,当固定汽车的车轮外倾角时改变前束值,得出数据如表5-1、5-2所示。表5-1 CA3101前束值与前束侧滑量测量值序号12345前束值(mm)-15371018前束侧滑量(m/km)-9.654.45.38.116.3表5-2 BJ2020N前束值与前束侧滑量测量值序号123456前束值(mm)-19-12.5-11.50.4918前束侧滑量(m/km)-10.4-7.7-4.152.46.7573.3另前束值和前束侧滑量分别为X、Y。将解放CA3101的侧滑数据描绘在坐标系中,就得到了一张散点图,再对其进行回归分析,我们就可以得到CA3101前束与前束侧滑量的回归方程:图5-1 CA3101前束值与前束侧滑量线性回归图如图5-1所示,回归方程为Y=0.760113X+1.39348;相关系数R=0.992942;剩余标准差S=0.0524172。同理,我们对BJ2020N的前束值与前束侧滑量进行线性分析:图5-2 BJ2020N前束值与前束侧滑量线性回归图如图5-2所示,回归方程Y=0.634262X+1.68241;相关系数R=0.994027;剩余标准差S=0.0348193两组数据的回归方程的相关系数近似于1,说明CA3101的前束与前束侧滑量存在高度正相关。两组数据的剩余标准差S特别小,说明侧滑量的真实值与拟合值极为相近。这足以说明:在其他定位参数一定的情况下,汽车的前束与前束所产生的侧滑量成正比。5.1.3外倾角与外倾角侧滑量在车轮前束、车轮外倾角与侧滑量分析一文中,我们可以找到车轮外倾角与外倾角侧滑量之间的关系。文章中提供了两量LZ110S微型车外倾角与外倾角侧滑量的平均值,两辆车的前束值被固定在8mm。侧滑数据如表5-3:表5-3 LZ110S外倾角与外倾角侧滑量测量平均值序号1234567外倾角4555105115125135145外倾角侧滑量(m/km)963-2-7-9-11由于该篇文章发表年限过长,侧滑量的值精度不够,线性回归分析时,可能会对剩余标准差的准确性产生不利影响。线性分析结果如图5-3所示10:图5-3 LZ110S外倾角与外倾角侧滑量线性回归图回归方程为Y=-21.429X+25.214;相关系数R=-0.9909;剩余标准差S=0.053014。这样可以判断,在其他定位参数一定得到情况下,车轮外倾角和外倾角的侧滑值存在负相关关系。5.2定位参数与侧向力5.2.1前束侧向力与外倾侧向力的区分与区分前束侧向力和外倾侧向力的方法相同。让车辆前轮在检验台内各前进和后退一次,分别测得侧向力F1和F2。我们令Ft表示前束侧向力,Fy表示外倾角倾向力,且约定Fy方向为正。则有:F1=Fy+Ft(55)F2=Ft+Fy(56)由公式Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.可得:Fy=F2+F1(57)Ft=F2-F1(58)5.2.2前束与前束侧向力同样是在汽车转向轮前束值与侧滑量、侧向力的研究一文中,我们可以找到当外倾角一定时,解放CA3101和北京BJ2020N的前束与前束侧向力的数据,数据如表5-4、5-5所示:表5-4 CA3101前束值与前束侧向力测量值序号12345前束值(mm)-15371018前束侧向力(N)-15004856158001675表5-5 BJ2020N前束值与前束侧向力测量值序号123456前束值(mm)-19-12.5-11.50.4918前束侧向力(m/km)-505-340-235235375540对CA3101和BJ2020N的前束和前束侧向力进行线性回归分析,我们可以得到:图5-4 CA3101前束值与前束侧向力线性回归图图5-5 BJ2020N前束值与前束侧向力线性回归图如图5-4、5-5,我们可以看到,CA3101的前束与前束侧向力的回归方程为Y=94.586X-20.095;相关系数R=0.99362;剩余标准差S=1.59692;BJ2020N的前束与前束侧向力的回归方程为Y=29.503X+88.373;相关系数R=0.98353;剩余标准差S=2.87804。由于力学单位N较小,且测力装置容易出现误差。因此这两个方程的剩余标准差较大可以接受。由此可以说明,在其他定位参数一致时,汽车的前束与前束侧滑量成正比关系。5.3外倾角与前束的函数关系在用实验数据推断出车轮外倾角与车轮前束的正比关系之后,就可以进一步发掘二者之间的函数关系。根据现有文献推算,国内最早给出二者函数关系表达式的是清华大学郭孔辉院士。资料中显示,前束角bT与有效外倾角le的关系为:T=FyFye (59)其中,Fy为侧向力,a为轮胎偏角;因此,Fy为轮胎的侧偏刚度。有效外倾角le是指在考虑了侧倾侧向力引起轮胎侧倾变形以及反转力矩引起轮胎局部胎体侧倾变形之后的量11。受制于轮胎力学特性的复杂性和模型的精确性,该表达式在日常的汽车设计工作中难以应用。在此表达式的基础之上,来自东风汽车公司的史建鹏在论文汽车转向轮前束与车轮外倾角的设计匹配中,通过物理模型,模拟了汽车转向轮在只有前束和只有外倾角的条件下的在地行驶轨迹。并从转向轮的行驶轨迹的分析中得出:车轮外倾角和前束的最佳平衡和协调关系是轮胎接地印迹形成的三角形面积相等。即:T=2dlsin3r1+sin2(510)其中,T为前束值,r为车轮滚动半径,d为测量前束处的轮辋直径,l为车轮接地印记长度,g为车轮外倾角。文章在最后表示,转向轮前束与车轮外倾角、车轮半径和轮胎接地印迹长度有关,与汽车轴距无关12。然而,合肥工业大学的一篇论文汽车外倾角与前束值的合理匹配研究却得到了相反的结论。这篇文章同样对转向轮在各定位参数影响的情况下的轨迹进行了分析,分析指出:在一段微小位移中,当转向轮只在前束影响下的行驶轨迹和只在外倾角影响下的行驶轨迹,在垂直于汽车行驶的方向上投影大小相等,方向相反时,前束和外倾角的匹配合理13。因此,这篇文章推算出来的前束与外倾角的关系为:T=4Lld(8L-l)r(511)为了方便文章的理解,这里将原文章的字母与上面文章的字母进行了统一。其中,新增的L为汽车的轴距。另外,还有一篇论文汽车前轮前束值算法研究同样进行了侧滑方面的研究。这篇文章中没有过多的推导过程,直接给出了前束与外倾角的关系式,字母含义同上:T=2Lld(4L+l)r(512)从三篇文章对前束与外倾角的函数关系的阐述,我们可以看出:业界普遍认为,车轮前束的大小与汽车的轮辋直径、轮胎接地长度和车轮外倾角成正比14。而汽车的轴距往往会作为一个修正系数存在于公式中,用于修正前束与外倾角的比例关系。由于汽车的侧滑量与位移量相比十分微小,因此会存在测量难度高、误差大等诸多问题。另外每台车辆参数不同、使用程度不同、车身各零件的旷量与形变程度都不同。这就使得我们在套用前束和外倾角的函数关系时,仅能得到一个近似的推荐值。因此以上三个公式都没有问题,在日常的生产活动中都可以使用。若想要前束和外倾角进行较为完美的配合,把侧滑量降到最低,还需要借用四轮定位分析仪进行调试。5.4小结本章我们区分了外倾侧滑量和前束侧滑量,外倾侧向力和前束侧向力,并探寻了前束与前束侧滑量、前束侧向力,外倾角与外倾侧滑量之间的比例关系。最后还探寻了前束与外倾角的函数关系。总的来说,当汽车的外倾角固定时,汽车的前束与前束引起的侧滑量、前束引起的侧向力成正比;当汽车的前束固定时,车轮的外倾角与外倾角引起的侧滑量成正比11 ;车轮前束的大小与汽车的轮辋直径、轮胎接地长度和车轮外倾角成正比。第六章 结论双板联动式侧滑检验台是汽车检测诊断的常用检测设备,具备着测量结果准确、测量效率高等优点。而随着汽车检测诊断技术的发展,侧滑检验台也必将向着更准确、更快速更智能的方向发展。本次毕业设计受制于疫情的影响,预计的实验未能完成。在四轮定位分析方面,在探寻出了前束与侧滑量与侧向力、外倾角与侧滑量的正比关系之后,又从文献之中归纳出了转向轮前束与外倾角的函数关系。但目前的前束与外倾角的函数关系模型还不够精确,应用在不同的车辆上有明显的个体差异。只有函数关系的不断优化,才能使汽车前束与外倾角的配合更为准确;而在对汽车进行侧滑检测的过程中,会积累大量的定位参数的原始数据,这些数据可以反过来用于修正函数关系里的各个系数,使函数关系不断的优化。二者相辅相成,形成逻辑闭环,可能会成为侧滑检验台未来的研究方向。本次设计的说明书部分,对侧滑产生的原理、侧滑检验台的结构进行了详细的阐述,从而确定了设计方案,后续又对检验台的各机构进行了详细的分析,最终对检验台的使用方式以及维修保养进行了说明。在设计方面,此次侧滑检验台对滑动进行了重新的设计,用三角形导轨代替了传统的滚轮,利于导向定位,使得侧滑量测量的精确度得到了提高。全文机械设计部分配有CAD图纸,方便对侧滑检验台的整体结构进行理解。致谢时光荏苒,吾于吉大之学习,已四年矣。遥想初入大学之时,若即于昨日。虽有百千感慨,思绪翻涌之间,不能表其万一。唯长者授业之恩,与同窗互助之宜,莫敢忘怀。故卖弄文字,记为致谢,聊表余之心意。余赵恩笛,辽宁沈阳人氏。自平民世家,孝悌并举,厉修勤为祖训,未尝作恶。父红军,素以严格待人,虽有毫厘之差,必责罚于我。母亲李氏,温恭善良,家庭之事,处处用尽心力。父母徒养于我,不思回报,今以二十又一年矣,现双亲鬓渐发白,身不如夕,然爱我之情不曾稍减。其人教诲,为吾之成才大有裨益。我却未曾为其分忧,每念于此,未尝不内疚叹息。假以来日,定当勤勉工作,勤俭持家,勤恳为事,不负父母之殷殷期。梅贻琦曰:所谓大学者,非谓有大楼之谓也,有大师之谓也。南岭之于吉大,非有大楼之谓,然大师之谓也,俯拾皆是。恩师任有先生,慈祥恺悌,或遇弟子相教,必躬身以解,言传身教,莫不叹服。自吾拜于师门之下,请教毕业设计之法。先生朝而敦促实践,暮而斧正拙笔,博闻强识,莫有不完备者也,为学幸得先生之助,恩情未可胜记。吾于南岭之四年,友之者众,同窗者唯润垲、冠佑,最为亲近。垲天资聪颖,留本校以治学;佑心存高远,赴东洋以进修。唯愿二人前程似锦,来日方长,未来可期。同乡可人,谦和稳重,姿色尚佳,追之者众。然人独爱学习,于入门之际助吾甚多,期末之情,没齿难忘。同门立新、昱旻、庆远、凤儒等,亦有手足之情,分别在即,恕难一一道谢,江湖路远,望自珍重
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