電動汽車檢測線上的定位行進機構的設計

張孟熙，李成群，高鐵軍

（河北聯合大學 機械工程學院，河北 唐山 063000）

0 引言

在全球能源匱乏和環境污染問題的嚴峻形勢下，節能與新能源汽車已經成為國家科技發展的戰略重點，其中，電動汽車作為主要技術方案之一倍受矚目。電動汽車與燃油車相比，其優點是采用蓄電池或燃料電池作為原動力，節油環保，在國內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，還有可能會出現定位不準等問題，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備的自動化、集成化是目前電動汽車檢測的發展方向［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計與實現

檢測線一般按單線布置，工位數量按4個～6個設置，軟件系統按模塊化系列設計，各系統之間應具有較強的通用性和直接性。檢測線必須具有較強的穩定性、可靠性和齊全的功能性，并具有強大的數據庫存儲功能。在數據庫中需存儲每輛受檢車輛的各項數據，可隨時查詢并按日檢、月檢、年檢車數打印出所需統計報表。同時該軟件系統應進行注冊登記，符合GB7258《機動車運行安全技術條件》、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技術規范》等最新標準和規定要求［3］。綜上所述，設計出的檢測試驗臺包括底盤測功機、制動速度檢測臺、側滑臺、懸掛軸重試驗臺、燈級計、聲級計、路況試驗臺等檢測設備。檢測線工位分布應遵循人員安全、功能需要、工位節拍均衡的原則設計，防止出現待檢時間過長或無用工位檢測。根據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 定位行進機構結構設計和工作原理

為滿足電動汽車的檢測自動化，能自由地實現工位轉換，并克服人工定位準確度低的問題，設計出一個具有多自由度的定位行進機構裝置，能在多個方向工作，并能帶動電動汽車在檢測線上移動，進行工位定位、轉換。

圖2為定位行進機構整體結構示意圖，該裝置主要包括驅動裝置、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，定位行進機構驅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，貼緊前輪并自鎖；⑤驅動裝置啟動，驅動定位行進機構到車輛待檢測的下一工位；⑥車輪防脫裝置回轉擋塊，起重裝置下降，橫向推移裝置收回起重梁；⑦電動汽車進行此工位的性能檢測，定位行進機構準備下一工位的轉換。

圖2 定位行進機構整體結構示意圖

2 抬升過程的能耗與靜力學分析

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），當電動汽車前輪被抬高一定高度時，抬升傾角會引起載荷轉移，導致電動汽車重力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，根據幾何關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 定位行進機構的裝置分析

3.1 起重裝置

設計的起重裝置如圖5所示，它由電動機、齒輪副、蝸輪蝸桿副和滾珠絲杠副串聯構成。電動機轉動通過齒輪副傳遞給蝸輪蝸桿副，蝸桿旋轉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，并通過與其嚙合的絲杠螺母轉化成直線運動。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行自鎖，防止前輪出現下落等危險情況。

圖5 起重裝置俯視圖

設起重裝置中的電動機輸出轉矩為T1，電動機轉速為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，使導軌軸橫向移動，推動滾子到車輪下方；當液壓缸活塞桿做回復運動時，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，F5＝F6。取前輪直徑Φ1＝500mm，滾子直徑Φ2＝Φ3＝120mm，則cosβ＝0.528，依據公式（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軌軸受力示意圖如圖8所示（以O3軸為例）。

圖7 前輪受力示意圖

圖8 導軌軸受力示意圖

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：

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

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

3.3 車輪防脫裝置

在定位行進機構上設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 結論

本文通過對電動汽車檢測線的技術升級改造，設計出了一種能自動行進、定位的機構，減少了人工定位次數，節省時間，滿足電動汽車在試驗臺上定位行進的自動化。分析了行進定位機構的結構形式和工作原理，基于力學對其進行分析研究，對于電動汽車的檢測應用具有一定參考價值。

［1］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009.

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

［3］呂其惠，蔣波，嚴朝勇.汽車檢測線制動檢驗臺在線測控系統的開發與應用［J］.儀表技術與傳感器，2008（7）：43－47.

［4］李建功.機械設計［M］.北京：機械工業出版社，2008.