电动汽车检测线上的定位行进机构的设计

张孟熙，李成群，高铁军

（河北联合大学 机械工程学院，河北 唐山 063000）

0 引言

在全球能源匮乏和环境污染问题的严峻形势下，节能与新能源汽车已经成为国家科技发展的战略重点，其中，电动汽车作为主要技术方案之一倍受瞩目。电动汽车与燃油车相比，其优点是采用蓄电池或燃料电池作为原动力，节油环保，在国内有着巨大的市场潜力，因此对电动汽车的检测尤其重要。但是在对每一项性能指标逐一检测时，需要在每一工位上单独定位，花费的整体时间则会很长，还有可能会出现定位不准等问题，而且多项检测台总体所占的面积也过大，所以电动汽车检测设备的自动化、集成化是目前电动汽车检测的发展方向［1－2］。

1 电动汽车检测线基本组成及原理分析

1.1 检测线各工位分布图设计与实现

检测线一般按单线布置，工位数量按4个～6个设置，软件系统按模块化系列设计，各系统之间应具有较强的通用性和直接性。检测线必须具有较强的稳定性、可靠性和齐全的功能性，并具有强大的数据库存储功能。在数据库中需存储每辆受检车辆的各项数据，可随时查询并按日检、月检、年检车数打印出所需统计报表。同时该软件系统应进行注册登记，符合GB7258《机动车运行安全技术条件》、GA468《机动车安全检验项目和方法》、JT/T478《汽车检测站计算机控制系统技术规范》等最新标准和规定要求［3］。综上所述，设计出的检测试验台包括底盘测功机、制动速度检测台、侧滑台、悬挂轴重试验台、灯级计、声级计、路况试验台等检测设备。检测线工位分布应遵循人员安全、功能需要、工位节拍均衡的原则设计，防止出现待检时间过长或无用工位检测。根据电动汽车在某工位检测所占用的时间和该车辆所需检测项目，设计出由4个工位组成的性能检测线，如图1所示。

图1 电动汽车检测线工位分布图

1.2 定位行进机构结构设计和工作原理

为满足电动汽车的检测自动化，能自由地实现工位转换，并克服人工定位准确度低的问题，设计出一个具有多自由度的定位行进机构装置，能在多个方向工作，并能带动电动汽车在检测线上移动，进行工位定位、转换。

图2为定位行进机构整体结构示意图，该装置主要包括驱动装置、起重装置、横向推移装置和车轮防脱装置等。其工作原理为：①当电动汽车在试验台上的第一工位项目检测完成后，定位行进机构驱动到第一工位定位点，确定车辆前轮位置；②由横向推移装置伸出起重梁至电动汽车前轮下方；③起重装置启动，抬升电动汽车前轮；④车轮防脱装置挡块向上旋转，贴紧前轮并自锁；⑤驱动装置启动，驱动定位行进机构到车辆待检测的下一工位；⑥车轮防脱装置回转挡块，起重装置下降，横向推移装置收回起重梁；⑦电动汽车进行此工位的性能检测，定位行进机构准备下一工位的转换。

图2 定位行进机构整体结构示意图

2 抬升过程的能耗与静力学分析

图3 电动汽车受力图

由图3所示的受力情况，可得出重心距车轮中心线的高度为（h3－r），当电动汽车前轮被抬高一定高度时，抬升倾角会引起载荷转移，导致电动汽车重力W重新分配。图4为增大倾角时的受力示意图，其中距离Δ＝（h3－r）×tanα。分别对力F1的延长线与地面的交点O1及电动汽车后轮接地点O2取矩，根据几何关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分别为电动汽车水平放置时的前、后轮支反力合力，即由倾角引起的电动汽车前、后轴重力的增量可忽略不计。在整个抬升车辆运动过程中，由于抬升高度较小，后车轮所受的滚动阻力偶矩T较小，可忽略不计。电动汽车被抬升后，其前轮支反力F1落在起重装置上，而其后轮法向反力F2由地面提供。

根据公式（1）得到的此抬升运动克服重力做功为：E＝422.18J。

图4 增大倾角受力图

3 定位行进机构的装置分析

3.1 起重装置

设计的起重装置如图5所示，它由电动机、齿轮副、蜗轮蜗杆副和滚珠丝杠副串联构成。电动机转动通过齿轮副传递给蜗轮蜗杆副，蜗杆旋转将力传递到与其啮合的蜗轮上。与蜗轮同轴的丝杠随着蜗轮旋转，并通过与其啮合的丝杠螺母转化成直线运动。螺母与横向推移装置固定在同一连接板上，螺母的直线运动完成抬升电动汽车前轮的工作。因蜗轮蜗杆副有自锁功能，所以在电动汽车前轮被抬升后进行自锁，防止前轮出现下落等危险情况。

图5 起重装置俯视图

设起重装置中的电动机输出转矩为T1，电动机转速为n；齿轮副采用一级齿轮传动，其传动比为i1、传动效率为η1；蜗轮蜗杆副传动比为i2，传动效率为η2；滚珠丝杆副的导程为S、传动效率为η3。则电动汽车前轮抬升的速度为：

所需电动机功率P（kW）为：

所以选取额定功率略大于84W、额定扭矩略大于0.267N·m 的电动机［4］。

3.2 横向推移装置

设计的横向推移装置如图6所示。

图6 横向推移装置俯视图

其工作原理为：由液压缸推动滑动滑块，并带动连杆运动，使导轨轴横向移动，推动滚子到车轮下方；当液压缸活塞杆做回复运动时，滚子则撤离车轮下方，回到其初始位置。

其中：F5、F6分别为O3轴和O2轴所承载的力，F5＝F6。取前轮直径Φ1＝500mm，滚子直径Φ2＝Φ3＝120mm，则cosβ＝0.528，依据公式（7）得F5＝F6＝1 767.8N。忽略横向推移装置自身重力，则抬升过程中一根导轨轴受力示意图如图8所示（以O3轴为例）。

图7 前轮受力示意图

图8 导轨轴受力示意图

图8中，c＝450mm，d＝150mm。分别对点1和点2取矩列出平衡方程：

由式（8）、式（9）得到支座约束力：

由材料力学中剪力和弯矩的知识可以得出：导轨轴在固定滑块处受弯矩最大，此处截面上的应力为最大应力，最大弯曲正应力为：

其中：Mmax为最大弯矩；Wσ为抗弯界面系数。将相关参数代入式（12），求得最大应力为σmax＝4.69MPa。

3.3 车轮防脱装置

在定位行进机构上设置一组车轮防脱装置，如图9所示。

其工作原理为：通过两个液压推杆同时工作，推动固定在推杆前段的齿条带动齿轮和轴转动，并使左、右两组挡块同时旋起，夹紧车轮防止其脱离。

图9 车轮防脱装置俯视图

4 结论

本文通过对电动汽车检测线的技术升级改造，设计出了一种能自动行进、定位的机构，减少了人工定位次数，节省时间，满足电动汽车在试验台上定位行进的自动化。分析了行进定位机构的结构形式和工作原理，基于力学对其进行分析研究，对于电动汽车的检测应用具有一定参考价值。

［1］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］戴耀辉，于建国.汽车检测与故障诊断［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］吕其惠，蒋波，严朝勇.汽车检测线制动检验台在线测控系统的开发与应用［J］.仪表技术与传感器，2008（7）：43－47.

［4］李建功.机械设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.