劉建建

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院,福建 廈門 361023)

近年來(lái),電動(dòng)兩輪車輛具備的出行便利性已廣受國(guó)民的喜愛(ài),已成為重要的短途個(gè)人出行交通工具之一,同時(shí)因其具備一定的載物性能,也已成為專業(yè)配送、快遞從業(yè)人員的謀生工具。隨著近年來(lái)電動(dòng)兩輪車輛使用需求量的激增,帶動(dòng)著整個(gè)電動(dòng)兩輪車輛制造產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,創(chuàng)造的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演著重要的角色。作為民生使用的電動(dòng)兩輪車輛產(chǎn)品,在其高效便捷的使用背后,社會(huì)各方應(yīng)加大對(duì)產(chǎn)品安全性能的關(guān)注,如車輛的駕駛穩(wěn)定性。電動(dòng)兩輪車輛的行駛穩(wěn)定性是影響其行駛安全的一個(gè)非常重要的因素,而車輛的質(zhì)心位置是評(píng)估車輛行駛穩(wěn)定性的關(guān)鍵,因此質(zhì)心位置的準(zhǔn)確測(cè)量是對(duì)研究車輛的行駛性能有著非常重要的意義[1],也是對(duì)車輛從各個(gè)學(xué)科進(jìn)行使用性能分析的基礎(chǔ)。

目前國(guó)家已制定了相關(guān)兩輪車輛質(zhì)心測(cè)量試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2-3],故而在兩輪車輛質(zhì)心測(cè)量原理上已有據(jù)可依,但標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于質(zhì)心測(cè)量程序較為復(fù)雜,涉及工裝配套較多,便捷性不足,易造成測(cè)量精度低、誤差大的問(wèn)題。因此,基于電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心測(cè)量的檢測(cè)需求,文中設(shè)計(jì)研究以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)心測(cè)試方法為基礎(chǔ),應(yīng)用車輛質(zhì)心測(cè)量方法如搖擺法、懸掛法、質(zhì)量反應(yīng)法、不平衡力矩法等[4-6]中的質(zhì)量反應(yīng)法結(jié)合力矩平衡原理開發(fā)設(shè)計(jì)電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)采用前后雙輥輪自動(dòng)對(duì)中結(jié)構(gòu)為支撐,雙向同步對(duì)稱夾緊裝置,電控線性滑軌與剪刀叉升降結(jié)構(gòu)以及高精度位移、質(zhì)量采集及通信技術(shù),通過(guò)PLC及配合相關(guān)軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心位置快速、精準(zhǔn)的測(cè)量確定。

1 電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)原理

電動(dòng)兩輪車輛在水平面內(nèi)的質(zhì)心位置和質(zhì)心高,根據(jù)在同一位置的同一物體,其重心和質(zhì)心重合的原理[7],用測(cè)物體重心的方法、原理測(cè)取電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心的水平坐標(biāo)位置;質(zhì)心高的測(cè)量,需將車輛的前輪(后輪)抬高使車輛傾斜一定的角度,且應(yīng)保證車輪處于直線行駛位置。綜合文獻(xiàn)[2]、[3]中對(duì)兩輪車輛質(zhì)心的測(cè)量方法,文中的設(shè)計(jì)研究采用的基礎(chǔ)原理為:

電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心距前輪軸線距離Lg按圖1及公式(1)測(cè)量計(jì)算得出。

圖1 車輛質(zhì)心水平坐標(biāo)位置

質(zhì)心距前輪軸線距離Lg:

(1)

其中,整車質(zhì)量m=前輪質(zhì)量m1+后輪質(zhì)量m2。

兩輪車輛質(zhì)心高Hg按圖2及公式(2)測(cè)量計(jì)算得出。

圖2 車輛質(zhì)心高坐標(biāo)位置

質(zhì)心距車輛接觸地面的距離Hg:

(2)

式中:Δm=m1′-m1。

當(dāng)前后輪直徑規(guī)格不相同時(shí),式中rj按式(3)計(jì)算:

(3)

綜上式(1)式(2)式(3)可知,測(cè)量?jī)奢嗆囕v質(zhì)心的關(guān)鍵是要先測(cè)出兩輪車輛的軸距、前后輪質(zhì)量、舉升角度及舉升后的前后輪質(zhì)量等(輪胎半徑可采用輪胎規(guī)格對(duì)應(yīng)的半徑數(shù)值),故而兩輪車輛質(zhì)心位置測(cè)量的準(zhǔn)確程度取決于對(duì)上述各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確程度。文中圍繞如何快速、精準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)量出車輛軸距、前后輪質(zhì)量、舉升角度等展開對(duì)電動(dòng)兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

研究以質(zhì)量反應(yīng)法及力矩平衡原理為理論依據(jù),通過(guò)以雙輥輪自動(dòng)對(duì)中結(jié)構(gòu)為支撐配合雙向同步對(duì)稱夾緊裝置實(shí)現(xiàn)保證車輛處于垂直狀態(tài),由高精度位移傳感器采集車輛軸距,同時(shí)通過(guò)高精度壓力傳感器采集前后輪的質(zhì)量;通過(guò)精密剪刀叉升降機(jī)構(gòu)將車輛后輪抬起一定高度,并由相關(guān)傳感器采集提升高度、前后軸在水平方向上的距離和前后輪質(zhì)量;采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件程序運(yùn)算后輸出測(cè)量所需的質(zhì)心水平位置Lg和質(zhì)心高度Hg;上述所有的動(dòng)作過(guò)程及數(shù)據(jù)采集運(yùn)算均為通過(guò)由預(yù)先編制的PLC程序控制運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)心測(cè)量運(yùn)算的快速化、自動(dòng)化,其工作原理流程見(jiàn)圖3,主要機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行原理

圖4 質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 雙輥輪自動(dòng)對(duì)中支撐結(jié)構(gòu)及雙向同步對(duì)稱夾緊裝置

雙輥輪自動(dòng)對(duì)中支撐結(jié)構(gòu)是兩輪車輛軸距測(cè)量精度的保證,在支撐座中心平面前后對(duì)稱布置兩件輥輪,當(dāng)車輪以自然狀態(tài)處于兩輥輪間上方時(shí),即可利用車輪圓形輪廓的特征實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中,即實(shí)現(xiàn)兩輥輪對(duì)稱平面與車輪軸豎直截面重合,解決了因車輛前后輪軸寬度不同,無(wú)法通過(guò)軸端直接測(cè)量軸距的問(wèn)題。

雙向同步對(duì)稱夾緊裝置是保證兩輪車輛在后續(xù)測(cè)量過(guò)程中始終保持鉛直狀態(tài)的必要條件,兩輪車輛前輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中后,通過(guò)程序自動(dòng)啟動(dòng)雙向同步電動(dòng)推桿對(duì)前輪輪轂進(jìn)行雙向夾緊,實(shí)現(xiàn)車輛始終處于鉛垂?fàn)顟B(tài)。

3.2 電控線性滑軌裝置

電控線性滑軌裝置是實(shí)現(xiàn)兩輪車輛平穩(wěn)直線移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置,在前輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中及夾緊后,通過(guò)程序自動(dòng)啟動(dòng)線性滑軌向右滑動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)車輛向前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng),在車輛前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,利用直線運(yùn)動(dòng)學(xué)原理實(shí)現(xiàn)車輛前后運(yùn)動(dòng)處于同一豎直平面內(nèi),即實(shí)現(xiàn)前后輪軸線處于平行狀態(tài),保證車輛軸距測(cè)量的準(zhǔn)確度。除此之外,通過(guò)利用線性滑軌裝置還可滿足對(duì)不同軸距車輛的測(cè)量應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的柔性化使用。

3.3 電控剪刀叉升降結(jié)構(gòu)

為測(cè)得兩輪車輛的質(zhì)心高度,依照前文原理需將車輛抬高至某一處使得車輛處于前后傾斜一定角度,在滿足設(shè)備使用條件、形狀緊湊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠、經(jīng)濟(jì)性上,電控剪刀叉升降結(jié)構(gòu)無(wú)疑是最理想的選擇。通過(guò)程序自動(dòng)啟動(dòng)剪刀叉電動(dòng)推桿,實(shí)現(xiàn)車輛后輪提升并可保持在行程范圍內(nèi)的任何位置,滿足車輛按照程序設(shè)定傾斜至測(cè)量所需的多個(gè)角度。

4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試數(shù)據(jù)的采集通信是兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量控制運(yùn)算系統(tǒng)連接的橋梁紐帶,其主要包括壓力及應(yīng)變傳感器、運(yùn)動(dòng)控制器模塊、串行總線采集模塊、微型光柵位移傳感器[8]采集模塊,數(shù)據(jù)采集及通信傳輸?shù)臏?zhǔn)確、穩(wěn)定可靠離不開系統(tǒng)的保障。上述的硬件配置加上PLC的連接電路和高速計(jì)數(shù)的軟件設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化[9]。

通過(guò)基于PLC高速光電編碼器對(duì)光柵傳感器信號(hào)進(jìn)行的高速處理[10-13],實(shí)現(xiàn)在車輛前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)車輛移動(dòng)距離的實(shí)時(shí)在線測(cè)量[14-15],在車輛后輪到位并自動(dòng)對(duì)中后,通過(guò)應(yīng)變傳感器發(fā)出信號(hào)的同時(shí),光柵位移傳感器完成對(duì)車輛移動(dòng)位移數(shù)據(jù)的采集,前后輪雙輥輪自動(dòng)對(duì)中支撐裝置下方的壓力傳感器完成對(duì)車輛前后輪質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信傳輸至后臺(tái)軟件計(jì)算模塊進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得出質(zhì)心水平位置Lg。

通過(guò)PLC編程的運(yùn)動(dòng)控制和光柵位移采集指令,實(shí)現(xiàn)在車輛后輪逐漸上升的過(guò)程中,前輪通過(guò)電控滑軌相應(yīng)后退移動(dòng),確保車輛后輪始終以自然狀態(tài)處于兩輥輪間上方。車輛傾斜至測(cè)量所需的角度位置時(shí),光柵位移傳感器完成對(duì)車輛水平移動(dòng)位移數(shù)據(jù)和豎直上升移動(dòng)位移數(shù)據(jù)的采集、前后輪雙輥輪自動(dòng)對(duì)中支撐裝置下方的壓力傳感器完成對(duì)車輛前后輪質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集。利用后輪上升移動(dòng)的位移、車輛軸距、車輛軸距在水平上的投影長(zhǎng)度(由水平光柵位移傳感器測(cè)得并經(jīng)運(yùn)算所得)三者組成直角三角形數(shù)學(xué)模型的原理,見(jiàn)圖5。

圖5 直角三角形數(shù)學(xué)模型

后臺(tái)程序根據(jù)采集到的參數(shù),利用公式(4)可自動(dòng)算出單前車輛傾斜角度的正切值;同時(shí)利用公式(5)自動(dòng)運(yùn)算出當(dāng)前的傾斜角度α。

(4)

(5)

上述采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信傳輸至后臺(tái)軟件計(jì)算模塊進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得出質(zhì)心高度Hg。

5 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)分析

文中基于質(zhì)量反應(yīng)法下的力矩平衡原理創(chuàng)造性設(shè)計(jì)開發(fā)出的兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),利用車輪圓形外輪廓特征設(shè)計(jì)開發(fā)出雙輥輪自動(dòng)對(duì)中支撐裝置,解決了車輛軸距和車輛后輪質(zhì)量因高度提升而存在摩擦力拖拽的測(cè)量難點(diǎn)和準(zhǔn)確度問(wèn)題;采用剪刀叉升降機(jī)構(gòu),不僅使整體設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊實(shí)用、平穩(wěn)可靠、可實(shí)現(xiàn)行程范圍內(nèi)的任意高度升降,還兼顧了整體設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性;在測(cè)量質(zhì)心高度中,通過(guò)引入直角三角形數(shù)學(xué)模型,使得傾斜角度正切值通過(guò)高精度光柵位移傳感器采集到的位移數(shù)據(jù)直接運(yùn)算得出,減少通過(guò)測(cè)量?jī)A斜角度而產(chǎn)生的間接測(cè)量的誤差,提高了質(zhì)心高度的測(cè)量精度;通過(guò)采用PLC自動(dòng)控制運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化、無(wú)人化,不僅減少人力測(cè)量工作強(qiáng)度、減少人為測(cè)量帶來(lái)的不可控影響,保證測(cè)量精度,還可實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)的可追溯性及可重復(fù)性或可復(fù)現(xiàn)性。

6 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果誤差分析

質(zhì)心測(cè)量試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)兩輪車輛為被測(cè)車輛,車輛屬性為電動(dòng)自行車,整車質(zhì)量51.6 kg;軸距為1040 mm;前后輪靜力半徑均為178 mm,前后輪額定胎壓均為250 kPa;質(zhì)心位置為L(zhǎng)g=610 mm;質(zhì)心高Hg=280 mm。質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量設(shè)備按照設(shè)定程序進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量:質(zhì)心水平位置Lg測(cè)量一次,實(shí)測(cè)前后輪軸距為1039.52 mm,整車質(zhì)量實(shí)測(cè)為51.58 kg;質(zhì)心高Hg測(cè)量三次,傾斜角度分別為10.1°、11.8°、14.1°。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)自行車質(zhì)心測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量的結(jié)果中分析可知,質(zhì)心水平位置測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值相差0.36 mm,偏差率為0.06 %;三次測(cè)量的質(zhì)心高度之間差值最大為3.60 mm、最小為1.06 mm,平均值為279.41 mm,偏差率介于0.38%～1.29%之間,質(zhì)心高度測(cè)量平均值與標(biāo)準(zhǔn)值相差0.59 mm,偏差率為0.21%。從上述結(jié)果分析中可知,造成上述測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差的主要原因是軸距測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值存在0.48 mm的偏差,經(jīng)分析造成該偏差的主要原因是前后車輪在雙輥輪自動(dòng)對(duì)中支撐裝置上因輪胎受力變形所造成的。綜上,因質(zhì)心位置測(cè)量偏差率遠(yuǎn)低于1%,所以上述測(cè)量結(jié)果已完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,達(dá)到了較高的測(cè)量精度,數(shù)據(jù)可以采信。

7 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)兩輪車輛無(wú)自平衡、前后輪軸線易不平行的特點(diǎn),基于質(zhì)量反應(yīng)法下的力矩平衡原理,利用雙輥輪自動(dòng)對(duì)正支撐裝置、雙向夾緊裝置和直線運(yùn)動(dòng)學(xué)原理設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套兩輪車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩輪車輛質(zhì)心位置全自動(dòng)、快速精確的測(cè)量。該車輛質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)研制,不僅滿足兩輪車輛的質(zhì)心位置測(cè)量所需,還可通過(guò)適當(dāng)改造使其適用于其他諸如輕型三輪車、老人代步車、無(wú)人物流配送車、小型智能消防車等小微型車輛的質(zhì)心測(cè)量設(shè)備,具有廣泛的應(yīng)用前景。此次研究設(shè)計(jì)制造的質(zhì)心自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為層加復(fù)試結(jié)構(gòu),無(wú)形中在整體設(shè)備高度上存在過(guò)高的缺陷,今后可通過(guò)改善整體結(jié)構(gòu)包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、改換運(yùn)動(dòng)部件或采用下沉式設(shè)計(jì)方案等使得整體設(shè)備的支撐平面盡可能離地面高度小,便于車輛的上下;此外,還可通過(guò)引用更高測(cè)量精度的傳感器如激光跟蹤測(cè)距儀等,更大可能使質(zhì)心測(cè)量精度得到提高。