乘用车动力总成转动惯量试验台设计与分析_徐伟健

I吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。学士学位论文（设计）作者签名：徐伟健2016年6月7日II摘要本毕业设计对比6种不同的转动惯量测量方法，且参照了比较经典的斯图尔特设备的设计，最终设计了一种机构简易且原理简单的转动惯量测量装置。该试验台通过三个电动缸去模拟绕三个坐标轴的转动，三对轴承辅助运动，然后通过分析传感器获得的力和角位移等参数来解得转动惯量。正文里，先用机构运动简图描述了整个装置的运动原理，然后对试验台中的多个典型零部件进行了结构分析，最后附上了关键零件的制造工艺流程。运用多体动力学方法对试验台的运动特性进行了分析，最后借助软件MATLAB编制了测量系统中要用到的参数解算程序。成果包含乘用车动力总成转动惯量试验台的机械结构设计，CAD图和手绘图总计5张A0的图幅;试验台的三维装配设计、静强度分析和运动干涉分析；参数解算说明书及代码；重要零件的计算校核和制造工艺工序。关键词：动力总成惯性参数试验台运动学分析IIIAbstractTheinertialparametersmeasuringdeviceisdesignedinmygraduationprojectaftercomparingsixdifferentmeasurementmethods，withcompactstructureandsimpleprinciplefromStewartplatform.Itcansimulatetherotationaroundthethreeaxisbythethreeelectriccylinderswiththreepairofbearings,inordertogainforceorangulardisplacementformthesensors.Themechanismmotiondiagramtodescribetheprincipleisthefirstpartofthetext,thenseveraltypicalcomponentsofthetestbenchhascarriedonthestructureanalysis,thelastisthemanufacturingprocessofkeyparts.Thekinematiccharacteristicsofthedeviceareanalyzedbyusingthemulti-bodydynamicsmethod.AndtheMATLABsolutionprogramcompletestheprocessofmeasuringparameterstotargetinertialparameters.Theresultsincludeafullsetofdrawingsofthedevice,3Dmodel,thestaticanalysis,codeofparametercalculatingandthemanufacturingprocess.Keywords：Powerassembly,Inertialparameters,MeasuringdeviceIV目录第1章绪言..............................................1第1节转动惯量试验台的研究意义.........................1第2节典型转动惯量试验台的概述.........................2第3节本次毕设的主要工作内容...........................6第2章刚体惯性参数测量方法研究..........................7第1节刚体转动惯量介绍................................7第2节三维坐标变换矩阵................................8第3节转动惯量测量方法对比............................10第4节试验台的误差来源...............................11第3章转动惯量测量试验台设计...........................13第1节转动惯量测量试验台的工作原理....................13第2节转动惯量测量试验台的零部件设计..................14第3节转动惯量测量试验台的零部件选型与校核............19第4节机械加工工艺流程设计............................28第4章转动惯量测量试验台运动特性.......................35第1节整车质心及转动惯量试验台的传感器布置说明........35第2节转动惯量试验台目标参数解算......................35第3节目标参数解算汇总...............................41结论....................................................43第1节毕业设计结论...................................43第2节毕业设计感想...................................43参考文献................................................45附录....................................................47第1节英文翻译（共6700字）...........................47第2节英文原文.......................................59第3节三维零部件图片.................................78致谢....................................................80第1章绪言1第1章绪言第1节转动惯量试验台的研究意义1.1.1转动惯量试验台的研究意义转动惯量是刚体进行转动时的一个重要的物理参数，它的大小反应了刚体转动状态改变的难易程度，即用来度量刚体惯性的物理量。在实际应用中．掌握物体三维转动规律的前提，就要对物体的转动惯量进行必要的测量。伴随着现代新技术的迅速发展，转动惯量的测量也已经广泛应用到了机械制造，兵器研究和航天事业等重要产业领域。在机械制造中，需要对大量的做定轴转动的零部件进行转动惯量的测定，从而为这些产品的制造及质量保证提供参考。在汽车工业．也必须测量各类车辆以及其转动部件得转动惯量，通过对其修正来提高车辆的性能和寿命。汽车的整车以及零部件的惯性参数，是对车辆进行系统动力学研究分析中的关键技术参数，它们严重地影响着车辆的系统动力学特性。例如，在进行计算机仿真分析车辆的操纵稳定性,行驶平顺性和制动性等汽车性能时，需要用到众多的参数里面就包括了整车或部件绕某一轴的转动惯量或某一点的惯性积。研究汽车的操纵稳定性中的侧向动力学特性，亦需要车辆惯性参数的准确数值；行驶平顺是乘用车的重要性能要求之一，进行车辆的行驶平顺性领域中，车辆在发动机运转和路面不平激励这两种振源作用下发生振动，研究这种振动就需要比较可靠的动力总成的惯性参数数值。动力总成的惯性参数除了主要的转动惯量和惯性积之外，还应该包括动力总成的质量、质心位置的三维坐标及其质心高度。车辆重心位置和惯性参数对于建模和模拟车辆响应特性来说是非常重要的。除了车辆响应研究，车辆重心高度还用于基于车辆侧翻特性的分级，尤其是重心高度被直接用作静态稳定性参数，间接地用在侧滑比中。重心高度和侧倾惯性矩也被用于临界滑移速度的计算中——另一个侧翻倾向性的度量。要想测量整车的转动惯量参数，一种方法就是让车辆在现实路面上模拟各种运动，如俯仰、横摆和侧倾运动，然后由安装在车上的各种位移传感器和力传感器采集数据，最后将采集到的数据拿到实验室进行分析解算。一台带着众多传感器的车辆，而且要行驶在路况复杂的现实路面，这是一次难以精确控制条件的实吉林大学本科生毕业设计2验任务。相对地，在环境影响因子相对较少的实验室中，严格地控制空气流动、声音和路面条件等因素下进行实验，能得到相对精确的参数测量结果。甚至说，试验台可以直接模拟零部件的转动，更是节省了空间、时间和人力资源，也提高了实验的安全性和可重复性。第2节典型转动惯量试验台的概述在众多的转动惯量测量试验台中，最出名的莫过于斯图尔特惯性测量试验台，它是现在市面上多种在售的试验台原理原型，如S.E.A生产的VIMF，还有ika生产的VIMM。本节的主要内容就是介绍这种试验台的相关知识，其中一部分的运动解算内容，为我最后编制转动惯量参数提供了不小的帮助。1.2.1斯图尔特平台综述对于悬挂在6自由度斯图尔特平台的车辆，在线惯性张量测量使用到了递推的最小二乘法算法。当平台绕着它的横摆、俯仰和侧倾轴旋转的同时，惯性张量会在线实时更新。在解决反向运动学求解所需的关节长度后，斯图尔特平台的位置控制是通过控制每个解耦PID环中的支撑腿长度实现的。安装在移动平台上的加速度计提供实时加速度数据，支架管上的负载单元提供力数据。因此，为了获得速度并节省内存，上方平台的控制动力学方程组中是用最小二乘法构建的，而且6个自由度的惯性张量是递归估计的。在模拟中快速收敛的实际的值，就是所有感兴趣的参数。车辆动力学和车辆控制的实验研究，紧紧地依靠于车辆参数的获取。主要的挑战在于轮胎参数的确定和车辆惯量参数的充分理解。对于后者的在线测量，文献中已经有大量的研究。在文献[1]中，递归最小二乘法被用于确定形式工况下的质量和道路等级；在文献[2]中，作者提出了一种基于复合模型的方法论，和车辆重心位置的实时估计；在文献[3]中，设计对车辆重心和横摆转动力矩变化具有鲁棒性的主动转向控制器。在行驶中确定惯性参数的重要性不言而喻：车辆稳定性控制器必须自适应新的操纵工况并确保任何时候的车辆稳定性。很明显，车载的参数估计算法需要对惯性参数有良好的初始估计。有几款工业级第1章绪言3的设备已经问世，例如：S.E.A生产的VIMF：各部分的试验机构，单独地计算横摆、侧倾和俯仰惯量；ika公司生产的VIMM：一个3自由度的测试平台，惯性参数能够被迅速地确定。斯图尔特平台已经广泛地被作为模拟平台，应用到汽车和航天产业中。在本论文提出了一个新的应用领域，并且演示了在系统中加入惯性参数估计单元的相关技术的简易性。1.2.2斯图尔特平台的运动学并联机构实际上是用于连接基点和运动平台的机械结构。棱柱接头能在接头处改变连接杆的长度。根据并联机构是一种只有少数接头可动的机械结构，大多数的著名的此类结构都是从斯图尔特设计的原始机构发展出来的。在文献[6]中，这种机构被称为SPM斯图尔特平台机构，有着6个可控的自由度。一个典型的SPM有6个长度可调的支撑腿，连接着两个刚性的平台——其中一个平台固定在地面上(另一个可以运动)。支撑腿可采用两种形式之一：活塞式；连杆式。下边的连接点可以是共面的也可以是异面的。对于异面的情况需要额外的传感器。因此文献中，通常研究第一种共面的情况。上方的平台相对于基座拥有6个自由度。如果支撑腿的长度是恒定的，整个机构就成了一种结构。从几何学角度来说，每条支撑腿都是平面的切线，相切于过平台3个顶点所画的圆[7]。在高夫的提议下，机构演变成全平行的形式。因此，有的时候也称它为高夫-斯图尔特平台。自从斯图尔特第一次提议将此机构作为飞行模拟器，SPM是普遍使用的名字。亨特曾提议将这种机构用作机械手。斯图尔特的正向运动学问题：支撑腿长度已知，确定上