一种用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机
技术领域
本发明属于汽车性能测试
技术领域
，涉及一种底盘测功机，特别是涉及一种可用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机。背景技术
在进行无人驾驶的开发过程中，经常需要对无人驾驶汽车进行横向和纵向控制测试。真实环境中进行测试有很多缺点，比如测试效率低，很多参数无法测量，测试的场景局限，而且还比较危险等。如果能够在实验室中对上述场景完全模拟，以上问题都将得到解决，因此，现有技术提出了汽车底盘测功机。
底盘测功机目前主要分为三种，分别是传统转鼓试验台、Rototest轴耦合式底盘测功机和转向转鼓实验台。在无人驾驶的试验中横向控制往往比纵向控制更为重要，但是在传统转鼓试验台中只能模拟车辆纵向运动（即前后方向的运动）以及纵向行驶过程中的轮胎参数和整车动力参数的耦合工况，不能模拟车辆横向运动（即左右方向的运动），进而无法模拟无人驾驶车辆的横向控制。Rototest轴耦合式底盘测功机（轮毂式）虽然可模拟整车实际行驶的道路负载，但是Rototest轴耦合式底盘测功机（轮毂式）在进行实验时必须拆卸车辆的轮胎，然后再必须使用相配套的法兰将测功机与轮胎输出轴法兰连接，步骤繁琐，操作效率低；而且Rototest轴耦合式底盘测功机不能模拟轮胎参数。现有的转向转鼓实验台，比如申请号为CN201822210242.X的中国专利公开的“一种转向转鼓试验台”，既可完成横纵向运动的模拟，也无需实验过程中拆卸轮胎；但是其无法模拟地面对轮胎的横向作用分力，也就是说转向工况中转向转鼓试验台的转鼓只会对轮胎施加纵向分力而没有横向分力，但是真实工况却是两个方向的分力皆存在。
综上所述，由于缺乏对车辆横向运动的模拟，现有的传统转鼓试验台、Rototest轴耦合式底盘测功机和转向转鼓实验台均无法实现对车轮转向工况的模拟，从而无法全面真实地模拟出车辆在正常行驶过程中轮胎参数和整车动力参数的耦合工况。因此，本发明迫切提出一种新型底盘测功机，以克服上述现有技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机，以解决上述现有技术存在的问题，该测功机不仅可以实现车辆在实验过程中模拟运行于转向工况，而且可以较为全面地模拟一个真实的地面，包括对车轮的纵向力模拟和横向力模拟。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机，主要包括：
基座；
支撑轴，所述支撑轴能够转动地设置于所述基座上；
轮毂组件，所述轮毂组件同心固定安装于所述支撑轴上；
扭转接触轮胎，所述扭转接触轮胎同心套设于所述轮毂组件的外缘，所述扭转接触轮胎的径向切面为圆形切面；
横向力矩电机，所述横向力矩电机设置于所述轮毂组件的外缘与所述扭转接触轮胎之间，以对所述扭转接触轮胎施加横向力矩，并驱动所述扭转接触轮胎作原位滚动扭转；
纵向电机，所述纵向电机的输出端连接所述支撑轴，以驱动所述支撑轴作纵向转动；
力矩传感器，所述横向力矩电机和所述纵向电机分别与一所述力矩传感器相连，且与所述横向力矩电机相连的所述力矩传感器用于测量所述横向力矩电机向所述待测轮胎施加的横向力矩，与所述纵向电机相连的所述力矩传感器用于测量所述纵向电机向所述支撑轴施加的纵向力矩。
可选的，上述用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机还包括电旋转传输装置，其固定安装于所述支撑轴上；所述电旋转输出装置与所述横向力矩电机通讯连接，同时二者之间有电力连接，以控制所述横向力矩电机的输出力矩。
可选的，所述电旋转传输装置为滑环或无线电能传输装置。
可选的，所述轮毂组件包括第一侧边轮辐和轮辋，所述轮辋的两侧分别安装一所述第一侧边轮辐；所述第一侧边轮辐固定安装于所述支撑轴上，以将纵向扭矩传递给整个所述轮毂组件；所述扭转接触轮胎同心套设于所述轮辋上。
可选的，所述轮毂组件包括第二侧边轮辐和至少一个中间轮辐，至少一个所述中间轮辐设置于两所述第二侧边轮辐之间，任意相邻的两所述中间轮辐之间以及任意相邻的所述第二侧边轮辐和所述中间轮辐之间固定连接，且所述第二侧边轮辐固定安装于所述支撑轴上，以将纵向扭矩传递给整个所述轮毂组件。
可选的，所述轮毂组件的外缘横向布设有至少一个所述扭转接触轮胎；每个所述扭转接触轮胎与所述轮毂组件的外缘之间均设置有所述横向力矩电机。
可选的，每个所述扭转接触轮胎的两侧均设置有限位轮，以防止所述扭转接触轮胎在横向扭转的过程中产生横向位置偏移；所述限位轮设置于所述轮毂组件的外缘，并沿所述轮毂组件的圆周方向分布。
可选的，每个所述扭转接触轮胎与所述轮毂组件的外缘之间均设置有多个沿所述轮毂组件的圆周方向分布的所述横向力矩电机。
可选的，所述纵向电机设置于所述轮毂组件的外侧；或者所述纵向电机设置于所述轮毂组件内侧，与所述轮毂组件形成一体结构。
可选的，上述用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机还包括测控终端，所述横向力矩电机、所述纵向电机、所述力矩传感器和所述电旋转传输装置均与所述测控终端通讯连接。
使用时，每个待测车辆的轮胎下面放置一个所述环形正交力矩底盘测功机。所述环形正交力矩底盘测功机与所述待测车辆的轮胎位置对应设置，以供所述待测车辆的轮胎放置于所述环形正交力矩底盘测功机上，并进行测功。根据所述待测车辆的轮距不同，可对所述环形正交力矩底盘测功机的位置进行调整。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提出的用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机，结构设计合理，包括基座和主要由支撑轴、横向力矩电机、纵向电机、轮毂组件、扭转接触轮胎组成的环形正交力矩轮。对于汽车轮胎运动来说，通常情况下是在一个2维平面上运动，故其运行自由度为2；本发明通过设置纵向电机驱动轮毂组件纵向转动、设置横向力矩电机驱动扭转接触轮胎横向扭动，使得上述环形正交力矩轮同时具有两个方向的转动，分别为车辆纵向方向（车辆前后运行方向）的转动和横向方向（车辆左右运行方向）的转动，进而可以较为全面地模拟一个真实的地面和完全模拟汽车在平面上的x、y方向上的运动，即不仅可以模拟汽车直线行驶，还可模拟待测车辆在底盘测功机上实验过程中运行于转向工况，甚至可以通过力矩传感器实时测量横向力矩电机和纵向电机的输出力矩，达到模拟轮胎纵向受力和横向受力的效果。
此外，本发明还具有如下具体有益效果：
（1）相较于传统的转鼓试验台只能模拟车辆纵向运动（前后方向的运动）、不能模拟车辆横向运动（左右方向的运动），本发明可以同时模拟车辆纵向（前后方向的运动）和横向（左右方向的运动）的运动，实现对汽车转向工况的模拟。本发明将传统转股试验台从1维运动的模拟提升到了2维平面运动的模拟，该提升使汽车在实验室内可进行更真实的工况模拟。比如，在无人驾驶的试验中横向控制往往比纵向控制更为重要，但是在传统的转鼓试验台中无法模拟无人驾驶车辆的横向控制，但如果使用本发明，就可以在实验室中进行相应危险工况的硬件在环工况模拟。
（2）相对Rototest轴耦合式底盘测功机在进行实验时必须拆卸车辆的轮胎，然后再必须使用相配套的法兰将测功机与轮胎输出轴法兰连接，本发明无需进行轮胎拆卸，将待测车辆直接开上试验台即可测试，操作更加便捷。
（3）相对于转向工况中转向转鼓试验台的转鼓只会对轮胎施加纵向分力而没有横向分力，本发明通过在环形正交力矩轮的横向力矩电机上连接力矩传感器可模拟地面对轮胎的横向分力（即沿支撑轴轴线方向的分力），且由于本发明可以全面真实地模拟2维地面，随时可以对轮胎施加平面上任意方向的力，属于一种彻底的解决方案。
（4）本发明由于不需要拆卸轮胎，故轮胎在试验过程中的一些轮胎参数可以参与实验中，从而可以模拟车辆在正常行驶过程中轮胎参数和整车动力参数的耦合工况，这在传统转鼓试验台、Rototest轴耦合式底盘测功机和转向转鼓试验台中都无法完全实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一中环形正交力矩底盘测功机的轴测图；
图2为实施例一中环形正交力矩底盘测功机的爆炸图；
图3为实施例一中环形正交力矩底盘测功机的主视图；
图4为实施例二中环形正交力矩底盘测功机的轴测图；
图5为实施例二中环形正交力矩底盘测功机的主视图；
图6为本发明中扭转接触轮胎的径向切面图；
图7为本发明中横向力矩电机的结构示意图；
其中，附图标记为：1、用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机；2、基座；3、环形正交力矩轮；31、支撑轴；32、轮毂组件；321、第一侧边轮辐；322、轮辋；323、第二侧边轮辐；324、中间轮辐；33、扭转接触轮胎；34、横向力矩电机；35、纵向电机；4、电旋转传输装置；5、限位轮；6、待测车辆；7、待测轮胎。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机，该测功机不仅可以实现车辆在实验过程中模拟运行于转向工况，而且可以较为全面地模拟一个真实的地面，包括对车轮的纵向力模拟和横向力模拟。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1-3所示，本实施例提供一种用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机1，主要包括基座2、支撑轴31、轮毂组件32、扭转接触轮胎33、横向力矩电机34、纵向电机35和测控终端。其中，轮毂组件32同心固定安装于支撑轴31上；扭转接触轮胎33同心套设于轮毂组件32的外缘，扭转接触轮胎33为圆环形状，其抻直之后为圆柱状，且如图6所示，其径向切面为圆形切面，扭转接触轮胎33的外圈能够实现与待测轮胎7的连续接触；横向力矩电机34设置于轮毂组件32的外缘与扭转接触轮胎33之间，以对扭转接触轮胎33施加横向力矩，并驱动扭转接触轮胎33作原位滚动扭转，即扭转接触轮胎33滚动扭转时，其各圆形切面均以各自的圆心为轴进行转动；支撑轴31能够转动地设置于基座2上，纵向电机35的输出端连接支撑轴31，以驱动支撑轴31及其上的轮毂组件32作纵向转动；横向力矩电机34和纵向电机35均配置有力矩传感器，以便实时获取横向力矩电机34或纵向电机35的输出力矩；上述横向力矩电机34、纵向电机35和各力矩传感器均与测控终端通讯连接，以通过测控终端实时接收并调控各部件的运行信号。上述支撑轴31、轮毂组件32、扭转接触轮胎33、横向力矩电机34和纵向电机35共同组成一环形正交力矩轮3，环形正交力矩轮3通过支撑轴31装载于基座上，待测车辆6的各待测轮胎7下分别放置一环形正交力矩轮3，以实现对车辆运行地面的真实模拟。
本实施例中，如图1-3所示，上述用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机1还包括电旋转传输装置4，其固定安装于支撑轴31上。电旋转传输装置4可以将两个相对旋转的部件上的电能或电信号联通，该部件可以是滑环或无线电能传输装置。电旋转传输装置4与横向力矩电机34通讯连接且电力连接，此处将其固定安装于支撑轴31上的主要作用是将相对大地静止的电网上电能和电信号与转动中的横向力矩电机34联通，从而控制横向力矩电机34的输出力矩。
本实施例中，如图1-3所示，轮毂组件32包括位于两侧的第二侧边轮辐323和设置于两第二侧边轮辐323之间的至少一个中间轮辐324，任意相邻的两中间轮辐324之间以及任意相邻的第二侧边轮辐323和中间轮辐324之间固定连接，且第二侧边轮辐323固定安装于支撑轴31上，以将纵向电机35输出的纵向扭矩传递给整个环形正交力矩轮3。其中，侧边轮辐323可与中间轮辐324相组合从而安装扭转接触轮胎33，侧边轮辐323与和其相邻的中间轮辐324连接后，形成的外缘结构用于同心套设扭转接触轮胎33，且扭转接触轮胎33与上述外缘结构之间固定安装横向力矩电机35。同理，中间轮辐324与相邻的中间轮辐324也能组合来安装扭转接触轮胎33，任意相邻两中间轮辐324连接后，形成的外缘结构用于同心套设扭转接触轮胎33，且扭转接触轮胎33与上述外缘结构之间固定安装横向力矩电机35。每个扭转接触轮胎33内圈对应设置一排横向力矩电机35，每排横向力矩电机35沿轮毂组件32中的中间轮辐324的外边缘进行圆周均匀分布，可以根据实际情况自由配置中间轮辐324的数量，进而配置相应个数的扭转接触轮胎33和对应排数的横向力矩电机35。
本实施例中，如图1-3所示，上述轮毂组件32上可沿横向（沿轮毂组件32的轴向宽度方向）布置至少两个扭转接触轮胎33，且至少两个扭转接触轮胎33的轴向宽度之和应不小于待测轮胎7的轴向宽度。为了提高实验准确性，尽可能使环形正交力矩轮3为待测轮胎7提供一个相对较宽的支撑接触面，本实施例优选将扭转接触轮胎33并排设置4个、横向力矩电机35对应设置4排，相应的，两第二侧边轮辐323之间连续设置三个中间轮辐324。其中，相邻扭转接触轮胎33之间排布紧密，以确保环形正交力矩轮3与待测轮胎7的连续接触。
本实施例中，如图7所示，每排横向力矩电机34均通过电机支架安装于中间轮辐34上。横向力矩电机35优选为外转子电机，如图7所示，其外转子优选为圆柱桶状结构。外转子电机为一种现有电机结构，其结构和工作原理在此不再赘述。
本实施例中，如图2和7所示，每个扭转接触轮胎33的两侧均设置有限位轮5，限位轮5设置于轮毂组件32中第二侧边轮辐323和中间轮辐324的外边沿，并沿第二侧边轮辐323和中间轮辐324的圆周方向间隔均匀分布，以防止扭转接触轮胎33在横向扭转的过程中产生横向（支撑轴31的轴向方向，即待测车辆6的左右方向）位置偏移。同时，为了减少扭转接触轮胎33的扭转摩擦力，将限位轮5设置为自由转动结构，即各限位轮5分别通过一轴销安装于各个轮辐的外边沿，各轴销均沿轮辐的切向方向布置，各限位轮5均可相对各自的轴销自由转动。
本实施例中，纵向电机35负责产生纵向力矩，一般采用外置电机，即其设置于轮毂组件32的外侧，优点是成本低技术成熟。同时，还可以采用轮边电机，即纵向电机35与轮毂组件一体设置，在轮体内形成一体式结构，优点是体积小，方便根据不同轮距的待测车辆进行测功机之间距离的调节。
使用时，每个待测车辆6的待测轮胎7下面均放置一组用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机1。环形正交力矩底盘测功机与待测车辆6的待测轮胎7对应设置，以供待测车辆6的轮胎放置于环形正交力矩底盘测功机上，并进行测功。根据待测车辆的轮距不同，可对环形正交力矩底盘测功机的位置进行调整。测功时，由测控终端控制整个过程的运行，该测控终端为一种现有的终端结构，具体不再赘述。
需要解释的是，虽然支撑轴31平行于待测车辆6的左右方向布置，但是支撑轴31作为纵向旋转中心轴，用于传递纵向电机35的纵向输出力矩，以驱动环形正交力矩轮沿待测车辆6的前后方向转动；同理，各横向力矩电机34输出的转矩为沿待测车辆6的左右方向的横向力矩。横向力矩电机34的输出力矩的方向垂直于纵向电机35的输出力矩的方向，从而实现双向力矩的正交。
由此可见，本实施例一提出的用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机，结构设计合理，包括基座和主要由支撑轴、横向力矩电机、纵向电机、轮毂组件、扭转接触轮胎组成的环形正交力矩轮。对于汽车轮胎运动来说，通常情况下是在一个2维平面上运动，故其运行自由度为2；本发明通过设置纵向电机驱动轮毂组件纵向转动、设置横向力矩电机驱动扭转接触轮胎横向扭动，使得上述环形正交力矩轮同时具有两个方向的转动，分别为车辆纵向方向（车辆前后运行方向）的转动和横向方向（车辆左右运行方向）的转动，进而可以较为全面地模拟一个真实的地面和完全模拟汽车在平面上的x、y方向上的运动，即不仅可以模拟汽车直线行驶，还可模拟待测车辆在底盘测功机上实验过程中运行于转向工况，甚至可以通过力矩传感器实时测量横向力矩电机和纵向电机的输出力矩，达到模拟轮胎纵向受力和横向受力的效果。
实施例二：
本实施例提供另一种用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机1，其与实施例一的区别在于轮毂组件32的结构不同以及扭转接触轮胎33的设置数量不同，其余均与实施例一相同，在此不再赘述。
如图4-5所示，轮毂组件32包括第一侧边轮辐321和轮辋322，轮辋322的两侧分别固定安装一第一侧边轮辐321；第一侧边轮辐321固定安装于支撑轴31上，以将纵向扭矩传递给整个轮毂组件32。由于扭转接触轮胎33与待测轮胎7为连续接触，所以仅设置一个扭转接触轮胎33即可以实现本发明的设计目的。将一个扭转接触轮胎33同心套设于轮辋322上，并在轮辋322与扭转接触轮胎33的内圈之间设置一排横向力矩电机34，各横向力矩电机34均沿轮辋322的切线方向布置，一排横向力矩电机34沿轮辋322的圆周方向间隔均匀分布。其中，为了满足测试需求，上述单个扭转接触轮胎33的切向截面面积应相比实施例一中单个扭转接触轮胎33的切向截面面积进行扩大。
相应的，本实施例中，限位轮5安装于第一侧边轮辐321的外边沿，安装方式与作用原理与实施例一相同，在此不再赘述。
本实施例二提出的用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机，可以作为实施例一中用于汽车转向工况模拟的环形正交力矩底盘测功机的替代方案。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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