大客车三自由度实验台设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 本设计是大型客车三自由度综合试验台。三自由度综合试验台设计的意义在于，利用该设备可以在实验室环境中模拟和再现大客车在实际路况运行时路面激励作用下的姿态角的变化，以此来研究车辆结构特征对稳定性的影响；通过大客车的高台侧翻跌落试验，用来进行跌落车辆的变形研究以及乘员保护等方面的试验。在分析平台机械特性和运动特性的基础上，确定了试验台的最终搭建方案。同时对综合试验台进行了必要的机构学方面的验证和运动位置的分析。在此基础上，对综合试验台进行了机械台体部分的设计。并对综合试验台的液压系统进行了设计。结合台架 的功能要求和机械部分的设计，本设计对液压系统的元件及辅件进行了计算和选型，并给出了液压系统性能的验算。通过分析本方案可行，亮点是振动油缸与侧翻油缸分体，可以提高试验的效率。 关键词 ：大型客车；三自由度；综合试验台；位置分析；结构设计；台架试验； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 he of of is of be in a in of in to of on by to In of on a to At of of of On of of of of By of is of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 1 国内外三自由度平台的研究现状及意义 . 1 国外三自由度平台的研究现状 . 1 国内三自由度平台的研究现状 . 3 国内外三自由度平台的发展趋势 . 5 试验台整体研发思想 . 5 试验台的设计思想 . 6 对试验台设计的总体要求 . 6 . 7 第 2 章 综合试验台布置方案的设计 . 8 试验台的结构方案设计 . 8 综合试验台的初选方案 . 8 可选方案的分析及比较 . 10 设计方案的确定 . 11 综合试验台结构模型及自由度 . 13 试验台的结构简化模型 . 13 自由度的计算 . 14 第 3 章 综合试验台机械台体的设计 . 16 综合试验台上平台结构及力学分析 . 16 上平台的结构及受力分析 . 16 上平台的静强度分析计算 . 21 综合试验台中间台架设计 . 27 综合试验台的底座设计 . 27 第 4 章 试验台液压系统的设计 . 31 设计液压系统方案 . 31 液压泵的确定 . 32 电机的选择 . 33 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 组成元件设计 . 33 阀的选择 . 33 蓄能器的选择 . 35 过滤器的选择 . 36 冷却器的选择 . 36 压力表、压力表开关的选择 . 38 液压缸设计 . 39 运动速度 . 39 钢筒内径 D . 40 活塞杆直径的 d 的确定 . 41 液压缸行程计算 . 41 计算液压缸的工作面积和最大流量 . 42 液压系统性能验算 . 42 液压系统压力损失的验算 . 43 液压系统总效率计算 . 44 液压系统发热温升的计算 . 44 结 论 . 46 致 谢 . 47 参考文献 . 48 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V . . 1 of . 1 of . 1 of . 3 of of . 5 of . 5 . 6 On of . 6 . 7 . 8 . 8 . 8 of . 10 of . 11 ed of . 13 of . 13 of of . 14 . 16 . 16 on . 16 on of . 21 . 27 of a ed . 27 . 31 of . 31 of . 32 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 . 33 of . 33 . 33 . 35 of . 36 . 36 . 38 . 39 . 39 . 40 of d . 41 of . 41 of 42 . 42 . 43 of of . 44 of of . 44 . 46 . 47 . 48 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪 论 进入二十一世纪，随着我国高速公路基础设施建设的不断加快，公路里程的不断增加，我国开始步入了一个高速物流和快速客运的时代。特别是对于占世界人口约五分之一的我国来说，公路客运在我国交通运输 系统中所占有的比重越来越大。这样，作为在公路客运中占主导地位的大客车，其研究与开发也受到了国内众多科研院所和企业的高度重视。随着客车制造技术的逐步提高和公路设施条件的不断改善，客车的行驶速度也愈来愈高，客车的安全性也就越来越受到人们的广泛关注 1。因此，在新车型投入市场之前，对其进行安全性试验和道路激励模拟试验，以保证其具有较高的安全性和较好的操纵稳定性。在这样的前提下，搭建一个能进行大客车高台侧翻和模拟道路摇摆激励试验的具有三自由度的综合性试验台架就显得尤为迫切。 国内外三自由度平台的研究现状 及意义 目前，不同自由度的摇摆台在国内外都有比较广泛的应用，它可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛地应用到各种训练模拟器，如飞机模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、地震模拟器、仿真机器人三维实现和机器人运动控制以反动感电影、娱乐设备等领域 2。近年来，国内外学者对摇摆及侧翻运动进行了一定程度的研究，建立了三自由度模型 345，仿真分析了悬架剐度、阻尼以及汽车结构参数对汽车侧倾角的影响；采用静态稳定因子 6来研究汽车侧翻。 国外三自由度平台的研究现 状 世界上第一个摇摆台于 1945年诞生于麻省理工学院仪表实验室，被称作 存在很多缺点，并没有实用化，但它的诞生为以后的摇摆台研制工作奠定了基础。在此基础上，麻省理工学院叉相继研制成功了 B、 C、 D、 7。但这些摇摆台并没有应用电、液伺服技术，而是采用伺服电机来实现对平台的运动控制。国外在 20世纪 60年代，一方面液压技术已经成熟，另买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 一方面对运动摇摆台提出了一系列更高的要求：负载大、稳定性好、动态性能好、静态精度高、调速比宽等 8。 1965年，德国 型试验装置发明了六自由度并联机构，并作为飞行员模拟器用于训练飞行员，这就是著名的“ 构，如图 1978年，澳大利亚著名机构学专家 联机构用做并联机器人手臂的主要机构。随后， H 功地将 9。 图 1自由度 迄今为止，摇摆台的样机各种各样，包括平面的，空间不 同自由度的，不同布置方式的以及超多自由度并、串联机构。 对于汽车侧翻试验台的研究。 1934年通用汽车公司进行了业内第一次侧翻试验，如图 试验让汽车在米尔福德试验场沿着成一定角度的斜坡开动。从此以后，侧翻试验就成为整个汽车行业内的标准。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 图 1用汽车公司业内首次侧翻试验 2006年 12月以前，通用的室内翻车试验都是在位于密歇根州的 试验场属于通用安全系统供应商奥托立夫 (司。过去 三年内，奥托立夫试验场平均每年要进行 125次侧翻试验，通用工程师们计划在新建成的耗资 1000万美元的通用试验场内将力争把这个数字提高到150 200次。 国内三自由度平台的研究现状 相比而言，国内无论是液压技术还是转台的研制工作起步都较晚。 20世纪 50年代成功研制出液力传动系统， 1975年 303所研制成功的 80年代初期研制成功 国对并联运动机构理论和应用的研究开 始于上世纪 80年代末，其中燕山大学对并联机器人理论进行了系统的研究， 并于 1990年和 1994年分别研制出我国首台并联机器人样机和机器人误差补偿器， 1995年又开始对并联数控机床进行研究。 1996年，清华大学精密仪器系在国家“ 863计划”和学校“ 211工程”的支持下，开展了并联机构数控机床的研制工作，并于 1997年中国国际机床展览会上展出第一台样机。 1995年，哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功压电陶瓷驱动六自由度并联微动机器人， 1996年开始六自由度并联机床的研究工作，并于 1998年买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 末研制出样机， 1999年 8月通过鉴定，并在 1999年北京国际机床博览会上展出10。 近年来， 我国摇摆台的研究发展比较迅速，全国均有高校和科研院所研究。南京电子技术研究所研究设计了某舰载雷达大型摇摆台的设计，该摇摆台是为某舰载雷达天线系统提供一个模拟船舰运动的摇摆试验台 11。北京理工大学自动控制系进行了四自由度摇摆台研究，包括俯仰、横滚、沿 摇摆台可以用来模拟车辆行进中俯仰、横滚角的变化，车辆的上下颠簸及转向 12。天津工程机械研究所研究了大型、重载、高精度的摇摆试验台，是集机、电、液、仪表、计算机于一体的大型高精度模拟试验系统，可以模拟纵、横向的摇摆运动，摇 摆台由机械台体、液压系统、电控系统、测量系统和安全保护系统等组成 13。 2005年，中国电子科技集团公司第十四研究所设计了三自由度精密转台，此转台为微波暗室远场人线的高精度转台，具有多自由度运动。作为测试设备，具有轴系精度、定位精度和测角精度高的优点 14。 国内对于汽车侧翻试验台的研究和开发主要依据国家标准 14172车静侧翻稳定性台架试验方法及 17578车上部结构强度的规定的基础上进行的整车侧翻及侧倾试验台的研究和开发。 襄樊国家汽车检验中心侧 翻试验台是 2004年修建成的新型试验设备。 2005年 6月 14日，安凯汽车公司在湖北襄樊实车碰撞试验基地进行了 6850型客车的行业国内首次侧翻试验，如图 验结果表明，安凯牌 6850中型客车(车身长 8米 )在与地面倾斜 40度的角度时才翻转落地，标志着中国客车安全设计技术达到世界水平。 由中国汽车工程研究院有限公司研制开发的 心高度的测量、侧倾角的测量，该试验台的技术指标见表 表 称 重 精确度 举升重量 侧倾角度范围 准确度 13000 11000 45度 山东交院运达设备公司开发的机动车侧倾（静侧翻）试验台如图 主要功能有： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 图 1 图 1 次可测得 10组参数）； 质量和轴负荷率； ； 国内外三自由度平台的发展趋势 从国外三自由度试验台的研究现状及其发展趋势来看，模块化、总线化、标准化是其发展的趋势，这有利于试验台的研制、使用、维护和发展。从负载的变化使得伺服系统由电驱动过渡到电液驱动，极大地加大了试验台的负载能力。 试验台整体研发思想 目前，国内外对客车摇摆及侧翻综合试验台的研究主要集中在计算机仿真模拟、客车上部结构强度的静侧翻碰撞试验等。计算机仿真模拟可以在节省人力、物力和财力的情况下得出方案。但 是计算机仿真模拟由于受到建模精度和准确度的限制，不能准确地反映实车实验的真实结果。因此，运用计算机模拟仿真开发设计大客车侧翻及摆振综合实验台架有一定的局限性。 基于汽车静侧翻稳定性台架试验方法 ( 14172客车上部结构强度的侧翻碰撞试验能在一定程度上对客车的车身结构安全性进行评价。但买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 是其弊端在于不能对大客车整车的车身结构安全性和操纵稳定性等进行比较详尽的评价。所以，客车上部结构强度的侧翻碰撞试验也有其不足之处。 大客车侧翻及摇摆试验台是采用了综合若干功能于一体的综合性试验台架 ，该台架的开发和建设既避免了计算机仿真模拟所造成的不实际的因素，又增大了对大客车性能评价的范围，从而能较为完善地对客车至关重要的操稳性和安全性进行评价。 确定侧翻及摇摆试验台架方案，利用系统分析方法和方案比较法，充分考虑主客观因素，定性和定量的分析方法相结合的前提下，利用技术经济的方法，对各种方案进行比较和分析，从中确定侧翻及摇摆试验台架的整体结构以及与各个子系统之间的关系，并按照系统整体最优的选择原则，确定具体工作的内容和试验台架的最终方案 试验台的设计思想 为了使得大客车摇摆及侧翻综合试 验台架在进行操纵稳定性试验和车身安全性研究时的试验功能清晰起见，并使试验台具有通用性和可扩展性，我们在设计和开发试验台架时根据试验对象和功能的不同，采用分块化设计，即在功能分析的基础上，将产品或系统划分为若干功能、结构独立的基本单元块，并尽量使得单元块系列化、标准化，通过各单元块间的有效选择和组合，实现不同功能的产品或系统，以满足不同需求的设计方法。分块化设计方法在组建通用系统、缩短产品设计周期、节约成本、提高产品质量等方面有着显著的效果。 对试验台设计的总体要求 三自由度综合试验台是由机械 台体、液压系统和控制系统等构成的一个集机、液于一体的综合性台架，因此在设计和开发试验台架之前，必须在总体上把握其作为一个大系统的设计要求。 机构设计的一般原则 15： (1)工况要求任何机构的设计首先必须保证机构整体的特定的工作要求； (2)刚度要求在必须保证特定的外形条件下，对机构的主要要求是刚度： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 (3)强度要求其准则是在机器运转中可能发生的最大载荷的情况下，机架上任何点的应力都不得大于许用应力。此外，还要满足疲劳强度的要求。 (4)稳定性要求对于细长的或薄壁的受压结 构及受弯、受压压结构存在失稳问题，所以设计时必须校核。 (5)美观目前对机构或试验台的设计要求不仅要能实现特定的工作，还要使得在满足工作需要的前提下尽量使其外形美观。 (6)其它要求如散热冷却的要求；防腐蚀及特定环境的机构保护要求；对于精密仪器、测试仪表、数据采集系统等热变形小的要求等。 计的主要内容 汽车的操纵稳定性、平顺性以及安全性是汽车的三个重要的性能指标。为了能对大客车的操纵稳定性、平顺性以及安全性有一个客观的评价，我们建立大客车三自由度综合试验台。 大客车三自由度综合试验台 主要技术参数见表 表 合试验台技术参数 上平台（长宽 ） 120003000座（长宽） 130004000间平台（长宽） 120004000摆幅度 （ 10向侧倾最大角度 45度 有效承载 13t 轴向侧倾角度 0 度 摇摆频率 2动加速度 2m/力源 动力泵站 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第 2 章 综合试验台布置方案 的设计 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便性，而且也是决定高速行驶的汽车安全性的一个重要性能。为了提高大客车的安全性能，在新车型投入市场之前对其安全性能进行一个较为客观的评定和评价，对其进行操纵稳定性和被动安全性试验是必不可少的。本章将进行大客车综合实验台架的研究开发工作。大客车摇摆及侧翻试验台的设计原则为了不局限于单一的侧翻和摆振试验研究，使其试验范围尽量大，实验对象覆盖面尽量广，在台架设计时考虑到了其应具有的通用性和可扩展性。 试验台的结构方案设计 根据总体和各部分设计的参数 要求，结合实验室台架建立场地的具体情况，通过与老师的讨论和反复的计算、验证，确定了几种台架布置方案以及液压举升机构布置的初选方案。通过对每一个方案进行分析和比较，并给出每种台架方案的优点和不足。最后通过验证及计算，确定出台架总体布置的最终方案。 综合试验台的初选方案 大客车三自由度综合试验台的可供选择的台架布置有以下几种方案： 方案一 5个液压缸组成的并联布置 +固定连接布置方案如图 2 方案二 3个液压缸 +支撑杆 +导杆 +滑套布置方案如图 2 方案三 6个液压缸组成三组三角支承架结构布置方案如 图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 2在方案一中，试验台由固定底座、运动平台和五个并联布置的液压缸等组成。四个液压缸 1、 2、 3、 4与底座之间、与运动平台之间采用球铰连接和虎克铰连接，中间的液压缸 5与上平台采用虎克铰连接，与底座之间则为固定连接，并限制缸筒和活塞杆之间的转动。由上述各铰链的约束，整个台架系统的自由度为 3，刚好具有绕 轴两个转动自由度和沿 在方案二中，试验台由底座、上平台、支承杆、导杆滑套和液压缸等组成。这种结构 限制了平台只能有 3个自由度，分别是沿垂直于 x、 实上，该平台在水平 是由于支承杆 5的摆动引起的。对于三个液压缸进行独立的位置控制，可以唯一地确定平台的位置。 图 2 图 2在方案三中，上、下平台由六个液压缸分三组形成三角形支架的形式进行连接，六个液压缸与上平台间的连接均为球铰链连接，与下平台问为虎克铰连接，考虑到上平台的稳定性，特意将一组液压缸形成的三角形所在的平买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 面布置成与另 两组液压缸形成的三角形所在平面相垂直的布置形式，这样可以形成稳定的三角支架结构，可以防止台架的失稳倾倒，限制台架的多自由度，使台架具有三个方向的自由度。 可选方案的分析及比较 大客车三自由度综合试验台 (商用车辆运输环境试验台 )的三个可选方案是根据欲搭建台架所要展开的试验项目要求及目前台架组成部分技术成熟性及长远的发展来考虑的。下面将分析比较上述四种方案，确定最理想的台架方案。 (1)方案一中五个液压缸呈平行并联方式布置，其中液压缸 5底部与底座为固定连接，且限制活塞杆与缸筒之间的相对转动 ，这样就保证了台架的横向和纵向的稳定性，防止台架失稳倾倒。同时，控制其它四个液压缸就可以实现平台的横向、纵向的摇摆运动。在进行汽车侧翻及高台跌落试验时，必须要以通过上平台上 见图 2 不能以通过 通过 。因为液压缸 5的底部 液压缸 5不能在空间以 以 样就保证不了车辆在 4以，应要求液压缸 5、 2和 4应有足够的行程， 以便使以 m。再者，在本方案中，整个台架的侧向稳定性均由液压缸 5的缸体来承担，所以对于台架的要求静态承载 13t，再加上台架本身的重量，缸体承受很大的剪切力以及变形，这会造成缸体 5的破坏。 (2)方案二中， 2为底座， 3为液压缸， 4、5为具有三角稳定结构的支承杆， 6为十字铰链， 7为导杆， 8为滑套。整个机构在支承杆 4、 5的约束下，当三个液压缸按预定输入时，平台 1就可以产生绕X、 轴的平动。对三个液压缸进行独立的位置控制 ，可以唯一地确定平台 1的位置。方案二中台架布置结构简单，容易控制，且具有较好的稳定性。但这种台架只适合于被测试对象为小型或中型重量的物体，例如这种台架可用来在室内模拟船舰在强烈风浪下的海上环境，实验人员坐在一个放置在平台上的模拟的船舱内，感受模拟风浪作用，以便研究人员的身体买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 反应以及抗眩晕研究 25。但是这种平台对于重量大的客车来说，其承载稳定性和安全性有待进一步的提高。如果将此台架结构应用于本试验台的设计方案，那么由于台架的长度较大 (上平台长为 12m)、承载量大等因素，支承杆 4、5的直径就很大，这样导致在 支架本身重量加大，这将会导致整个机构的响应(即滑套 8相对于滑杆 7的相对滑动速度 )变得缓慢，并且导致三个液压缸的承载能力过大，即液压缸除要承受被测试车辆、台架本身外，还要承受支承杆 4、5在的总重量，这样将导致在液压缸的选型上会有一定的困难。 (3)方案三的布置与方案一的布置在总体上有相似之处。方案一中仅仅用液压缸，不用任何辅助支撑。方案三也是只用液压缸，不用其他辅助设施。方案一是将五个液压缸平行布置，台架的侧向稳定性仅靠液压缸 5的固定底端来承担。而方案三是将六个液压缸两两组成三角形布置，每两个液压缸的 顶端汇交成一个复合球面副，这样即利用了三角形结构的稳定性，又可以让六个液压缸共同承担整个台架的侧向稳定性。通过对方案三与方案一进行比较，虽然方案三在液压缸的数量上增加了一个，但是方案三中整个台架的稳定性相对于方案一整个台架的稳定性会提高很多，特别是对于大型或重型被测试对象时，方案三中的台架方案更具有高稳定性和高安全性。 本方案对于实现上平台的横摇、纵摇及高台跌落试验都有较好的实用性和可行性。在本方案中，起支承稳定性作用并起举升作用的六个液压缸汇交为三个球铰支撑点支撑在上平台的底部。鉴于台架的整体尺寸的限制 (上平台为 12m 3m，中间平台 12m 4m，底座为 13m 4m，侧翻试验时举升高度为 3m)，如何合理地布置六个液压缸汇交的三个复合球铰面顶点在上平台底部的位置以及如何合理的布置三组液压缸中两两所夹的角度是方案三的关键所在。 设计方案的确定 方案三的关键技术在于如何合理地布置六个液压缸汇交的三个复合球铰面顶点在上平台底部的位置、如何合理的布置三组液压缸中两两所夹的角度，即它们在底座上的布置点。由台架的功能要求，台架的测试对象大客车的整车参数范围大致为：长度小于等于 12m，宽度小于 距在 5 7于实验室场地的限制，所以将大客车测试综合试验台的上平台设计为 12m3m，中间平台 12m 4m，底座为 13m 4m。在方案三中确定三组液压缸的汇交买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 复合球铰面顶点在上平台底部的布置位置 (俯视图 )如图 2 图 2平台液压缸组复合铰支点布置示意图 (单位 在图 2组液压缸复合球铰面支点在上平台底部的布置位置有两种方案。方案一是将三个支点布置为 案二是将三个支点布置为两个方案的相同之处在于三个支点布置形成一 个等腰直角三角形。从后面的计算结果来看，这种直角三角形的布局可以克服其它三自由度平台在运动中产生的沿 高位置精度，同时具有解算简单、易控制的优点 2。这种结构在航空、航海运动模拟器、机器人、新型机床等方面也具有很大的应用价值 16。 在支点布置方案一中，三个支点 1m，中垂线 m。方案二中，三个支点 2布置在上平台内， 2垂线 方案一的优点在于支点 7得平台在纵向承载分布均匀。但是 m，对于轮距设计小于 载荷作用于平台时，平台在横向的受力就不均衡，这样会导致平台在横向上有很大的弯矩。 方案二是将方案一中的 2时， 对于方案一来说，方案二在平台横向上能减小平台所受的弯矩，但是却会增加平台在纵向所受的弯矩。