一种用于小比例风洞模型的车轮旋转工况试验装置

1.本发明涉及实验装置技术领域，具体是一种用于小比例风洞模型的车轮旋转工况试验装置。


背景技术：

2.利用小比例模型进行风洞试验可以在造型开发阶段对车身造型和气动指标进行快速评估与定位，有效地降低后期整车cas阶段气动减阻仿真周期及工作量。目前小比例模型阶段的风洞试验多是以车轮固定为主，少有实现车轮旋转功能的小比例模型试验。原因是目前实现车轮旋转的主要方式是采用移动带拖动车轮的方式来实现旋转。一方面专用移动带的成本非常高、体积大。移动带的设计主要是为了实现车辆相对于地面的移动而设计的，主要考虑的因素也是地面的流动效应，附带功能是实现车轮旋转。使用其带动小比例模型会导致其成本增加很大。另一方面，移动带多是针对1:1比例的油泥模型和实车试验所使用的，移动带的间距和车轮的轮距对应。小比例模型的轮距远小于移动带间距，因此1:1比例模型的移动带无法在小比例模型上使用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于小比例风洞模型的车轮旋转工况试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种用于小比例风洞模型的车轮旋转工况试验装置，由比例模型支架、电机总成和控制系统组成，所述比例模型支架采用纵向窄矩形支架和横向宽矩形支架双层叠加的方式组合，二者之间采用40型角码进行连接固定，两个支架之间一共有四处，8个角码对两个之间进行固定，用于连接天平传感器和支撑小比例模型的四个支座布置于横向宽矩形支架的两侧。
6.作为本发明的进一步技术方案，所述比例模型支架主体采用40*40型铝合金型材作为骨架。
7.作为本发明的进一步技术方案，所述纵向窄矩形支架由2根长边铝合金型材一和4根短边铝型材以及固定他们的角码组成。
8.作为本发明的进一步技术方案，所述横向宽矩形支架由宽矩形支架和四个支座组成，宽矩形支架由两根平行于车体方向的40*40型铝型材和两根垂直于车体方向的40*40型铝型材通过40型角码进行固定。
9.作为本发明的进一步技术方案，所述平行于车体方向的铝型材长度受车轮的轮距限制，要保证支座中的空心支柱恰好位于模型前车轮的后部和后车轮的前部位置区域，以减少空心支柱对模型外部流场的影响。
10.作为本发明的进一步技术方案，所述垂直于车体方向的铝型材的长度受限制于车体的宽度，其长度加上支座上的抱座和固定托架的宽度要比模型的外侧尺寸小20mm，支座
用于保证支撑强度的基础上尽可能减少空心支柱对外流场的影响。
11.作为本发明的进一步技术方案，所述支座由抱座、固定托架和空心支柱组成，空心支柱采用16mm的空心无缝钢管，长度为300mm，抱座采用直径16mm的孔径，用两个固定螺丝固定在空心支柱上，空心支柱的其中一端平面与抱座的一端平面处于同一平面内。
12.作为本发明的进一步技术方案，所述固定托架用于实现抱座与铝型材之间的固定，采用l型设计，其中一个端面与抱座链接，四个固定孔采用m6的螺纹孔设计，抱座的一侧为6.5mm通孔，通过m6*20的螺丝来固定抱座和固定托架，螺丝的长度等于抱座断面的厚度与固定托架的厚度之和，另一个端面为通孔设计，采用10mm的通孔，配合m8的螺丝固定铝合金型材和固定托架，固定托架采用托举的方式与铝合金型材进行连接，将模型的重量全部传递给空心支柱，最终传给天平。
13.作为本发明的进一步技术方案，所述电机总成由电机、电机座、联轴器、加长轴、限位环、光轴固定座、底部固定座和四个m4螺栓组成，其中底部固定座薄边上面有3个m8通孔，分别对应于纵向窄矩形支架上铝型材的三个固定位置，在将底部固定座固定至铝型材时，孔固定至图3中的铝型材槽处，底部固定座厚边上四个m6通孔，用于连接电机座，将电机座固定在底部固定座上进而固定在铝合金型材一和铝合金型材二上，底部固定座与电机座通过螺栓连接构成了电机支座总成，电机通过m4螺栓与电机座进行连接固定，加长轴与电机轴采用联轴器连接，加长轴在联轴器和电机座的轴承中间区域，紧靠轴承位置套入一个内径为10mm的限位环，伸出轴承部分的加长轴通过光轴固定座与车轮连接，光轴固定座大直径端面带有四个呈圆形阵列的m4螺纹孔，其中加长轴的外截面与光轴固定座的小直径截面共面且与车轮的外侧表面共面，光轴固定座侧面带有顶丝，采用顶丝实现加长轴与光轴固定座之间的固定，光轴固定座与车轮通过4个m4螺栓固定。
14.作为本发明的进一步技术方案，所述控制系统包括了控制箱、电脑、控制程序，控制箱内部包括一个开关电源、四个独立控制器、485转usb转换器以及线路部件，控制箱外部接口有电源线接口、4个电机电源线接口、4个电机信号线接口和4个usb转485针脚接口，4个接口分别对应于4个不同位置的电机，控制器还包括一条485通讯路线，通过485转usb的转换模块，将485接口转换成usb接头，利用usb接头与电脑相连。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在小比例汽车油泥模型风洞试验中具有切实的实际意义，解决了车轮旋转的实际控制问题。
16.1.车轮旋转的结构以低成本高性能的方式实现，为车轮旋转小比例风洞试验提供了一个有效的可实现的结构。
17.2.利用带有自主程序的控制系统减少实际操作的复杂性，提高了实验准确性。本试验装置对比例模型的车轮旋转提供了一种经济且有效的解决方案，既保证了车轮旋转过程中转速可控，又保证了车轮旋转过程的稳定性。本控制程序是对需求车轮旋转的实验给出了明确的可控制方法，并且保证在实时实验过程中可以对驱动电机进行监测与控制。
附图说明
18.图1为本发明的结构图。
19.图2为比例模型支架结构图。
20.图3为纵向窄矩形支架结构图。
21.图4为横向宽矩形支架结构图。
22.图5为支座结构示意图。
23.图6为横向宽矩形支架侧视图。
24.图7为电机总成结构图。
25.图8为电机总成爆炸图
26.图9为车轮旋转控制程序框图。
27.图10为车轮旋转控制系统电路图。
具体实施方式
28.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。
29.请参阅图1，实施例1：一种用于小比例风洞模型的车轮旋转工况试验装置，由比例模型支架、电机总成、控制系统及程序三部分组成。其中比例模型支架1和电机总成2装配在一起组成了小比例模型的骨架部分结构。其装配结构如图1所示。
30.比例模型支架1主体采用40*40型铝合金型材作为骨架，并采用纵向窄矩形支架3和横向宽矩形支架4双层叠加的方式组合。二者之间采用40型角码6进行连接固定。两个支架之间一共有四处，8个角码对两个之间进行固定。用于连接天平传感器和支撑小比例模型的四个支座5布置于横向宽矩形支架4的两侧。具体结构如图2所示。
31.纵向窄矩形支架3由2根长边铝合金型材7和4根短边铝型材8以及固定他们的角码组成。长边铝合金型材的长度受比例模型的外形限制。在加工前期，需要获得某款车型的外cas包面的几何结构，通过缩比处理后来定义长边结构。要充分考虑长边铝合金型材的前后端不超过比例缩小后的外cas包面的几何结构，同时保证模型外表面能够覆盖10-20mm的油泥。短边铝合金型材的长度受比例模型的车轮轮距影响。要保证车轮24轮距＝短边8长度 80mm (电机座15一端到车轮24旋转轴外侧长度
–
光轴固定座19的长度)。其中80mm为短边外侧的长边铝合金型材宽度。同时要考虑铝型材的边缘不能影响模型的轮腔内部空间，既短边8长度 80mm要小于车体宽度与两侧轮腔宽度的差值。而中间两个短边8铝型材的位置要保证其中心线的距离与比例模型的前后轴的轴距一致，也就是要等于实车前后轴轴距比例缩小后的尺寸。采用40型角码6进行固定。结构关系如图3所示。
32.横向宽矩形支架4由宽矩形支架和四个支座5组成。其中宽矩形支架由两根平行于车体方向的40*40型铝型材10和两根垂直于车体方向的40*40型铝型材9通过40型角码6进行固定。平行于车体方向的铝型材10长度受车轮的轮距限制，要保证支座5中的空心支柱11恰好位于模型前车轮的后部和后车轮的前部位置区域，以减少空心支柱11对模型外部流场的影响。垂直于车体方向的铝型材9的长度受限制于车体的宽度，其长度加上的支座5上的抱座12和固定托架13宽度要比模型的外侧尺寸小20mm。目的是在保证支撑强度的基础上外侧有足够的空间布置油泥。支座5的设计是在保证支撑强度的基础上尽可能减少空心支柱5对外流场的影响。支座5由抱座12、固定托架13和空心支柱11组成。空心支柱11采用16mm的空心无缝钢管，长度为300mm。抱座12采用直径16mm的孔径，用两个固定螺丝固定在空心支
柱11上。空心支柱11的其中一端平面与抱座12的一端平面处于同一平面内，目的是保证模型固定在天平上后能够保证车体的水平，倾斜会导致天平的受力不均影响测量结果。固定托架13用于实现抱座12与铝型材之间的固定，采用l型设计。其中一个端面与抱座链接，四个固定孔采用m6的螺纹孔设计。抱座12的一侧为6.5mm通孔。通过m6*20的螺丝来固定抱座12和固定托架。螺丝的长度等于抱座12断面的厚度与固定托架13的厚度之和。另一个端面为通孔设计，采用10mm的通孔，配合m8的螺丝固定铝合金型材和固定托架13。固定托架13采用托举的方式与铝合金型材进行连接。将模型的重量全部传递给空心支柱11，最终传给天平。横向宽矩形支架4结构如图4-6所示。
33.电机总成2由电机14、电机座15、联轴器16、加长轴17、限位环18、光轴固定座19、底部固定座20和四个m4螺栓21组成。其中底部固定座20薄边上面有3个m8通孔22，分别对应于纵向窄矩形支架3上铝型材的三个固定位置。在将底部固定座20固定至铝型材时，孔22固定至图3中的铝型材23槽处，由于孔22圆心与电机轴的共线，所以孔22的固定位置就决定了该小比例模型的前后轴距。依据相对应的车型缩小比例，缩小轴距，通过孔22固定确定轴距。厚边上四个m6通孔，用来与电机座15连接，将电机座15固定在底部固定座20上进而固定在铝型材7和23上，底部固定座20与电机座15通过螺栓连接构成了电机支座总成。电机14通过m4螺栓与电机座15进行连接固定，由于电机座15本身是带有螺纹的孔，故电机14与电机座15的连接不需要螺母，但是需要留有一定的螺栓伸出余量，如图7-8所示。电机14自带轴长度为21mm，轴外径8mm，电机座15轴向尺寸84mm，所以需要增加轴的长度，即增加加长轴17，加长轴17尺寸根据电机座15轴承处内径选择10mm，与电机14轴采用联轴器16连接。联轴器选择8-10mm的铝合金联轴器，联轴器侧面有锁紧螺栓，用来保证轴的旋转特性，保证力矩的有效传递。加长轴17在联轴器16和电机座15的轴承中间区域，紧靠轴承位置套入一个内径为10mm的限位环18，可以通过调节限位环18控制加长轴17伸出轴承的长度，同时限位环18也可防止加长轴17在轴向外侧的移动。最后，伸出轴承部分的加长轴17通过光轴固定座19与车轮连接，光轴固定座19大直径端面带有四个呈圆形阵列的m4螺纹孔，其中加长轴17的外截面与光轴固定座19的小直径截面共面且与车轮的外侧表面共面。光轴固定座19侧面带有顶丝，采用顶丝实现加长轴17与光轴固定座19之间的固定。光轴固定座19与车轮24通过4个m4螺栓21固定，保证了车轮24在由电机14带动旋转时，在旋转方向上不发生相对滑动。同时也防止光轴固定座19与车轮24在轴向不发生相对运动。由上述14-21构成电机总成，如图7所示。光轴固定座19的小直径端面与加长轴17外端面和车轮24外表面共面，左右车轮24外表面的间距可以确定车轮24的左右轮距。在更换不同车轮结构时，只需拆开m4螺栓21就可以实现车轮的拆卸和跟换。
34.实施例2，在实施例1的基础上，控制系统及程序部分包括了控制箱、电脑、控制程序三部分组成。工作框图如图9所示。其中控制箱内部包括一个开关电源、四个独立控制器、485转usb转换器以及线路部件组成。控制箱内部电路图如图10所示。控制箱外部接口有电源线接口、电机电源线接口(4个)、电机信号线接口(4个)和usb转485针脚接口(4个)，4个接口分别对应于4个不同位置的电机，从电机连接出来的电机连接线分别对应自己的连接口即可。电机控制器安装在控制箱的四个角落附近，控制器一方面给电机供电，一方面发出和接收电机的转速等信号，供电的来源是位于控制箱中心位置的开关电源，由于单个电机14规格为24v、60w，所以电源选择输出电压为24v，300w的开关电源。由一个开关电源带动四个
驱动器以及电机的运行。控制器除了与电机之间的连接用来为电机供电和输出采集信号外，还有一条485通讯路线，为了将它更直观的显示至电脑桌面，通过485转usb的转换模块，将485接口转换成usb接头，利用usb接头与电脑相连。
35.将信号连接至电脑后，需要一个程序窗口显示数据，同时又需要一个控制窗口来为控制器提供控制数据。由于多个控制窗口不便操作，故在天平数据采集程序基础上，增加了电机控制程序窗口以及电机信号数据采集系统窗口，如图8所示。图中右下角为速度换算界面，依据实际车型轮胎的滚动半径，输入需要测试的车速，即可在下方显示换算过的速度值，根据小比例车轮与实车车轮线速度相同的条件下，小比例车型的车轮转速rpm即显示在下方，代表r/min，即转/分钟。确定了车轮转速之后，在图8左下角位置，即可输入相对应的电机转速。在此处，可以控制电机的开关，同时设置电机转速，在其下方，可以通过点击按钮调节电机的旋转方向，可针对电机的位置不同，调节任意一个电机的旋转方向，使四个电机的旋转方向与车的前进方向一致。电机信号数据采集窗口在调节电机方向右侧，采集每一个电机的转速的数值，实时监测电机转速，也可观测四个电机转速的实时动态曲线，表现在其右侧的窗口中，将会显示四条不同颜色的线条，分别对应四个不同位置的电机转速。
36.采用本发明的技术，对于小比例模型的车轮旋转问题，采1:1比例模型的移动带传动方式成本较高且轮间距远小于移动带间距，故采用无刷电机带动车轮旋转。控制方面在硬件分布控制的基础上，将四个电机控制系统进行合并，同时将数据采集加入到同一程序，实现了四个电机的同时控制及数据采集。同时也可以实现对车轮转速的独立控制和旋转方向控制。将上述控制窗口进一步整合至风洞台架天平的控制程序中，实现了通过一个控制窗口即可完成小比例模型车轮旋转的风洞试验。
37.实现方案如下：
38.在组装电机总成之前，要对空载的电机进行学习，一个电机对应一个控制器，连接后进行自我学习。
39.(1)将电机总成按照上述结构及要求完成组装，加装车轮后的电机总成通过底部固定座20孔的位置安装至纵向窄矩形支架3。进行天平的零点校核。将小比例模型支架作为底盘部分与小比例油泥模型安装在一起，将模型放置于风洞台架。将电机连接线以空心支柱内部为走线通道，通过调节空心支柱11上侧的伸出长度控制油泥模型的高度定位，使得车轮24上侧与轮拱罩之间间隙满足实际要求。模型安装完成后将电机连接线连接至电控箱，电控箱内部电路如图7。随后通过485转usb连接线连接至电脑，在硬件设备中找到对应的电机信号com口，通过程序窗口对电机进行控制及信号采集。程序框图如图6。天平连接线通过特定设备连接至电脑，同样在程序窗口进行数据采集。
40.(2)进行天平的负载校核。进行电机方向的调试，通过图8所示程序窗口赋予电机较低转速，并且选择电机选装方向，经过观察选择符合汽车前进的旋转方向。同时观察电机转速是否一致，是否与输入电机转速有较大偏差，如若出现电机转速不一致，可直接通过程序窗口的数据采集观测到，排除电机转速较低的原因，保证车轮转速的准确性。
41.(3)确定电机旋转方向后，开启风洞，逐步增加电机转速，通过汽车速度与电机转速的转换，加至实验值，同时观察此刻天平各方向的波动情况。在做不同转速工况时，也可直接通过调节控制窗口的电机转速输入值，通过窗口右侧的速度与转速转换，直接在窗口中输入实验所要求的转速，无需对结构进行调整。
42.(4)在实验监测过程中或试验结束时，可以采用紧急停止与自由停止两种模式，当电机转速较高时，可采取自由停止或者逐级调低转速的停止方式，保证了电机本身由于紧急停止可能造成的损坏，同时也保证了设备的长期使用性。
43.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。
44.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。