车轮能量收集器试验台的制作方法

本实用新型涉及一种试验台，特别涉及一种车轮能量收集器试验台。

背景技术：

轮胎是汽车各组成部件中较为重要的一个组成部分。汽车与地面间作用力均通过轮胎进行传递。因此获取这些作用力并作为主动安全系统的参考数据及控制参数对于行车安全来讲具有很重要的意义。目前，许多轮胎制造商都在致力于研发带有传感器的智能轮胎，通过这些传感器来获取包括温度，压力，车轮转数在内的众多参数。

现有的对传感器进行供能的方式大多是有源式的，即通过安装锂电池对传感器进行供电。这种方法的缺点在于：由于传感器安装于轮胎内部，因此造成更换电池的操作较为复杂，降低装置的实用性。同时，轮胎振动产生的能量被大大浪费，因此将轮胎内部的能量转换成电能供给传感器使用将是一种解决问题的思路。利用压电材料将车轮振动的机械能转化成电能是近年来一种被广泛研究的无源供能方式。这种供电方式主要利用的是压电材料的正压电效应，即当压电材料随车轮振动时，其形状会发生变化，从而产生电能。将其发出的电能进行收集，整流之后即可供给传感器使用。

然而，通过压电效应对能量进行转换的效率极低，只有在保证由压电材料制成的梁结构处于共振状态才能实现较为可观的电能输出。现有的俘能装置只能实现在单一车速下的能量转化和输出，当车速变化时，其梁结构的模态不能随着车速而变化，使其无法处于共振状态，因此几乎不能输出电能，无法正常工作。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有俘能装置存在的能量转化效率低、工作条件要求苛刻、实用性差，以及测试开发俘能装置时需使用实车而造成的开发困难等问题而提供的一种车轮能量收集器试验台。

本实用新型提供的车轮能量收集器试验台包括有架体、驱动电机、驱动轴和模拟轮毂，其中驱动电机、驱动轴和模拟轮毂装配在架体上，驱动电机通过联轴器与驱动轴连接，驱动轴上套设有电滑环，驱动轴的后端与模拟轮毂相连接，驱动电机通过驱动轴带动模拟轮毂进行同步转动，模拟轮毂上装配有非接触式激振器、激光位移传感器、力传感器和压电悬臂梁，非接触式激振器、激光位移传感器、力传感器和压电悬臂梁的信号线均与电滑环转子上的电线连接，通过电滑环定子上的电线即可收到非接触式激振器、激光位移传感器、力传感器和压电悬臂梁的信号，实现旋转体信号的流通。

驱动电机为伺服电机。

模拟轮毂的下端还装配有配重块，配重块的位置和重量能够进行调节。

力传感器通过第一支架安装在模拟轮毂上，第一支架上的凹槽用于对力传感器进行限位，利用螺钉通过第一沉头孔安装力传感器，利用螺栓螺母通过第一支架上的两个第二沉头孔和模拟轮毂上的两个第一延长孔实现力传感器和模拟轮毂的固联，第一延长孔能够实现调节第一支架的垂向安装位置，从而适应不同长度的压电悬臂梁的安装和其所受的离心力大小，压电悬臂梁通过第二支架安装在力传感器上，第二支架上的缝隙用于夹持压电悬臂梁的固定端，第二支架上所设的两个方螺母孔和两个第三沉头孔用于安装两对螺栓螺母，通过这两对螺栓螺母使第二支架上的缝隙变小，夹紧压电悬臂梁的固定端，第二支架下端的凹槽用于对力传感器进行限位，利用螺钉通过第四沉头孔将第二支架固联到力传感器上

激光位移传感器通过第三支架安装在模拟轮毂上，第三支架上的两个孔用于安装激光位移传感器，两个方螺母槽用于塞入方螺母，利用螺钉，通过模拟轮毂上的第二延长孔使第三支架和模拟轮毂固联，通过第二延长孔能够调节激光位移传感器的垂向位置，从而适应不同长度的压电悬臂梁，对压电悬臂梁自由端的振动位移进行有效的测量。

非接触式激振器通过第四支架安装在模拟轮毂上，利用螺栓螺母通过第四支架上的两个第五沉头孔和模拟轮毂上的数个第三延长孔实现第四支架与模拟轮毂的固联，第四支架上的孔用于安装非接触式激振器，第四支架上的方螺母孔和对面的第六沉头孔用于安装一对螺栓螺母，使孔的孔径变小，夹紧非接触式激振器，模拟轮毂上的数个第三延长孔能够调节非接触式激振器在水平和竖直方向上的安装位置，实现对不同尺寸的压电悬臂梁进行可靠有效的振动激励。

本实用新型中提供的驱动电机、非接触式激振器、激光位移传感器、力传感器和压电悬臂梁均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本实用新型的工作原理：

车辆在行驶过程中，车轮由于受到地面不平的激励会产生振动，将压电悬臂梁布置在车轮中，其自身受到振动激励而产生振动，可以将车轮的振动能量转化为电能供给智能轮胎内部的传感器使用。压电悬臂梁的振动越大，转化的能量越多，因此，若保证压电悬臂梁在各个车速下均能共振则能转化出较多的电能。然而，车轮振动频率是变化的，当车轮转速提高时，车轮的振动频率也随之提高。将压电悬臂梁沿模拟轮毂的径向布置，可以利用离心力来充当压电悬臂梁的轴向力，从而提高压电悬臂梁的固有频率，使压电悬臂梁的模态能够动态变化，与车轮的振动相适应，实现在各个车速下，压电悬臂梁都能共振。

进行相应试验时，控制器输出由试验工况所决定的转速驱动信号使驱动电机按指定转速连续转动。驱动电机通过联轴器和驱动轴驱动模拟轮毂进行同步转动。模拟轮毂的转动带动安装在其上的非接触式激振器、激光位移传感器、力传感器和压电悬臂梁绕轴心转动。通过这种方式，即可模拟车辆在各个车速下车轮的转动。

非接触式激振器通过数个第三延长孔能够调节其纵向和横向位置，使其正对于压电悬臂梁的自由端。非接触式激振器按照工况要求产生指定频率的对压电悬臂梁的激振力，压电悬臂梁受到激振力的影响而发生受迫振动。压电悬臂梁的固定端通过第二支架与力传感器固联，当压电悬臂梁受到离心力作用时，该作用力可以通过力传感器测量出。

激光位移传感器通过第二延长孔调节到压电悬臂梁的自由端。用于测量压电悬臂梁自由端的振动位移。

综合分析压电悬臂梁的电能输出，力传感器测量到的压电悬臂梁所受离心力和激光位移传感器测量到的压电悬臂梁自由端位移，即可判断出压电悬臂梁是否工作在共振状态，是否实现了模态自适应。因此本试验台可以对所设计的模态自适应俘能装置进行开发测试。

本实用新型的有益效果：

本实用新型所述的试验台采用闭环伺服电机系统，转速控制准确，可以准确模拟各个车速下的车轮转速。尺寸精简，降低了转动惯量，可以实现快速启动制动，节约试验时间，降低了对驱动电机的功率需求，降低成本。模拟轮毂上特殊设计了压电悬臂梁，力传感器，非接触式激振器和激光位移传感器的安装孔位，可以实现对这些部件的位置调整，提高试验台的通用性。采用了非接触式激振器对压电悬臂梁进行振动激励，简化了对压电悬臂梁进行激励的结构形式。采用了激光位移传感器对压电悬臂梁自由端的位移进行测量，测量精度高，响应速度快。能够实现对俘能装置的快速开发，能够实现模态随车速的变化而变化，时刻保持压电悬臂梁处于共振状态，提高俘能装置的能量转化效率和工作车速范围，增强了实用性。

附图说明

图1为本实用新型所述试验台整体结构示意图。

图2为本实用新型所述模拟轮毂及其上试验组件分解结构示意图。

图3为本实用新型所述第一支架结构示意图。

图4为本实用新型所述第二支架结构示意图。

图5为本实用新型所述第三支架结构示意图。

图6为本实用新型所述第四支架结构示意图。

1、架体 2、驱动电机 3、驱动轴 4、模拟轮毂 5、联轴器

6、电滑环 7、非接触式激振器 8、激光位移传感器 9、力传感器

10、压电悬臂梁 11、配重块 12、第一支架 13、第一沉头孔

14、第二沉头孔 15、第一延长孔 16、第二支架 17、第三沉头孔

18、第四沉头孔 19、第三支架 20、第二延长孔 21、第四支架

22、第五沉头孔 23、第三延长孔 24、第六沉头孔。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示：

本实用新型提供的车轮能量收集器试验台包括有架体1、驱动电机2、驱动轴3和模拟轮毂4，其中驱动电机2、驱动轴3和模拟轮毂4装配在架体1上，驱动电机2通过联轴器5与驱动轴3连接，驱动轴3上套设有电滑环6，驱动轴3的后端与模拟轮毂4相连接，驱动电机2通过驱动轴3带动模拟轮毂4进行同步转动，模拟轮毂4上装配有非接触式激振器7、激光位移传感器8、力传感器9和压电悬臂梁10，非接触式激振器7、激光位移传感器8、力传感器9和压电悬臂梁10的信号线均与电滑环6转子上的电线连接，通过电滑环6定子上的电线即可收到非接触式激振器7、激光位移传感器8、力传感器9和压电悬臂梁10的信号，实现旋转体信号的流通。

驱动电机2为伺服电机。

模拟轮毂4的下端还装配有配重块11，配重块11的位置和重量能够进行调节。

力传感器9通过第一支架12安装在模拟轮毂4上，第一支架12上的凹槽用于对力传感器9进行限位，利用螺钉通过第一沉头孔13安装力传感器9，利用螺栓螺母通过第一支架12上的两个第二沉头孔14和模拟轮毂4上的两个第一延长孔15实现力传感器9和模拟轮毂4的固联，第一延长孔15能够实现调节第一支架12的垂向安装位置，从而适应不同长度的压电悬臂梁10的安装和其所受的离心力大小，压电悬臂梁10通过第二支架16安装在力传感器9上，第二支架16上的缝隙用于夹持压电悬臂梁10的固定端，第二支架16上所设的两个方螺母孔和两个第三沉头孔17用于安装两对螺栓螺母，通过这两对螺栓螺母使第二支架16上的缝隙变小，夹紧压电悬臂梁10的固定端，第二支架16下端的凹槽用于对力传感器9进行限位，利用螺钉通过第四沉头孔18将第二支架16固联到力传感器9上

激光位移传感器8通过第三支架19安装在模拟轮毂4上，第三支架19上的两个孔用于安装激光位移传感器8，两个方螺母槽用于塞入方螺母，利用螺钉，通过模拟轮毂4上的第二延长孔20使第三支架19和模拟轮毂4固联，通过第二延长孔20能够调节激光位移传感器8的垂向位置，从而适应不同长度的压电悬臂梁10，对压电悬臂梁10自由端的振动位移进行有效的测量。

非接触式激振器7通过第四支架21安装在模拟轮毂4上，利用螺栓螺母通过第四支架21上的两个第五沉头孔22和模拟轮毂4上的数个第三延长孔23实现第四支架21与模拟轮毂4的固联，第四支架21上的孔用于安装非接触式激振器7，第四支架21上的方螺母孔和对面的第六沉头孔24用于安装一对螺栓螺母，使孔的孔径变小，夹紧非接触式激振器7，模拟轮毂4上的数个第三延长孔23能够调节非接触式激振器7在水平和竖直方向上的安装位置，实现对不同尺寸的压电悬臂梁10进行可靠有效的振动激励。

本实用新型中提供的驱动电机2、非接触式激振器7、激光位移传感器8、力传感器9和压电悬臂梁10均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本实用新型的工作原理：

车辆在行驶过程中，车轮由于受到地面不平的激励会产生振动，将压电悬臂梁10布置在车轮中，其自身受到振动激励而产生振动，可以将车轮的振动能量转化为电能供给智能轮胎内部的传感器使用。压电悬臂梁10的振动越大，转化的能量越多，因此，若保证压电悬臂梁10在各个车速下均能共振则能转化出较多的电能。然而，车轮振动频率是变化的，当车轮转速提高时，车轮的振动频率也随之提高。将压电悬臂梁10沿模拟轮毂4的径向布置，可以利用离心力来充当压电悬臂梁10的轴向力，从而提高压电悬臂梁10的固有频率，使压电悬臂梁10的模态能够动态变化，与车轮的振动相适应，实现在各个车速下，压电悬臂梁10都能共振。

进行相应试验时，控制器输出由试验工况所决定的转速驱动信号使驱动电机2按指定转速连续转动。驱动电机2通过联轴器5和驱动轴3驱动模拟轮毂4进行同步转动。模拟轮毂4的转动带动安装在其上的非接触式激振器7、激光位移传感器8、力传感器9和压电悬臂梁10绕轴心转动。通过这种方式，即可模拟车辆在各个车速下车轮的转动。

非接触式激振器7通过数个第三延长孔23能够调节其纵向和横向位置，使其正对于压电悬臂梁10的自由端。非接触式激振器7按照工况要求产生指定频率的对压电悬臂梁10的激振力，压电悬臂梁10受到激振力的影响而发生受迫振动。压电悬臂梁10的固定端通过第二支架16与力传感器9固联，当压电悬臂梁10受到离心力作用时，该作用力可以通过力传感器9测量出。

激光位移传感器通8过第二延长孔20调节到压电悬臂梁10的自由端。用于测量压电悬臂梁10自由端的振动位移。

综合分析压电悬臂梁10的电能输出，力传感器9测量到的压电悬臂梁10所受离心力和激光位移传感器8测量到的压电悬臂梁10自由端位移，即可判断出压电悬臂梁10是否工作在共振状态，是否实现了模态自适应。因此本试验台可以对所设计的模态自适应俘能装置进行开发测试。