一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台及其控制方法与流程

本发明涉及汽车风洞试验技术领域，更具体的是，本发明涉及一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台及其控制方法。

背景技术：

由于当前对流体流动的机理缺乏完全的理解，整车模型风洞试验作为整车气动设计中重要的一环，弥补了数值仿真准确度不高的缺陷。大多数企业在开发新车型时，都会使用油泥制作缩比模型，该油泥缩比模型除了在造型评审时的用处外，还往往承担缩比风洞试验的用处。由于每个车型的轮距、轴距、车轮型号、离地间隙等往往不相同，制作油泥模型的内部骨架基本是固定且唯一与其适配的，当需要进行新方案的构建时，只能重新制作骨架，这就造成了制作时间长、制作成本高的现状。另一方面，即使已经具有多个汽车空气动力学标准模型，但高校在利用风洞研究整车尺寸对其气动特性的影响时，依然不能实现快速迭代，原因是标准模型往往仅限定于一种车型及其衍生车型，对于变尺寸、变车型的试验只能重新准备台架，从而与企业面临同样的问题。

此外，在当前的整车模型风洞试验中，往往依照移动带系统被动实现车轮旋转，对于无移动带的风洞则只能考虑车轮静止工况，实际上除非是专用汽车风洞，一般风洞均不具备移动带系统，这就大大减少了整车模型风洞试验的试验范围。

技术实现要素：

本发明的目的是设计开发了一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，通过四个相互独立的车轮驱动装置实现车轮的主动旋转，同时利用丝杠调节机构实现轴距和离地间隙的自动调节，轮距则通过滑轨实现手动调节，其尺寸变化范围足以涵盖多种车型的模型风洞试验，大大缩短整车风洞试验的时间周期和成本，为多方案的快速迭代验证提供了平台支持。

本发明还设计开发了一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的控制方法，能够通过调节竖梁和横梁的尺寸满足不同的车型，完成各种车型的风洞试验，突破了现有整车模型风洞试验平台定制化、专一化的问题，从而使得整车模型风洞测试平台通用化。

本发明提供的技术方案为：

一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，包括：

平台台架；

前试验平台，其设置在所述平台台架上；

后试验平台，其设置在所述平台台架上，且与所述前试验平台对称设置；

其中，所述前试验平台和所述后试验平台均包括：

多个竖梁，其一端垂直可拆卸的设置在所述平台台架的上部一侧；

多个横梁，其一端分别一一对应的可滑动垂直设置在所述多个竖梁上；

两个滑轨，其间隔可滑动的垂直设置在所述多个横梁上；

两个框架，其分别可滑动的设置在所述两个滑轨上；

两个第一电机，其分别一一对应的设置在所述两个框架中，并且所述两个第一电机的输出轴分别与模型车轮的轮轴对应相连接。

优选的是，还包括：

多个固定梁，其设置在所述前试验平台和后试验平台之间；

多个斜梁，其一端分别一一对应的固定在所述多个横梁上，另一端分别一一对应可滑动的设置在所述多个竖梁上。

优选的是，所述前试验平台和所述后试验平台均还包括：

两个第二电机，其分别设置在外侧的竖梁上；

两个第一丝杠，其分别一一对应与所述两个第二电机的动力输出轴相连接，并且所述两个第一丝杠与多个竖梁平行设置；

两个第一滑动块，其分别一一对应可滑动的设置在所述两个第一丝杠上。

优选的是，所述前试验平台和所述后试验平台均还包括：

两个第三电机，其分别一一对应的设置在所述两个第一滑动块上；

两个第二丝杠，其分别一一对应与所述两个第三电机的动力输出轴相连接，并且所述两个第二丝杠与两个横梁平行设置；

多个第二滑动块，其一端分别设置在所述两个滑轨上，另一端分别可滑动的设置在所述两个第二丝杠上。

优选的是，还包括：

还包括：

多个支撑杆，其为中空结构，并且所述多个支撑杆一端设置在所述平台台架的下部，另一端与风洞天平相连接。

优选的是，还包括：

动力端，其设置在所述平台台架的上部；

第一控制器，其分别与所述多动力端、多个第一电机、多个第二电机和多个第三电机相连接，用于调节轴距和离地间隙以及输出动力；

外部控制端，其与所述第一控制器电连。

优选的是，还包括：

多个连接块，其分别设置在所述多个竖梁的另一端，用于连接不同的模型外壳。

一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的控制方法，使用所述的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，包括如下步骤：

步骤1、在外部控制端中输入试验模型的轴距、轮距、前悬长度、后悬长度和离地间隙后，根据尺寸调节范围判断试验模型是否能够安装；

步骤2、若试验模型能够安装，第一控制器控制确定车轮的位置，并将试验平台和试验模型安装组合，启动动力端，进行试验；

若试验模型不能够安装，调节所述的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的尺寸直到能够安装；

步骤3、将车轮转速输入所述外部控制端中，控制所述动力端的电压输出，从而控制车轮的转速；

步骤4、根据车轮的转速确定电压的输出值，试验完成后，调节电压的输出值至0，动力端的转速缓慢减小至0，车轮停止转动。

优选的是，判断试验模型是否能够安装包括：

所述试验模型的前悬和后悬的长度满足：

式中，l为前悬或者后悬的最短长度，a为试验平台的总长，w为轴距的长度；

若所述试验模型外壳的前悬的长度小于前悬的最短长度，则需要更换所述前试验平台上的多个横梁，至所述模型外壳的前悬长度不小于所述前悬的最短长度；

若所述试验模型外壳的后悬的长度小于后悬的最短长度，则需要更换所述后试验平台上的多个横梁，至所述模型外壳的后悬长度不小于所述后悬的最短长度；

所述试验模型的高度满足：

h＝g+b；

式中，h为试验模型的高度的最小值，g为离地间隙，b为多个第一竖梁或多个第二竖梁与平台台架的高度总和；

若所述试验模型外壳的高度小于所述试验模型的高度的最小值，则需要更换多个竖梁，至模型外壳的高度不小于所述试验模型的高度的最小值。

优选的是，当更换所述多个横梁时，轴距的调节范围变化满足：

1095≤w≤1655，1771.21≤a≤1870；

1095≤w≤1655-(1772.21-a)，1403.26≤a＜1771.21；

当更换所述多个竖梁时，离地间隙调节范围变化满足：

r+118.1+80＝n+g-(261.63+k)；

式中，r为车轮的半径，n为有效高度，k为多个第一横梁或多个第二横梁上下移动的距离。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，通过四个相同且相互独立的车轮驱动装置及实现尺寸调节的丝杠机构，实现了车轮主动旋转状态下模型轮距、轴距和离地间隙等尺寸参数的独立调节，其尺寸变化范围足以涵盖小至微型车，大至d级车、全尺寸suv等的模型风洞试验；内置的电池可以实现动力与控制系统的自主供电；大大缩减了试验成本和时间消耗，本发明适用于乘用车1:2缩比模型风洞试验。

(2)本发明设计开发的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的控制方法，能够通过调节竖梁和横梁的尺寸满足不同的车型，完成各种车型的风洞试验，突破了现有整车模型风洞试验平台定制化、专一化的问题，从而使得整车模型风洞测试平台通用化。

附图说明

图1为本发明所述柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的整体结构示意图。

图2为本发明所述柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的前部结构示意图。

图3为本发明所述柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的底部结构示意图。

图4为本发明所述柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的俯视结构示意图。

图5为本发明所述离地间隙调节装置的结构示意图。

图6为本发明所述轴距调节装置的结构示意图。

图7为本发明所述轴距最短、车轮最小的结构示意图。

图8为本发明所述轴距最大、车轮最大的结构示意图。

图9为本发明所述整车尺寸结构示意图。

图10为本发明所述实施例1的结构示意图。

图11为本发明所述实施例1的仰视结构示意图。

图12为本发明所述实施例2的结构示意图。

图13为本发明所述实施例2的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2所示，本发明提供一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，包括：柔性平台台架装置110、尺寸调节装置120、动力及控制装置130、4个车轮驱动装置140和4个车轮150五个部分。其中，尺寸调节装置120、动力及控制装置130和4个车轮驱动装置140分别设置在所述柔性平台台架装置110上，并且动力及控制装置130与4个车轮驱动装置相连接，4个车轮驱动装置140分别一一对应的与所述4个车轮150相连接，用于驱动车轮150。

如图1、图2和图3所示，在本实施例中，柔性平台台架装置110包括：3个前端竖梁111、3个后端竖梁112、5个固定梁113、3个前端横梁114、3个后端横梁115、6个斜梁116、2个第一滑轨117、4个支撑杆118、4个连接块119和平台台架160，其中，平台台架160为具有4个通孔的长方体；4个支撑杆118为中空结构，并且其一端分别与所述4个通孔相连通，另一端穿过风洞天平的地面与风洞天平相连接；3个前端竖梁111一端垂直可拆卸的设置在所述平台台架160的上部；3个后端竖梁112，其一端垂直可拆卸的设置在所述平台台架160的上部，并且所述3个后端竖梁112与所述3个前端竖梁111对称设置；4个连接块119，其分别设置在所述3个前端竖梁111和3个后端竖梁112的另一端，用于连接不同的模型外壳；在试验时，模型外壳与柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台通过4个连接块119，使用平头螺钉进行连接，从而保证外壳光滑；5个固定梁，其设置在所述3个前端竖梁111和3个后端竖梁112之间，且所述5个固定梁均与所述前端竖梁111和后端竖梁112相垂直；3个前端横梁114，其一端一一对应的可滑动设置在所述3个前端竖梁111上；3个后端横梁115，其一端一一对应的可滑动设置在所述3个后端竖梁112上；其中，所述3个前端横梁114与3个前端竖梁111相垂直，所述3个后端横梁115与3个后端竖梁112相垂直；2个第一滑轨117，其分别可滑动的设置在所述3个前端横梁114和3个后端横梁115的另一端，并且所述2个第一滑轨117均与所述3个前端横梁114和3个后端横梁115相垂直；6个斜梁116，在本实施例中，所述6个斜梁116的材质为铝型材，其中3个斜梁116分别一一对应的呈倾斜状设置在所述3个前端竖梁111和3个前端横梁114之间，所述3个斜梁116一端固定在所述3个前端横梁114上，另一端可滑动的设置在所述3个前端竖梁111上，另外3个斜梁116分别一一对应的呈倾斜状设置在所述3个后端竖梁112和3个后端横梁115之间，所述3个斜梁116一端固定在所述3个后端横梁115上，另一端可滑动的设置在所述3个后端竖梁112上，并且在6个额斜梁116和3个前端竖梁111与3个后端竖梁112之间通过角码固定，在尺寸调节装置120启动时，松开角码，6个斜梁116能够在3个前端竖梁111或者3个后端竖梁112上滑动，6个斜梁起结构加强的作用。

如图1、图5和图6所示，在本实施例中，尺寸调节装置120包括：4个第二电机121、4个第一丝杠122、4个第三电机123、4个第二丝杠124、8个第二滑动块125和4个第一滑动块126，其中，4个第二电机121，其分别设置在所述3个前端竖梁111和3个后端竖梁112上；4个第一丝杠122，其分别一一对应与所述4个第二电机121相连接，并且所述4个第一丝杠122与3个前端竖梁111平行设置，4个第一滑动块126，其一端分别设置在所述3个前端横梁114或3个后端横梁115上，另一端分别一一对应可滑动的设置在所述4个第一丝杠122上；第二电机121、第一丝杠122和第一滑动块126为离地间隙调节装置，用于离地间隙的自动调节；4个第三电机123，其分别一一对应设置在所述4个第一滑动块126上；4个第二丝杠124，其分别一一对应与所述4个第三电机123相连接，并且所述4个第二丝杠124与3个前端横梁114平行设置；8个第二滑动块125，其一端分别设置在所述2个第一滑轨117上，另一端分别一一对应可滑动的设置在所述4个第二丝杠124上；第三电机123、第二丝杠124和第二滑动块125为轴距调节装置，用于轴距的自动调节。

如图7、图8所示，为更换不同的车轮150后，4个第三电机123带动前车轮150在3个前端横梁114和后车轮150在3个后端横梁115上滑动，调节轴距大小，3个前端横梁114和3个后端横梁115分别在3个前端竖梁111和3个后端竖梁112上滑动来调节离地间隙。

如图2、图6所示，车轮驱动装置140包括：框架141、第一电机142和轮轴143，其中，所述框架141可滑动的设置在所述第一滑轨117的一端；第一电机142，其设置在所述框架141中，并且所述第一电机142的输出轴与车轮150的轮轴143相连接，轮轴143的设计使车辆可以保证同轴度；4个车轮驱动装置140结构完全相同，并且4个框架141两两对应分别设置在所述2个第一滑轨117的两端。

如图1、图4所示，动力及控制装置130包括：动力端131、4个第一控制器132和外部控制器(图中未示出)，其中，动力端131，其设置在所述平台台架160的上部，在本实施例中动力端131为电池；4个第一控制器132，其一端与所述动力端131相连接，另一端分别与所述4个第一电机142、4个第二电机121和4个第三电机123相连接，用于调节轴距和离地间隙以及输出动力；当需要进行测压或等离子体减阻等试验时，外部控制器通过缆线由4个支撑杆118的中空结构延伸到平台台架160的上部，从而消除对流场的干扰，如果不进行上述试验则支撑杆118中部的通道无实际作用，并且外部控制器与4个第一控制器132相连接，实现在外部控制器进行控制。

本发明提出的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，通过四个相互独立的车轮驱动装置实现车轮的主动旋转，同时利用丝杠调节机构实现轴距和离地间隙的自动调节，轮距则通过导轨实现手动调节，其尺寸变化范围足以涵盖小至微型车，大至d级车、全尺寸suv等的模型风洞试验，并且内置的电池可以实现动力与控制系统的自主供电；该平台的通用性可以大大缩短整车风洞试验的时间周期和成本，为多方案的快速迭代验证提供了平台支持。

本发明还提供一种柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的控制方法，使用所述的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台，包括如下步骤：

步骤1、再将柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台在充电完毕后，将第一控制器通过线缆连接至外部控制端，并启动动力端，在所述外部控制端中输入试验模型的车轮编号、轴距、轮距、前悬长度、后悬长度和离地间隙后，根据尺寸调节范围判断试验模型是否能够安装；

其中，尺寸调节范围如表1所示：

表1尺寸调节范围

步骤2、当新方案提出后，首先通过快速成型技术构建方案外壳，再将平台调节至相应尺寸，将模型进行安装；

若模型能够安装，外部控制端控制第一控制器，控制第二电机和第三电机通过丝杠机构使车轮运动到相应的位置，然后手动调节前后轮距至相应的位置，并根据此时连接块的位置确定模型外壳连接点位置，将模型外壳至连接块上，此时试验平台与模型外壳组合完毕；

对模型底部做平整化处理后，将支撑杆固定在风洞天平上，可以进行试验；

若试验模型不能够安装，调节所述的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的尺寸直到能够安装；

步骤3、将车轮转速输入所述外部控制端中，通过转速与电压的关系控制所述动力端的电压输出，从而控制车轮的转速；

其中，所述转速与电压的关系为：

v＝kt；

式中，v为电压，k为转速系数，t为转速；

步骤4、根据车轮的转速确定电压的输出值，试验开始；

试验完成后，调节电压的输出值至0，动力端的转速缓慢减小至0，车轮停止转动。

其中，如图9所示，由于滑轨和平台台架本身的结构特点，试验模型的轴距、轮距、前后悬和离地间隙有如下耦合关系：

多个第一横梁和多个第二横梁具有长度限制，试验模型的前悬和后悬的长度必须满足：

式中，l为前悬或者后悬的最短长度，a为试验平台的总长，w为轴距的长度；

若试验模型外壳的前悬的长度小于前悬的最短长度，则需要更换多个第一横梁至所述模型外壳的前悬长度不小于所述前悬的最短长度；

若试验模型外壳的后悬的长度小于后悬的最短长度，则需要更换多个第二横梁至所述模型外壳的后悬长度不小于所述后悬的最短长度；

多个第一竖梁和多个第二竖梁具有长度限制，试验模型的高度满足：

h＝g+b；

式中，h为试验模型的高度的最小值，g为离地间隙，b为多个第一竖梁或多个第二竖梁与平台台架的高度总和；

若试验模型外壳的高度小于试验模型的高度的最小值，则需要更换多个第一竖梁和多个第二竖梁至模型外壳的高度不小于所述试验模型的高度的最小值。

其中，当更换所述多个第一横梁或者多个第二横梁时，试验平台的总长减小，轴距的调节范围变化满足：

1095≤w≤1655，1771.21≤a≤1870；

1095≤w≤1655-(1772.21-a)，1403.26≤a＜1771.21；

当更换所述多个第一竖梁和多个第二竖梁时，所述多个第一竖梁或多个第二竖梁与平台台架的高度总和减小，离地间隙调节范围变化满足：

r+118.1+80＝n+g-(261.63+k)；

式中，r为车轮的半径，n为有效高度，k为多个第一横梁或多个第二横梁上下移动的距离。

实施例1

如图10、图11所示，为一种小轿车的缩比试验模型，其外廓尺寸为长2910mm，宽1190mm，高701.8mm，车轮半径r＝203.8mm，宽度142.5mm；试验离地间隙48.8mm(前后车轮一致)，轴距1655mm，前悬640mm，后悬615mm。

其离地间隙调节范围变化满足：

r+118.1+80＝n+g-(261.63+k)；

式中，r为车轮的半径，n为有效高度，k为多个第一横梁或多个第二横梁上下移动的距离。

其中，

r＝203.8mm；

g＝48.8mm；

得到：n-k＝614.73mm；

此时多个第一竖梁或多个第二竖梁与平台台架的高度总和为：

b＝701.8-48.8＝653mm；

则：n＝614.73mm；

因此：k＝0mm；

即所述多个第一横梁和多个第二横梁向下移动的距离均为0mm时可满足此试验配置。

由于试验模型长度和试验平台的总长之间的关系满足：

2910mm＞1870mm；

故多个第一横梁和多个第二横梁的长度不需要做修改。

前后悬最小值为：

试验模型外壳的前悬的长度满足：

640mm＞49.395mm；

试验模型外壳的后悬的长度满足：

615mm＞49.395mm；

故试验模型前后悬及轴距满足平台台架要求，可以安装，安装以后进行试验即可。

实施例2

如图12、13所示，为一种中型车的缩比试验模型，其外廓尺寸为长1880mm，宽795mm，高780.5mm，车轮半径r＝135mm，宽度87.5mm；试验离地间隙130mm(前后车轮一致)，轴距1095mm，前悬392.5mm，后悬392.5mm。

其离地间隙调节范围变化满足：

r+118.1+80＝n+g-(261.63+k)；

式中，r为车轮的半径，n为有效高度，k为多个第一横梁或多个第二横梁上下移动的距离。

其中，

r＝135mm；

g＝130mm；

得到：n-k＝464.73mm；

此时多个第一竖梁或多个第二竖梁与平台台架的高度总和为：

b＝780.5-130＝650.5mm＞614.73mm；

则：n＝614.73mm；

因此：k＝150mm；

即所述多个第一横梁和多个第二横梁向下移动的距离均为150mm时可满足此试验配置。

由于试验模型长度和试验平台的总长之间的关系满足：

1880mm＞1870mm；

故多个第一横梁和多个第二横梁的长度不需要做修改。

前后悬最小值为：

试验模型外壳的前悬的长度满足：

392.5mm＞329.395mm；

试验模型外壳的后悬的长度满足：

392.5mm＞329.395mm；

故试验模型前后悬及轴距满足平台台架要求，可以安装，安装以后进行试验即可。

本发明设计开发的柔性主动旋转车轮整车风洞试验平台的控制方法，能够通过调节竖梁和横梁的尺寸满足不同的车型，完成各种车型的风洞试验，突破了现有整车模型风洞试验平台定制化、专一化的问题，从而使得整车模型风洞测试平台通用化。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。