具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台及控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台及控制方法，包括设置在实验台框架上的驱动滚筒轴和从动滚筒轴，通过轴承分别设置在驱动滚筒轴和从动滚筒轴上的驱动滚筒和从动滚筒，环绕在驱动滚筒和从动滚筒上的传送带，所述的驱动滚筒轴两端与实验台框架刚性连接，固设在实验台框架上的滚筒驱动电机通过传动机构与驱动滚筒驱动连接，在实验台框架两侧分别固设一套可沿传送带纵向移动的纵向导向与张紧调节机构，从动滚筒轴的两端分别通过关节球轴承设置在纵向导向与张紧调节机构的关节轴承支座上。本试验台能够保证轮胎高速实验台的在线跑偏纠正，具有结构简单、占用空间小、布置方便、易控制等优点。
【专利说明】具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于车用轮胎实验测试设备，具体涉及一种具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台及控制方法，可用于解决带式轮胎高速实验台在受到侧向力时引起传送带跑偏的问题，保证其可靠稳定地工作。
【背景技术】
[0002]在轮胎力学的理论研究和轮胎产品开发领域都需要一种轮胎的高速实验装备来模拟轮胎的实际使用工况，测试轮胎的各种力学性能。以往的轮胎高速实验台多采用转鼓来模拟路面，但由于转鼓表面为曲面，所模拟的路面会与实际路面存在偏差。因此人们更倾向于使用传送带来模拟路面实现轮胎高速测试。但是，带式轮胎高速实验台所需要解决的一个技术难题就是带的跑偏纠正。轮胎在实验测试中常会受到侧向力(如侧偏、侧倾等工况)，此时轮胎也会给传送带一个反作用的侧向力，这个力会使带发生侧向的偏移。当侧向力足够大时，会使带发生不可接受的侧向偏移，甚至导致实验台的损坏。因此，要保证轮胎实验台的正常运转，需要一个传送带跑偏的纠正装置。现有的传送带跑偏纠正装置结构都比较复杂，成本较高，占用空间较大，难以布置。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于为了克服现有带式轮胎高速实验台的不足，提出一种具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台及控制方法，能够保证轮胎高速实验台的在线跑偏纠正，具有结构简单、占用空间小、布置方便、易控制等优点。
[0004]本发明具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，包括设置在实验台框架上的驱动滚筒轴和从动滚筒轴，通过轴承分别设置在驱动滚筒轴和从动滚筒轴上的驱动滚筒和从动滚筒，环绕在驱动滚筒和从动滚筒上的传送带，以上下位机模式构成的控制系统；
[0005]所述的驱动滚筒轴两端与实验台框架刚性连接，固设在实验台框架上的滚筒驱动电机通过传动机构与驱动滚筒驱动连接，在实验台框架两侧分别固设一套可沿传送带纵向移动的纵向导向与张紧调节机构，所述的从动滚筒轴的两端分别通过关节球轴承设置在纵向导向与张紧调节机构的关节轴承支座上；
[0006]在所述的实验台框架上还固设一置于所述传送带的上环层底部的支撑底板，在受试轮胎下压传送带时使传送带与支撑底板呈摩擦接触；
[0007]在实验台框架的一侧通过传送带速度传感器支架设置有传送带滚动速度传感器和光源；
[0008]传送带速度传感器与所述控制系统下位机电脑通过通讯数据线连接，实现传送带纵向和侧向速度的可控读取；滚筒驱动电机控制器与下位机通过通讯数据线连接，实现驱动电机的驱动控制和电机转速的读取；滚筒驱动电机控制器与滚筒驱动电机通过动力电缆和通讯数据线连接，实现控制器动力输出到电机和电机转速信号的回传；两套所述纵向导向与张紧调节机构的调节电机控制器分别与下位机电脑通过通讯数据线连接，实现调节电机的速度和电流(力矩)控制及调节电机速度的读取；调节电机控制器与调节电机通过动力电缆和通讯数据线连接，实现调节电机控制器动力输出和调节电机转速的反馈。
[0009]所述的从动滚筒轴的一端与该端上的关节球轴承中心孔紧配合连接，并由设置在从动滚筒轴该端上的卡簧和限位螺母限制关节球轴承与从动滚筒轴间的轴向移动；从动滚筒轴的另一端设置一与其呈滑配合的滑动轴承，该滑动轴承与该端上的关节球轴承中心孔紧配合连接，并由设置在滑动轴承两端上的卡簧限制关节球轴承与滑动轴承间的轴向移动。
[0010]所述的滚筒驱动电机与驱动滚筒的传动机构包括:分别刚性连接在驱动电机的输出轴上和驱动滚筒上的驱动同步轮和从动同步轮、与该两同步轮通过其上的齿捏合连接而实现传动的同步带。
[0011]所述的固设在实验台框架两侧的纵向导向与张紧调节机构，包括:调节电机、通过两丝杆轴承支座设置在实验台框架侧面上的丝杆-丝杆螺母副、通过螺钉刚性连接在实验台框架侧面上的两平行的直线导轨、分别与两平行的直线导轨滑配合的两滑块、关节轴承支座；所述调节电机通过连轴器与丝杆-丝杆螺母副的一端相连接，丝杆螺母通过丝杆螺母连接座固连在关节轴承支座上，所述的两滑块与关节轴承支座刚性连接。
[0012]本发明的控制系统采用上下位机模式。其中，传送带速度传感器与下位机电脑通过通讯数据线连接，实现传送带纵向和侧向速度的可控读取；滚筒驱动电机控制器与下位机通过通讯数据线连接，实现驱动电机的驱动控制和电机转速的读取；滚筒驱动电机控制器与滚筒驱动电机通过动力电缆和通讯数据线连接，实现控制器动力输出到电机和电机转速信号的回传；两调节电机控制器与下位机电脑通过通讯数据线连接，实现调节电机的速度和电流(力矩)控制及调节电机速度的读取；调节电机控制器与调节电机通过动力电缆和通讯数据线连接，实现调节电机控制器动力输出和调节电机转速的反馈。
[0013]综上，本发明可实现带式轮胎高速实验台的纠偏，保证实验台的正常运转，同时可使传送带保持合理的预紧力。
[0014]本发明具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台的控制方法，按以下步骤实现:
[0015]速度控制:
[0016]a.设定需要模拟的轮胎的滚动速度，经换算得出需要的目标驱动电机转速；
[0017]b.通过上位机设定目标驱动电机转速，上位机将指令经数据线传递给下位机，下位机再将指令传递给驱动电机控制器；
[0018]c.驱动电机控制器将所需要的驱动电流经动力电缆传递给驱动电机，使电机达到一定转速，电机的瞬时转速经其转速传感器反馈给下驱动电机控制器，控制器对电机速度进行反馈控制调节。
[0019]用以上方法也可以控制实现指定的变速度连续控制功能。
[0020]张紧控制:
[0021]如图1和图4所示实现传送带的张紧程度的控制，步骤如下:
[0022]a.通过上位机设定使滚筒达到制定速度；
[0023]b.此时传送带与滚筒间处于略松弛的状态，使两调节电机同步转动，推动从动滚筒并张紧传送带；
[0024]c.通过传送带速度传感器读取传送带的纵向滚动线速度，同时将该速度与驱动电机转速传感器测得的速度(换算为滚筒外圆的线速度)进行比较，并将二者的差值反馈给下位机；
[0025]d.循环判断传送带滚动直线速度和驱动滚筒外圆线速度之差，当差值大于设定偏差时继续由两调节电机同步推动从动滚筒，当差值小于设定偏差时，停止推动从动滚筒；
[0026]e.在上一步骤中同时由调节电机控制器监测电机的工作电流，当两驱动电机的瞬时电流大于设定最大值时，应停止推动滚筒，并适当增加传送带滚动直线速度与驱动滚筒外圆线速度设定偏差，重复d步骤。
[0027]纠偏控制:
[0028]如图1和图5所示实现传送带侧向偏移的纠正控制，具体步骤如下:
[0029]a.通过上位机设定使滚筒达到指定速度；
[0030]b.此时滚筒与传送带处于适当的张紧状态，当有轮胎与传送带间的侧向力后，传送带会产生侧向偏移，该偏移通过传送带速度光流传感器读出，并反馈给下位机；
[0031]c.下位机判断出传送带偏移的方向和大小后，通过两个调节电机的差动输入实现传送带侧向偏移的纠正。具体为:当传送带向下偏移时(如图1和图5位置)，驱动上方调节电机使上方丝杆-螺母副向右移动，并带动滚筒上方向右偏移，同时和驱动电机的工作电流，当传送带通过纠正回到初始侧向位置后读取传送带的纵向线速度，若其纵向速度有所降低，驱动上方调节电机使滚筒上方向左移动，直到传送带纵向线速度恢复。当传送带向上偏移时，采取同上方法驱动相应调节电机实现偏移纠正。
[0032]本发明具有以下突出优点:
[0033]I)本发明具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，由两个调节电机经丝杆导向机构同时实现滚筒的张紧与纠偏，其结构简单，易于布置，成本低，且效率高，好控制。
[0034]2)以往的带式轮胎实验台的纠偏系统都为液压作动，本发明的纠偏装置所有作动和控制都实现了电气化，系统调试和维护都较方便，控制性能更有保证，系统可靠性更高。
[0035]4)本发明应用非接触的光学传感器测量传送带的侧向偏移，与接触式传感器相比有更好的可靠性。
[0036]5)以往的带式轮胎实验台的纠偏机构作动方向与模拟路面垂直，当侧向力变化时，模拟路面会发生扭转，无法保证模拟路面水平；本发明的纠偏装置，其纠偏机构的作动方向与模拟路面平行，保证了实验轮胎滚动路面的水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台俯视图；
[0038]图2是具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台轴测图；
[0039]图3是具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台侧视图；
[0040]图4是具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台滚筒张紧调节示意图；
[0041]图5是具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台纠偏调节示意图；
[0042]图6是具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台控制流程图。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。[0044]实例I
[0045]参照图1?3，一种具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，包括:驱动滚筒1、驱动滚筒轴2、驱动滚筒轴承3、滚筒驱动电机4、驱动同步轮5、同步带6、从动同步轮7、从动滚筒8、从动滚筒轴9、从动滚筒轴承10、关节球轴承U、滑动轴承12、卡簧13、限位螺母14、关节轴承支座15、直线导轨16、滑块17、丝杆-丝杆螺母副18、丝杆螺母联接座19、丝杆轴承支座20、连轴器21、带减速器的调节电机22、传送带23、传送带滚动速度传感器24、光源25、传送带速度传感器支架26、实验台框架27、脚座28、支撑底板29。
[0046]如图1所示，驱动滚筒I通过两个驱动滚筒轴承3与驱动滚筒轴2连接，驱动滚筒轴2两端与实验台框架27刚性连接，驱动同步轮5和从动同步轮7分别刚性连接在驱动电机4的输出轴上和驱动滚筒I上，同步带6与该两同步轮通过其上的齿捏合连接并实现传动，驱动电机4的转矩由驱动同步轮5、同步带6、从动同步轮7传递给驱动滚筒I，驱动电机4与实验台框架27通过螺栓刚性连接；
[0047]如图2所示，传送带23由驱动滚筒I和从动滚筒8撑起，并与两滚筒间摩擦接触，驱动滚筒I的转动力矩通过摩擦传递给传送带23，再由传送带传递给从动滚筒8。支撑底板29与实验台框架27刚性连接，并位于传送带23上环层的底部，试验时轮胎受垂直载荷下压传送带23，使传送带23与支撑底板29接触，并由支撑底板承受轮胎的垂直载荷，传送带将与支撑底板摩擦接触。
[0048]参照图1至3，从动滚筒8通过两个从动滚筒轴承10与从动滚筒轴9连接，从动滚筒轴9的一端与该端上的关节球轴承11中心孔紧配合连接，并由设置在从动滚筒轴9该端上的卡簧13和限位螺母14限制关节球轴承与从动滚筒轴间的轴向移动；从动滚筒轴9的另一端设置一与其呈滑配合的滑动轴承12，该滑动轴承12与该端上的关节球轴承11中心孔紧配合连接，并由设置在滑动轴承12两端上的卡簧13限制关节球轴承11与滑动轴承12间的轴向移动。
[0049]在实验台框架27两侧分别固设一套可沿传送带23纵向移动的纵向导向与张紧调节机构，从动滚筒轴9的两端分别通过关节球轴承11设置在纵向导向与张紧调节机构的关节轴承支座15上。
[0050]所述的纵向导向与张紧调节机构，包括:调节电机22、通过两丝杆轴承支座20设置在实验台框架27侧面上的丝杆-丝杆螺母副18、通过螺钉刚性连接在实验台框架27侧面上的两平行的直线导轨16、分别与两平行的直线导轨16滑配合的两滑块17、关节轴承支座15 ;所述调节电机22通过连轴器21与丝杆-丝杆螺母副18的一端相连接，丝杆螺母通过丝杆螺母连接座19固连在关节轴承支座15上，所述的两滑块17与关节轴承支座15刚性连接。由此实现从动滚筒的纵向导向运动。
[0051]调节电机22的转动通过连轴器21传递给丝杆-丝杆螺母副18，丝杆的转动通过丝杆-丝杆螺母副变为直线移动，丝杆螺母的移动经中间环节传递给滚筒实现其纵向移动，两调节电机的同步同向转动将实现从动滚筒8相对驱动滚筒I的平行移动调节，即张紧程度的调节，两调节电机的异步(同向不同步，或反向)转动可实现从动滚筒的角度调节。
[0052]四个脚座28与实验台框架27通过螺钉固联，支撑实验台的主体质量，并可调节实验台的水平姿态。
[0053]如图6所示，本发明的控制系统采用上下位机模式。其中，传送带速度传感器24与下位机电脑通过通讯数据线连接，实现传送带纵向和侧向速度的可控读取；滚筒驱动电机控制器与下位机通过通讯数据线连接，实现驱动电机的驱动控制和电机转速的读取；滚筒驱动电机控制器与滚筒驱动电机4通过动力电缆和通讯数据线连接，实现控制器动力输出到电机和电机转速信号的回传；两调节电机控制器与下位机电脑通过通讯数据线连接，实现调节电机的速度和电流(力矩)控制及调节电机速度的读取；调节电机控制器与调节电机22通过动力电缆和通讯数据线连接，实现调节电机控制器动力输出和调节电机转速的反馈。
[0054]由此可见，发明可实现带式轮胎高速实验台的纠偏，保证实验台的正常运转，同时可使传送带保持合理的预紧力。
[0055]本发明具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台的控制方法如下:
[0056]速度控制:
[0057]a.设定需要模拟的轮胎的滚动速度，经换算得出需要的目标驱动电机转速；
[0058]b.通过上位机设定目标驱动电机转速，上位机将指令经数据线传递给下位机，下位机再将指令传递给驱动电机控制器；
[0059]c.驱动电机控制器将所需要的驱动电流经动力电缆传递给驱动电机，使电机达到一定转速，电机的瞬时转速经其转速传感器反馈给下驱动电机控制器，控制器对电机速度进行反馈控制调节。
[0060]用以上方法也可以控制实现指定的变速度连续控制功能。
[0061]张紧控制:
[0062]如图1和图4所示实现传送带的张紧程度的控制，步骤如下:
[0063]a.通过上位机设定使滚筒达到制定速度；
[0064]b.此时传送带与滚筒间处于略松弛的状态，使两调节电机同步转动，推动从动滚筒并张紧传送带；
[0065]c.通过传送带速度光流传感器读取传送带的纵向滚动线速度，同时将该速度与驱动电机转速传感器测得的速度(换算为滚筒外圆的线速度)进行比较，并将二者的差值反馈给下位机；
[0066]d.循环判断传送带滚动直线速度和驱动滚筒外圆线速度之差，当差值大于设定偏差时继续由两调节电机同步推动从动滚筒，当差值小于设定偏差时，停止推动从动滚筒；
[0067]e.在上一步骤中同时由调节电机控制器监测电机的工作电流，当两驱动电机的瞬时电流大于设定最大值时，应停止推动滚筒，并适当增加传送带滚动直线速度与驱动滚筒外圆线速度设定偏差，重复d步骤。
[0068]纠偏控制:
[0069]如图1和图5所示实现传送带侧向偏移的纠正控制，具体步骤如下:
[0070]a.通过上位机设定使滚筒达到制定速度；
[0071]b.此时滚筒与传送带处于适当的张紧状态，当有轮胎与传送带间的侧向力后，传送带会产生侧向偏移，该偏移通过传送带速度光流传感器读出，并反馈给下位机；
[0072]c.下位机判断出传送带偏移的方向和大小后，通过两个调节电机的差动输入实现传送带侧向偏移的纠正。具体为:当传送带向下偏移时(如图1和图5位置)，驱动上方调节电机使上方丝杆-螺母副向右移动，并带动滚筒上方向右偏移，同时和驱动电机的工作电流，当传送带通过纠正回到初始侧向位置后读取传送带的纵向线速度，若其纵向速度有所降低，驱动上方调节电机使滚筒上方向左移动，直到传送带纵向线速度恢复。当传送带向上偏移时，采取同上方法驱动相应调节电机实现偏移纠正。
【权利要求】
1.一种具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，包括设置在实验台框架(27)上的驱动滚筒轴(2 )和从动滚筒轴(9 )，通过驱动滚筒轴承(3 )和从动滚筒轴承(10 )分别设置在驱动滚筒轴(2)和从动滚筒轴(9)上的驱动滚筒(I)和从动滚筒(8)，环绕在驱动滚筒(I)和从动滚筒(8)上的传送带(23)，以上下位机模式构成的控制系统，其特征在于: 所述的驱动滚筒轴(2)两端与实验台框架(27)刚性连接，固设在实验台框架(27)上的滚筒驱动电机(4)通过传动机构与驱动滚筒(1)驱动连接，在实验台框架(27)两侧分别固设一套可沿传送带(23)纵向移动的纵向导向与张紧调节机构，所述的从动滚筒轴(9)的两端分别通过关节球轴承(11)设置在纵向导向与张紧调节机构的关节轴承支座(15)上； 在所述的实验台框架(27)上还固设一置于所述传送带(23)的上环层底部的支撑底板(29),在受试轮胎下压传送带(23)时使传送带(23)与支撑底板(29)呈摩擦接触； 在实验台框架(27)的一侧通过传送带速度传感器支架(26)设置有传送带滚动速度传感器(24)和光源(25)； 传送带速度传感器(24 )与所述控制系统下位机电脑通过通讯数据线连接，实现传送带纵向和侧向速度的可控读取；滚筒驱动电机控制器与下位机通过通讯数据线连接，实现驱动电机的驱动控制和电机转速的读取；滚筒驱动电机控制器与滚筒驱动电机(4)通过动力电缆和通讯数据线连接，实现控制器动力输出到电机和电机转速信号的回传；两套所述纵向导向与张紧调节机构的调节电机控制器分别与下位机电脑通过通讯数据线连接，实现调节电机的速度和电流(力矩)控制及调节电机速度的读取；调节电机控制器与调节电机通过动力电缆和通讯数据线连接，实现调节电机控制器动力输出和调节电机转速的反馈。
2.根据权利要求1所述的具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，其特征在于，所述的从动滚筒轴(9)的一端与该端上的关节球轴承(11)中心孔紧配合连接，并由设置在从动滚筒轴(9)该端上的卡簧(13)和限位螺母(14)限制关节球轴承与从动滚筒轴间的轴向移动；从动滚筒轴(9)的另一端设置一与其呈滑配合的滑动轴承(12)，该滑动轴承(12)与该端上的关节球轴承(11)中心孔紧配合连接，并由设置在滑动轴承(12)两端上的卡簧(13)限制关节球轴承(11)与滑动轴承(12 )间的轴向移动。
3.根据权利要求1所述的具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，其特征在于，所述的滚筒驱动电机(4)与驱动滚筒(I)的传动机构包括:分别刚性连接在驱动电机(4)的输出轴上和驱动滚筒(1)上的驱动同步轮(5)和从动同步轮(7)、与该两同步轮通过其上的齿捏合连接而实现传动的同步带(6 )。
4.根据权利要求1所述的具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台，其特征在于，所述的固设在实验台框架(27)两侧的纵向导向与张紧调节机构，包括:调节电机(22)、通过两丝杆轴承支座(20)设置在实验台框架(27)侧面上的丝杆-丝杆螺母副(18)、通过螺钉刚性连接在实验台框架(27)侧面上的两平行的直线导轨(16)、分别与两平行的直线导轨(16)滑配合的两滑块(17)、关节轴承支座(15);所述调节电机(22)通过连轴器(21)与丝杆-丝杆螺母副(18)的一端相连接，丝杆螺母通过丝杆螺母连接座(19)固连在关节轴承支座(15)上，所述的两滑块(17)与关节轴承支座(15)刚性连接。
5.权利要求1所述的具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台的速度控制方法，其特征在于包括以下步骤: a.设定需要模拟的轮 胎的滚动速度，经换算得出需要的目标驱动电机转速；b.通过上位机设定目标驱动电机转速，上位机将指令经数据线传递给下位机，下位机再将指令传递给驱动电机控制器； c.驱动电机控制器将所需要的驱动电流经动力电缆传递给驱动电机，使电机达到一定转速，电机的瞬时转速经其转速传感器反馈给下驱动电机控制器，控制器对电机速度进行反馈控制调节。
6.权利要求1所述的具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台的张紧控制方法，其特征在于包括以下步骤: a.通过上位机设定使滚筒达到制定速度； b.此时传送带与滚筒间处于略松弛的状态，使两调节电机同步转动，推动从动滚筒并张紧传送带； c.通过传送带速度传感器读取传送带的纵向滚动线速度，同时将该速度与驱动电机转速传感器测得的速度(换算为滚筒外圆的线速度)进行比较，并将二者的差值反馈给下位机； d.循环判断传送带滚动直线速度和驱动滚筒外圆线速度之差，当差值大于设定偏差时继续由两调节电机同步推动从动滚筒，当差值小于设定偏差时，停止推动从动滚筒； e.在上一步骤中同时由调节电机控制器监测电机的工作电流，当两驱动电机的瞬时电流大于设定最大值时，应停止推动滚筒，并适当增加传送带滚动直线速度与驱动滚筒外圆线速度设定偏差，重复步骤(d)。
7.权利要求1所述的具有纠偏功能的带式轮胎高速实验台的纠偏控制方法，其特征在于包括以下步骤: a.通过上位机设定使滚筒达到指定速度； b.此时滚筒与传送带处于适当的张紧状态，当有轮胎与传送带间的侧向力后，传送带会产生侧向偏移，该偏移通过传送带速度光流传感器读出，并反馈给下位机； c.下位机判断出传送带偏移的方向和大小后，通过两个调节电机的差动输入实现传送带侧向偏移的纠正。具体为:当传送带向下偏移时，驱动上方调节电机使上方丝杆-螺母副向右移动，并带动滚筒上方向右偏移，同时和驱动电机的工作电流，当传送带通过纠正回到初始侧向位置后读取传送带的纵向线速度，若其纵向速度有所降低，驱动上方调节电机使滚筒上方向左移动，直到传送带纵向线速度恢复。当传送带向上偏移时，采取同上方法驱动相应调节电机实现偏移纠正。
【文档编号】G05D3/12GK103926090SQ201410155175
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】庄晔, 祁祥, 王杨, 郭明超 申请人:吉林大学