本實(shí)用新型涉及一種試驗(yàn)臺(tái)，特別涉及一種車輪能量收集器試驗(yàn)臺(tái)。

背景技術(shù)：

輪胎是汽車各組成部件中較為重要的一個(gè)組成部分。汽車與地面間作用力均通過輪胎進(jìn)行傳遞。因此獲取這些作用力并作為主動(dòng)安全系統(tǒng)的參考數(shù)據(jù)及控制參數(shù)對于行車安全來講具有很重要的意義。目前，許多輪胎制造商都在致力于研發(fā)帶有傳感器的智能輪胎，通過這些傳感器來獲取包括溫度，壓力，車輪轉(zhuǎn)數(shù)在內(nèi)的眾多參數(shù)。

現(xiàn)有的對傳感器進(jìn)行供能的方式大多是有源式的，即通過安裝鋰電池對傳感器進(jìn)行供電。這種方法的缺點(diǎn)在于：由于傳感器安裝于輪胎內(nèi)部，因此造成更換電池的操作較為復(fù)雜，降低裝置的實(shí)用性。同時(shí)，輪胎振動(dòng)產(chǎn)生的能量被大大浪費(fèi)，因此將輪胎內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換成電能供給傳感器使用將是一種解決問題的思路。利用壓電材料將車輪振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能是近年來一種被廣泛研究的無源供能方式。這種供電方式主要利用的是壓電材料的正壓電效應(yīng)，即當(dāng)壓電材料隨車輪振動(dòng)時(shí)，其形狀會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電能。將其發(fā)出的電能進(jìn)行收集，整流之后即可供給傳感器使用。

然而，通過壓電效應(yīng)對能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的效率極低，只有在保證由壓電材料制成的梁結(jié)構(gòu)處于共振狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)較為可觀的電能輸出?，F(xiàn)有的俘能裝置只能實(shí)現(xiàn)在單一車速下的能量轉(zhuǎn)化和輸出，當(dāng)車速變化時(shí)，其梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)不能隨著車速而變化，使其無法處于共振狀態(tài)，因此幾乎不能輸出電能，無法正常工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有俘能裝置存在的能量轉(zhuǎn)化效率低、工作條件要求苛刻、實(shí)用性差，以及測試開發(fā)俘能裝置時(shí)需使用實(shí)車而造成的開發(fā)困難等問題而提供的一種車輪能量收集器試驗(yàn)臺(tái)。

本實(shí)用新型提供的車輪能量收集器試驗(yàn)臺(tái)包括有架體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和模擬輪轂，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和模擬輪轂裝配在架體上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)軸連接，驅(qū)動(dòng)軸上套設(shè)有電滑環(huán)，驅(qū)動(dòng)軸的后端與模擬輪轂相連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)模擬輪轂進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬輪轂上裝配有非接觸式激振器、激光位移傳感器、力傳感器和壓電懸臂梁，非接觸式激振器、激光位移傳感器、力傳感器和壓電懸臂梁的信號(hào)線均與電滑環(huán)轉(zhuǎn)子上的電線連接，通過電滑環(huán)定子上的電線即可收到非接觸式激振器、激光位移傳感器、力傳感器和壓電懸臂梁的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體信號(hào)的流通。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為伺服電機(jī)。

模擬輪轂的下端還裝配有配重塊，配重塊的位置和重量能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。

力傳感器通過第一支架安裝在模擬輪轂上，第一支架上的凹槽用于對力傳感器進(jìn)行限位，利用螺釘通過第一沉頭孔安裝力傳感器，利用螺栓螺母通過第一支架上的兩個(gè)第二沉頭孔和模擬輪轂上的兩個(gè)第一延長孔實(shí)現(xiàn)力傳感器和模擬輪轂的固聯(lián)，第一延長孔能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)第一支架的垂向安裝位置，從而適應(yīng)不同長度的壓電懸臂梁的安裝和其所受的離心力大小，壓電懸臂梁通過第二支架安裝在力傳感器上，第二支架上的縫隙用于夾持壓電懸臂梁的固定端，第二支架上所設(shè)的兩個(gè)方螺母孔和兩個(gè)第三沉頭孔用于安裝兩對螺栓螺母，通過這兩對螺栓螺母使第二支架上的縫隙變小，夾緊壓電懸臂梁的固定端，第二支架下端的凹槽用于對力傳感器進(jìn)行限位，利用螺釘通過第四沉頭孔將第二支架固聯(lián)到力傳感器上

激光位移傳感器通過第三支架安裝在模擬輪轂上，第三支架上的兩個(gè)孔用于安裝激光位移傳感器，兩個(gè)方螺母槽用于塞入方螺母，利用螺釘，通過模擬輪轂上的第二延長孔使第三支架和模擬輪轂固聯(lián)，通過第二延長孔能夠調(diào)節(jié)激光位移傳感器的垂向位置，從而適應(yīng)不同長度的壓電懸臂梁，對壓電懸臂梁自由端的振動(dòng)位移進(jìn)行有效的測量。

非接觸式激振器通過第四支架安裝在模擬輪轂上，利用螺栓螺母通過第四支架上的兩個(gè)第五沉頭孔和模擬輪轂上的數(shù)個(gè)第三延長孔實(shí)現(xiàn)第四支架與模擬輪轂的固聯(lián)，第四支架上的孔用于安裝非接觸式激振器，第四支架上的方螺母孔和對面的第六沉頭孔用于安裝一對螺栓螺母，使孔的孔徑變小，夾緊非接觸式激振器，模擬輪轂上的數(shù)個(gè)第三延長孔能夠調(diào)節(jié)非接觸式激振器在水平和豎直方向上的安裝位置，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸的壓電懸臂梁進(jìn)行可靠有效的振動(dòng)激勵(lì)。

本實(shí)用新型中提供的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、非接觸式激振器、激光位移傳感器、力傳感器和壓電懸臂梁均為現(xiàn)有設(shè)備的組裝，因此，具體型號(hào)和規(guī)格沒有進(jìn)一步進(jìn)行贅述。

本實(shí)用新型的工作原理：

車輛在行駛過程中，車輪由于受到地面不平的激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，將壓電懸臂梁布置在車輪中，其自身受到振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，可以將車輪的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能供給智能輪胎內(nèi)部的傳感器使用。壓電懸臂梁的振動(dòng)越大，轉(zhuǎn)化的能量越多，因此，若保證壓電懸臂梁在各個(gè)車速下均能共振則能轉(zhuǎn)化出較多的電能。然而，車輪振動(dòng)頻率是變化的，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速提高時(shí)，車輪的振動(dòng)頻率也隨之提高。將壓電懸臂梁沿模擬輪轂的徑向布置，可以利用離心力來充當(dāng)壓電懸臂梁的軸向力，從而提高壓電懸臂梁的固有頻率，使壓電懸臂梁的模態(tài)能夠動(dòng)態(tài)變化，與車輪的振動(dòng)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在各個(gè)車速下，壓電懸臂梁都能共振。

進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，控制器輸出由試驗(yàn)工況所決定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)信號(hào)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)按指定轉(zhuǎn)速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)模擬輪轂進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。模擬輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在其上的非接觸式激振器、激光位移傳感器、力傳感器和壓電懸臂梁繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。通過這種方式，即可模擬車輛在各個(gè)車速下車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

非接觸式激振器通過數(shù)個(gè)第三延長孔能夠調(diào)節(jié)其縱向和橫向位置，使其正對于壓電懸臂梁的自由端。非接觸式激振器按照工況要求產(chǎn)生指定頻率的對壓電懸臂梁的激振力，壓電懸臂梁受到激振力的影響而發(fā)生受迫振動(dòng)。壓電懸臂梁的固定端通過第二支架與力傳感器固聯(lián)，當(dāng)壓電懸臂梁受到離心力作用時(shí)，該作用力可以通過力傳感器測量出。

激光位移傳感器通過第二延長孔調(diào)節(jié)到壓電懸臂梁的自由端。用于測量壓電懸臂梁自由端的振動(dòng)位移。

綜合分析壓電懸臂梁的電能輸出，力傳感器測量到的壓電懸臂梁所受離心力和激光位移傳感器測量到的壓電懸臂梁自由端位移，即可判斷出壓電懸臂梁是否工作在共振狀態(tài)，是否實(shí)現(xiàn)了模態(tài)自適應(yīng)。因此本試驗(yàn)臺(tái)可以對所設(shè)計(jì)的模態(tài)自適應(yīng)俘能裝置進(jìn)行開發(fā)測試。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型所述的試驗(yàn)臺(tái)采用閉環(huán)伺服電機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制準(zhǔn)確，可以準(zhǔn)確模擬各個(gè)車速下的車輪轉(zhuǎn)速。尺寸精簡，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)制動(dòng)，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，降低了對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求，降低成本。模擬輪轂上特殊設(shè)計(jì)了壓電懸臂梁，力傳感器，非接觸式激振器和激光位移傳感器的安裝孔位，可以實(shí)現(xiàn)對這些部件的位置調(diào)整，提高試驗(yàn)臺(tái)的通用性。采用了非接觸式激振器對壓電懸臂梁進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，簡化了對壓電懸臂梁進(jìn)行激勵(lì)的結(jié)構(gòu)形式。采用了激光位移傳感器對壓電懸臂梁自由端的位移進(jìn)行測量，測量精度高，響應(yīng)速度快。能夠?qū)崿F(xiàn)對俘能裝置的快速開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)模態(tài)隨車速的變化而變化，時(shí)刻保持壓電懸臂梁處于共振狀態(tài)，提高俘能裝置的能量轉(zhuǎn)化效率和工作車速范圍，增強(qiáng)了實(shí)用性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型所述試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型所述模擬輪轂及其上試驗(yàn)組件分解結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型所述第一支架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型所述第二支架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實(shí)用新型所述第三支架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實(shí)用新型所述第四支架結(jié)構(gòu)示意圖。

1、架體 2、驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3、驅(qū)動(dòng)軸 4、模擬輪轂 5、聯(lián)軸器

6、電滑環(huán) 7、非接觸式激振器 8、激光位移傳感器 9、力傳感器

10、壓電懸臂梁 11、配重塊 12、第一支架 13、第一沉頭孔

14、第二沉頭孔 15、第一延長孔 16、第二支架 17、第三沉頭孔

18、第四沉頭孔 19、第三支架 20、第二延長孔 21、第四支架

22、第五沉頭孔 23、第三延長孔 24、第六沉頭孔。

具體實(shí)施方式

請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示：

本實(shí)用新型提供的車輪能量收集器試驗(yàn)臺(tái)包括有架體1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、驅(qū)動(dòng)軸3和模擬輪轂4，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、驅(qū)動(dòng)軸3和模擬輪轂4裝配在架體1上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2通過聯(lián)軸器5與驅(qū)動(dòng)軸3連接，驅(qū)動(dòng)軸3上套設(shè)有電滑環(huán)6，驅(qū)動(dòng)軸3的后端與模擬輪轂4相連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2通過驅(qū)動(dòng)軸3帶動(dòng)模擬輪轂4進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬輪轂4上裝配有非接觸式激振器7、激光位移傳感器8、力傳感器9和壓電懸臂梁10，非接觸式激振器7、激光位移傳感器8、力傳感器9和壓電懸臂梁10的信號(hào)線均與電滑環(huán)6轉(zhuǎn)子上的電線連接，通過電滑環(huán)6定子上的電線即可收到非接觸式激振器7、激光位移傳感器8、力傳感器9和壓電懸臂梁10的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體信號(hào)的流通。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)2為伺服電機(jī)。

模擬輪轂4的下端還裝配有配重塊11，配重塊11的位置和重量能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。

力傳感器9通過第一支架12安裝在模擬輪轂4上，第一支架12上的凹槽用于對力傳感器9進(jìn)行限位，利用螺釘通過第一沉頭孔13安裝力傳感器9，利用螺栓螺母通過第一支架12上的兩個(gè)第二沉頭孔14和模擬輪轂4上的兩個(gè)第一延長孔15實(shí)現(xiàn)力傳感器9和模擬輪轂4的固聯(lián)，第一延長孔15能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)第一支架12的垂向安裝位置，從而適應(yīng)不同長度的壓電懸臂梁10的安裝和其所受的離心力大小，壓電懸臂梁10通過第二支架16安裝在力傳感器9上，第二支架16上的縫隙用于夾持壓電懸臂梁10的固定端，第二支架16上所設(shè)的兩個(gè)方螺母孔和兩個(gè)第三沉頭孔17用于安裝兩對螺栓螺母，通過這兩對螺栓螺母使第二支架16上的縫隙變小，夾緊壓電懸臂梁10的固定端，第二支架16下端的凹槽用于對力傳感器9進(jìn)行限位，利用螺釘通過第四沉頭孔18將第二支架16固聯(lián)到力傳感器9上

激光位移傳感器8通過第三支架19安裝在模擬輪轂4上，第三支架19上的兩個(gè)孔用于安裝激光位移傳感器8，兩個(gè)方螺母槽用于塞入方螺母，利用螺釘，通過模擬輪轂4上的第二延長孔20使第三支架19和模擬輪轂4固聯(lián)，通過第二延長孔20能夠調(diào)節(jié)激光位移傳感器8的垂向位置，從而適應(yīng)不同長度的壓電懸臂梁10，對壓電懸臂梁10自由端的振動(dòng)位移進(jìn)行有效的測量。

非接觸式激振器7通過第四支架21安裝在模擬輪轂4上，利用螺栓螺母通過第四支架21上的兩個(gè)第五沉頭孔22和模擬輪轂4上的數(shù)個(gè)第三延長孔23實(shí)現(xiàn)第四支架21與模擬輪轂4的固聯(lián)，第四支架21上的孔用于安裝非接觸式激振器7，第四支架21上的方螺母孔和對面的第六沉頭孔24用于安裝一對螺栓螺母，使孔的孔徑變小，夾緊非接觸式激振器7，模擬輪轂4上的數(shù)個(gè)第三延長孔23能夠調(diào)節(jié)非接觸式激振器7在水平和豎直方向上的安裝位置，實(shí)現(xiàn)對不同尺寸的壓電懸臂梁10進(jìn)行可靠有效的振動(dòng)激勵(lì)。

本實(shí)用新型中提供的驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、非接觸式激振器7、激光位移傳感器8、力傳感器9和壓電懸臂梁10均為現(xiàn)有設(shè)備的組裝，因此，具體型號(hào)和規(guī)格沒有進(jìn)一步進(jìn)行贅述。

本實(shí)用新型的工作原理：

車輛在行駛過程中，車輪由于受到地面不平的激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，將壓電懸臂梁10布置在車輪中，其自身受到振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，可以將車輪的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能供給智能輪胎內(nèi)部的傳感器使用。壓電懸臂梁10的振動(dòng)越大，轉(zhuǎn)化的能量越多，因此，若保證壓電懸臂梁10在各個(gè)車速下均能共振則能轉(zhuǎn)化出較多的電能。然而，車輪振動(dòng)頻率是變化的，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速提高時(shí)，車輪的振動(dòng)頻率也隨之提高。將壓電懸臂梁10沿模擬輪轂4的徑向布置，可以利用離心力來充當(dāng)壓電懸臂梁10的軸向力，從而提高壓電懸臂梁10的固有頻率，使壓電懸臂梁10的模態(tài)能夠動(dòng)態(tài)變化，與車輪的振動(dòng)相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在各個(gè)車速下，壓電懸臂梁10都能共振。

進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，控制器輸出由試驗(yàn)工況所決定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)信號(hào)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)2按指定轉(zhuǎn)速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)2通過聯(lián)軸器5和驅(qū)動(dòng)軸3驅(qū)動(dòng)模擬輪轂4進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)。模擬輪轂4的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在其上的非接觸式激振器7、激光位移傳感器8、力傳感器9和壓電懸臂梁10繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。通過這種方式，即可模擬車輛在各個(gè)車速下車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

非接觸式激振器7通過數(shù)個(gè)第三延長孔23能夠調(diào)節(jié)其縱向和橫向位置，使其正對于壓電懸臂梁10的自由端。非接觸式激振器7按照工況要求產(chǎn)生指定頻率的對壓電懸臂梁10的激振力，壓電懸臂梁10受到激振力的影響而發(fā)生受迫振動(dòng)。壓電懸臂梁10的固定端通過第二支架16與力傳感器9固聯(lián)，當(dāng)壓電懸臂梁10受到離心力作用時(shí)，該作用力可以通過力傳感器9測量出。

激光位移傳感器通8過第二延長孔20調(diào)節(jié)到壓電懸臂梁10的自由端。用于測量壓電懸臂梁10自由端的振動(dòng)位移。

綜合分析壓電懸臂梁10的電能輸出，力傳感器9測量到的壓電懸臂梁10所受離心力和激光位移傳感器8測量到的壓電懸臂梁10自由端位移，即可判斷出壓電懸臂梁10是否工作在共振狀態(tài)，是否實(shí)現(xiàn)了模態(tài)自適應(yīng)。因此本試驗(yàn)臺(tái)可以對所設(shè)計(jì)的模態(tài)自適應(yīng)俘能裝置進(jìn)行開發(fā)測試。