本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种转动式驱动轮模拟载荷实验平台。
背景技术：
如今大量设备均安装有驱动轮，用以驱动设备移动或驱动设备运转。而其工作转速、输出功率、稳定性、效率、寿命、变速能力等众多性能均与其所携带载荷有关。在对其性能进行测试时传统手段是制作专用的与设计载荷重量相等载荷平台，在较大的实验场地上进行驱动测试。由于测试过程中测试平台与被测驱动设备一直处于运动状态，难以持续观察测量、精确考察其载荷驱动特性，或对实验参数进行实时调整。如果测试时间较长，或驱动载荷较大，或需要精确考察驱动设备的加减速能力和驱动能力，传统手段体现出较大的困难。因此，我们设法提出一种相对静止的实验平台，同时能够模拟驱动设备在驱动一定惯性载荷时的性能参数。
技术实现要素：
本发明针对上述问题提供了转动式驱动轮模拟载荷实验平台。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，包括底座及被驱动装置；底座内布置支撑柱，支撑柱上转动置有被驱动装置；支撑柱的两侧分别设有立柱；立柱上方设有法向加载平台；法向加载平台与立柱之间通过螺杆相连；法向加载平台上放置被测设备；被测设备驱动下联动令法向加载平台产生相对于底座的上下移动，从而实现被测设备的法向加载与卸载。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的底座上的支撑柱为四个；四个所述的支撑柱依次成直线排列，每个支撑柱的顶部均设有定位孔。压力加载平台对被测动力机轮施加与真实工作情况相等的压力载荷，摩擦被动轮通过行星齿轮减速器与变惯量加载轮联动，变惯量加载轮上安装有一台电机、四套锥齿轮组、四套丝杠滑块组，电机驱动四个滑块同时调整到变惯量加载轮中心的距离，从而改变整套变惯量加载轮的转动惯量，被测动力机轮通过摩擦力带动摩擦被动轮与变惯量加载轮一同转动，实现对动力机轮加载并改变转动惯量的等效模拟。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的被驱动装置包括被驱动轮、减速器、变惯量飞轮装置；所述的被驱动轮与减速器与变惯量飞轮装置之间圆心保持一致；所述的被驱动轮的圆心处分别向外侧延伸出短轴；被驱动轮布置在成直线排列四个支撑柱的中间两个支撑柱之间，被驱动轮向外侧延伸的短轴贯穿定位孔并与减速器的输入端相连；所述减速器的输出端分别与变惯量飞轮装置轴连接；变惯量飞轮装置通过轴分别置于成直线排列的顶端支撑柱与尾端支撑柱上；变惯量飞轮装置与被驱动轮之间设有一组或多组减速器。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的减速器分别为高传动比减速器与低传动比减速器；所述的高传动比减速器与低传动比减速器置于被驱动轮的左、右各一侧。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的减速器固定置于支撑柱之间。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的变惯量飞轮装置由飞轮外框，驱动电机，变惯量装置组成；变惯量装置布置在飞轮外框导向结构上，通过驱动电机驱动变惯量装置沿飞轮外框的导向结构上滑动从而控制惯性质量。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的飞轮外框内侧成十字形框架结构、外侧为圆盘形；十字形框架结构内分别设有导槽，十字形框架结构中心设有中心圆孔，十字形框架结构内的导槽两端分别设有螺纹孔，螺纹孔连通圆盘形外圆周面与中心圆孔；螺杆从圆盘形外圆周的螺纹孔延伸至导槽内并从中心圆孔的螺纹孔贯穿入中心圆孔；所述中心圆孔内的每个螺杆的端部设有锥齿轮，锥齿轮相互啮合。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的螺杆与导槽之的衔接处之间设有轴承。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的变惯量装置包括质量块，所述的质量块布置在导槽的一侧，质量块上设有衔接柄，衔接柄与螺杆相连；通过螺杆转动带动衔接柄沿导槽延伸方向运动，衔接柄带动质量块运动。
本发明所述的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，所述的驱动电机的驱动轴上设有锥齿轮；驱动电机锥齿轮分别与螺杆端部锥齿轮相互啮合作动。
有益效果
本发明提供的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，驱动轮与变惯量轮之间加装变速器，引入传动比。加装变速器之后，变惯量轮就得以使用更小的直径、更小的质量模拟更大质量的惯量载荷。
本发明提供的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，通过在变惯量轮框架上布置多个可以径向移动的质量块，各质量块的径向运动通过锥齿轮、丝杠等机械结构实现同步运动。质量块的驱动可以由电动实现，也可以由手动实现。
本发明提供的转动式驱动轮模拟载荷实验平台，通过增加另一幅变速器——变惯量轮与被驱动轮相连，两变速器传动比一大一小，分别实现对模拟载荷的粗调与细调。可以较好地解决同时要求惯量变化范围与惯量调整精度的问题。
附图说明
图1是本发明的实验结构示意图；
图2是本发明的底座结构示意图；
图3是本发明的被驱动装置示意图；
图4是本发明的被驱动装置与底座组装结构示意图；
图5是本发明的飞轮外框结构示意图；
图6是本发明的飞轮外框正面结构示意图；
图7是本发明的飞轮外框内螺杆结构示意图；
图8是本发明的飞轮外框与螺杆组装结构示意图；
图9是本发明的锥齿轮啮合示意图；
图10是本发明的防尘盖及电机位置示意图；
图11是本发明的质量块示意图；
图12是本发明的质量块与飞轮外框安装示意图
图13是本发明的驱动电机示示意图。
图中1是底座，2是立柱，3是支撑柱，4是被驱动轮，41是螺杆，5是减速器，51是高传动比减速器，52是低传动比减速器，6是变惯量飞轮装置，61是飞轮外框，62是驱动电机，63是变惯量装置，64是十字形框架结构，65是导槽，66是中心圆孔，67是锥齿轮，7是轴承，8是质量块，9是衔接柄，10是螺塞，11是防尘盖，12是驱动电机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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：
图中1是底座，2是立柱，3是支撑柱，4是被驱动轮，41是螺杆，5是减速器，51是高传动比减速器，52是低传动比减速器，6是变惯量飞轮装置，61是飞轮外框，62是驱动电机，63是变惯量装置，64是十字形框架结构，65是导槽，66是中心圆孔，67是锥齿轮，7是轴承，8是质量块，9是衔接柄，10是螺塞，11是防尘盖，12是驱动电机。
被测驱动设备与实验台的安装情况如图1所示：一般驱动轮设备的典型载荷主要为垂直于轮轴的压力载荷，作用在驱动轮上的力矩载荷，和驱动轮加、减速时被驱动设备所产生的惯量载荷。本实验台主要用于测量被测驱动轮设备在驱动额定惯量载荷，承担一定压力载荷的情况下的力矩及转速性能。
为了简单表示模拟惯性载荷的原理，现省略粗调、细调结构，仅表现一侧惯量轮。
实验台的底座内布置支撑柱，支撑柱上转动置有被驱动装置；支撑柱的两侧分别设有立柱；立柱上方设有法向加载平台；法向加载平台与立柱之间通过螺杆相连；法向加载平台上放置被测设备；底座上开有四个同轴轴孔，用以安装被驱动轮、减速器、变惯量飞轮等转动部件。在轴孔两侧安装有两根长方形立柱，两立柱内分别设有两螺纹盲孔。立柱上方设置有法向加载平台，平台中间开有四个定位孔，用于测试设备的安装；平台在与底座螺纹孔相对应的位置上安装有四个螺杆，螺杆可以沿自身轴线与加载平台发生相对转动，但无法相对于平台发生上下移动。四根螺杆在外部设备驱动下联动令加载平台产生相对于底座的上下移动，从而实现被测设备的法向加载与卸载。
压力加载平台对被测设备产生指向摩擦被动轮的指定大小的压力载荷；摩擦被动轮通过减速器与变惯量加载轮联动。被测设备驱动摩擦被动轮与变惯量加载轮实现对加减速时的惯量模拟。现针对该装置的惯量等效原理进行原理论证：
（1）现假设被测设备尝试驱动一线性惯量载荷，线性载荷质量为m，当在转速下驱动该载荷时惯量的线加速度为a，滑动摩擦为f。
摩擦被动轮半径为R，减速器传动比（从摩擦轮至惯量轮）为K，变惯量轮转动惯量为I。根据牛顿运动规律，有：
当被测设备与摩擦被动轮不发生滑动位移，且被测设备所受压力载荷与实际情况一致时，设摩擦被动轮角加速度为β，I为转动惯量；有转动运动方程：
由于摩擦被动轮与被测设备间无滑动摩擦，则有：
将上式代入转动运动方程，并与平动运动方程作比较：
两式相除，得变惯量加载轮转动惯量I与所需模拟的线性惯量之间的关系：
可见，当所驱动载荷m较大时，若选取较大的传动比K，则可以使用较小的惯量轮模拟被测设备在该工况下的工作特性。
（2）现假设被测设备尝试驱动一转动惯量载荷，载荷半径为，转动惯量为，当驱动轮在转速下驱动该载荷时惯量的角加速度为，滑动摩擦为f。摩擦被动轮半径为，减速器传动比（从摩擦轮至惯量轮）为K，变惯量轮转动惯量为。根据牛顿运动规律，有：
当被测设备与摩擦被动轮不发生滑动位移，且被测设备所受压力载荷与实际情况一致时，设摩擦被动轮角加速度为，有转动运动方程：
要满足驱动轮工作状态相同，还应满足驱动轮角加速度相等，则有关系式：
将上式代入两转动运动方程，并相互比较：
两式相除，得变惯量加载轮转动惯量与所需模拟的线性惯量之间的关系：
可见，当所测试载荷较大时，若选取较大的传动比K，则可以使用较小的惯量轮模拟被测设备在该工况下的工作特性。
如图3所示为被驱动轮、高传动比与低传动比减速器、变惯量飞轮外框架及他们之间的连接关系。最中间的带锯齿状纹理的为被驱动轮。被驱动轮两端固连有短轴至减速器处，分别作为两侧减速器的输入轴；靠近外侧为一对变惯量飞轮的外框架，分别向内侧固连有短轴至减速器处，作为两减速器的输出轴。被驱动轮的转动经过减速器变速后，传递至飞轮上，产生惯量载荷；惯量载荷再通过减速器反传至被驱动轮上，最终传递回被测设备。
如图4所示：被驱动轮与减速器与变惯量飞轮装置之间圆心保持一致；所述的被驱动轮的圆心处分别向外侧延伸出短轴；被驱动轮布置在成直线排列四个支撑柱的中间两个支撑柱之间，被驱动轮向外侧延伸的短轴贯穿定位孔并与减速器的输入端相连；所述减速器的输出端分别与变惯量飞轮装置轴连接；变惯量飞轮装置通过轴分别置于成直线排列的顶端支撑柱与尾端支撑柱上。需要指出的是减速器与底座之间由某种方式固连，用于抑制减速器自身随被驱动轮一起转动。减速器为高传动比减速器与低传动比减速器。
如图5所示：惯量飞轮装置由飞轮外框，驱动电机，变惯量装置组成；变惯量装置布置在飞轮外框导向结构上，通过驱动电机驱动变惯量装置沿飞轮外框的导向结构上滑动从而控制惯性质量。
如图6，图7，图8，图9，图10所示：飞轮外框内侧成十字形框架结构、外侧为圆盘形；十字形框架结构内分别设有导槽，十字形框架结构中心设有中心圆孔，十字形框架结构内的导槽两端分别设有螺纹孔，螺纹孔连通圆盘形外圆周面与中心圆孔；螺杆从圆盘形外圆周的螺纹孔延伸至导槽内并从中心圆孔的螺纹孔贯穿入中心圆孔；所述中心圆孔内的每个螺杆的端部设有锥齿轮，螺杆内端为方形，在其上安装锥齿轮，锥齿轮相互啮合。螺杆与导槽之的衔接处之间设有轴承。为了防止在高速转动中螺杆从飞轮外框架上脱落，在小孔外侧安装螺塞。在整个锥齿轮机构上方安装防尘盖，防尘盖上带有管状电机架，防尘盖中央开有小孔，用于电机轴穿过
如图11，图12所示：变惯量装置包括质量块，所述的质量块布置在导槽的一侧，质量块上设有衔接柄，衔接柄与螺杆相连；通过螺杆转动带动衔接柄沿导槽延伸方向运动，衔接柄带动质量块运动。驱动电机的驱动轴上设有锥齿轮，电机轴末端为方形与锥齿轮相连；驱动电机锥齿轮分别与螺杆端部锥齿轮相互啮合作动。螺杆转动时，衔接柄被限制在飞轮外框架上的导轨中无法跟随转动，实现质量块在导轨上的径向移动。为了防止在高速转动中螺杆从飞轮外框架上脱落，在小孔外侧安装螺塞。
将作用在驱动轮上的压力载荷与所驱动的惯量载荷分开处理，其中压力载荷由法向加载平台施加，所驱动惯量载荷由惯量轮施加。
在模拟惯量载荷时，利用一个较大直径的被驱动轮模拟地面，另一个具有一定转动惯量的惯量轮与被驱动轮联动，惯量轮转动速度变化产生的达朗贝尔力矩反传到被驱动轮上，通过摩擦阻碍驱动轮转动，从而实现惯量载荷的模拟。
本发明提供的转动式驱动轮模拟载荷实验平台将驱动轮设备所承受的载荷分离为法向载荷与惯量载荷分别考虑；其中法向载荷通过法向加载平台施加，惯量载荷通过令驱动轮设备驱动惯量轮机构施加。惯量轮与被驱动轮之间可以增设减速器，用以改善实验设备的空间利用率、效率以及实验效果。 如果被驱动轮直接与惯量轮相连，则通过基本物理推导，驱动轮与惯量轮直径相同时，惯量轮自身质量必然大于所模拟的载荷质量。模拟载荷实验台在设备重量上将得不偿失。因此，在被驱动轮与惯量轮之间加装变速器，引入传动比。加装变速器之后，惯量轮就得以使用更小的直径、更小的质量模拟更大质量的惯量载荷。
在对不同驱动设备进行测试时，或对同一驱动设备在不同载荷下的性能进行评估时，需要对所模拟的惯量进行相应的调整。现考虑将惯量轮设计成可调形式。通过在惯量轮框架上布置多个可以径向移动的质量块，各质量块的径向运动通过锥齿轮、丝杠等机械结构实现同步运动。质量块的驱动可以由电动实现，也可以由手动实现。惯量轮上带有质量滑块用于改变惯量轮的转动惯量，允许实验平台根据被测设备以及实验需求进行惯量调整。
在对不同驱动设备进行测试的过程中，有时需要对转动惯量进行大范围、高精度的调整。当变速器传动比较大时，惯量改变范围较大，但移动单位距离质量块改变的惯量也随之增大，惯量调整精度下降；而如果变速器传动比较小，虽然能够实现较高的调整精度，但却无法实现较大范围的惯量改动。通过增加另一幅变速器——变惯量轮与被驱动轮相连，两变速器传动比一大一小，分别实现对模拟载荷的粗调与细调。可以较好地解决同时要求惯量变化范围与惯量调整精度的问题。实验平台根据实际实验的要求，可以令被驱动轮同时连接两组减速器+惯量轮，两组减速器传动比不同，以同时实现对惯量载荷的大幅度改动与精密微调。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。