本发明公开了一种路面能量采集测试系统及方法，该系统包括基架、固定在基架上的动力装置、车轮模拟装置、能量采集模块(16)、加载装置以及数据采集和分析装置；动力装置为车轮模拟装置提供车轮转动的动力，以模拟车轮碾压的实际工况；能量采集模块(16)与加载装置连接，加载装置为能量采集模块(16)提供加载，将能量采集模块压紧在车轮模拟装置的车轮上，以模拟不同加载力的实际工况；数据采集和分析装置采集能量采集模块的能量采集容量及效率数据并加以分析。适用于模拟车辆在路面行驶过程中路面能量采集的工况，用于检测路面能量采集系统随汽车载重、速度变化时能量采集容量和效率。
1.一种路面能量采集测试系统，其特征在于，包括基架、固定在基架上的动力装置、车轮模拟装置、能量采集模块(16)、加载装置以及数据采集和分析装置；基架包括底座(10)、固定在底座(10)上的电机支撑光轴(9)、固定在底座(10)上的轴承座支撑光轴(17)、固定于底座(10)上的支撑横梁(6)，轴承座支撑光轴(17)用于支撑轴承座(4)；动力装置为车轮模拟装置提供车轮转动的动力，以模拟车轮碾压的实际工况；能量采集模块(16)与加载装置连接，加载装置为能量采集模块(16)提供加载，将能量采集模块压紧在车轮模拟装置的车轮上，以模拟不同加载力的实际工况；数据采集和分析装置采集能量采集模块的能量采集容量及效率数据并加以分析；车轮模拟装置包括两个加载轮架(5)、用于支撑加载轮架(5)的轴承座(4)、用于连续对能量采集模块(16)加载的车轮(7)和传动主轴(8)，两个加载轮架(5)对称安装在支撑横梁(6)的两侧；加载轮架(5)是以两块圆盘形的加载轮架轮板(21)与加载轮架套筒(23)焊接固定在一起，构成车轮(7)安装骨架，加载轮架轮板(21)设计为轮辐式结构以减轻加载轮架(5)的自身重量，两块加载轮架轮板(21)的圆周上均匀开设多个轴通孔(22)，通过该多个轴通孔(22)以及螺栓(20)螺母(18)，将多个车轮(7)安装在加载轮架(5)上，车轮(7)的轮毂上安装轴承，车轮(7)能够绕轴自转，每一个车轮(7)的两侧匹配安装有轴套(19)用于将车轮(7)定位。
2.根据权利要求1所述的路面能量采集测试系统，其特征在于，能量采集模块(16)包括方盒(26)、顶板(24)、压力缩放器(29)、支撑柱(32)、陶瓷压电片(30)和硅胶垫(31)，方盒(26)为一面无盖的长方体或正方体盒子，无盖一面采用顶板(24)盖住，顶板(24)下方通过固定于方盒(26)四面的四个支撑柱(32)支撑，方盒(26)底部有一空腔，该空腔内自下而上依次为硅胶垫(31)、若干枚陶瓷压电片(30)、硅胶垫(31)和压力缩放器(29)，压力缩放器(29)的上部为一段圆柱体，该圆柱体与顶板(24)所开圆孔间隙配合，圆柱体上平面与顶板(24)上表面平齐，压力缩放器(29)的底部为四棱台结构，压力缩放器(29)的底部通过上层的硅胶垫(31)加载在陶瓷压电片(30)上；设置两个能量采集模块(16)与两个加载轮架(5)对应，两个能量采集模块(16)对称置于托盘(11)内。
3.根据权利要求2所述的路面能量采集测试系统，其特征在于，动力装置包括安装在电机支撑光轴(9)上的变频调速电动机(1)、与变频调速电动机(1)连接的二级斜齿轮减速器(2)、与二级斜齿轮减速器(2)输出轴连接的柱销联轴器(3)。
4.根据权利要求3所述的路面能量采集测试系统，其特征在于，加载装置包括以螺栓固定于底座(10)上的立式液压缸(13)、托盘(11)、光轴(12)、滑套(15)、压力传感器(28)，光轴(12)通过固定支撑座(14)固定在底座(10)上，立式液压缸(13)通过托盘上的通孔(27)和螺栓(25)与托盘(11)底部固定在一起，滑套(15)固定在托盘(11)的两边上，滑套(15)套在光轴(12)上，这样托盘就能够沿着光轴(12)上下滑动，其中一个能量采集模块(16)内设置有压力传感器(28)，该压力传感器固定于压力缩放器(29)顶部开设的一凹槽内，用于测量加载压力。
5.根据权利要求1所述的路面能量采集测试系统，其特征在于，支撑横梁(6)包括支撑光轴(33)、横梁(35)和筋板(34)，筋板(34)固定连接在支撑光轴(33)和横梁(35)之间的夹角位置，横梁(35)中部开设有通孔用以固定深沟球轴承(36)的轴承座(37)，该轴承座(37)内安装有深沟球轴承(36)，传动主轴(8)套在深沟球轴承(36)内。
6.根据权利要求2所述的路面能量采集测试系统，其特征在于，加载轮架(5)正下方与两个能量采集模块(16)对齐，顶板(24)上所开圆孔的直径与车轮(7)轮胎轮宽一致，这样车轮能量能够充分作用在压力缩放器(29)的顶部。
7.根据权利要求4所述的路面能量采集测试系统进行路面能量采集测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将两个能量采集模块(16)对称固定于托盘(11)两端，其中一个能量采集模块(16)中设置压力传感器(28)；
2)加载轮架(5)上任意一对车轮(7)的轮胎与能量采集模块(16)上顶板(24)上所开圆孔对齐；
3)对立式液压缸(13)加压，推动托盘(11)向上运动使得能量采集模块(16)与轮胎接触并压紧，当压力传感器(28)测得压力达到设定压力时停止加压；
4)陶瓷压电片(30)输出引线与能量采集卡输入端连接，调定能量采集卡输出电压数值选项保证能量采集卡输出电压为预定值，能量采集卡输出端与数据采集仪相连接，数据采集仪连接计算机收集数据；
5)开启变频调速电动机(1)，通过变频器改变加载轮架(5)转速，路面能量采集测试系统运行，计算机分析路面能量采集容量及效率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，更换不同规格的轮胎和相应规格的能量采集模块(16)以模拟不同车辆加载的情况。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过改变立式液压缸(13)的压力，模拟不同载重量的工况；调节加载轮架(5)转速以模拟不同速度路面的能量采集工况。
一种路面能量采集测试系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种路面能量采集测试系统及方法，适用于模拟车辆在路面行驶过程中路面能量采集的工况，用于检测路面能量采集系统随汽车载重、速度变化时能量采集容量和效率。
背景技术
[0002] 随着国家经济的快速发展，我国对能源需求量大幅度增长，煤炭是我国主要能源，但煤炭燃烧后所产生的二氧化碳、二氧化硫与粉尘排放,造成严重环境污染。因此，人们对环保的重视推动了我国对节能环保和绿色能源需求。与此同时，近年来，我国汽车保有量迅速发展，截至2015年初，全国机动车总保有量达2.64亿辆，其中汽车1.54亿辆。我国已成为汽车大国，仅次于美国；同时公路建设发展迅猛，截至2014年，全国公路网总里程达到435.62万公里，其中高速公路通车里程达到11.19万公里。此外随着城市规模及城市交通的快速发展，各种交通工具引起的路面振动和变形越来越多，路面具有可广泛利用的机械能。
如果将路面机械能转换为电能，不但可以产出清洁的电能，还可以减小路面的振动和变形，减少路面结构损伤，降低结构维护成本以及减少噪音污染等，具有良好的应用前景。
[0003] 目前缺少一种能够模拟车辆在路面行驶过程中陶瓷压电片受到车辆激励的工作状况，用于检测在汽车压力激励作用下，不同压力、不同作用频率对陶瓷压电片发电的影响的装置(系统)。
发明内容
[0004] 本发明首先提供一种路面能量采集测试系统及方法，适用于模拟车辆在路面行驶过程中路面能量采集的工况，用于检测路面能量采集系统随汽车载重、速度变化时能量采集容量和效率。
[0005] 一种路面能量采集测试系统，包括基架、固定在基架上的动力装置、车轮模拟装置、能量采集模块、加载装置以及数据采集和分析装置；基架包括底座、固定在底座上的电机支撑光轴、固定在底座上的轴承座支撑光轴、固定于底座上的支撑横梁，轴承座支撑光轴用于支撑轴承座；动力装置为车轮模拟装置提供车轮转动的动力，以模拟车轮碾压的实际工况；能量采集模块与加载装置连接，加载装置为能量采集模块提供加载，将能量采集模块压紧在车轮模拟装置的车轮上，以模拟不同加载力的实际工况；数据采集和分析装置采集能量采集模块的能量采集容量及效率数据并加以分析；车轮模拟装置包括两个加载轮架、用于支撑加载轮架的轴承座、用于连续对能量采集模块加载的车轮和传动主轴，两个加载轮架对称安装在支撑横梁的两侧；加载轮架是以两块圆盘形的加载轮架轮板与加载轮架套筒焊接固定在一起，构成车轮安装骨架，加载轮架轮板设计为轮辐式结构以减轻加载轮架的自身重量，两块加载轮架轮板的圆周上均匀开设多个轴通孔，通过该多个轴通孔以及螺栓螺母，将多个车轮安装在加载轮架上，车轮的轮毂上安装轴承，车轮能够绕轴自转，每一个车轮的两侧匹配安装有轴套用于将车轮定位。
[0006] 所述的路面能量采集测试系统，能量采集模块包括方盒、顶板、压力缩放器、支撑柱、陶瓷压电片和硅胶垫，方盒为一面无盖的长方体或正方体盒子，无盖一面采用顶板盖住，顶板下方通过固定于方盒四面的四个支撑柱支撑，方盒底部有一空腔，该空腔内自下而上依次为硅胶垫、若干枚陶瓷压电片、硅胶垫和压力缩放器，压力缩放器的上部为一段圆柱体，该圆柱体与顶板所开圆孔间隙配合，圆柱体上平面与顶板上表面平齐，压力缩放器的底部为四棱台结构，压力缩放器的底部通过上层的硅胶垫加载在陶瓷压电片上；设置两个能量采集模块与两个加载轮架对应，两个能量采集模块对称置于托盘内。
[0007] 所述的路面能量采集测试系统，动力装置包括安装在电机支撑光轴上的变频调速电动机、与变频调速电动机连接的二级斜齿轮减速器、与二级斜齿轮减速器输出轴连接的柱销联轴器。
[0008] 所述的路面能量采集测试系统，加载装置包括以螺栓固定于底座上的立式液压缸、托盘、光轴、滑套、压力传感器，光轴通过固定支撑座固定在底座上，立式液压缸通过托盘上的通孔和螺栓与托盘底部固定在一起，滑套固定在托盘的两边上，滑套套在光轴上，这样托盘就能够沿着光轴上下滑动，其中一个能量采集模块内设置有压力传感器，该压力传感器固定于压力缩放器顶部开设的一凹槽内，用于测量加载压力。
[0009] 所述的路面能量采集测试系统，支撑横梁包括支撑光轴、横梁和筋板，筋板固定连接在支撑光轴和横梁之间的夹角位置，横梁中部开设有通孔用以固定深沟球轴承的轴承座，轴承座内安装有深沟球轴承，传动主轴套在深沟球轴承内。
[0010] 所述的路面能量采集测试系统，加载轮架正下方与两个能量采集模块对齐，顶板上所开圆孔的直径与车轮轮胎轮宽一致，这样车轮能量能够充分作用在压力缩放器的顶部。
[0011] 所述的路面能量采集测试系统进行路面能量采集测试的方法，包括以下步骤：
[0012] 1)将两个能量采集模块对称固定于托盘两端，其中一个能量采集模块中设置压力传感器；
[0013] 2)加载轮架上任意一对车轮的轮胎与能量采集模块上顶板上所开圆孔对齐；
[0014] 3)对立式液压缸加压，推动托盘向上运动使得能量采集模块与轮胎接触并压紧，当压力传感器测得压力达到设定压力时停止加压；
[0015] 4)陶瓷压电片输出引线与能量采集卡输入端连接，调定能量采集卡输出电压数值选项保证能量采集卡输出电压为预定值，能量采集卡输出端与数据采集仪相连接，数据采集仪连接计算机收集数据；
[0016] 5)开启变频调速电动机，通过变频器改变加载轮架转速，路面能量采集测试系统运行，计算机分析路面能量采集容量及效率。
[0017] 所述的方法，更换不同规格的轮胎和相应规格的能量采集模块以模拟不同车辆加载的情况。
[0018] 所述的方法，通过改变立式液压缸的压力，模拟不同载重量的工况；调节加载轮架转速以模拟不同速度路面的能量采集工况。
[0019] 本发明为解决现有装置不能模拟车辆在路面行驶过程中陶瓷压电片受到车辆激励的工作状况，提出了能量采集模块的概念，取代以往直接将陶瓷压电片直接埋入路面而造成的陶瓷压电片损坏、无法接受到来自车辆对其的压力，而造成的陶瓷压电片无法正常工作或工作效率低下的问题。进而提出一种路面能量采集系统及方法，适用于模拟车辆在路面行驶过程中陶瓷压电片受到车辆激励的工作状况，用于检测在汽车压力激励作用下，不同压力、不同作用频率对陶瓷压电片发电的影响。
[0020] 有益效果：与现有的技术相比，本发明功能上突破了以往直接将陶瓷压电片埋入路面而造成的陶瓷压电片损坏、无法接受到来自车辆对其的压力，而造成的陶瓷压电片无法正常工作或工作效率低下的问题。提出以能量采集模块为单元放置于托盘内，使得车辆轮胎的作用力可以通过巧妙的结构作用于陶瓷压电片；本发明设计一种多轮加载轮架结构，可以实现在不同速度下，轮胎对能量采集模块连续加载，模拟车辆在路面行驶过程中陶瓷压电片受到车辆连续作用的工作状况，通过变频调速电机可以满足陶瓷压电片可以受到最高10Hz的冲击频率，以此模拟陶瓷压电片在车辆以80km/h的速度在路面行驶的工况；本发明用以揭示以能量采集模块为单元的路面能量采集压电能量的容量及效率。
附图说明
[0021] 图1为本发明路面能量采集测试系统的主视图；
[0022] 图2为本发明系统车轮模拟装置主视图；
[0023] 图3为图2中车轮模拟装置的左视图；
[0024] 图4为车轮模拟装置中加载轮架主视图；
[0025] 图5为图4中加载轮架的左视图(右)；
[0026] 图6为加载装置俯视图(已安装能量采集模块)；
[0027] 图7为能量采集模块俯视图(已拆除顶板24)；
[0028] 图8为能量采集模块A-A剖面图；
[0029] 图9为能量采集模块B-B剖面图
[0030] 图10为支撑横梁主视图；
[0031] 其中：1变频调速电动机、2二级斜齿轮减速器、3柱销联轴器、4轴承座、5加载轮架、6支撑横梁、7车轮、8传动主轴、9电机支撑光轴、10底座、11托盘、12光轴、13立式液压缸、14固定支撑座、15滑套、16能量采集模块、17轴承座支撑光轴、18螺母、19轴套、20螺栓、21加载轮架轮板、22轴通孔、23加载轮架套筒、24顶板、25螺栓、26方盒、27通孔、28压力传感器、29压力缩放器、30陶瓷压电片、31硅胶垫、32支撑柱、33光轴、34筋板、35横梁、36深沟球轴承、
37轴承座。
具体实施方式
[0032] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0033] 参考图1，一种路面能量采集测试系统，包括基架、固定在基架上的动力装置、车轮模拟装置、能量采集模块16、加载装置以及数据采集和分析装置；动力装置为车轮模拟装置提供车轮转动的动力，以模拟车轮碾压的实际工况；能量采集模块16与加载装置连接，加载装置为能量采集模块16提供加载，将能量采集模块压紧在车轮模拟装置的车轮上，以模拟不同加载力的实际工况；
[0034] 基架包括底座10、固定在底座10上的电机支撑光轴9、固定在底座10上的轴承座支撑光轴17、固定于底座10上的支撑横梁6，轴承座支撑光轴17用于支撑轴承座4。
[0035] 动力装置包括安装在电机支撑光轴9上的变频调速电动机1、与变频调速电动机1连接的二级斜齿轮减速器2、与二级斜齿轮减速器2输出轴连接的柱销联轴器3。
[0036] 参考图2-5，车轮模拟装置包括两个加载轮架5、用于支撑加载轮架5的轴承座4、用于连续对能量采集模块16加载的车轮7和传动主轴8，两个加载轮架5对称安装在支撑横梁6的两侧。加载轮架5是以两块圆盘形的加载轮架轮板21与加载轮架套筒23焊接固定在一起，构成车轮7安装骨架，加载轮架轮板21设计为轮辐式结构以减轻加载轮架5的自身重量，两块加载轮架轮板21的圆周上均匀开设6个轴通孔22，通过该6个轴通孔22以及螺栓20螺母18，将6个车轮7安装在加载轮架5上，车轮7的轮毂上安装轴承，车轮7可以绕轴自转，每一个车轮7的两侧匹配安装有轴套19用于将车轮7定位，此种连接方式可更换不同尺寸的车轮7，此结构的设计将实现车轮模拟装置对能量采集模块16在不同速度下的连续加载。
[0037] 参考图6-9，能量采集模块16包括方盒26、顶板24、压力缩放器29、支撑柱32、陶瓷压电片30和硅胶垫31、方盒26为一面无盖的长方体或正方体金属盒子，无盖一面采用顶板24盖住，顶板24下方通过固定于方盒26四面的四个支撑柱32支撑，方盒26底部有边长为
95mm、高度20mm、壁厚5mmm的正方形空腔，该空腔内自下而上依次为硅胶垫31、若干枚陶瓷压电片30、硅胶垫31和压力缩放器29的底部，压力缩放器29的上部为一段圆柱体，该圆柱体与顶板24所开圆孔间隙配合，圆柱体上平面与顶板24上表面平齐，压力缩放器29的底部为四棱台结构，压力缩放器29的底部通过上层的硅胶垫31加载在陶瓷压电片30上；与两个加载轮架5对应，设置两个能量采集模块16对称置于托盘11内，能量采集模块16底部四个角部开设有4个通孔图中未示出，托盘11底部对应处也开设有相同规格的通孔，二者以螺栓连接固定；
[0038] 加载装置包括以螺栓固定于底座10上的立式液压缸13、托盘11、光轴12、滑套15、压力传感器28，光轴12通过固定支撑座14固定在底座10上，立式液压缸13通过托盘上的通孔27采用螺栓25与托盘11底部固定在一起，滑套15固定在托盘11的两边上，滑套15套在光轴12上，这样托盘就可以沿着光轴12上下滑动，从图7和图9中可以看出，图7右侧的能量采集模块16还设置一压力传感器28，该压力传感器固定于压力缩放器29顶部开设的一凹槽内，用于测量加载压力，另一侧的能量采集模块16内可以不设置压力传感器28。
[0039] 数据采集和分析装置包括能量采集卡、数据采集仪、计算机。
[0040] 参考图10，支撑横梁6包括支撑光轴33、横梁35和筋板34，用槽钢制作的两根竖直支撑光轴33与用槽钢制作的横梁35相焊接，筋板34焊接在支撑光轴33和横梁35之间的夹角位置，增加支撑横梁6的稳定性，横梁35中部开设有通孔用以固定深沟球轴承36的轴承座37，轴承座37内安装有深沟球轴承36，传动主轴8套在深沟球轴承36内，可以自由传动。
[0041] 变频调速电动机1的输出端直接与二级斜齿轮减速器2连接，二级斜齿轮减速器2输出轴通过柱销联轴器3与传动主轴8连接，将变频调速电动机1的输出动力传递至加载轮架5，在传动主轴8的对称位置安装有深沟球轴承座4，用以支撑加载轮架5。
[0042] 加载轮架5正下方与两个能量采集模块16对齐，能量采集模块16顶板24上所开圆孔的直径与车轮7轮胎轮宽一致，这样车轮能量能够充分作用在压力缩放器29的顶部。
[0043] 能量采集模块16中有两层硅胶垫31，其中一层硅胶垫31先置于方盒26底部定位边界内，铺设平整后将若干枚陶瓷压电片30依次放置于硅胶垫31上且放置平整，放置完毕后，再将另外一层硅胶垫31铺设在陶瓷压电片30上，齐整后将压力缩放器29置于第二层硅胶垫31上且与方盒26底部定位边界为间隙配合，压力缩放器29顶部与方盒26上顶板24间不可接触，需有一定间隙，间隙处用密封圈密封防水。
[0044] 本发明还提供了一种根据上述路面能量采集测试系统进行路面能量采集测试的方法，
[0045] 1)将两个能量采集模块16对称固定于托盘11两端，其中一个能量采集模块16中设置压力传感器28；
[0046] 2)加载轮架5上任意一对车轮7的轮胎与能量采集模块16上顶板24上所开圆孔对齐；
[0047] 3)对立式液压缸13加压，推动托盘11向上运动使得能量采集模块16与轮胎接触并压紧，当压力传感器28测得压力达到设定压力时停止加压；
[0048] 4)陶瓷压电片30输出引线与能量采集卡输入端连接，调定能量采集卡输出电压数值选项保证能量采集卡输出电压为预定值，能量采集卡输出端与数据采集仪相连接，数据采集仪连接计算机收集数据；
[0049] 5)开启变频调速电动机1，通过变频器改变加载轮架5转速，路面能量采集测试系统运行，计算机分析路面能量采集容量及效率。
[0050] 可以更换不同规格的轮胎和相应规格的能量采集模块16以模拟不同车辆加载的情况。通过改变立式液压缸13的压力，模拟不同载重量的工况。
[0051] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
