汽車試驗(yàn)臺(tái)慣量模擬方法的研究

葛友華，倪 泉，蘇 磊，劉 曼

（1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224001；2.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

電慣量模擬技術(shù)作為基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展起來的一門新技術(shù)，已經(jīng)在制動(dòng)器模擬實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。不僅如此，它還能實(shí)現(xiàn)整體臺(tái)架性能試驗(yàn)、傳動(dòng)鏈試驗(yàn)，極大地發(fā)展了慣量模擬的使用范圍。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)慣量模擬技術(shù)進(jìn)行了研究，目前對(duì)電慣量模擬研究大致可分為兩種：恒力矩電慣量模擬和變力矩電慣量模擬。電慣量模擬技術(shù)主要研究的是汽車在恒定制動(dòng)力矩下的制動(dòng)情況［1－2］，在恒定制動(dòng)力矩下，汽車制動(dòng)時(shí)速度的變化值（即制動(dòng)減速度）是一個(gè)定值，因此，電慣量系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)減速度的模擬是電慣量模擬技術(shù)的關(guān)鍵，通過對(duì)制動(dòng)速度變化的模擬來達(dá)到模擬汽車制動(dòng)的情況；對(duì)變力矩的電慣量模擬技術(shù)的研究則較少，相較于恒定制動(dòng)力矩的汽車的制動(dòng)情況，此時(shí)，汽車的制動(dòng)減速度不是一個(gè)定值，因此，此時(shí)車輛的速度變化不能很好地被模擬。針對(duì)變力矩制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)速度模擬的難題，本文提出在電慣量模擬中，添加減速器這樣一個(gè)裝置來模擬制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩，這樣就解決了變力矩制動(dòng)時(shí)汽車的慣量模擬問題。

1 三種慣量模擬方法

1.1 慣性飛輪模擬方法

慣性飛輪模擬方法（即機(jī)械慣量模擬方法）的主要原理是在汽車臺(tái)式檢測(cè)裝置中，通過動(dòng)力裝置（一般是電機(jī)）來拖動(dòng)慣性飛輪盤，當(dāng)拖動(dòng)的速度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，動(dòng)力裝置斷開與飛輪盤的連接，此時(shí)，慣性飛輪就依靠其自身的慣性來帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行。該方法是通過增加飛輪盤來模擬車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量，其原理如圖1所示。

圖1 機(jī)械慣量模擬原理圖

飛輪形式分為單個(gè)飛輪和多個(gè)飛輪，單個(gè)飛輪模擬的是一定質(zhì)量車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性，它局限了制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)用范圍，對(duì)于不同質(zhì)量車輛的制動(dòng)性能的測(cè)量會(huì)有一定的限制。多個(gè)飛輪模擬可以通過不同質(zhì)量的飛輪組合解決單個(gè)飛輪模擬的限制，但是，也存在不足之處：①增加的飛輪個(gè)數(shù)是有限的，制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)依然無法處理所有車輛的制動(dòng)性能的測(cè)量問題；②就算為了滿足制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的要求增加飛輪的個(gè)數(shù)，那也會(huì)使試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)變得異常龐大，從而局限了整個(gè)系統(tǒng)的使用性。

1.2 液壓慣量模擬方法

液壓慣量模擬方法是以非慣性的液壓技術(shù)模擬慣性（質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）的效果。該方法主要通過液壓馬達(dá)、液壓泵、電動(dòng)機(jī)和液壓油箱等裝置組成的速度調(diào)劑系統(tǒng)來模擬出車輛制動(dòng)時(shí)的運(yùn)行情況。圖2為液壓慣量模擬原理圖，通過液壓馬達(dá)的輸出軸帶動(dòng)模擬路面的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒是與輪胎相互接觸的，由于輪胎與滾筒間的摩擦力的作用，使輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)起來，這樣也就能模擬出車輛制動(dòng)時(shí)的一個(gè)運(yùn)行情況。

該慣量模擬方法相較于慣性飛輪模擬方法，主要是使汽車試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，同時(shí)，由于采用了液壓技術(shù)，省去了慣性飛輪，大大減輕了汽車試驗(yàn)臺(tái)的重量，提高了試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)用的靈活性。此外該方法能作連續(xù)變化，以適合不同的工況需要，且成本低，工作安全可靠，但模擬的精度不高。液壓慣量模擬系統(tǒng)主要是用液壓油作為傳遞能量的介質(zhì)，而液壓油是有黏性的，因此，當(dāng)液壓模擬系統(tǒng)進(jìn)行慣量模擬級(jí)別轉(zhuǎn)換時(shí)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)一定的延遲，這顯然會(huì)影響模擬的效果，在檢測(cè)中增加了干擾。

1.3 電慣量模擬方法

電慣量模擬技術(shù)是通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來模擬車輛制動(dòng)時(shí)的速度變化。電慣量模擬原理如圖3所示，電機(jī)通過軸鏈接模擬路面的滾筒，電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)模擬出車輛運(yùn)行的速度。車輪與滾筒相接觸，通過接觸面的摩擦力隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過安裝在車輪上的制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

采用電慣量模擬技術(shù)可減小試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，通過控制參數(shù)調(diào)整系統(tǒng)慣量，提高試驗(yàn)精度。同時(shí)，電慣量模擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)慣量的無級(jí)調(diào)整，這樣對(duì)測(cè)試不同質(zhì)量的車輛有著非常重要的意義。

圖3 電慣量模擬原理圖

2 試驗(yàn)臺(tái)變力矩制動(dòng)的原理

通過上面介紹可知電慣量模擬技術(shù)的關(guān)鍵是模擬汽車制動(dòng)時(shí)的速度變化，制動(dòng)時(shí)汽車速度的變化主要與制動(dòng)力矩的大小有關(guān)，而目前電慣量模擬技術(shù)主要模擬的是汽車在恒定制動(dòng)力矩下的速度變化，而實(shí)際上汽車制動(dòng)時(shí)不可能是恒定的力矩，因此，目前的電慣量模擬技術(shù)還存在著不足。為了更好地完善電慣量模擬技術(shù)，變力矩制動(dòng)時(shí)的汽車慣量模擬將是主要的改進(jìn)方向。變力矩制動(dòng)與恒力矩制動(dòng)的主要差別為恒力矩制動(dòng)時(shí)制動(dòng)減速度的值是一個(gè)定值，因此可以通過控制電慣量模擬技術(shù)的電機(jī)來模擬出制動(dòng)時(shí)的減速度；而變力矩制動(dòng)時(shí)制動(dòng)減速度是一個(gè)隨時(shí)間變化的值，因此原來的模擬方法就不太可行了。

為此，我們?cè)陔姂T量模擬試驗(yàn)的裝置中引入減速器，將減速器安裝于電機(jī)和模擬路面的滾筒之間，通過減速機(jī)降低工作部件的速度，同時(shí)提高輸出的扭矩，使輸出的扭矩和速度之間存在一個(gè)數(shù)量關(guān)系，即：

速比是由減速機(jī)的本身性能決定的，它是一個(gè)可以選擇的值，只要選定電機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速，使用效率也是一個(gè)已知的值，所以，減速機(jī)的輸出扭矩只和速比存在關(guān)系，是可以控制的，同時(shí)該轉(zhuǎn)矩是可以變化的，這樣就可以運(yùn)用該扭矩實(shí)現(xiàn)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)中變力矩制動(dòng)情況的模擬。

3 結(jié)語

電慣量模擬與機(jī)械慣量模擬、液壓慣量模擬相比較有著很多的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在其模擬慣量范圍具有連續(xù)性，不存在模擬級(jí)數(shù)，而且裝置較為簡(jiǎn)單，體積小；同時(shí)電慣量模擬技術(shù)的運(yùn)用將會(huì)大大簡(jiǎn)化制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的硬件構(gòu)成，減少系統(tǒng)的組成部分。對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)不能模擬變力矩制動(dòng)的問題，可在試驗(yàn)裝置中引入減速器，通過減速器輸出可控制扭矩來解決這一問題。

［1］林榮會(huì)，姜建平.雙分流加載式制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)的電模擬系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，1997（3）：39-42.

［2］宮文斌，劉安龍，江闊，等.機(jī)械慣量混合電模擬技術(shù)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（1）：208-212.