汽車風(fēng)洞底盤測功機(jī)選型研究

牟連嵩，張淼，趙豐，張藝倫，孫津鴻，焦鵬飛

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300399）

前言

傳統(tǒng)的道路測試由于過于依賴自然天氣條件和道路的交通狀況，只能將測試車輛運(yùn)輸?shù)狡h(yuǎn)的地方。如果測試車輛或測試設(shè)備發(fā)生故障將耽誤車型的開發(fā)時間表。此外，由于陣風(fēng)、側(cè)風(fēng)和大氣湍流等的存在，道路測試的測試數(shù)據(jù)具有較大的可變性。就環(huán)境測試而言，在一個測試日中，溫度、濕度、光照負(fù)荷的變化會對車型設(shè)計帶來不確定性[1]。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和新車型開發(fā)工作量的增加，汽車環(huán)境風(fēng)洞由于集成了底盤測功機(jī)、陽光模擬系統(tǒng)、溫濕度控制、風(fēng)機(jī)等多種測試模擬設(shè)備，同時相對環(huán)境艙可以更好的模擬流場、溫濕度環(huán)境，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2-3]。

底盤測功機(jī)作為當(dāng)前汽車測試開發(fā)常用設(shè)備，在進(jìn)行測試實驗時通過滾筒模擬路面，計算出道路模擬方程，并用加載裝置進(jìn)行模擬，實現(xiàn)對汽車各工況的模擬。具有可重現(xiàn)性強(qiáng)、受環(huán)境因素影響小的優(yōu)點(diǎn)。底盤測功機(jī)分為單滾筒型和雙滾筒型，如圖1所示為單滾筒型測功機(jī)，滾筒直徑越大，車輪在轉(zhuǎn)鼓上就越接近于在道路上滾動。雖然制造和安裝費(fèi)用高，但由于單滾筒型測功機(jī)較高的測試精度，得到了整車廠和科研院所以及檢測機(jī)構(gòu)的廣泛應(yīng)用[4]。

圖1 單滾筒型轉(zhuǎn)鼓

底盤測功機(jī)作為汽車環(huán)境風(fēng)洞中主要的測試設(shè)備之一，在風(fēng)洞建設(shè)前期，底盤測功機(jī)的型號選擇是很重要的工作。當(dāng)前有關(guān)環(huán)境艙轉(zhuǎn)鼓選型文獻(xiàn)資料較多，但環(huán)境風(fēng)洞轉(zhuǎn)鼓和環(huán)境艙轉(zhuǎn)鼓存在差異，表1列出了兩者在主要指標(biāo)上的差異。

表1 環(huán)境艙和環(huán)境風(fēng)洞采用轉(zhuǎn)鼓指標(biāo)對比

基于以上區(qū)別，在采購環(huán)境風(fēng)洞底盤測功機(jī)時，應(yīng)特別注意。下面本文將從底盤測功機(jī)的主要參數(shù)等展開介紹底盤測功機(jī)選型的依據(jù)。

1 底盤測功機(jī)電機(jī)驅(qū)動類型

當(dāng)測功機(jī)進(jìn)行道路模擬實驗時，電機(jī)作為動力輸出，提供滾筒加載阻力。常見的轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動類型有兩電機(jī)驅(qū)動和四電機(jī)驅(qū)動。四電機(jī)AWD型轉(zhuǎn)鼓可以實現(xiàn)對應(yīng)每個車輪的滾筒獨(dú)立輸出扭矩，從而對每個車輪獨(dú)立加載阻力，可以實現(xiàn)例如轉(zhuǎn)彎工況等 2WD兩電機(jī)中置型轉(zhuǎn)鼓無法模擬的工況。當(dāng)前新能源汽車蓬勃發(fā)展，AWD型四獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓能滿足新能源汽車如裝載輪轂電機(jī)電動車等更加多樣化的驅(qū)動方式的測試需求。

2 底盤測功機(jī)電機(jī)的選型

底盤測功機(jī)試驗臺功率、最大牽引力、最大加速度均取決于底盤測功機(jī)前軸電機(jī)和后軸電機(jī)的選型。在考慮電機(jī)功率選擇時應(yīng)結(jié)合公式牽引力 F=M?a+f0+f1?v+f2?v2；公式中 f0、f1、f2是道路負(fù)荷系數(shù)，v是測試車輛速度，M是測試車輛試驗質(zhì)量，a是車輛加速度。計算最大牽引力時，應(yīng)結(jié)合所有車輛測試時可能用到的試驗工況，挑選最嚴(yán)苛的工況（建議采用車輛滿載質(zhì)量 50噸條件下重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)WTVC工況）通過公式計算得到所需要的最大牽引力。并利用公式P= F?v計算最大功率。在此基礎(chǔ)上挑選合適功率的轉(zhuǎn)鼓電機(jī)。

3 底盤測功機(jī)滾筒直徑的選擇

科研院所、整車廠、檢測機(jī)構(gòu)等由于對轉(zhuǎn)鼓測試精度要求比較高，通常采用單滾筒型轉(zhuǎn)鼓，滾筒的直徑越大，車輪所接觸到的鼓面越接近于道路，但相應(yīng)的制造成本和安裝難度會增加。轉(zhuǎn)鼓滾筒直徑的選擇通常取決于測試車輛的類型，常用的直徑尺寸有25"，48"，75"，分別對應(yīng)摩托車、輕型乘用車、重型卡車的測試。此外根據(jù)測試需求還包括其他尺寸的轉(zhuǎn)鼓。天津汽研中心作為第三方檢測機(jī)構(gòu)，汽車環(huán)境學(xué)風(fēng)洞測試業(yè)務(wù)覆蓋輕型車、中型車和重型車，同時由于風(fēng)洞對流場指標(biāo)要求較高，較大的轉(zhuǎn)鼓直徑可以保證試驗臺表面較為平整，有利于流場的模擬。

4 底盤測功機(jī)質(zhì)量模擬范圍

在轉(zhuǎn)鼓選型時，應(yīng)考慮測試車型中覆蓋的質(zhì)量最小車型和質(zhì)量最大車型試驗質(zhì)量，可參考表 2（該表是天津汽研中心在選購風(fēng)洞轉(zhuǎn)鼓時采用的），從而確定所要采購的底盤測功機(jī)質(zhì)量模擬范圍[5]。

表2 環(huán)境風(fēng)洞測試車型一覽

5 底盤測功機(jī)軸距調(diào)整范圍的確定

轉(zhuǎn)鼓軸距調(diào)整范圍的確定主要根據(jù)所測試車型來確定，其最大軸距和最小軸距要覆蓋目標(biāo)車型，可參考表 2。一般四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓只通過后軸可調(diào)，但為了在不同車輛固定到轉(zhuǎn)鼓后與噴口保持同等距離，維持較高的測試一致性，前軸設(shè)計為可調(diào)。結(jié)合不同車輛前懸差異，建議前軸軸距可調(diào)最大范圍設(shè)計為0.5m。

6 風(fēng)洞動力學(xué)指標(biāo)對底盤測功機(jī)要求

由于環(huán)境風(fēng)洞在空氣動力學(xué)指標(biāo)上的較高要求，轉(zhuǎn)鼓的試驗臺蓋板應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計：試驗臺地板應(yīng)平滑，最大限度內(nèi)減少間隙和銳邊。同時應(yīng)優(yōu)化試驗室蓋板和滾筒之間的間隙，其目的是最大限度內(nèi)減小環(huán)境倉與地坑之間的空氣流動[6]。

7 風(fēng)洞雨雪環(huán)境對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計要求

由于環(huán)境風(fēng)洞中存在雨雪測試工況，轉(zhuǎn)鼓供應(yīng)商應(yīng)結(jié)合具體的排放水儲量合理設(shè)計排水系統(tǒng)。試驗臺內(nèi)應(yīng)設(shè)置引水管將水引流到地基塊周圍的區(qū)域。

同時應(yīng)注意試驗臺蓋板與周圍地板的密封，防止雨雪工況下水的泄露。

8 底盤測功機(jī)附加系統(tǒng)

在采購底盤測功機(jī)時，除轉(zhuǎn)鼓本體和相關(guān)子系統(tǒng)外，結(jié)合實際需求，可增加相應(yīng)的附加系統(tǒng)。

8.1 車輛自動對中裝置

車輛自動對中裝置由每個車輪的2個定心輥組成，如圖2所示。可以簡單快速的將車輛驅(qū)動軸定位在滾筒上方。在不使用時，自動對中裝置系統(tǒng)應(yīng)存放在試驗段地板下方，從而不影響流場質(zhì)量。該系統(tǒng)由電驅(qū)動軸器驅(qū)動，其操作可通過手持式試驗臺的操控單元操作。

圖2 車輛對中裝置

8.2 節(jié)氣門執(zhí)行器

節(jié)氣門執(zhí)行器用于加速踏板的遙控控制，通過電壓信號來實現(xiàn)對加速踏板的行程的線性控制。節(jié)氣門執(zhí)行器應(yīng)實現(xiàn)位置控制、速度控制、力控制三種控制模式。

圖3 節(jié)氣門執(zhí)行器

8.3 輪胎冷卻系統(tǒng)

輪胎冷卻風(fēng)扇，以恒定的速度對與轉(zhuǎn)鼓接觸部分的輪胎進(jìn)行冷卻。風(fēng)量滿足車輪在高負(fù)荷下的散熱要求。可以放在距離轉(zhuǎn)鼓較遠(yuǎn)的車輛的兩側(cè)，也可集成在地坑蓋板下面。

8.4 輪胎防爆胎和車輛移動探測系統(tǒng)

輪胎防爆胎和車輛移動探測系統(tǒng)即車輛位置監(jiān)視裝置用于提示用戶，在試驗過程中任何車輛位置的移動狀況。通過車輛位置傳感器來檢測垂直方向上的車輛驅(qū)動時的輪胎放氣，以及測試車輛車身或驅(qū)動輪軸向下運(yùn)動的情況發(fā)生和檢測車輛側(cè)移情況的發(fā)生。該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)集成在環(huán)境風(fēng)洞的安全電子控制回路中。

8.5 車輛下壓裝置

轉(zhuǎn)鼓試驗臺安裝下壓裝置主要目的是在重型車實驗時防止車輛打滑。

該裝置通過安裝在試驗臺的液壓加載裝置，通過液壓缸來帶動的拉緊皮帶以及車輛后軸及其他適當(dāng)點(diǎn)來實現(xiàn)車輛的加載。

9 結(jié)論

選用環(huán)境風(fēng)洞底盤測功機(jī)首先要按照實際測試車輛和測試實驗類型需求來確定要采購的轉(zhuǎn)鼓的基本規(guī)格參數(shù)，如測功機(jī)的驅(qū)動類型、電機(jī)功率、滾筒直徑、質(zhì)量模擬范圍、軸距調(diào)整范圍等，然后結(jié)合使用需求合理選擇附加系統(tǒng)。同時對于有雨雪模擬功能的環(huán)境風(fēng)洞，應(yīng)注意做好排水和地板防滑設(shè)計。

[1] Edward Duell,Amir Kharazi, Paul Nagle, Per Elofsson et al, Scania’s New CD7 Climatic Wind Tunnel Facility for Heavy Trucks and Buses.SAE Int.J.Passeng.Cars-Mech. Syst. 9(2)：785-799,2016.

[2] 孫濤,耿金濤,徐蘭欣.整車環(huán)境風(fēng)洞實驗室的應(yīng)用.汽車工程師.2013（4）：20-22.

[3] 劉雪莉,耿金濤,孫華峰.汽車環(huán)境風(fēng)洞實驗室初期建設(shè).汽車工程師.2014(3)：16-17

[4] 王文揚(yáng).汽車底盤測功機(jī)測試與控制系統(tǒng)的研究[D].吉林大學(xué),2006.

[5] 付松青,高章,劉雙喜,等.重型車底盤測功機(jī)測試方法的研究[J].北京汽車,2011(1)：16-19.

[6] Soderblom D, Elofsson P, Hyv?rinen A. Numerical Investigation of Blockage Effects on Heavy Trucks in Full Scale Test Conditions[C]// SAE 2016 World Congress and Exhibition. 2016.