基于坡度模擬的汽車淋雨試驗系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)

張勇，劉福鵬，楊貴林，馮波，丁華，范武

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

汽車淋雨試驗是新品開發(fā)和新車下線階段至關(guān)重要的檢測手段，它通過模擬各種降雨工況來檢測車艙內(nèi)防水密封能力，為產(chǎn)品設計改進提供更可靠的驗證數(shù)據(jù)。然而在新品開發(fā)階段傳統(tǒng)的淋雨試驗系統(tǒng)只能滿足車輛在水平狀態(tài)噴淋工況的驗證，缺少坡度淋雨工況，當車輛停放在有坡度的路面時，存在極大的漏雨風險。大多數(shù)主機廠在自身不具備坡度試驗能力的情況下采取委外方式，一方面會增加委外試驗成本[1]，另一方面委外廠家的標準多為通用標準與企業(yè)標準差異較大，如噴嘴的間距、噴嘴選型、噴淋參數(shù)、車身傾斜角度等。因此在企業(yè)內(nèi)部開發(fā)出一套坡度淋雨系統(tǒng)尤為必要。

1 淋雨試驗工況

見表1所示，在研發(fā)階段進行的淋雨試驗工況分為水平和坡度兩類。水平試驗是指車身處于水平狀態(tài)的噴淋，可分為噴淋工況、梅雨工況和洗車工況。坡度試驗是指車身處于傾斜狀態(tài)的噴淋，車身分別向“左側(cè)”“右側(cè)”“前方”“后方”“左傾+前傾”“右傾+前傾”“左傾+后傾”“右傾+后傾”八個方向傾斜到一定角度后進行噴淋。

表1 淋雨試驗工況

2 坡度模擬系統(tǒng)選型分析

實現(xiàn)坡度模擬的方案有多種，優(yōu)選了兩種相對可靠的技術(shù)方案進行對比闡述，以便確定適合自身的坡度模擬系統(tǒng)，見表2。

表2 技術(shù)方案對比

1）采用四個升降臺分別托舉四個輪胎

四個液壓或電動升降臺的托舉高度與汽車軸距和輪距相關(guān)，升降臺的高度調(diào)節(jié)需根據(jù)不同車型的軸距和輪距信息，將傾斜角度轉(zhuǎn)換成四個升降臺的舉升高度。

如圖1所示，當車身向前傾斜一定角度時，前輪的升降臺保持不變，后輪的升降臺升到預設高度，使車身與水平面形成夾角，這樣就能實現(xiàn)車輛向前傾斜的功能。同理，其他角度均是利用四個升降臺的聯(lián)動實現(xiàn)不同位置和不同角度的傾斜。為兼容不同軸距車型，后輪底部的升降臺還應具有前后移動功能。

圖1 升降臺托舉車身姿態(tài)

2）采用整體式平臺托舉車身

整體式平臺的托舉高度與汽車軸距和輪距無關(guān)，它通過六自由度運動平臺將車輛傾斜到預設位置和角度。該種方式具有控制精度高，承載能力強等優(yōu)點，在汽車、飛機等運動模擬器上得到廣泛運用。

如圖2所示，汽車前后輪胎均落在平臺上，車身向前傾斜時，平臺會繞著中心點進行旋轉(zhuǎn)，使其達到預設角度，此時車身前端會低于水平面，車身后端會高于水平面。同理，其他角度均是利用六自由度運動平臺的動作實現(xiàn)不同位置和不同角度的傾斜。

圖2 整體式平臺托舉車身姿態(tài)

綜上分析，兩種方案各有優(yōu)劣，如何選型取決于自身業(yè)務特點，當車型種類有限、尺寸跨度較小時，建議采用升降臺方案；當車型種類繁多，尺寸跨度較大時，建議采用整體式平臺方案。因此根據(jù)用戶使用場景，我們選用了整體式六自由度運動平臺方案。

3 坡度模擬系統(tǒng)集成

3.1 坡度模擬系統(tǒng)集成框架

將坡度模擬系統(tǒng)與淋雨系統(tǒng)兩個獨立的系統(tǒng)進行集成，形成一套完整的坡度淋雨系統(tǒng)，見圖3所示。

圖3 坡度淋雨系統(tǒng)集成框架圖

坡度模擬系統(tǒng)硬件包含六自由度運動平臺、伺服控制柜、操作盒等，其中六自由度運動平臺由上平臺、六自由度伺服機構(gòu)、安裝底座三部分組成[5]。上平臺用于承載整車，上平臺的設計尺寸應能兼容最大和最小整車，在上平臺上設置有輪胎導向、定位和鎖止機構(gòu)；六自由度伺服機構(gòu)為運動機構(gòu)，可進行六個自由度的運動，主要由六根伺服電缸、上下兩個平臺以及上下各六只虎克鉸組成；安裝底座起到固定作用，底座上端與六自由度伺服機構(gòu)進行聯(lián)接，底部下端通過地腳與地面預埋件進行焊接，確保穩(wěn)固可靠。工作原理：六根伺服電缸通過絲桿控制活塞桿作直線伸縮運動，活塞桿通過上耳軸與上鉸鏈座活動連接，上鉸鏈座固定在上平臺上。通過控制六個伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制上平臺在空間六個自由度（X、Y、Z、α、β、γ）運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。

淋雨系統(tǒng)硬件主要包括PLC主控柜、HMI操作盒、無線遙控、變頻器、水泵、分水器、噴淋管道、噴嘴、壓力表、流量計、壓力傳感器、電動閥門、水處理系統(tǒng)、淋雨室等。其中淋雨室的頂部噴嘴采用升降機構(gòu)，噴嘴與車身頂部距離可調(diào)；側(cè)面噴嘴采用前后移動機構(gòu)，實現(xiàn)側(cè)面動態(tài)噴淋。噴淋過程：在常規(guī)淋雨時，頂部噴嘴處于低位，各分支管道電動閥門打開后，變頻器控制著水泵轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn)，水從清水箱由經(jīng)水泵、過濾系統(tǒng)、分水器、各噴淋支管，最后從噴嘴末端噴出，且側(cè)面噴嘴會按照一定速度進行前后移動，實現(xiàn)室內(nèi)全方位噴淋。

以上兩個系統(tǒng)集成一體后可以模擬出車輛在不同傾斜位置和角度的多工況噴淋試驗。

3.2 坡度模擬系統(tǒng)集成控制邏輯

如圖4所示，通過旋轉(zhuǎn)坡度模擬系統(tǒng)操作箱上的“本地/遠程”旋鈕，可以實現(xiàn)本地和遠程兩種控制方式。當旋鈕處于“本地”模式時，將脫離淋雨系統(tǒng)PLC控制，只能通過操作箱上的各種按鈕對六自由度運動平臺進行控制，到達所需要的位置后松開按鈕即刻停止；當旋鈕處于“遠程”模式時，在HMI 界面上輸入傾斜位置和傾角，淋雨系統(tǒng)PLC通過UDP協(xié)議下達相應的控制指令對坡度模擬系統(tǒng)進行控制，使六自由度運動平臺自動到達預設位置。

圖4 坡度模擬系統(tǒng)集成控制邏輯圖

3.3 坡度淋雨試驗工藝過程

1）將試驗車輛開進淋雨試驗室內(nèi)的六自由運動平臺上，并對四個輪胎進行鎖緊；

2）掃描錄入車輛VIN，并在HMI上點擊確認按鈕；

3）在HMI主界面選擇坡度工況，然后再選擇好傾斜方位；

4）使用遙控器關(guān)閉室體提升門；

5）車內(nèi)人員準備就緒后，按下遙控器上的“開始”按鍵啟動坡度淋雨模式；當頂部噴嘴自動上升到高位，平臺自動傾斜到預設位置和角度后，噴淋管道閥門打開，接著水泵開始運轉(zhuǎn)，噴嘴向處于傾斜狀態(tài)的車輛進行全方位噴淋，車內(nèi)人員可實時觀察漏雨情況，直至噴淋倒計時結(jié)束。噴淋結(jié)束后，噴淋管道快速排空，平臺恢復至初始位置，頂部噴嘴下降到低位；

6）若需繼續(xù)試驗下一個工況，可在HMI觸摸屏上選擇所需工況，重復以上步驟開展相應的試驗任務；

7）所有試驗工況完成后，操作遙控器打開室體提升門，此時室體外的交通燈亮綠，可進入下一輛試驗車輛。

3.4 坡度模擬系統(tǒng)防水性能

由于六自由度坡度模擬系統(tǒng)長期處于潮濕、水花四濺的極端環(huán)境中，一旦系統(tǒng)進水將會導致系統(tǒng)癱瘓，影響淋雨試驗工作的開展，因此對系統(tǒng)的防水性能有著更高的要求，需對系統(tǒng)的機械部件和電氣部件進行特殊處理。

1）機械部件防水[6]：六自由度平臺關(guān)鍵部件應采用不銹鋼材質(zhì)；電缸活塞桿在伸縮時易滲水到缸內(nèi)，應在電缸底部開有排水孔；在伺服電機外側(cè)增加不銹鋼金屬防水罩。

2）電氣部件防水：關(guān)鍵電氣部件選用IP67等級，如伺服電機、傾角傳感器、行程開關(guān)、限位開關(guān)、線纜等；對接線盒、航空插頭、線纜接頭等關(guān)鍵部位采取增加熱縮管和打膠密封的方式。

4 結(jié)束語

將坡度模擬系統(tǒng)與淋雨試驗系統(tǒng)集成于一體，實現(xiàn)一機多用，全方位對車艙密封性進行驗證，滿足了汽車主機廠在新產(chǎn)品開發(fā)階段的多工況淋雨試驗需求。該種方式也將成為未來新的發(fā)展趨勢，逐漸在國內(nèi)得到廣泛應用。