越野車沙漠工況臺架復現的可行性分析

2023-11-01 03:40:34關永康方普鋒陳自新孫啟宴

北京汽車 2023年5期

關永康，方普鋒，陳自新，孫啟宴

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

沙漠全地形越野過程中，坡度隨穿越沙山不同而快速動態(tài)變化，并且沙子軟硬程度不同會導致輪胎與路面的附著條件非常復雜。在沙漠越野時，由于陷沙、刨沙、推沙等情況導致車輛行駛阻力變大，輪端功率增加，這對車輛動力性提出很高要求；同時疊加強光照、高環(huán)境溫度、高地表溫度等因素，對雙模越野車的熱管理與保電性能提出嚴苛要求。

由于沙漠越野工況的標定、匹配、驗收等測試只能在現場完成，這會帶來試驗周期長、人員及車輛安全風險高、試驗經費高等問題。將越野車沙漠工況試驗轉化為常規(guī)臺架試驗顯得尤為重要，但將復雜的沙漠越野場景進行臺架復現難度較大，本文驗證了采用常用的轉鼓臺架和四電機臺架復現沙漠工況的可行性，使越野車可以在開發(fā)階段不受地域與環(huán)境影響開展沙漠工況測試，提前識別產品風險點，進而縮短開發(fā)周期。

1 沙漠工況

內蒙古阿拉善騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠具有多條典型的沙漠穿越行駛路線，通過采集其中的穿越與玩沙工況，設計雙模越野車沙漠綜合工況，以考核雙模越野車的熱管理與保電性能。

圖1 為沙漠綜合工況，包括4 個典型越野行車場景（沙漠穿越、小V 溝刷鍋、大V 溝直拔沖坡、書記鍋往返沖坡）和3個沙地模式怠速發(fā)電場景，模擬越野玩家進行沙漠全地形越野。

圖1 沙漠綜合工況

本次臺架模擬主要為考核車輛保電及熱管理性能，保電和熱管理性能的主要影響指標為平均車速和平均輪端功率，最大輪端工況作為參考項?；谇捌诮涷灒斉_架實車對比平均車速誤差≤3%、平均輪端功率≤5%時即認為臺架復現有效。

2 四驅轉鼓臺架試驗

2.1 臺架控制模式

通過四驅轉鼓臺架可以進行整車性能檢測。轉鼓臺架利用加載裝置模擬鋪裝路面（水泥或瀝青）的車輛行駛阻力，其主要控制模式有3 個[1]：（1）恒轉速模式，轉鼓臺架在轉速閉環(huán)控制下運轉，轉速方向不變，負載大小和方向取決于測功機，該控制模式主要用于汽車驅動力的測試；（2）恒轉矩模式，轉鼓臺架在轉矩閉環(huán)控制下運轉，轉矩方向不變，轉速大小取決于測功機，該控制模式主要用于汽車自動道路負載試驗；（3）慣量模擬模式：模擬鋪裝路面行駛，按照車輛滑行阻力方程式（1）進行阻力加載，其中需要為臺架輸入道路模擬譜，即車速V和X軸傾角α。

式中：F滑行阻力為車輛滑行阻力；A為滾動阻力系數；B為傳動阻力一次項系數；C為空氣阻力二次項系數；V為車速。

2.2 臺架參數

為使轉鼓臺架適于模擬沙漠越野行駛工況，臺架控制模式選取慣量模擬模式。為考核車輛電量平衡和熱管理性能，臺架加載車速應和道路實測車速一致，并通過調整臺架加載F滑行阻力和X軸傾角確保車輛平均輪端功率與實測一致。

測量車輛滑行阻力的方法主要有道路滑行法和等速下扭矩測量法兩種，目前較多采用道路滑行法[2]。汽車在鋪裝水平路面的滑行阻力主要包括輪胎阻力、傳動系阻力和空氣阻力，式（1）中阻力系數A、B、C值確定后可以計算任意車速下滑行阻力值。

圖2為雙模越野車型在阿拉善沙漠天鵝湖和鋪裝公路實測的滑行阻力曲線對比，前者滑行阻力曲線為y=3588+11x+0.12x2，后者滑行阻力曲線為y=304+1.81x+0.12x2，其中x為車速，y為滑行阻力，可以看出，沙漠工況的滾動阻力系數A和傳動阻力一次項系數B均大于公路鋪裝路面，空氣阻力二次項系數二者相同。沙漠不屬于鋪裝路面，其車輛滑行阻力影響因素多，包括沙子深淺、濕度、軟硬、車輛胎壓、車重等，各種因素綜合作用，圖2中滑行阻力曲線僅表示阿拉善沙漠天鵝湖的特點，不代表其他沙漠工況，因此臺架模擬選用圖2中沙漠工況滑行阻力會存在一定誤差。

圖2 不同路面的滑行阻力曲線

臺架控制模式僅可以加載固定滑行阻力，參考圖2 中曲線進行加載，并通過修正X軸傾角α實現輪端驅動力等效以彌補上述誤差。

臺架加載X軸傾角α可通過式（2）汽車動力學公式[3]計算得到

式中：Ft為車輛驅動力；F滑行阻力可由式（1）計算得到；Fi為坡度阻力；Fj為加速阻力。

坡度阻力Fi為

式中：m為雙模越野車質量，取值3 550 kg；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；α為X軸傾角。

加速阻力Fj為

式中：a為車輛加速度，通過車速對時間求導計算得到。

通過式（2）、（3）仿真計算得到修正后臺架加載X軸傾角α。

以小V 溝刷鍋工況為例，得到實車測試與臺架加載的路譜曲線，如圖3、4所示。

圖3 實車車速及臺架加載車速

圖4 實車X軸傾角及臺架加載X軸傾角

2.3 實車對比

采用雙模越野車沙漠滑行阻力曲線、車速和X軸傾角曲線進行四驅轉鼓臺架試驗，并對比實車試驗，結果如圖5、6 所示。圖5 中臺架測試車速基本跟隨實車車速，平均車速偏差為3%，符合試驗預期；圖6 中臺架的輪端功率基本跟隨實車測試結果，輪端平均功率的臺架測試值為147 kW，與實車測試值144 kW 基本一致，符合預期，但最大輪端功率臺架測試值為350 kW，與實車測試值450 kW 差異較大。臺架測試可用于開發(fā)與驗證越野車型的沙漠越野熱管理性能和電平衡能力，但無法復現車輪瞬態(tài)打滑導致的輪端功率突升工況。

圖5 實車與臺架測試車速對比

圖6 實車與臺架測試輪端功率對比

3 四電機能量流臺架試驗

3.1 臺架控制模式

四電機能量流臺架通過拆除車輪并使用工裝與傳動軸連接，即將臺架的4個電機作為車輪，通過加載裝置為轉鼓施加負載模擬車輛在鋪裝道路的行駛阻力，其主要控制模式有3個：（1）加速踏板速度模式，加速踏板控制驅動電機，速度控制負載電機；（2）扭矩速度模式，扭矩控制驅動電機，速度控制負載電機；（3）慣量模擬模式，按照車輛滑行阻力方程式（1）進行力加載，其中需要為臺架輸入道路模擬譜，即車速V和X軸傾角α。

3.2 臺架參數

臺架測試采用加速踏板速度模式，通過控制車速和加速踏板深度實現沙漠越野工況復現。臺架加載車速與實車測試車速保持一致，臺架加載加速踏板深度可通過車輛加速踏板MAP 表得到，雙模越野車沙地模式加速踏板MAP如圖7所示。

圖7 雙模越野車沙地模式加速踏板MAP

以沙漠刷鍋工況為例，將車速與加速踏板深度信號去除尖點、毛刺等異常數據，得到車速、加速踏板深度曲線，如圖8、9所示。

圖8 臺架加載車速曲線

圖9 臺架加載加速踏板深度曲線

3.3 實車對比

將車速和加速踏板深度信號輸入四電機能量流臺架進行測試，如圖10、11 所示，圖10 中臺架測試車速基本跟隨實車車速，平均車速偏差為1%，符合試驗預期；圖11 為臺架輪端功率趨勢與峰值跟隨實車測試結果的情況，輪端平均功率臺架測試值為141 kW，與實車測試值144 kW 基本一致，符合預期。通過臺架測試可以復現沙漠越野工況車速及輪端功率動態(tài)變化過程，能夠真實地驗證熱管理與保電性能，尤其可復現車輪瞬態(tài)打滑導致輪端功率突升的工況。