周超軍 肖成誠 甘瑞 何云強

摘要：為了對車輛動力性、熱平衡、制動等性能進行研發(fā)與檢測試驗，對基于交流電力測功機的負荷車進行了結構設計，并成功研制出了具有優(yōu)良機械特性的負荷車。通過實車試驗表明，該負荷車結構設計合理，具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性，動態(tài)響應速度快，控制精度高，試驗操作方便，能夠滿足相應的道路試驗需求，可用于汽車熱平衡、牽引、制動等性能的研發(fā)及性能評價試驗。

關鍵詞：負荷車 交流電力測功機 試驗設備 結構設計

中圖分類號：TK421.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2018）03-0085-05

1 前言

汽車道路試驗是汽車產品研發(fā)及檢測的重要手段，負荷車是進行汽車熱平衡試驗、汽車牽引性能試驗、汽車制動性能試驗、輪胎特性、失效分析等汽車性能研發(fā)和檢測試驗的重要道路試驗設備。負荷車（Mobile Dynamometer Vehicle），是裝載著加載控制、動力吸收裝置（測功機）、掛接機構和試驗參數(shù)測量以及數(shù)據采集分析處理系統(tǒng)的車輛道路試驗設備[1]。負荷車起源于19世紀20年代末，前蘇聯(lián)將輪式拖拉機改裝成測力車測試拖拉機，隨后經歷了人工處理實驗數(shù)據的負荷車、計算機數(shù)據采集和處理的負荷車，如今發(fā)展到主控計算機控制試驗的負荷車[2]。各類負荷車普遍存在測功機低速制動轉矩小、測功機動態(tài)響應速度慢、測試自動化水平低等缺點。隨著各類車輛向更大功率段發(fā)展，現(xiàn)有的負荷車試驗能力已不能滿足測試需求。為應對當前需求，研制一臺牽引力為220kN（22t）的新型負荷車，對大功率車輛性能的研發(fā)和檢測非常必要。

本文從負荷車和交流電力測功機的原理出發(fā)，對負荷車進行系統(tǒng)的結構設計，較為詳細地介紹了負荷車的結構，并成功研制出了具有優(yōu)良機械特性的負荷車，通過實車試驗驗證了結構設計的合理性，對完善汽車道路試驗技術，對汽車動力性、熱平衡、制動等汽車性能的研發(fā)和檢測試驗具有重大的應用價值。

2 負荷車原理

2.1 加載原理

負荷車通過裝有拉壓力傳感器的剛性牽引桿與被試車實現(xiàn)剛性連接，試驗時由被試驗車牽引前進或負荷車牽引前進。牽引功率通過負荷車牽引桿、牽引裝置、輪胎和加載傳動系統(tǒng)傳遞到測功機，并將測功機施加的制動轉矩傳遞到車輪，通過輪胎與地面作用產生制動阻力，形成對被試車的牽引或制動負荷[3-5]。負荷車與被測試車組成負荷車試驗系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 交流電力測功機原理

交流電力測功機主要由帶有扭矩測量法蘭和旋轉編碼器的交流異步電機、變頻驅動裝置和控制系統(tǒng)構成。交流電力測功機通過交流異步電機進行能量的轉換，通過變頻驅動裝置對轉矩或轉速進行精確控制，以電機主軸的轉矩來實現(xiàn)對承載被試件施加負載或驅動，達到對承載被試件進行機械負載或動力的模擬。交流電力測功機既可以用作測功機進行加載，也可以用作電動機進行驅動，可以完成多種傳統(tǒng)測功器無法實現(xiàn)的測控方案。當交流電力測功機進行加載時，測功機將被試車產生的機械能轉化為電能和熱能；當交流電力測功機進行驅動時，測功機將電能轉化為機械能并傳輸給被試車[6]。

3 負荷車系統(tǒng)設計

本負荷拖車采用某品牌軍用動力底盤SX2255DN435，定制的專用交流電力變頻測功機，配置高性能測功變頻器，安裝高度無級可調的掛接系統(tǒng)和具有減振抗彎的牽引桿，配備全自動柴油發(fā)電機組、冷卻風扇和電氣控制箱等輔助系統(tǒng)，配合專用測試軟件，實現(xiàn)拖車自行和被試車輛的加載及牽引，以完成各項試驗內容。

負荷車主要由底盤車、交流電力測功機、傳動系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、掛接系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，負荷車如圖2所示。

3.1 底盤車

整車式負荷車的底盤車需要具有獨立的自行能力，同時是其他設備的安裝基體。負荷車所能產生的最大負荷力由負荷車總質量和負荷車與地面的摩擦系數(shù)決定，所以采用全驅底盤。鑒于某6×6越野載貨汽車底盤SX2255DN435的成熟技術和優(yōu)越性能，結合最大制動力等技術指標，將其作為動力底盤。

3.2 傳動系統(tǒng)

加載傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、變速器、分動器、傳動軸和測功電機等組成。負荷車處于負荷狀態(tài)時（負荷車在后，被試車輛在前），載荷全部由測功機提供，變速器置于空檔，發(fā)動機必須怠速運轉，保證拖車自身的轉向、制動、供電及駕駛室空調等功能。車輛布置和動力傳輸分別見圖3（a）和（b）。

3.3 吸功系統(tǒng)

吸功系統(tǒng)主要由交流電力測功機、變頻器、制動電阻等組成。測功機采用兩臺250kW交流電力測功機串聯(lián)，同時為負荷車提供負載力。測功機通過傳動軸與分動器2輸入端連接，分動器2的輸出端與分動器1的輸入端連接，從而把負載力傳遞給負荷車的前后驅動橋。通過利用分動器的高檔和低檔，測功系統(tǒng)可以形成3種減速比，分別是：6.6564：2.58：1。通過匹配計算可知，通過此三個速比，負荷車輸出特性完全包含了技術要求提出的特性曲線。

測功系統(tǒng)的輸出特性必須完全覆蓋拖車牽引力——車速特性，并留有10%的富余，如圖4所示。測功機利用傳動軸與傳動系統(tǒng)連接，通過變頻器控制轉速和扭矩，完成對被試車輛負載的無級精確調節(jié)。本項目采用兩臺串聯(lián)的測功機作為吸功設備，基于以下幾點原因：

a.便于車廂內硬件的布置和軸重分配。車廂通常為長方形，測功機串聯(lián)可更好地利用車廂長度，避免車架承受過大的集中力，改善軸重分配。同時可降低測功機高度，更大的上層空間有利于車廂散熱。

b.節(jié)約能耗。中等負荷以下，測功機為單臺工作，制動電阻散熱更加充分，進而降低發(fā)電機負荷，可有效節(jié)能。

圖4中，藍色曲線代表負荷車在6.6564速比時測功機輸出特性；紅色曲線代表負荷車在2.58速比時測功機輸出特性；綠色曲線代表符合車載1速比時測功機輸出特性；紫色曲線代表技術要求規(guī)定的負荷車輸出特性。

3.4 車廂

負荷車的車廂分為操作艙和設備艙，如圖5所示。操作艙位于駕駛室，包括主駕駛位、操作臺和控制箱。在駕駛室內對操作臺和副駕駛位前擋進行改制，加裝控制箱及監(jiān)控顯示儀表。設備艙位于后車廂，分隔成發(fā)電艙、電控艙和測功艙3個功能艙。分艙的目的在于隔熱、隔振和降低電磁干擾，同時便于布置艙門和加裝散熱風扇。為了降低風阻，駕駛室頂部加裝導流罩，發(fā)電艙艙門及車廂頂部盡量靠近駕駛室，并對艙門采取導流設計。

3.5 掛接系統(tǒng)

掛接牽引系統(tǒng)是負荷拖車的重要總成，實現(xiàn)被試車輛和負荷拖車的連接。掛接牽引系統(tǒng)主要由掛接裝置和牽引桿組成，兩者通過掛接銷鉸接，如圖6（a）。掛接裝置主要由延伸架、掛接座、掛接叉、掛接銷和升降器等組成，如圖6（b）。掛接系統(tǒng)通過延伸架和車架大梁牢固焊接，提供可靠受力支撐。掛接叉可在升降器T形絲桿的作用下沿著T形槽上下移動，從而調整牽引桿高度，滿足不同車型要求。牽引桿在負荷與被測試車輛中間起傳力和測力的功能，承受拉壓力，所以牽引桿兩頭設計成鉸接結構，如圖6（c）。力傳感器裝在牽引桿的中部，用套筒加以保護，避免傳感器承受彎矩。彈簧的作用是減緩后車對前車的沖擊，提高前車緊急制動時的安全性。緩沖筒活套在后桿上，當牽引桿承受拉力時，法蘭螺栓阻止緩沖筒向外移動，彈簧不受力；當牽引桿承受壓力時，緩沖筒向里滑動，彈簧被壓縮，發(fā)揮緩沖作用。

3.6 發(fā)電系統(tǒng)

負荷車發(fā)電機組采用80kW車載柴油發(fā)電機，主要用于負荷車測功機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的供電。當負荷車處于負載狀態(tài)時，發(fā)電機組主要給測功機系統(tǒng)提供勵磁電流和測控系統(tǒng)供電；當負荷車處于拖動狀態(tài)時，發(fā)電機組主要給冷卻風扇、測功機、控制系統(tǒng)供電。

3.7 散熱系統(tǒng)

交流電力測功機加載實質是將負荷車試驗系統(tǒng)的動能轉化為電能再轉化為熱能，散熱系統(tǒng)的功能是將交流電力測功機產生的熱能加速擴散到空氣中。為了利于散熱，在車廂的3個部位安裝風扇，見圖5車廂示意圖。一處為發(fā)電機組散熱風扇，裝在發(fā)電機組正前方；另一處為車廂艙體風扇，裝在艙門上方，負責帶走艙內熱量。最后一處為制動電阻風扇，加速制動電阻的熱量擴散。拖車在負荷狀態(tài)下，測功機工作在發(fā)電狀態(tài)，此時所有風扇均可由測功機部分供電或全部供電，提高散熱效果。

3.8 配重系統(tǒng)

配重是為了使負荷拖車總重達到設計最大質量，配重塊設計成便于搬運和碼垛的矩形等重鑄鐵塊，按照質量和位置要求放在車廂內部專用盛具中。

3.9 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由車速傳感器、拉壓力傳感器、工控機、數(shù)據采集模塊、平板電腦、以太網通信網絡等構成。利用數(shù)據采集模塊的測量參數(shù)作為反饋，控制系統(tǒng)采用PID控制方法實現(xiàn)閉環(huán)恒車速或閉環(huán)恒力控制。同時提供手動開環(huán)加載控制模式以及通過預設牽引力（速度）函數(shù)曲線進行加載。軟件提供預設牽引力（速度）函數(shù)曲線編輯和通過EXCEL導入曲線功能。

負荷車控制模式如下：

a.恒車速模式；

b.恒力模式；

c.恒功率模式；

d.模擬爬坡模式；

e.手動控制模式；

f.預設牽引力（速度）函數(shù)曲線和對應數(shù)據點等試驗。

4 實車試驗驗證

實車驗證的目的是檢驗負荷車的結構性能并驗證負荷車的試驗系統(tǒng)。主要驗證項目有：制動能力試驗和低速加載性能。負荷車性能驗證試驗在某試車場高速環(huán)道上進行，其道路附著系數(shù)為0.8。被試車輛為某型半掛牽引車，試驗過程參照GB/T12537-1990《汽車牽引性能試驗方法》進行。

4.1 制動能力試驗

負荷車制動能力主要從手動開環(huán)制動能力加載和恒定制動力加載兩方面進行試驗驗證。

4.1.1 手動開環(huán)制動能力試驗

試驗時牽引車掛2擋，全車各差速鎖處于非鎖止狀態(tài)，負荷車至低檔，使用手動開環(huán)控制模式，在半掛牽引車熄火或車輪打滑時終止試驗。試驗曲線如圖7（a）。試驗由于被試車驅動輪滑轉而停止，從圖中可以看出負荷力在56kN時牽引車幵始打滑，加載過程平穩(wěn)，牽引車打滑狀態(tài)明顯。

4.1.2 恒定制動力試驗

試驗時牽引車掛2擋，全車各差速鎖處于非鎖止狀態(tài)；負荷車至低檔，采用恒定制動力閉環(huán)加載方式，設定恒定制動力30kN。試驗曲線如圖7（b）。從圖中可以看出負荷力在30kN時相對恒定，加載過程相對平穩(wěn)。

4.2 低速加載性能

以某型半掛牽引車為被測試車輛，考察負荷車低速加載性能，以手動加載方式加載。試驗時被試車掛1擋，負荷車掛低檔，記錄從停車狀態(tài)一低速穩(wěn)定一手動隨機加載一停車的全過程，試驗現(xiàn)場記錄曲線如圖8所示，可以看出該負荷車具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性。

a.負荷車結構設計合理，機械性能優(yōu)良。

b.負荷車具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性，加載性能穩(wěn)定。

c.負荷車具有良好的動態(tài)響應速度，控制精度高，試驗操作方便。

d.數(shù)據采集系統(tǒng)實時顯示監(jiān)測各項試驗參數(shù)，實際采樣速度高，完全滿足負荷車的各項設計要求。

e.負荷車具有恒車速、恒力、恒功率、模擬爬坡、手動控制、預設牽引力（速度）函數(shù)曲線和對應數(shù)據點等試驗控制模式，能夠滿足各項道路試驗需求。

5 結語

本文對基于交流電力測功機的負荷車結構進行了詳細設計，設計的負荷車具有完整的加載、傳動、掛接、散熱、測控等系統(tǒng)。實車試驗表明，該負荷車結構設計合理，具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性，動態(tài)響應速度快，控制精度高，試驗操作方便，能夠滿足各項道路試驗需求，可用于汽車熱平衡、牽引、制動等性能的研發(fā)和檢測試驗，有利于促進汽車道路試驗的發(fā)展。但是，該負荷車掛接機構的可調性、掛接機構的適用性以及整車噪音的控制等方面還有待進一步改進。

參考文獻

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