基于交流電力測(cè)功機(jī)的負(fù)荷車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周超軍 肖成誠(chéng) 甘瑞 何云強(qiáng)

摘要：為了對(duì)車輛動(dòng)力性、熱平衡、制動(dòng)等性能進(jìn)行研發(fā)與檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)基于交流電力測(cè)功機(jī)的負(fù)荷車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并成功研制出了具有優(yōu)良機(jī)械特性的負(fù)荷車。通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)表明，該負(fù)荷車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高，試驗(yàn)操作方便，能夠滿足相應(yīng)的道路試驗(yàn)需求，可用于汽車熱平衡、牽引、制動(dòng)等性能的研發(fā)及性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：負(fù)荷車 交流電力測(cè)功機(jī) 試驗(yàn)設(shè)備 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK421.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-0226（2018）03-0085-05

1 前言

汽車道路試驗(yàn)是汽車產(chǎn)品研發(fā)及檢測(cè)的重要手段，負(fù)荷車是進(jìn)行汽車熱平衡試驗(yàn)、汽車牽引性能試驗(yàn)、汽車制動(dòng)性能試驗(yàn)、輪胎特性、失效分析等汽車性能研發(fā)和檢測(cè)試驗(yàn)的重要道路試驗(yàn)設(shè)備。負(fù)荷車（Mobile Dynamometer Vehicle），是裝載著加載控制、動(dòng)力吸收裝置（測(cè)功機(jī)）、掛接機(jī)構(gòu)和試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)的車輛道路試驗(yàn)設(shè)備[1]。負(fù)荷車起源于19世紀(jì)20年代末，前蘇聯(lián)將輪式拖拉機(jī)改裝成測(cè)力車測(cè)試拖拉機(jī)，隨后經(jīng)歷了人工處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的負(fù)荷車、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理的負(fù)荷車，如今發(fā)展到主控計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)的負(fù)荷車[2]。各類負(fù)荷車普遍存在測(cè)功機(jī)低速制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、測(cè)試自動(dòng)化水平低等缺點(diǎn)。隨著各類車輛向更大功率段發(fā)展，現(xiàn)有的負(fù)荷車試驗(yàn)?zāi)芰σ巡荒軡M足測(cè)試需求。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前需求，研制一臺(tái)牽引力為220kN（22t）的新型負(fù)荷車，對(duì)大功率車輛性能的研發(fā)和檢測(cè)非常必要。

本文從負(fù)荷車和交流電力測(cè)功機(jī)的原理出發(fā)，對(duì)負(fù)荷車進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較為詳細(xì)地介紹了負(fù)荷車的結(jié)構(gòu)，并成功研制出了具有優(yōu)良機(jī)械特性的負(fù)荷車，通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)完善汽車道路試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)汽車動(dòng)力性、熱平衡、制動(dòng)等汽車性能的研發(fā)和檢測(cè)試驗(yàn)具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

2 負(fù)荷車原理

2.1 加載原理

負(fù)荷車通過(guò)裝有拉壓力傳感器的剛性牽引桿與被試車實(shí)現(xiàn)剛性連接，試驗(yàn)時(shí)由被試驗(yàn)車牽引前進(jìn)或負(fù)荷車牽引前進(jìn)。牽引功率通過(guò)負(fù)荷車牽引桿、牽引裝置、輪胎和加載傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到測(cè)功機(jī)，并將測(cè)功機(jī)施加的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞到車輪，通過(guò)輪胎與地面作用產(chǎn)生制動(dòng)阻力，形成對(duì)被試車的牽引或制動(dòng)負(fù)荷[3-5]。負(fù)荷車與被測(cè)試車組成負(fù)荷車試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 交流電力測(cè)功機(jī)原理

交流電力測(cè)功機(jī)主要由帶有扭矩測(cè)量法蘭和旋轉(zhuǎn)編碼器的交流異步電機(jī)、變頻驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。交流電力測(cè)功機(jī)通過(guò)交流異步電機(jī)進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，以電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)承載被試件施加負(fù)載或驅(qū)動(dòng)，達(dá)到對(duì)承載被試件進(jìn)行機(jī)械負(fù)載或動(dòng)力的模擬。交流電力測(cè)功機(jī)既可以用作測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載，也可以用作電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以完成多種傳統(tǒng)測(cè)功器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的測(cè)控方案。當(dāng)交流電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載時(shí)，測(cè)功機(jī)將被試車產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能；當(dāng)交流電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，測(cè)功機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并傳輸給被試車[6]。

3 負(fù)荷車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本負(fù)荷拖車采用某品牌軍用動(dòng)力底盤SX2255DN435，定制的專用交流電力變頻測(cè)功機(jī)，配置高性能測(cè)功變頻器，安裝高度無(wú)級(jí)可調(diào)的掛接系統(tǒng)和具有減振抗彎的牽引桿，配備全自動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組、冷卻風(fēng)扇和電氣控制箱等輔助系統(tǒng)，配合專用測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)拖車自行和被試車輛的加載及牽引，以完成各項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容。

負(fù)荷車主要由底盤車、交流電力測(cè)功機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、掛接系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，負(fù)荷車如圖2所示。

3.1 底盤車

整車式負(fù)荷車的底盤車需要具有獨(dú)立的自行能力，同時(shí)是其他設(shè)備的安裝基體。負(fù)荷車所能產(chǎn)生的最大負(fù)荷力由負(fù)荷車總質(zhì)量和負(fù)荷車與地面的摩擦系數(shù)決定，所以采用全驅(qū)底盤。鑒于某6×6越野載貨汽車底盤SX2255DN435的成熟技術(shù)和優(yōu)越性能，結(jié)合最大制動(dòng)力等技術(shù)指標(biāo)，將其作為動(dòng)力底盤。

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

加載傳動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸和測(cè)功電機(jī)等組成。負(fù)荷車處于負(fù)荷狀態(tài)時(shí)（負(fù)荷車在后，被試車輛在前），載荷全部由測(cè)功機(jī)提供，變速器置于空檔，發(fā)動(dòng)機(jī)必須怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證拖車自身的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、供電及駕駛室空調(diào)等功能。車輛布置和動(dòng)力傳輸分別見(jiàn)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(cè)功機(jī)、變頻器、制動(dòng)電阻等組成。測(cè)功機(jī)采用兩臺(tái)250kW交流電力測(cè)功機(jī)串聯(lián)，同時(shí)為負(fù)荷車提供負(fù)載力。測(cè)功機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸與分動(dòng)器2輸入端連接，分動(dòng)器2的輸出端與分動(dòng)器1的輸入端連接，從而把負(fù)載力傳遞給負(fù)荷車的前后驅(qū)動(dòng)橋。通過(guò)利用分動(dòng)器的高檔和低檔，測(cè)功系統(tǒng)可以形成3種減速比，分別是：6.6564：2.58：1。通過(guò)匹配計(jì)算可知，通過(guò)此三個(gè)速比，負(fù)荷車輸出特性完全包含了技術(shù)要求提出的特性曲線。

測(cè)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(cè)功機(jī)利用傳動(dòng)軸與傳動(dòng)系統(tǒng)連接，通過(guò)變頻器控制轉(zhuǎn)速和扭矩，完成對(duì)被試車輛負(fù)載的無(wú)級(jí)精確調(diào)節(jié)。本項(xiàng)目采用兩臺(tái)串聯(lián)的測(cè)功機(jī)作為吸功設(shè)備，基于以下幾點(diǎn)原因：

a.便于車廂內(nèi)硬件的布置和軸重分配。車廂通常為長(zhǎng)方形，測(cè)功機(jī)串聯(lián)可更好地利用車廂長(zhǎng)度，避免車架承受過(guò)大的集中力，改善軸重分配。同時(shí)可降低測(cè)功機(jī)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(fù)荷以下，測(cè)功機(jī)為單臺(tái)工作，制動(dòng)電阻散熱更加充分，進(jìn)而降低發(fā)電機(jī)負(fù)荷，可有效節(jié)能。

圖4中，藍(lán)色曲線代表負(fù)荷車在6.6564速比時(shí)測(cè)功機(jī)輸出特性；紅色曲線代表負(fù)荷車在2.58速比時(shí)測(cè)功機(jī)輸出特性；綠色曲線代表符合車載1速比時(shí)測(cè)功機(jī)輸出特性；紫色曲線代表技術(shù)要求規(guī)定的負(fù)荷車輸出特性。

3.4 車廂

負(fù)荷車的車廂分為操作艙和設(shè)備艙，如圖5所示。操作艙位于駕駛室，包括主駕駛位、操作臺(tái)和控制箱。在駕駛室內(nèi)對(duì)操作臺(tái)和副駕駛位前擋進(jìn)行改制，加裝控制箱及監(jiān)控顯示儀表。設(shè)備艙位于后車廂，分隔成發(fā)電艙、電控艙和測(cè)功艙3個(gè)功能艙。分艙的目的在于隔熱、隔振和降低電磁干擾，同時(shí)便于布置艙門和加裝散熱風(fēng)扇。為了降低風(fēng)阻，駕駛室頂部加裝導(dǎo)流罩，發(fā)電艙艙門及車廂頂部盡量靠近駕駛室，并對(duì)艙門采取導(dǎo)流設(shè)計(jì)。

3.5 掛接系統(tǒng)

掛接牽引系統(tǒng)是負(fù)荷拖車的重要總成，實(shí)現(xiàn)被試車輛和負(fù)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(guò)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(guò)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(dòng)，從而調(diào)整牽引桿高度，滿足不同車型要求。牽引桿在負(fù)荷與被測(cè)試車輛中間起傳力和測(cè)力的功能，承受拉壓力，所以牽引桿兩頭設(shè)計(jì)成鉸接結(jié)構(gòu)，如圖6（c）。力傳感器裝在牽引桿的中部，用套筒加以保護(hù)，避免傳感器承受彎矩。彈簧的作用是減緩后車對(duì)前車的沖擊，提高前車緊急制動(dòng)時(shí)的安全性。緩沖筒活套在后桿上，當(dāng)牽引桿承受拉力時(shí)，法蘭螺栓阻止緩沖筒向外移動(dòng)，彈簧不受力；當(dāng)牽引桿承受壓力時(shí)，緩沖筒向里滑動(dòng)，彈簧被壓縮，發(fā)揮緩沖作用。

3.6 發(fā)電系統(tǒng)

負(fù)荷車發(fā)電機(jī)組采用80kW車載柴油發(fā)電機(jī)，主要用于負(fù)荷車測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的供電。當(dāng)負(fù)荷車處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)組主要給測(cè)功機(jī)系統(tǒng)提供勵(lì)磁電流和測(cè)控系統(tǒng)供電；當(dāng)負(fù)荷車處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)組主要給冷卻風(fēng)扇、測(cè)功機(jī)、控制系統(tǒng)供電。

3.7 散熱系統(tǒng)

交流電力測(cè)功機(jī)加載實(shí)質(zhì)是將負(fù)荷車試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為熱能，散熱系統(tǒng)的功能是將交流電力測(cè)功機(jī)產(chǎn)生的熱能加速擴(kuò)散到空氣中。為了利于散熱，在車廂的3個(gè)部位安裝風(fēng)扇，見(jiàn)圖5車廂示意圖。一處為發(fā)電機(jī)組散熱風(fēng)扇，裝在發(fā)電機(jī)組正前方；另一處為車廂艙體風(fēng)扇，裝在艙門上方，負(fù)責(zé)帶走艙內(nèi)熱量。最后一處為制動(dòng)電阻風(fēng)扇，加速制動(dòng)電阻的熱量擴(kuò)散。拖車在負(fù)荷狀態(tài)下，測(cè)功機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)所有風(fēng)扇均可由測(cè)功機(jī)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(fù)荷拖車總重達(dá)到設(shè)計(jì)最大質(zhì)量，配重塊設(shè)計(jì)成便于搬運(yùn)和碼垛的矩形等重鑄鐵塊，按照質(zhì)量和位置要求放在車廂內(nèi)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(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、平板電腦、以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。利用數(shù)據(jù)采集模塊的測(cè)量參數(shù)作為反饋，控制系統(tǒng)采用PID控制方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒車速或閉環(huán)恒力控制。同時(shí)提供手動(dòng)開(kāi)環(huán)加載控制模式以及通過(guò)預(yù)設(shè)牽引力（速度）函數(shù)曲線進(jìn)行加載。軟件提供預(yù)設(shè)牽引力（速度）函數(shù)曲線編輯和通過(guò)EXCEL導(dǎo)入曲線功能。

負(fù)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(dòng)控制模式；

f.預(yù)設(shè)牽引力（速度）函數(shù)曲線和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)等試驗(yàn)。

4 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車驗(yàn)證的目的是檢驗(yàn)負(fù)荷車的結(jié)構(gòu)性能并驗(yàn)證負(fù)荷車的試驗(yàn)系統(tǒng)。主要驗(yàn)證項(xiàng)目有：制動(dòng)能力試驗(yàn)和低速加載性能。負(fù)荷車性能驗(yàn)證試驗(yàn)在某試車場(chǎng)高速環(huán)道上進(jìn)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(yàn)過(guò)程參照GB/T12537-1990《汽車牽引性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

4.1 制動(dòng)能力試驗(yàn)

負(fù)荷車制動(dòng)能力主要從手動(dòng)開(kāi)環(huán)制動(dòng)能力加載和恒定制動(dòng)力加載兩方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.1 手動(dòng)開(kāi)環(huán)制動(dòng)能力試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)牽引車掛2擋，全車各差速鎖處于非鎖止?fàn)顟B(tài)，負(fù)荷車至低檔，使用手動(dòng)開(kāi)環(huán)控制模式，在半掛牽引車熄火或車輪打滑時(shí)終止試驗(yàn)。試驗(yàn)曲線如圖7（a）。試驗(yàn)由于被試車驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)而停止，從圖中可以看出負(fù)荷力在56kN時(shí)牽引車幵始打滑，加載過(guò)程平穩(wěn)，牽引車打滑狀態(tài)明顯。

4.1.2 恒定制動(dòng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)牽引車掛2擋，全車各差速鎖處于非鎖止?fàn)顟B(tài)；負(fù)荷車至低檔，采用恒定制動(dòng)力閉環(huán)加載方式，設(shè)定恒定制動(dòng)力30kN。試驗(yàn)曲線如圖7（b）。從圖中可以看出負(fù)荷力在30kN時(shí)相對(duì)恒定，加載過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)。

4.2 低速加載性能

以某型半掛牽引車為被測(cè)試車輛，考察負(fù)荷車低速加載性能，以手動(dòng)加載方式加載。試驗(yàn)時(shí)被試車掛1擋，負(fù)荷車掛低檔，記錄從停車狀態(tài)一低速穩(wěn)定一手動(dòng)隨機(jī)加載一停車的全過(guò)程，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄曲線如圖8所示，可以看出該負(fù)荷車具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性。

a.負(fù)荷車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)械性能優(yōu)良。

b.負(fù)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(fù)荷車具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，控制精度高，試驗(yàn)操作方便。

d.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)，實(shí)際采樣速度高，完全滿足負(fù)荷車的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

e.負(fù)荷車具有恒車速、恒力、恒功率、模擬爬坡、手動(dòng)控制、預(yù)設(shè)牽引力（速度）函數(shù)曲線和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)等試驗(yàn)控制模式，能夠滿足各項(xiàng)道路試驗(yàn)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于交流電力測(cè)功機(jī)的負(fù)荷車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的負(fù)荷車具有完整的加載、傳動(dòng)、掛接、散熱、測(cè)控等系統(tǒng)。實(shí)車試驗(yàn)表明，該負(fù)荷車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有出色的持續(xù)加載能力和低速加載特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高，試驗(yàn)操作方便，能夠滿足各項(xiàng)道路試驗(yàn)需求，可用于汽車熱平衡、牽引、制動(dòng)等性能的研發(fā)和檢測(cè)試驗(yàn)，有利于促進(jìn)汽車道路試驗(yàn)的發(fā)展。但是，該負(fù)荷車掛接機(jī)構(gòu)的可調(diào)性、掛接機(jī)構(gòu)的適用性以及整車噪音的控制等方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周希軍.汽車試驗(yàn)負(fù)荷拖車的研制[D].南京理工大學(xué)，2009.

[2]王寧毅，苑偉，陳俊杰等.FHC-200拖拉機(jī)負(fù)荷車研制[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2017，44（02）：52-54.

[3]王天穎，項(xiàng)昌樂(lè)，李明喜，王天穎.裝備液黏測(cè)功機(jī)的負(fù)荷車特性研究[J].工程機(jī)械，2008（02）：6-10+1.

[4]胡哲，張則言.F15負(fù)荷車[J].拖拉機(jī)，1984（01）：38-43.

[5]陳英杰，王書(shū)茂，代峰燕等.F15型負(fù)荷車測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械313，44（07）：36-40+8.

[6]熊祖品，張亞，謝亞玲.交流電力測(cè)功機(jī)在負(fù)荷拖車上的應(yīng)用[J].專用汽車，2014（02）：72-73+77.