一種新能源汽車電動(dòng)輪道路模擬仿真系統(tǒng)

盧劍劍， 李 勝， 費(fèi)耀斌， 郎向榮， 朱 慶， 王江峰， 路國衛(wèi)

（1.杭州威衡科技有限公司， 浙江 杭州 311113；2.浙江集衡信息科技有限公司， 浙江 杭州 311113）

直驅(qū)電動(dòng)輪是指將輪輞、輪胎與電動(dòng)輪轂電機(jī)集成為一體的驅(qū)動(dòng)輪，通過電子控制器使輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)各輪轂從0到最大速度之間的無級(jí)變速和差數(shù)要求，省卻了車輪之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得傳動(dòng)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，提高了傳動(dòng)效率，減少了機(jī)械損耗，整車質(zhì)量也得到了減輕。為了可以獲得直驅(qū)電動(dòng)輪全方位的性能參數(shù)，需開發(fā)一套專用的仿真系統(tǒng)，模擬電動(dòng)汽車在實(shí)際工況下進(jìn)行動(dòng)力性、制動(dòng)性、可靠性、耐久性測(cè)試。電動(dòng)輪如圖1所示。

圖1 電動(dòng)輪

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要分為電氣測(cè)控部分和機(jī)械臺(tái)架部分以及軟件控制部分。系統(tǒng)的硬件部分主要由電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、慣量飛輪組、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)傳感器 （溫度、拉壓力、震動(dòng)、轉(zhuǎn)速、電流、電壓）、NI cRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)、工控機(jī)及分析系統(tǒng)、PLC急停裝置、不間斷電源UPS等組成。通過NI cRIO實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號(hào)、溫度信號(hào)、震動(dòng)信號(hào)、壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，再對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行指令下發(fā)控制。

2 系統(tǒng)測(cè)控部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主控制部分采用研華工控機(jī)+研華板卡+PLC急停系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的控制操作。測(cè)功機(jī)系統(tǒng)由研華模擬量輸出板卡控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，用以模擬道路阻力、坡度阻力，扭矩儀的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)經(jīng)脈沖輸入板卡采集實(shí)時(shí)反饋給系統(tǒng)；垂直加載系統(tǒng)主要由電缸與拉壓力傳感器組成，經(jīng)過研華模擬量輸出板卡控制伺服電機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)垂直加載，用以模擬電動(dòng)輪在路面行駛時(shí)的上下跳動(dòng)，拉壓力傳感器經(jīng)研華模擬量輸入板卡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋給系統(tǒng)，經(jīng)上位機(jī)分析以達(dá)到系統(tǒng)的垂直加載動(dòng)態(tài)控制。系統(tǒng)的測(cè)控結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其控制信號(hào)說明如表1所示。

圖2 系統(tǒng)測(cè)控結(jié)構(gòu)框圖

表1 系統(tǒng)控制信號(hào)表

3 系統(tǒng)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)輪道路模擬仿真系統(tǒng)試驗(yàn)原理和功能要求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的機(jī)械機(jī)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)電動(dòng)輪的垂直加載裝置與慣性模擬裝置是其中的關(guān)鍵。電動(dòng)輪道路模擬仿真系統(tǒng)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電動(dòng)輪道路模擬仿真系統(tǒng)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

3.1 垂直加載裝置的設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪在車輛行駛過程當(dāng)中，承受著汽車帶來的載荷，利用電動(dòng)輪模塊模擬實(shí)車工況，需要對(duì)電動(dòng)輪模塊在垂直方向施加可控可變的載荷。系統(tǒng)采用電缸實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪的垂直加載，配以高精度的拉壓力傳感器以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量施加在電動(dòng)輪上的垂直載荷。垂直加載裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電缸通過轉(zhuǎn)接板固定在龍門支架上，并橫跨于滾筒上方，龍門支架上安裝線性滑軌，電動(dòng)輪模塊及其固定工裝、拉壓力傳感器與電缸在龍門支架中心處連接，并可隨線性滑軌上下移動(dòng)。

3.2 慣性模擬裝置的設(shè)計(jì)

汽車在運(yùn)動(dòng)過程中具有較大的動(dòng)能，在制動(dòng)過程中因自身慣性的大小會(huì)有不同的制動(dòng)距離。為進(jìn)行汽車實(shí)況下的制動(dòng)性、可靠性、動(dòng)力性、耐久性等試驗(yàn)，該系統(tǒng)使用飛輪組裝置用以模擬試驗(yàn)汽車的慣性。同時(shí)考慮到飛輪組的加工工藝及安裝工藝、測(cè)試場(chǎng)地大小等因素，飛輪組的質(zhì)量體積要控制在一定的范圍內(nèi)，為此引入增速箱，用以減少系統(tǒng)中的飛輪組質(zhì)量與體積。使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性和可靠性提高。飛輪組裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

如圖5所示，共計(jì)16.875kgm2慣量飛輪組，采用撥叉式分合機(jī)構(gòu)靈活地調(diào)節(jié)飛輪組與傳動(dòng)軸系的連接或斷開，4塊飛輪的慣量分別為1.125kgm2、2.25kgm2、4.5kgm2、9kgm2。每塊飛輪的動(dòng)平衡等級(jí)皆為2.5級(jí)。慣量盤和軸之間增加軸承，需要用到慣量盤時(shí)螺栓擰到軸上使慣量盤和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要用慣量盤時(shí)擰下螺栓，用支架把慣量盤固定在方管焊接架的底板上。

圖4 垂直加載裝置

圖5 慣量飛輪組

3.3 滾筒的設(shè)計(jì)

模擬行駛道路的滾筒通過軸承和支座安裝在大型鑄鐵底板上，軸承選型除了需考慮軸向承載要求，還需重點(diǎn)考慮徑向的承載要求，同時(shí)需配置監(jiān)測(cè)軸承溫度的溫度傳感器。滾筒采用寬體大直徑結(jié)構(gòu)，動(dòng)平衡等級(jí)為2.5級(jí)。

為滿足系統(tǒng)測(cè)試時(shí)模擬各種路面的需要，在滾筒圓周表面的兩側(cè)邊沿處打上一系列螺紋孔（每6°打一個(gè)M6孔），以便于用螺釘將不同材質(zhì)的薄件/包裹物安裝至滾筒表面，以此改變系統(tǒng)模擬路面的附著系數(shù)。路面模擬裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該電動(dòng)輪特性測(cè)試系統(tǒng)的軟件采用NI公司的LabVIEW語言編寫，整套軟件開發(fā)由參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)查看3個(gè)單元組成，其中試驗(yàn)?zāi)K中1/2整車試驗(yàn)?zāi)K，同時(shí)對(duì)兩個(gè)電動(dòng)輪模塊的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、耐久性進(jìn)行試驗(yàn)；1/4整車試驗(yàn)?zāi)K，對(duì)單個(gè)電動(dòng)輪模塊的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、耐久性進(jìn)行試驗(yàn)。圖7為系統(tǒng)的軟件功能框圖。

參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行電動(dòng)輪試驗(yàn)的特性設(shè)置及輸出結(jié)果設(shè)置。

系統(tǒng)軟件通過LabVIEW語言進(jìn)行指令下發(fā)可對(duì)電動(dòng)輪模塊進(jìn)行1/2、1/4整車動(dòng)力性試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)、制動(dòng)性試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)。通過監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)。系統(tǒng)1/4整車耐久性測(cè)試界面及曲線如圖8所示，1/4整車經(jīng)濟(jì)性測(cè)試界面及曲線如圖9所示。

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)及平臺(tái)搭建，對(duì)應(yīng)電動(dòng)輪模塊測(cè)試的性能要求進(jìn)行試驗(yàn)，各參數(shù)指標(biāo)均已達(dá)到預(yù)計(jì)效果，系統(tǒng)搭建實(shí)物圖如圖10所示。

圖6 路面模擬裝置

圖7 系統(tǒng)軟件功能框圖

圖8 1/4整車耐久性試驗(yàn)界面

圖9 1/4整車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)界面

圖10 系統(tǒng)搭建實(shí)物圖

5 結(jié)語

通過對(duì)新能源汽車電動(dòng)輪模塊的原理解析，設(shè)計(jì)開發(fā)的電動(dòng)輪道路模擬仿真系統(tǒng)可以對(duì)電動(dòng)輪模塊的動(dòng)力性、制動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性試驗(yàn)，獲得的電動(dòng)輪模塊產(chǎn)品各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，可作為研究人員開發(fā)設(shè)計(jì)電動(dòng)輪模塊的試驗(yàn)參考，加快產(chǎn)品的開發(fā)及優(yōu)化。該系統(tǒng)的成功研發(fā)填補(bǔ)了目前針對(duì)新能源汽車電動(dòng)輪模塊仿真模擬測(cè)試設(shè)備的市場(chǎng)需求，具有極大的工業(yè)實(shí)用價(jià)值和科研應(yīng)用價(jià)值。