重型动力负荷车的总体设计

2018-03-27张亚

中国设备工程 2018年6期

张亚

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

负荷车也称测功车，是装载有测功机（动力吸收）和加载控制、试验参数测量以及数据采集分析处理系统的车辆道路试验设备。重型动力负荷车主要用在中、重型卡车/巴士/工程车辆等汽车的研发试验中，试验时负荷车与被试验车辆组成试验系统，由被试车辆牵引（或牵引被试车辆）前进，通过对（或被）被试车辆施加可实时调节的、稳定的任意负荷，达到系统动平衡，以便测量被试车辆的牵引性能、热平衡、热管理、模拟爬坡、辅助制动等方面的性能。根据试验检测的需要，结合国内现行重型汽车的现状，需要提出重型动力负荷车的技术要求，并就其系统结构提出总体设计方案。

1 负荷车设计需求

根据试验检测工作的需要，重型负荷车的设计需要满足以下方面：作为吸功车，保证国内重型民用汽车按GB/T12537-1990《汽车牵引性能试验方法牵引性能》进行汽车牵引性能试验及最大拖钩牵引力试验、GB/T12542-2009《汽车热平衡能力道路试验方法》进行的极限使用工况和常规使用工况试验；作为牵引车，保证国内重型民用汽车按GB12676-2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》（原1999版）标准规定的II型和IIA型试验方法牵引被试车辆进行辅助制动试验等；并保证其性能水平在今后一段相当长的时间内不落伍。

为满足负荷车设计需求，有必要对我国现有重型汽车的牵引特性进行调查，对辅助制动试验条件和方法进行深入分析，进而提出合理的技术指标。

1.1 国内重型汽车的牵引特性分析

笔者对一汽、二汽、重汽、陕汽、福田等国内主流重型汽车生产企业的典型产品进行了分析，并根据汽车动力学、汽车行驶方程等进行了驱动力、牵引力特性计算，驱动动力特性见图1所示。

通过分析，目前国内的重型汽车的最大驱动力主要集中在170～220kN之间，产生最大驱动力的车速通常为3～7km/h；最高车速主要集中在90～110km/h之间。

图1 国内重型汽车驱动力特性

1.2 辅助制动试验方法及条件分析

考虑到进行GB12676规定的II型和IIA型辅助制动模拟坡道试验时，负荷车作为牵引车使用，故还应对负荷车牵引状态的牵引力进行规定。

按国标GB1589规定允许的汽车（N类）及汽车列车最大总质量M=49t，以及GB12676规定的30km/h稳定车速下Ⅱ型试验辅助制动的平均制动力应不小于车辆最大总质量的6%；由公式（1）可计算得出负荷车牵引状态的牵引力需大于28.9kN。

按国标GB1589规定允许的客车（M类）及最大总质量M=28t，以及GB12676中规定的30km/h稳定车速下IIA型试验辅助制动的平均制动力应不小于车辆最大总质量的7%；由公式（1）可计算得负荷车牵引状态的牵引力需大于19.3kN。

综合上述两种试验并满足标准的下限要求，考虑实际试验时辅助制动的平均力及瞬时数会大于标准6%（或7%）的要求，适当放大负荷车牵引状态的牵引力：匀速30km/h状态下，最大牵引力设计目标不小于35kN，最小安全系数约1.2。

1.3 负荷车的主要技术指标

通过上述分析，基本确定了负荷车负荷吸功状态和牵引驱动状态的设计目标，提出负荷车的主要技术指标见表1和图2所示。

2 负荷车总体方案设计

负荷车的总体方案设计最重要的三个方面就是底盘车的选择、测功方式的选择以及加载传动系的匹配。

2.1 底盘车的初选

经过选择比对，决定以SX2255DN435型越野汽车底盘为目标车进行设计改装，该底盘具有以下优点：

（1）6×6全轮驱动，能有效提高负荷车与地面之间的附着力。

表1 负荷车的主要技术指标

图2 负荷车负荷吸功工况力/功率-车速曲线

（2）承载能力强，最大总质量可达40吨。

（3）多种传动系匹配可选，方便优化选择。

（4）轴距适当，既能满足整车布置的需要，也不影响车辆的灵活性。

（5）车型成熟，牵引性能优越，可靠性高。其主要技术指标见表2所示。

表2 底盘车主要配置参数

表3 各种测功机的优缺点

图3 交流电力测功机的功率/扭矩特性曲线

2.2 测功机的选择

（1）负荷车加载的形式很多，主要有交流电力测功机、直流测功机、液粘测功机、电涡流测功机等。其各自的优缺点如表3所示。

（2）根据前述设计需求分析，目标负荷车需具备负荷吸功和牵引驱动两种工作方式，因此我们选择优点明显、能够双向加载，并具有低速大扭矩特性的交流电力测功机作为负荷车的吸功方式。其特性曲线如图3所示。

（3）根据表1负荷车的主要技术指标和图2负荷车负荷吸功工况力/功率-速度曲线可知，所选用测功机的功率应不小于450kW，初步选用某公司PD520kW或PD450kW型交流电力测功机，其功率扭矩-转速曲线如图4所示。

图4 PD520kW和PD450kW型交流电力测功机功率扭矩曲线

2.3 加载传动方案

加载传动系统主要由取力器、传动变速箱和传动轴等组成。负荷吸功状态加载传动系统力传递示意图见下图5所示。根据功率平衡并考虑传动效率的损失，牵引状态仅依靠目标车原动力无法达到30km/h车速下35kN最大牵引力的设计目标，故选择配备发电机组提供后备动力；牵引驱动状态加载传动系统动力传递示意图见下图6所示。

图5 负荷状态加载传动系统力传递示意图

图6 牵引状态加载传动系统动力传递示意图

3 负荷车匹配分析

根据上述选定的底盘车、测功机、加载传动方案，进行计算分析及性能匹配，确定各系统的具体参数。所用主要公式如下：

牵引状态最高车速核算：

（1）负荷车总质量。考虑负荷力和牵引力是否能充分发挥，同负荷车的总质量以及路面的附着情况密不可分，综合负荷车主要在平坦的附着系数良好的路面上使用的现状，根据公式（2）可计算负荷车的总质量M≥32吨（ϕ取0.7）。

（2）发电机组功率。最大牵引工作状态，根据公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）计算可得：Ft=41.7kN（ua=30km/h），P总=434.4kW（η取0.8）。原车338kW发动机功率不足以牵引车辆，为了达到设计目标，需配备96kW以上的发电机组提供后备动力。

（3）驱动桥速比。考虑负荷工作状态最高车速(100km/h)及分动器转速上限(3000r/min)，根据公式（9）计算可得：i0≤6.0（i分=1.00），故驱动桥速比只能选择4.8或5.73。

（4）加载传动系统设计的可选择性较大，为简化后期生产制造过程中的不便，传动箱优先考虑采用与原车分动箱相同的方案进行匹配。测算结果表明：当用PD520kW测功机与5.73桥速比和ZQC2700做传动箱进行匹配时，结果能满足设计目标。部分匹配测算结果见下图7、8、9所示。上述计算过程中常用参数取值如下：f0取0.7，f 取0.02，CD取0.8，A取8.4，g取10，sinα取0，取0。