汽车风洞底盘测功机选型研究

牟连嵩，张淼，赵丰，张艺伦，孙津鸿，焦鹏飞

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300399）

前言

传统的道路测试由于过于依赖自然天气条件和道路的交通状况，只能将测试车辆运输到偏远的地方。如果测试车辆或测试设备发生故障将耽误车型的开发时间表。此外，由于阵风、侧风和大气湍流等的存在，道路测试的测试数据具有较大的可变性。就环境测试而言，在一个测试日中，温度、湿度、光照负荷的变化会对车型设计带来不确定性[1]。

随着汽车工业的发展和新车型开发工作量的增加，汽车环境风洞由于集成了底盘测功机、阳光模拟系统、温湿度控制、风机等多种测试模拟设备，同时相对环境舱可以更好的模拟流场、温湿度环境，得到了越来越广泛的应用[2-3]。

底盘测功机作为当前汽车测试开发常用设备，在进行测试实验时通过滚筒模拟路面，计算出道路模拟方程，并用加载装置进行模拟，实现对汽车各工况的模拟。具有可重现性强、受环境因素影响小的优点。底盘测功机分为单滚筒型和双滚筒型，如图1所示为单滚筒型测功机，滚筒直径越大，车轮在转鼓上就越接近于在道路上滚动。虽然制造和安装费用高，但由于单滚筒型测功机较高的测试精度，得到了整车厂和科研院所以及检测机构的广泛应用[4]。

图1 单滚筒型转鼓

底盘测功机作为汽车环境风洞中主要的测试设备之一，在风洞建设前期，底盘测功机的型号选择是很重要的工作。当前有关环境舱转鼓选型文献资料较多，但环境风洞转鼓和环境舱转鼓存在差异，表1列出了两者在主要指标上的差异。

表1 环境舱和环境风洞采用转鼓指标对比

基于以上区别，在采购环境风洞底盘测功机时，应特别注意。下面本文将从底盘测功机的主要参数等展开介绍底盘测功机选型的依据。

1 底盘测功机电机驱动类型

当测功机进行道路模拟实验时，电机作为动力输出，提供滚筒加载阻力。常见的转鼓驱动类型有两电机驱动和四电机驱动。四电机AWD型转鼓可以实现对应每个车轮的滚筒独立输出扭矩，从而对每个车轮独立加载阻力，可以实现例如转弯工况等 2WD两电机中置型转鼓无法模拟的工况。当前新能源汽车蓬勃发展，AWD型四独立电机驱动转鼓能满足新能源汽车如装载轮毂电机电动车等更加多样化的驱动方式的测试需求。

2 底盘测功机电机的选型

底盘测功机试验台功率、最大牵引力、最大加速度均取决于底盘测功机前轴电机和后轴电机的选型。在考虑电机功率选择时应结合公式牵引力 F=M∙a+f0+f1∙v+f2∙v2；公式中 f0、f1、f2是道路负荷系数，v是测试车辆速度，M是测试车辆试验质量，a是车辆加速度。计算最大牵引力时，应结合所有车辆测试时可能用到的试验工况，挑选最严苛的工况（建议采用车辆满载质量 50吨条件下重型商用车辆瞬态循环WTVC工况）通过公式计算得到所需要的最大牵引力。并利用公式P= F∙v计算最大功率。在此基础上挑选合适功率的转鼓电机。

3 底盘测功机滚筒直径的选择

科研院所、整车厂、检测机构等由于对转鼓测试精度要求比较高，通常采用单滚筒型转鼓，滚筒的直径越大，车轮所接触到的鼓面越接近于道路，但相应的制造成本和安装难度会增加。转鼓滚筒直径的选择通常取决于测试车辆的类型，常用的直径尺寸有25"，48"，75"，分别对应摩托车、轻型乘用车、重型卡车的测试。此外根据测试需求还包括其他尺寸的转鼓。天津汽研中心作为第三方检测机构，汽车环境学风洞测试业务覆盖轻型车、中型车和重型车，同时由于风洞对流场指标要求较高，较大的转鼓直径可以保证试验台表面较为平整，有利于流场的模拟。

4 底盘测功机质量模拟范围

在转鼓选型时，应考虑测试车型中覆盖的质量最小车型和质量最大车型试验质量，可参考表 2（该表是天津汽研中心在选购风洞转鼓时采用的），从而确定所要采购的底盘测功机质量模拟范围[5]。

表2 环境风洞测试车型一览

5 底盘测功机轴距调整范围的确定

转鼓轴距调整范围的确定主要根据所测试车型来确定，其最大轴距和最小轴距要覆盖目标车型，可参考表 2。一般四驱转鼓只通过后轴可调，但为了在不同车辆固定到转鼓后与喷口保持同等距离，维持较高的测试一致性，前轴设计为可调。结合不同车辆前悬差异，建议前轴轴距可调最大范围设计为0.5m。

6 风洞动力学指标对底盘测功机要求

由于环境风洞在空气动力学指标上的较高要求，转鼓的试验台盖板应进行特殊设计：试验台地板应平滑，最大限度内减少间隙和锐边。同时应优化试验室盖板和滚筒之间的间隙，其目的是最大限度内减小环境仓与地坑之间的空气流动[6]。

7 风洞雨雪环境对转鼓设计要求

由于环境风洞中存在雨雪测试工况，转鼓供应商应结合具体的排放水储量合理设计排水系统。试验台内应设置引水管将水引流到地基块周围的区域。

同时应注意试验台盖板与周围地板的密封，防止雨雪工况下水的泄露。

8 底盘测功机附加系统

在采购底盘测功机时，除转鼓本体和相关子系统外，结合实际需求，可增加相应的附加系统。

8.1 车辆自动对中装置

车辆自动对中装置由每个车轮的2个定心辊组成，如图2所示。可以简单快速的将车辆驱动轴定位在滚筒上方。在不使用时，自动对中装置系统应存放在试验段地板下方，从而不影响流场质量。该系统由电驱动轴器驱动，其操作可通过手持式试验台的操控单元操作。

图2 车辆对中装置

8.2 节气门执行器

节气门执行器用于加速踏板的遥控控制，通过电压信号来实现对加速踏板的行程的线性控制。节气门执行器应实现位置控制、速度控制、力控制三种控制模式。

图3 节气门执行器

8.3 轮胎冷却系统

轮胎冷却风扇，以恒定的速度对与转鼓接触部分的轮胎进行冷却。风量满足车轮在高负荷下的散热要求。可以放在距离转鼓较远的车辆的两侧，也可集成在地坑盖板下面。

8.4 轮胎防爆胎和车辆移动探测系统

轮胎防爆胎和车辆移动探测系统即车辆位置监视装置用于提示用户，在试验过程中任何车辆位置的移动状况。通过车辆位置传感器来检测垂直方向上的车辆驱动时的轮胎放气，以及测试车辆车身或驱动轮轴向下运动的情况发生和检测车辆侧移情况的发生。该监控系统应集成在环境风洞的安全电子控制回路中。

8.5 车辆下压装置

转鼓试验台安装下压装置主要目的是在重型车实验时防止车辆打滑。

该装置通过安装在试验台的液压加载装置，通过液压缸来带动的拉紧皮带以及车辆后轴及其他适当点来实现车辆的加载。

9 结论

选用环境风洞底盘测功机首先要按照实际测试车辆和测试实验类型需求来确定要采购的转鼓的基本规格参数，如测功机的驱动类型、电机功率、滚筒直径、质量模拟范围、轴距调整范围等，然后结合使用需求合理选择附加系统。同时对于有雨雪模拟功能的环境风洞，应注意做好排水和地板防滑设计。

[1] Edward Duell,Amir Kharazi, Paul Nagle, Per Elofsson et al, Scania’s New CD7 Climatic Wind Tunnel Facility for Heavy Trucks and Buses.SAE Int.J.Passeng.Cars-Mech. Syst. 9(2)：785-799,2016.

[2] 孙涛,耿金涛,徐兰欣.整车环境风洞实验室的应用.汽车工程师.2013（4）：20-22.

[3] 刘雪莉,耿金涛,孙华峰.汽车环境风洞实验室初期建设.汽车工程师.2014(3)：16-17

[4] 王文扬.汽车底盘测功机测试与控制系统的研究[D].吉林大学,2006.

[5] 付松青,高章,刘双喜,等.重型车底盘测功机测试方法的研究[J].北京汽车,2011(1)：16-19.

[6] Soderblom D, Elofsson P, Hyvärinen A. Numerical Investigation of Blockage Effects on Heavy Trucks in Full Scale Test Conditions[C]// SAE 2016 World Congress and Exhibition. 2016.