基于交流电力测功机的负荷车结构设计

周超军 肖成诚 甘瑞 何云强

摘要：为了对车辆动力性、热平衡、制动等性能进行研发与检测试验，对基于交流电力测功机的负荷车进行了结构设计，并成功研制出了具有优良机械特性的负荷车。通过实车试验表明，该负荷车结构设计合理，具有出色的持续加载能力和低速加载特性，动态响应速度快，控制精度高，试验操作方便，能够满足相应的道路试验需求，可用于汽车热平衡、牵引、制动等性能的研发及性能评价试验。

关键词：负荷车 交流电力测功机 试验设备 结构设计

中图分类号：TK421.6 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2018）03-0085-05

1 前言

汽车道路试验是汽车产品研发及检测的重要手段，负荷车是进行汽车热平衡试验、汽车牵引性能试验、汽车制动性能试验、轮胎特性、失效分析等汽车性能研发和检测试验的重要道路试验设备。负荷车（Mobile Dynamometer Vehicle），是装载着加载控制、动力吸收装置（测功机）、挂接机构和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[1]。负荷车起源于19世纪20年代末，前苏联将轮式拖拉机改装成测力车测试拖拉机，随后经历了人工处理实验数据的负荷车、计算机数据采集和处理的负荷车，如今发展到主控计算机控制试验的负荷车[2]。各类负荷车普遍存在测功机低速制动转矩小、测功机动态响应速度慢、测试自动化水平低等缺点。随着各类车辆向更大功率段发展，现有的负荷车试验能力已不能满足测试需求。为应对当前需求，研制一台牵引力为220kN（22t）的新型负荷车，对大功率车辆性能的研发和检测非常必要。

本文从负荷车和交流电力测功机的原理出发，对负荷车进行系统的结构设计，较为详细地介绍了负荷车的结构，并成功研制出了具有优良机械特性的负荷车，通过实车试验验证了结构设计的合理性，对完善汽车道路试验技术，对汽车动力性、热平衡、制动等汽车性能的研发和检测试验具有重大的应用价值。

2 负荷车原理

2.1 加载原理

负荷车通过装有拉压力传感器的刚性牵引杆与被试车实现刚性连接，试验时由被试验车牵引前进或负荷车牵引前进。牵引功率通过负荷车牵引杆、牵引装置、轮胎和加载传动系统传递到测功机，并将测功机施加的制动转矩传递到车轮，通过轮胎与地面作用产生制动阻力，形成对被试车的牵引或制动负荷[3-5]。负荷车与被测试车组成负荷车试验系统，如图1所示。

2.2 交流电力测功机原理

交流电力测功机主要由带有扭矩测量法兰和旋转编码器的交流异步电机、变频驱动装置和控制系统构成。交流电力测功机通过交流异步电机进行能量的转换，通过变频驱动装置对转矩或转速进行精确控制，以电机主轴的转矩来实现对承载被试件施加负载或驱动，达到对承载被试件进行机械负载或动力的模拟。交流电力测功机既可以用作测功机进行加载，也可以用作电动机进行驱动，可以完成多种传统测功器无法实现的测控方案。当交流电力测功机进行加载时，测功机将被试车产生的机械能转化为电能和热能；当交流电力测功机进行驱动时，测功机将电能转化为机械能并传输给被试车[6]。

3 负荷车系统设计

本负荷拖车采用某品牌军用动力底盘SX2255DN435，定制的专用交流电力变频测功机，配置高性能测功变频器，安装高度无级可调的挂接系统和具有减振抗弯的牵引杆，配备全自动柴油发电机组、冷却风扇和电气控制箱等辅助系统，配合专用测试软件，实现拖车自行和被试车辆的加载及牵引，以完成各项试验内容。

负荷车主要由底盘车、交流电力测功机、传动系统、散热系统、测控系统、挂接系统等多个子系统组成，负荷车如图2所示。

3.1 底盘车

整车式负荷车的底盘车需要具有独立的自行能力，同时是其他设备的安装基体。负荷车所能产生的最大负荷力由负荷车总质量和负荷车与地面的摩擦系数决定，所以采用全驱底盘。鉴于某6×6越野载货汽车底盘SX2255DN435的成熟技术和优越性能，结合最大制动力等技术指标，将其作为动力底盘。

3.2 传动系统

加载传动系统主要由发动机、变速器、分动器、传动轴和测功电机等组成。负荷车处于负荷状态时（负荷车在后，被试车辆在前），载荷全部由测功机提供，变速器置于空档，发动机必须怠速运转，保证拖车自身的转向、制动、供电及驾驶室空调等功能。车辆布置和动力传输分别见图3（a）和（b）。

3.3 吸功系统

吸功系统主要由交流电力测功机、变频器、制动电阻等组成。测功机采用两台250kW交流电力测功机串联，同时为负荷车提供负载力。测功机通过传动轴与分动器2输入端连接，分动器2的输出端与分动器1的输入端连接，从而把负载力传递给负荷车的前后驱动桥。通过利用分动器的高档和低档，测功系统可以形成3种减速比，分别是：6.6564：2.58：1。通过匹配计算可知，通过此三个速比，负荷车输出特性完全包含了技术要求提出的特性曲线。

测功系统的输出特性必须完全覆盖拖车牵引力——车速特性，并留有10%的富余，如图4所示。测功机利用传动轴与传动系统连接，通过变频器控制转速和扭矩，完成对被试车辆负载的无级精确调节。本项目采用两台串联的测功机作为吸功设备，基于以下几点原因：

a.便于车厢内硬件的布置和轴重分配。车厢通常为长方形，测功机串联可更好地利用车厢长度，避免车架承受过大的集中力，改善轴重分配。同时可降低测功机高度，更大的上层空间有利于车厢散热。

b.节约能耗。中等负荷以下，测功机为单台工作，制动电阻散热更加充分，进而降低发电机负荷，可有效节能。

图4中，蓝色曲线代表负荷车在6.6564速比时测功机输出特性；红色曲線代表负荷车在2.58速比时测功机输出特性；绿色曲线代表符合车载1速比时测功机输出特性；紫色曲线代表技术要求规定的负荷车输出特性。

3.4 车厢

负荷车的车厢分为操作舱和设备舱，如图5所示。操作舱位于驾驶室，包括主驾驶位、操作台和控制箱。在驾驶室内对操作台和副驾驶位前挡进行改制，加装控制箱及监控显示仪表。设备舱位于后车厢，分隔成发电舱、电控舱和测功舱3个功能舱。分舱的目的在于隔热、隔振和降低电磁干扰，同时便于布置舱门和加装散热风扇。为了降低风阻，驾驶室顶部加装导流罩，发电舱舱门及车厢顶部尽量靠近驾驶室，并对舱门采取导流设计。

3.5 挂接系统

挂接牵引系统是负荷拖车的重要总成，实现被试车辆和负荷拖车的连接。挂接牵引系统主要由挂接装置和牵引杆组成，两者通过挂接销铰接，如图6（a）。挂接装置主要由延伸架、挂接座、挂接叉、挂接销和升降器等组成，如图6（b）。挂接系统通过延伸架和车架大梁牢固焊接，提供可靠受力支撑。挂接叉可在升降器T形丝杆的作用下沿着T形槽上下移动，从而调整牵引杆高度，满足不同车型要求。牵引杆在负荷与被测试车辆中间起传力和测力的功能，承受拉压力，所以牵引杆两头设计成铰接结构，如图6（c）。力传感器装在牵引杆的中部，用套筒加以保护，避免传感器承受弯矩。弹簧的作用是减缓后车对前车的冲击，提高前车紧急制动时的安全性。缓冲筒活套在后杆上，当牵引杆承受拉力时，法兰螺栓阻止缓冲筒向外移动，弹簧不受力；当牵引杆承受压力时，缓冲筒向里滑动，弹簧被压缩，发挥缓冲作用。

3.6 发电系统

负荷车发电机组采用80kW车载柴油发电机，主要用于负荷车测功机系统、控制系统的供电。当负荷车处于负载状态时，发电机组主要给测功机系统提供励磁电流和测控系统供电；当负荷车处于拖动状态时，发电机组主要给冷却风扇、测功机、控制系统供电。

3.7 散热系统

交流电力测功机加载实质是将负荷车试验系统的动能转化为电能再转化为热能，散热系统的功能是将交流电力测功机产生的热能加速扩散到空气中。为了利于散热，在车厢的3个部位安装风扇，见图5车厢示意图。一处为发电机组散热风扇，装在发电机组正前方；另一处为车厢舱体风扇，装在舱门上方，负责带走舱内热量。最后一处为制动电阻风扇，加速制动电阻的热量扩散。拖车在负荷状态下，测功机工作在发电状态，此时所有风扇均可由测功机部分供電或全部供电，提高散热效果。

3.8 配重系统

配重是为了使负荷拖车总重达到设计最大质量，配重块设计成便于搬运和码垛的矩形等重铸铁块，按照质量和位置要求放在车厢内部专用盛具中。

3.9 控制系统

控制系统主要由车速传感器、拉压力传感器、工控机、数据采集模块、平板电脑、以太网通信网络等构成。利用数据采集模块的测量参数作为反馈，控制系统采用PID控制方法实现闭环恒车速或闭环恒力控制。同时提供手动开环加载控制模式以及通过预设牵引力（速度）函数曲线进行加载。软件提供预设牵引力（速度）函数曲线编辑和通过EXCEL导入曲线功能。

负荷车控制模式如下：

a.恒车速模式；

b.恒力模式；

c.恒功率模式；

d.模拟爬坡模式；

e.手动控制模式；

f.预设牵引力（速度）函数曲线和对应数据点等试验。

4 实车试验验证

实车验证的目的是检验负荷车的结构性能并验证负荷车的试验系统。主要验证项目有：制动能力试验和低速加载性能。负荷车性能验证试验在某试车场高速环道上进行，其道路附着系数为0.8。被试车辆为某型半挂牵引车，试验过程参照GB/T12537-1990《汽车牵引性能试验方法》进行。

4.1 制动能力试验

负荷车制动能力主要从手动开环制动能力加载和恒定制动力加载两方面进行试验验证。

4.1.1 手动开环制动能力试验

试验时牵引车挂2挡，全车各差速锁处于非锁止状态，负荷车至低档，使用手动开环控制模式，在半挂牵引车熄火或车轮打滑时终止试验。试验曲线如图7（a）。试验由于被试车驱动轮滑转而停止，从图中可以看出负荷力在56kN时牵引车幵始打滑，加载过程平稳，牵引车打滑状态明显。

4.1.2 恒定制动力试验

试验时牵引车挂2挡，全车各差速锁处于非锁止状态；负荷车至低档，采用恒定制动力闭环加载方式，设定恒定制动力30kN。试验曲线如图7（b）。从图中可以看出负荷力在30kN时相对恒定，加载过程相对平稳。

4.2 低速加载性能

以某型半挂牵引车为被测试车辆，考察负荷车低速加载性能，以手动加载方式加载。试验时被试车挂1挡，负荷车挂低档，记录从停车状态一低速稳定一手动随机加载一停车的全过程，试验现场记录曲线如图8所示，可以看出该负荷车具有出色的持续加载能力和低速加载特性。

a.负荷车结构设计合理，机械性能优良。

b.负荷车具有出色的持续加载能力和低速加载特性，加载性能稳定。

c.负荷车具有良好的动态响应速度，控制精度高，试验操作方便。

d.数据采集系统实时显示监测各项试验参数，实际采样速度高，完全满足负荷车的各项设计要求。

e.负荷车具有恒车速、恒力、恒功率、模拟爬坡、手动控制、预设牵引力（速度）函数曲线和对应数据点等试验控制模式，能够满足各项道路试验需求。

5 结语

本文对基于交流电力测功机的负荷车结构进行了详细设计，设计的负荷车具有完整的加载、传动、挂接、散热、测控等系统。实车试验表明，该负荷车结构设计合理，具有出色的持续加载能力和低速加载特性，动态响应速度快，控制精度高，试验操作方便，能够满足各项道路试验需求，可用于汽车热平衡、牵引、制动等性能的研发和检测试验，有利于促进汽车道路试验的发展。但是，该负荷车挂接机构的可调性、挂接机构的适用性以及整车噪音的控制等方面还有待进一步改进。

参考文献

[1]周希军.汽车试验负荷拖车的研制[D].南京理工大学，2009.

[2]王宁毅，苑伟，陈俊杰等.FHC-200拖拉机负荷车研制[J].拖拉机与农用运输车，2017，44（02）：52-54.

[3]王天颖，项昌乐，李明喜，王天颖.装备液黏测功机的负荷车特性研究[J].工程机械，2008（02）：6-10+1.

[4]胡哲，张则言.F15负荷车[J].拖拉机，1984（01）：38-43.

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[6]熊祖品，张亚，谢亚玲.交流电力测功机在负荷拖车上的应用[J].专用汽车，2014（02）：72-73+77.