四轮驱动防爆胶轮车底盘测功机的设计*

朱同明

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆胶轮车作为一种经济、高效的煤矿辅助运输装备，在井下人员和物料运输中起着重要作用。防爆胶轮车具有转载环节少、爬坡能力强、机动灵活和一机多用等特点，且不受轨道限制，投资费用低，减人提效。目前已有超过10 000台防爆胶轮车在山西、内蒙古、陕西等13个省区的700余处矿井中使用，为全国煤矿的高产高效做出了重要贡献[1]。

国内生产制造防爆胶轮车的企业检测和试验能力薄弱，新产品试验和成熟产品的出场检验大多数采用道路测试。虽然有厂家采用底盘测功机测试，但只能测试两驱车，无法对四驱车辆进行测试[2]。四驱车辆的牵引力大，爬坡能力强，更适用于井下湿滑的恶劣工作环境。煤矿井下除运人车采用两驱方式外，其余车辆大多数都采用四驱方式。因此，需要对测试四驱车辆的底盘测功机进行设计研究。

1 底盘测功机的基本结构和原理

底盘测功机是一种不解体检验汽车性能的检测设备，它是在室内台架上通过模拟汽车道路行驶工况的方法来检测汽车的动力性[3]。底盘测功机的滚筒分为单滚筒和双滚筒。单滚筒又叫转鼓试验台，其滚筒直径大，多在1 500～2 500 mm之间。滚筒直径愈大，车轮在滚筒上就愈像在平路上滚动，使轮胎与滚筒的滑转率低、滚动阻力小，因而测试精度高，但制造和安装费用高。双滚筒的滚筒直径小，多在185～500 mm之间，轮胎和滚筒的接触情况和路面的实际接触情况不完全一样，测试精度较单滚筒的差。双滚筒底盘测功机设备成本低、使用方便，能满足防爆胶轮车的台架检测和试验要求，故防爆胶轮车的检测和试验采用双滚筒底盘测功机。

底盘测功机由机架、功率吸收装置、减速箱、主滚筒、副滚筒、举升装置、扭矩传感器等组成，如图1所示。

1-机架;2-功率吸收装置;3-减速箱;4-扭矩传感器;5-主滚筒;6-举升装置;7-副滚筒。图1 底盘测功机的结构

底盘测功机测量车辆的动力性时，车辆带动滚筒转动，滚筒的表面模拟路面，其相对于车辆作旋转运动，此时车辆静止，滚筒转动。车辆在道路上运行的过程中存在着行驶阻力和惯性阻力。在试验台上模拟车辆道路运行工况，需要解决模拟整车的行驶阻力和惯性阻力问题。车辆在运行过程中所受的滚动阻力、爬坡阻力和空气阻力，采用功率吸收装置来模拟。防爆胶轮车的车速低，对加速性要求不高，其转动惯量可以忽略[4]。

2 四驱防爆胶轮车的组成和特点

四驱防爆胶轮车分驱动桥和轮边两种驱动方式。采用驱动桥方式，发动机通过液力变矩器带动变速箱；变速箱的前后输出轴连接驱动桥，带动驱动桥旋转；两驱动桥之间是机械硬连接，没有桥间差速，其传动示意图如图2所示。采用轮边驱动方式，电机通过减速器与轮胎直接连接；电机能量的来源是电源箱，采用电机控制器控制电机；各车轮之间无机械连接，通过电气控制实现左右轮差速和轴间差速，其传动示意图如图3所示。

图2 采用驱动桥的四驱车传动示意图

图3 采用轮边驱动的四驱车传动示意图

防爆胶轮车属于非道路车辆，为了适应于煤矿井下应用，与地面的车辆相比，其有以下特点：

1) 部分防爆胶轮车的轴重超过13 t，而地面车辆的最大轴重不超过13 t。

2) 防爆胶轮车的车速低，牵引力大，在接近零速时牵引力最大。

3) 防爆胶轮车的种类繁多，轮胎直径、轴距和轮距都不相同。

3 四驱底盘测功机的原理和组成

四驱防爆胶轮车测试时，必须将4个轮全部置于滚筒试验台上，否则在地面上的车轮会带动车辆从试验台飞出去。为了测试四驱车辆的动力性，考虑以下几种方案：

1) 方案1。拆除变速箱其中的一根输出传动轴，让车辆变为两驱。

2) 方案2。两驱底盘测功机配自由滚筒组。

3) 方案3。两台两驱底盘测功机，一台固定，一台相对移动。

方案1中，带驱动桥的四驱车，其传动轴螺栓安装空间狭小，涂有螺纹胶，不易拆装，拆卸后四驱车变为两驱车。轮边驱动的四驱车，让不被测试的两个轮边电机无输入，变成自由状态，变为两驱车。此时，1根驱动桥输出发动机的动力性能，由于轴重限制，无法发挥发动机的最大能力，从而无法测得整车的最大动力性能。

方案2中，带驱动桥的四驱车，1个轴置于底盘测功机滚筒，1个轴置于自由滚筒，在自由滚筒上的驱动桥完全打滑，动力在另一驱动桥输出，此时变为两驱车。与方案1相似，无法测得整车的最大动力性能。

方案3中，配备前后两套底盘测功机，这样最接近车辆的真实运行情况，可测量每个车轮的动力性。为了适应不同轴距的胶轮车测试，增加轴距可调装置。

通过3种方案比较，方案1和方案2同为假的四驱试验台。首先传动轴不易拆装，其次自由滚筒组的价格便宜，故不考虑采用方案1。方案3比方案2增加一套底盘测功机，方案2中底盘测功机按整车最大动力性设计，方案3中两个底盘测功机之和按整车最大动力性设计，方案3中单个底盘测功机的价格要小于方案2中底盘测功机的价格。同时，为了真实地测试四驱车辆的动力性能，采用方案3。

四驱底盘测功机主要由固定底盘测功机、移动底盘测功机、支撑架、移动盖板和固定盖板等组成，如图4所示。测试时，系统识别不同车型，控制执行机构动作，使移动底盘测功机调整至与检测车辆轴距相对应的位置。每个底盘测功机分为左右两套独立的动力性检测装置，满足对每个车轮进行动力性检测。

1-固定底盘测功机;2-移动盖板;3-移动底盘测功机;4-支撑架;5-固定盖板;6-地基。图4 四驱底盘测功机的结构

底盘测功机的核心部件是功率吸收装置，其主要类型有水力式、电涡流式和电力式。水力测功机造价较低，但精度不高。目前双滚筒的底盘测功机的功率吸收装置采用电涡流测功机，其在低速时由于速度低，不够产生足够大的涡流，其扭矩较小[5]。采用液力机械传动的防爆胶轮车，在零速时牵引力最大，故电涡流测功机无法测试其低速段。电力测功机在额定转速点以下为恒扭矩特性，其低速性能好，用于测试液力机械传动的低速段，可对胶轮车的全转速段进行测试。因此，功率吸收装置选择电力测功机。电力测功机还具有反拖功能，试验台不需要配反拖电机，可直接测试底盘测功机的滚筒到扭矩传感器的台体损耗、胶轮车传动系统的底盘损耗及车轮在滚筒上的滚动损耗。

四驱底盘测功机除了测试防爆胶轮车的动力性能外，配上各种传感器，可以测试防爆胶轮车的其他性能。主要试验项目如下：

1) 车辆动力输出特性试验(最大牵引力、最大功率和最高车速)。

2) 排放性试验(各档位下排放-速度特性曲线)。

3) 燃油经济性试验(各档位下燃油经济性-速度特性曲线)。

4) 重载跑合试验(各工况下加载跑合)。

4 结论

防爆胶轮车四轮驱动底盘测功机用于四驱防爆胶轮车的出厂检验和试验，同时满足两驱车辆的检验和试验，可以为防爆胶轮车的出厂检验和设计研究提供测试平台，实现车辆动力性的室内台架测试。四驱底盘测功机根据车辆的传动方式设计，为了真实测量整车及各个车轮的动力性能，采用固定底盘测功机加移动底盘测功机的方式。为了适应防爆胶轮车低速大扭矩的性能，选用电力测功机作为功率吸收装置。