重型動(dòng)力負(fù)荷車的總體設(shè)計(jì)

張亞

（中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

負(fù)荷車也稱測(cè)功車，是裝載有測(cè)功機(jī)（動(dòng)力吸收）和加載控制、試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)的車輛道路試驗(yàn)設(shè)備。重型動(dòng)力負(fù)荷車主要用在中、重型卡車/巴士/工程車輛等汽車的研發(fā)試驗(yàn)中，試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷車與被試驗(yàn)車輛組成試驗(yàn)系統(tǒng)，由被試車輛牽引（或牽引被試車輛）前進(jìn)，通過(guò)對(duì)（或被）被試車輛施加可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的、穩(wěn)定的任意負(fù)荷，達(dá)到系統(tǒng)動(dòng)平衡，以便測(cè)量被試車輛的牽引性能、熱平衡、熱管理、模擬爬坡、輔助制動(dòng)等方面的性能。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)的需要，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)行重型汽車的現(xiàn)狀，需要提出重型動(dòng)力負(fù)荷車的技術(shù)要求，并就其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出總體設(shè)計(jì)方案。

1 負(fù)荷車設(shè)計(jì)需求

根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)工作的需要，重型負(fù)荷車的設(shè)計(jì)需要滿足以下方面：作為吸功車，保證國(guó)內(nèi)重型民用汽車按GB/T12537-1990《汽車牽引性能試驗(yàn)方法牽引性能》進(jìn)行汽車牽引性能試驗(yàn)及最大拖鉤牽引力試驗(yàn)、GB/T12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》進(jìn)行的極限使用工況和常規(guī)使用工況試驗(yàn)；作為牽引車，保證國(guó)內(nèi)重型民用汽車按GB12676-2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》（原1999版）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的II型和IIA型試驗(yàn)方法牽引被試車輛進(jìn)行輔助制動(dòng)試驗(yàn)等；并保證其性能水平在今后一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不落伍。

為滿足負(fù)荷車設(shè)計(jì)需求，有必要對(duì)我國(guó)現(xiàn)有重型汽車的牽引特性進(jìn)行調(diào)查，對(duì)輔助制動(dòng)試驗(yàn)條件和方法進(jìn)行深入分析，進(jìn)而提出合理的技術(shù)指標(biāo)。

1.1 國(guó)內(nèi)重型汽車的牽引特性分析

筆者對(duì)一汽、二汽、重汽、陜汽、福田等國(guó)內(nèi)主流重型汽車生產(chǎn)企業(yè)的典型產(chǎn)品進(jìn)行了分析，并根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)、汽車行駛方程等進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)力、牽引力特性計(jì)算，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力特性見(jiàn)圖1所示。

通過(guò)分析，目前國(guó)內(nèi)的重型汽車的最大驅(qū)動(dòng)力主要集中在170～220kN之間，產(chǎn)生最大驅(qū)動(dòng)力的車速通常為3～7km/h；最高車速主要集中在90～110km/h之間。

圖1 國(guó)內(nèi)重型汽車驅(qū)動(dòng)力特性

1.2 輔助制動(dòng)試驗(yàn)方法及條件分析

考慮到進(jìn)行GB12676規(guī)定的II型和IIA型輔助制動(dòng)模擬坡道試驗(yàn)時(shí)，負(fù)荷車作為牽引車使用，故還應(yīng)對(duì)負(fù)荷車牽引狀態(tài)的牽引力進(jìn)行規(guī)定。

按國(guó)標(biāo)GB1589規(guī)定允許的汽車（N類）及汽車列車最大總質(zhì)量M=49t，以及GB12676規(guī)定的30km/h穩(wěn)定車速下Ⅱ型試驗(yàn)輔助制動(dòng)的平均制動(dòng)力應(yīng)不小于車輛最大總質(zhì)量的6%；由公式（1）可計(jì)算得出負(fù)荷車牽引狀態(tài)的牽引力需大于28.9kN。

按國(guó)標(biāo)GB1589規(guī)定允許的客車（M類）及最大總質(zhì)量M=28t，以及GB12676中規(guī)定的30km/h穩(wěn)定車速下IIA型試驗(yàn)輔助制動(dòng)的平均制動(dòng)力應(yīng)不小于車輛最大總質(zhì)量的7%；由公式（1）可計(jì)算得負(fù)荷車牽引狀態(tài)的牽引力需大于19.3kN。

綜合上述兩種試驗(yàn)并滿足標(biāo)準(zhǔn)的下限要求，考慮實(shí)際試驗(yàn)時(shí)輔助制動(dòng)的平均力及瞬時(shí)數(shù)會(huì)大于標(biāo)準(zhǔn)6%（或7%）的要求，適當(dāng)放大負(fù)荷車牽引狀態(tài)的牽引力：勻速30km/h狀態(tài)下，最大牽引力設(shè)計(jì)目標(biāo)不小于35kN，最小安全系數(shù)約1.2。

1.3 負(fù)荷車的主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)上述分析，基本確定了負(fù)荷車負(fù)荷吸功狀態(tài)和牽引驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出負(fù)荷車的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和圖2所示。

2 負(fù)荷車總體方案設(shè)計(jì)

負(fù)荷車的總體方案設(shè)計(jì)最重要的三個(gè)方面就是底盤車的選擇、測(cè)功方式的選擇以及加載傳動(dòng)系的匹配。

2.1 底盤車的初選

經(jīng)過(guò)選擇比對(duì)，決定以SX2255DN435型越野汽車底盤為目標(biāo)車進(jìn)行設(shè)計(jì)改裝，該底盤具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）6×6全輪驅(qū)動(dòng)，能有效提高負(fù)荷車與地面之間的附著力。

表1 負(fù)荷車的主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 負(fù)荷車負(fù)荷吸功工況力/功率-車速曲線

（2）承載能力強(qiáng)，最大總質(zhì)量可達(dá)40噸。

（3）多種傳動(dòng)系匹配可選，方便優(yōu)化選擇。

（4）軸距適當(dāng)，既能滿足整車布置的需要，也不影響車輛的靈活性。

（5）車型成熟，牽引性能優(yōu)越，可靠性高。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2所示。

表2 底盤車主要配置參數(shù)

表3 各種測(cè)功機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

圖3 交流電力測(cè)功機(jī)的功率/扭矩特性曲線

2.2 測(cè)功機(jī)的選擇

（1）負(fù)荷車加載的形式很多，主要有交流電力測(cè)功機(jī)、直流測(cè)功機(jī)、液粘測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)等。其各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

（2）根據(jù)前述設(shè)計(jì)需求分析，目標(biāo)負(fù)荷車需具備負(fù)荷吸功和牽引驅(qū)動(dòng)兩種工作方式，因此我們選擇優(yōu)點(diǎn)明顯、能夠雙向加載，并具有低速大扭矩特性的交流電力測(cè)功機(jī)作為負(fù)荷車的吸功方式。其特性曲線如圖3所示。

（3）根據(jù)表1負(fù)荷車的主要技術(shù)指標(biāo)和圖2負(fù)荷車負(fù)荷吸功工況力/功率-速度曲線可知，所選用測(cè)功機(jī)的功率應(yīng)不小于450kW，初步選用某公司PD520kW或PD450kW型交流電力測(cè)功機(jī)，其功率扭矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

圖4 PD520kW和PD450kW型交流電力測(cè)功機(jī)功率扭矩曲線

2.3 加載傳動(dòng)方案

加載傳動(dòng)系統(tǒng)主要由取力器、傳動(dòng)變速箱和傳動(dòng)軸等組成。負(fù)荷吸功狀態(tài)加載傳動(dòng)系統(tǒng)力傳遞示意圖見(jiàn)下圖5所示。根據(jù)功率平衡并考慮傳動(dòng)效率的損失，牽引狀態(tài)僅依靠目標(biāo)車原動(dòng)力無(wú)法達(dá)到30km/h車速下35kN最大牽引力的設(shè)計(jì)目標(biāo)，故選擇配備發(fā)電機(jī)組提供后備動(dòng)力；牽引驅(qū)動(dòng)狀態(tài)加載傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞示意圖見(jiàn)下圖6所示。

圖5 負(fù)荷狀態(tài)加載傳動(dòng)系統(tǒng)力傳遞示意圖

圖6 牽引狀態(tài)加載傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞示意圖

3 負(fù)荷車匹配分析

根據(jù)上述選定的底盤車、測(cè)功機(jī)、加載傳動(dòng)方案，進(jìn)行計(jì)算分析及性能匹配，確定各系統(tǒng)的具體參數(shù)。所用主要公式如下：

牽引狀態(tài)最高車速核算：

（1）負(fù)荷車總質(zhì)量?？紤]負(fù)荷力和牽引力是否能充分發(fā)揮，同負(fù)荷車的總質(zhì)量以及路面的附著情況密不可分，綜合負(fù)荷車主要在平坦的附著系數(shù)良好的路面上使用的現(xiàn)狀，根據(jù)公式（2）可計(jì)算負(fù)荷車的總質(zhì)量M≥32噸（?取0.7）。

（2）發(fā)電機(jī)組功率。最大牽引工作狀態(tài)，根據(jù)公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）計(jì)算可得：Ft=41.7kN（ua=30km/h），P總=434.4kW（η取0.8）。原車338kW發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足以牽引車輛，為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，需配備96kW以上的發(fā)電機(jī)組提供后備動(dòng)力。

（3）驅(qū)動(dòng)橋速比?？紤]負(fù)荷工作狀態(tài)最高車速(100km/h)及分動(dòng)器轉(zhuǎn)速上限(3000r/min)，根據(jù)公式（9）計(jì)算可得：i0≤6.0（i分=1.00），故驅(qū)動(dòng)橋速比只能選擇4.8或5.73。

（4）加載傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可選擇性較大，為簡(jiǎn)化后期生產(chǎn)制造過(guò)程中的不便，傳動(dòng)箱優(yōu)先考慮采用與原車分動(dòng)箱相同的方案進(jìn)行匹配。測(cè)算結(jié)果表明：當(dāng)用PD520kW測(cè)功機(jī)與5.73橋速比和ZQC2700做傳動(dòng)箱進(jìn)行匹配時(shí)，結(jié)果能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。部分匹配測(cè)算結(jié)果見(jiàn)下圖7、8、9所示。上述計(jì)算過(guò)程中常用參數(shù)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。

圖7 PD520KW測(cè)功機(jī)與5.73橋速比和ZQC2700匹配結(jié)果（滿足）

圖8 PD520KW測(cè)功機(jī)與4.8橋速比和ZQC2700匹配結(jié)果（不滿足）

圖9 PD450KW測(cè)功機(jī)與5.73橋速比和ZQC2700匹配結(jié)果（不滿足）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析、設(shè)計(jì)與測(cè)算，基本確定了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的重型動(dòng)力負(fù)荷車的設(shè)計(jì)方案與關(guān)鍵配置，為后續(xù)生產(chǎn)制造提供了技術(shù)依據(jù)。

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