四輪驅動防爆膠輪車底盤測功機的設計*

朱同明

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆膠輪車作為一種經濟、高效的煤礦輔助運輸裝備，在井下人員和物料運輸中起著重要作用。防爆膠輪車具有轉載環節少、爬坡能力強、機動靈活和一機多用等特點，且不受軌道限制，投資費用低，減人提效。目前已有超過10 000臺防爆膠輪車在山西、內蒙古、陜西等13個省區的700余處礦井中使用，為全國煤礦的高產高效做出了重要貢獻[1]。

國內生產制造防爆膠輪車的企業檢測和試驗能力薄弱，新產品試驗和成熟產品的出場檢驗大多數采用道路測試。雖然有廠家采用底盤測功機測試，但只能測試兩驅車，無法對四驅車輛進行測試[2]。四驅車輛的牽引力大，爬坡能力強，更適用于井下濕滑的惡劣工作環境。煤礦井下除運人車采用兩驅方式外，其余車輛大多數都采用四驅方式。因此，需要對測試四驅車輛的底盤測功機進行設計研究。

1 底盤測功機的基本結構和原理

底盤測功機是一種不解體檢驗汽車性能的檢測設備，它是在室內臺架上通過模擬汽車道路行駛工況的方法來檢測汽車的動力性[3]。底盤測功機的滾筒分為單滾筒和雙滾筒。單滾筒又叫轉鼓試驗臺，其滾筒直徑大，多在1 500～2 500 mm之間。滾筒直徑愈大，車輪在滾筒上就愈像在平路上滾動，使輪胎與滾筒的滑轉率低、滾動阻力小，因而測試精度高，但制造和安裝費用高。雙滾筒的滾筒直徑小，多在185～500 mm之間，輪胎和滾筒的接觸情況和路面的實際接觸情況不完全一樣，測試精度較單滾筒的差。雙滾筒底盤測功機設備成本低、使用方便，能滿足防爆膠輪車的臺架檢測和試驗要求，故防爆膠輪車的檢測和試驗采用雙滾筒底盤測功機。

底盤測功機由機架、功率吸收裝置、減速箱、主滾筒、副滾筒、舉升裝置、扭矩傳感器等組成，如圖1所示。

1-機架;2-功率吸收裝置;3-減速箱;4-扭矩傳感器;5-主滾筒;6-舉升裝置;7-副滾筒。圖1 底盤測功機的結構

底盤測功機測量車輛的動力性時，車輛帶動滾筒轉動，滾筒的表面模擬路面，其相對于車輛作旋轉運動，此時車輛靜止，滾筒轉動。車輛在道路上運行的過程中存在著行駛阻力和慣性阻力。在試驗臺上模擬車輛道路運行工況，需要解決模擬整車的行駛阻力和慣性阻力問題。車輛在運行過程中所受的滾動阻力、爬坡阻力和空氣阻力，采用功率吸收裝置來模擬。防爆膠輪車的車速低，對加速性要求不高，其轉動慣量可以忽略[4]。

2 四驅防爆膠輪車的組成和特點

四驅防爆膠輪車分驅動橋和輪邊兩種驅動方式。采用驅動橋方式，發動機通過液力變矩器帶動變速箱；變速箱的前后輸出軸連接驅動橋，帶動驅動橋旋轉；兩驅動橋之間是機械硬連接，沒有橋間差速，其傳動示意圖如圖2所示。采用輪邊驅動方式，電機通過減速器與輪胎直接連接；電機能量的來源是電源箱，采用電機控制器控制電機；各車輪之間無機械連接，通過電氣控制實現左右輪差速和軸間差速，其傳動示意圖如圖3所示。

圖2 采用驅動橋的四驅車傳動示意圖

圖3 采用輪邊驅動的四驅車傳動示意圖

防爆膠輪車屬于非道路車輛，為了適應于煤礦井下應用，與地面的車輛相比，其有以下特點：

1) 部分防爆膠輪車的軸重超過13 t，而地面車輛的最大軸重不超過13 t。

2) 防爆膠輪車的車速低，牽引力大，在接近零速時牽引力最大。

3) 防爆膠輪車的種類繁多，輪胎直徑、軸距和輪距都不相同。

3 四驅底盤測功機的原理和組成

四驅防爆膠輪車測試時，必須將4個輪全部置于滾筒試驗臺上，否則在地面上的車輪會帶動車輛從試驗臺飛出去。為了測試四驅車輛的動力性，考慮以下幾種方案：

1) 方案1。拆除變速箱其中的一根輸出傳動軸，讓車輛變為兩驅。

2) 方案2。兩驅底盤測功機配自由滾筒組。

3) 方案3。兩臺兩驅底盤測功機，一臺固定，一臺相對移動。

方案1中，帶驅動橋的四驅車，其傳動軸螺栓安裝空間狹小，涂有螺紋膠，不易拆裝，拆卸后四驅車變為兩驅車。輪邊驅動的四驅車，讓不被測試的兩個輪邊電機無輸入，變成自由狀態，變為兩驅車。此時，1根驅動橋輸出發動機的動力性能，由于軸重限制，無法發揮發動機的最大能力，從而無法測得整車的最大動力性能。

方案2中，帶驅動橋的四驅車，1個軸置于底盤測功機滾筒，1個軸置于自由滾筒，在自由滾筒上的驅動橋完全打滑，動力在另一驅動橋輸出，此時變為兩驅車。與方案1相似，無法測得整車的最大動力性能。

方案3中，配備前后兩套底盤測功機，這樣最接近車輛的真實運行情況，可測量每個車輪的動力性。為了適應不同軸距的膠輪車測試，增加軸距可調裝置。

通過3種方案比較，方案1和方案2同為假的四驅試驗臺。首先傳動軸不易拆裝，其次自由滾筒組的價格便宜，故不考慮采用方案1。方案3比方案2增加一套底盤測功機，方案2中底盤測功機按整車最大動力性設計，方案3中兩個底盤測功機之和按整車最大動力性設計，方案3中單個底盤測功機的價格要小于方案2中底盤測功機的價格。同時，為了真實地測試四驅車輛的動力性能，采用方案3。

四驅底盤測功機主要由固定底盤測功機、移動底盤測功機、支撐架、移動蓋板和固定蓋板等組成，如圖4所示。測試時，系統識別不同車型，控制執行機構動作，使移動底盤測功機調整至與檢測車輛軸距相對應的位置。每個底盤測功機分為左右兩套獨立的動力性檢測裝置，滿足對每個車輪進行動力性檢測。

1-固定底盤測功機;2-移動蓋板;3-移動底盤測功機;4-支撐架;5-固定蓋板;6-地基。圖4 四驅底盤測功機的結構

底盤測功機的核心部件是功率吸收裝置，其主要類型有水力式、電渦流式和電力式。水力測功機造價較低，但精度不高。目前雙滾筒的底盤測功機的功率吸收裝置采用電渦流測功機，其在低速時由于速度低，不夠產生足夠大的渦流，其扭矩較小[5]。采用液力機械傳動的防爆膠輪車，在零速時牽引力最大，故電渦流測功機無法測試其低速段。電力測功機在額定轉速點以下為恒扭矩特性，其低速性能好，用于測試液力機械傳動的低速段，可對膠輪車的全轉速段進行測試。因此，功率吸收裝置選擇電力測功機。電力測功機還具有反拖功能，試驗臺不需要配反拖電機，可直接測試底盤測功機的滾筒到扭矩傳感器的臺體損耗、膠輪車傳動系統的底盤損耗及車輪在滾筒上的滾動損耗。

四驅底盤測功機除了測試防爆膠輪車的動力性能外，配上各種傳感器，可以測試防爆膠輪車的其他性能。主要試驗項目如下：

1) 車輛動力輸出特性試驗(最大牽引力、最大功率和最高車速)。

2) 排放性試驗(各檔位下排放-速度特性曲線)。

3) 燃油經濟性試驗(各檔位下燃油經濟性-速度特性曲線)。

4) 重載跑合試驗(各工況下加載跑合)。

4 結論

防爆膠輪車四輪驅動底盤測功機用于四驅防爆膠輪車的出廠檢驗和試驗，同時滿足兩驅車輛的檢驗和試驗，可以為防爆膠輪車的出廠檢驗和設計研究提供測試平臺，實現車輛動力性的室內臺架測試。四驅底盤測功機根據車輛的傳動方式設計，為了真實測量整車及各個車輪的動力性能，采用固定底盤測功機加移動底盤測功機的方式。為了適應防爆膠輪車低速大扭矩的性能，選用電力測功機作為功率吸收裝置。