环境风洞中的底盘测功机

汽车靠旋转的车轮与地面摩擦，产生了推动汽车前进的摩擦力，驱动汽车在道路上行驶。底盘测功机（转鼓）的横空出世将道路带进了试验室，进而从测试精度到试验效率，全面引领了汽车测试研发的新高度。由于底盘测功机可以模拟汽车在真实道路上的行驶状态，业内人士也笑称其为“汽车跑步机”，本期作者将为您解读汽车环境风洞中的“汽车跑步机”。

底盘测功机，俗称“转鼓”，作为汽车在试验室中模拟实际道路行驶所必备的测试设备之一，广泛用于汽车环境风洞、排放试验室、耐久试验室、NVH试验室、电磁兼容试验室等。汽车环境风洞中使用的转鼓可以说是其中最复杂、功能最全面的一套系统，对试验室的要求也非常高。



转鼓运行原理

转鼓主要是通过模拟电惯量来模拟车辆的道路行驶阻力。

首先我们假设车辆的重量全部集中在四个车轮上，于是车轮的旋转惯量就代表了整车的运动惯量，通过转鼓电机驱动的滚筒具有一个基础惯量，该基础惯量可以通过驱动电机附加一个电模拟惯量，如果车轮的旋转惯量与滚筒基础惯量不一致的话，驱动电机可以施加一个正的或者负的电惯量，以保证滚筒的模拟惯量与车轮惯量相等。

由于滚筒表面涂有与路面摩擦系数相同的特殊涂层，这样车辆就具有与真实路面上相同的道路行驶阻力，因此转鼓可以准确地模拟车辆在道路上的运动。



车辆车轮滚动受力示意图

转鼓结构组成

转鼓通常是安装在试验室地坑内，在试验室地面上看到的转鼓表面只是它的冰山一角，在转鼓地坑中隐藏着两个或者四个巨大的滚筒，通常直径在48英寸到78英寸之间。

转鼓一般由滚筒、驱动电机、表面盖板、移动盖板、移动导轨、车辆对中装置、控制系统等组成，如下图所示。



车辆在转鼓上是通过某种固定装置来固定的，该固定装置具有多种形式，比如链条式、撑杆式、挡板式等等，根据不同的试验对象选择合适的固定装置。



挡板式



链条式



撑杆式

转鼓的分类

根据滚筒尺寸大小，转鼓可分为：48’，72’，76’等型号。

较小型号的转鼓具有更好的动态性，但较大型号的转鼓由于表面相对更平顺，具有更真实的路面模拟能力。



根据不同的用途，转鼓具有多种形式。

按转鼓滚筒数量划分，分为单轴转鼓（两驱）和双轴转鼓（四驱）等。单轴转鼓只能用于前驱或者后驱车辆试验，双轴转鼓可用于所有驱动形式的车辆试验。

按电机布置形式划分，可分为中置电机、偏置电机和独立四电机形式，中置电机采用一个电机带动两个转鼓，电机安装在两个滚筒之间；偏置电机也是采用一个电机带动两个转鼓，但电机安装在转鼓一侧；独立四电机就是每个转鼓具有一个独立的驱动电机。

风洞中一般采用的是双轴双电机或者双轴四电机。根据试验需要，转鼓的前后轴可前后移动，通常为前轴固定后轴移动或者前后轴均可移动，以适应车辆不同的前悬长度和轴距。

转鼓的作用

转鼓在环境风洞中的主要作用是模拟汽车在真实道路上的行驶状态，特别是模拟传动系统真实的工作状态，方便汽车工程师对车辆的散热系统，空调系统等进行测试和研究。

相比道路试验，在风洞中进行此类试验具有更高的可重复性，数据获取便利，效率高效等众多优势。

配备转鼓的汽车风洞将道路搬进了试验室，提供了全年不间断高效可控地进行汽车研发测试的可能。



转鼓在风洞试验中可模拟的工况

转鼓除了可模拟常规的道路工况，用以进行排放试验、加减速试验、爬坡试验等，还可适应于风洞中特有的降雨试验、降雪试验、高低温冲击等气候试验。

因试验工况涉及降雨降雪，风洞中的转鼓需要进行防水处理，装配排水系统，采用特别处理的材料。




工况模拟

通常我们会在不同地区驾驶汽车，汽车的行驶情况也不尽相同，如城市内一般是拥堵缓行，城郊地区一般是低速行驶，高速公路上是高速行驶。

因此，转鼓需要模拟车辆的不同行驶情况，根据车辆的行驶情况作出连续反应。

工况模拟需要转鼓具备很高的动态响应性能，滚筒与车轮的相对速度差需要控制在很小的范围内。



排放试验

进行尾气排放测试需要转鼓结合尾气处理设备，测试车辆在不同工况下的排放情况。

在风洞中进行排放测试相比于环境仓中试验结果会更可靠，原因在于风洞中的气流模拟更加接近于真实路面情况，而气流会间接影响车辆的排放。



加减速试验


如果要在路面上进行车辆百公里加速或者刹车距离测试，需要到专门的试车场地进行，而且天气状况也会影响到测试结果，然而在风洞中，可以不受外界条件的约束，准确的测试车辆加减速性能和制动性能。

试验中，转鼓会模拟车辆在道路上相同的阻力，并自动记录车辆的加速时间或者制动距离以及加速度值等相关参数，数分钟就可以完成整个测试。



爬坡试验

转鼓不仅可以模拟水平道路上车辆的行驶情况，还可以模拟车辆在具有坡度的路面上行驶的工况。

不同坡度大小可以在计算机中自由设置，转鼓会根据设置的坡度数值模拟相应的爬坡阻力，进而在水平的鼓面上就可以模拟坡道工况了。



雨雪模拟时对转鼓的保护措施

降雨和降雪试验是环境风洞中的特有试验，由于试验中雨水会直接流向转鼓表面，因此需要对转鼓表面进行防水处理，并在转鼓表面下方安装排水系统，收集雨水并引导其通过排水管道排出试验室。