（光学工程专业论文）大客车底盘综合试验平台关键技术研究.pdf

k 安人学 i ! ；!学位论文 摘要 本论文以设计与搭建一个最理想的大客车底盘综合试验平台为主旨，根据理 论与实践相结合，提出了综合试验平台的四个可选方案，通过分析与比较得到了 综合试验台架最理想的布置方案，并就试验台关键技术进行了深入的分析与研 究。 本论文首先通过分析得到了大客车底盘综合试验平台最理想的布置方案，并 对试验台的电源系统、驱动电机、测功机进行了选型分析；其次，对试验台、测 功机进行了动力匹配技术研究；最后，进行了试验台测试控制技术研究，并通过 数学模型对试验台进行了动态特性技术研究。 关键词：大客车底盘综合试验平台布置方案测功机动力匹配技术 测试控制技术动态特性分析 长安大学f 矾士学佗论文 a b s t r a c t t a k i n gd e s i g n i n ga n ds e t t i n gu pt h eb e s ta l1 a r o u n dt e s ts t a n d sf o r c o a c h b u s c h a s s i sa st h em a j o ri d e a ，8 a s i n go nt h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c e ， t h i sp a p e rh a so f f e r e df o u ro p t i o n a lp l a n sf o ra l 卜a r o u n dt e s ts t a n d s ， a n dg a i n e d t h eb e s tl a y i n g p l a n f o r t h ea 1 1 一a r o u n d t e s ts t a n d sb ya n a l y z i n g a n dc o m p a r i n g ，i th a sa l s o a n a l y z e d a n d r e s e a r c h e dt h e i m p o r t a n t t e c h n o l o g yo f t e s ts t a n d s f i r s to fa 1 1 ，b ya n a l y z i n gt h ep a p e r sh a sg a i n e dt h eb e s tl a y i n gp l a n f o rt h ea l 卜a r o u n dt e s ts t a n d so fc o a c h b u s c b a s s i s ，a n da l s oa n a l y z e d t h es e l e c ti o no ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，e l e c t r o m o t o r ，d y n a m o m e t e r sf o r t h et e s ts t a n d s i na d d i t i o n ，i th a sa l s or e s e a r c h e dt h ep o w e rm a t c h i n g t e c h n o l o g yo ft h et e s ts t a n da n dt h ee l e c t r i cd y n a m o m e t e r l a s t l y ，i t h a sr e s e a r c h e dt h et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo ft h et e s ts t a n d s ， a n da l s oc a r r i e do u td y n a m i cc h a r a c t e ra n a l y z i n gf o rt h et e s ts t a n d s k e yw o r d s ：c o a c h b u s c h a s s i sa 1 1 一a r o u n dt e s ts t a n d s 1 a y i n gp l a n e l e c t r i cd y n a m o m e t e r p o w e rm a t c h i n gt e c h n o l o g y t e s t i n ga n dc o n t r o l li n gt e c h n o l o g y d y n a m i cc h a r a c t e ra n a l y z i n g 第一章绪论 随着我国进入一个前所未有的高速物流和客运时代，大客车所起的作用越来 越大，对大客车的研究、开发与生产也受到了很高的重视。尤其是为解决能源危 机与环保等问题，迫切需要电动汽车的产业化。因此，尽快建设一个即能进行常 规大客车( 即内燃机大客车) 的测试又能进行电动大客车试验与研究的“大客车 底盘综合试验台”就显得尤为迫切。 1 1 综合试验台试验对象的技术研究 大客车底盘综合试验台主要是用来针对常规大客车及电动大客车的性能进 行测试。因此，在确定大客车底盘综合试验台布置方案之前，有必要先统计分析 一下目前国内外常规大客车与电动大客车的技术性能。 1 1 1 国内外常规大客车的技术现状与分析 1 1 1 1 国外常规大客车的技术现状与分析 尽管客车的产量在世界汽车总产量中所占的比重微不足道，世界客车的保有 量只占汽车总保有量的0 4 ，但是，大客车是现代社会中的主要交通工具之一。 比如旅游高档大客车、城市公交车、城区大客车等，它们对发展国民经济和促进 社会进步具有重要的意义。所以，世界各国主要客车生产厂家无不应用最新科技 成果潜心致力于新产品的开发与研制，不断向市场提供富有魅力的新型豪华大客 车。目前，国外大客车生产主要集中在美国、f i 本、德国、俄罗斯、瑞典、意大 利、匈牙利和南斯拉夫等国家。比较著名的客车及客车底盘生产厂家有：美国的 通用、福特、克勒斯勒；同本的五十铃、日产柴、同野；德国的奔驰、尼奥普兰、 曼、凯斯鲍尔：俄罗斯的巴谱洛夫、罩加、罩沃夫；法国的雷诺：意大利的依维 柯；瑞典的沃尔沃；匈牙利的依卡露斯等等。其中德因的奔驰、尼奥普兰和瑞典 的沃尔沃等堪称世界第一流客车厂。从技术和生产情况看，欧洲的大客车技术水 平和科研能力仍具世界大客车的前列。尤其是西欧，它是世界上最主要的火客车 生产基地与销售市场。近几年生产总重为1 2 t 以上的大客车每年均在4 力辆左右， 其中德国约1 万辆，瑞典约7 0 0 0 辆( 其中高档大客车占3 5 允右) 。【”i 目前，凼外大客车上安装的发动机t 要是柴油机，土要是因为：柴油机的热 ：奠人坝。 位论史 效率高，燃油经济性好，( 一般柴油机的热效；每为4 0 左彳i ，汽油机的热效率为 3 0 左右，) 有利于降低客车使用成本；柴油机工作可靠、寿命长；柴油机的压 缩比高，发动机总功率高，有利于提高大客车的动力性。其它动力装置仍处于深 入研制阶段，比如天然气发动机大客车，电动大客车等。另外，根据有关资料【3 4 】 可知，国外几种大客车的发动机性能参数如下： 奔驰公司0 4 0 4 系列发动机的功率范围为1 5 0 3 9 0 k w ，发动机的标定转速为 2 1 0 0r m i n ，最大扭矩值在7 5 0 2 0 2 0 n m 之问f 对应的转速在1 0 0 0 1 6 0 0 r m i n 之 间1 ：y b l 6 系列大客车上所采用的发动机最大功率在1 0 3 2 6 5 k w ，最大扭矩在 3 7 2 1 6 5 0 n m ( 1 1 0 0 2 0 0 0 r m i n ) ： 德国曼公司生产的狮星牌高档大客车上所采用的是3 0 9 k w 的柴油机，最大 扭矩为1 7 3 0 n m ( 转速在1 1 0 0 1 5 0 0 r m i n 之间可达到1 ；另外，m a nd 2 8 6 6 t o h 系列发动机最大功率在2 9 0 k w 左右( 1 8 0 0 2 2 0 0 r m i n ) ，最大扭矩在1 2 0 0 n m 左 右( 1 3 0 0 1 5 0 0 r m i n ) ： 日本五十铃公司的6 q b 2 型发动机最大功率为2 3 0 k w ( 2 2 5 0 r m i n ) ，三菱公司 的8 d c l l 型发动机最大功率为3 5 5 k w ( 2 2 0 0 r m i n ) ，日野公司的k 1 3 u 型发动机 最大功率为2 7 0 k w ( 2 1 5 0 r m i n ) ，s f q 6 系列发动机最大功率为1 3 2 2 5 7 ( 2 1 0 0 - 2 9 0 0 ) ， 从中可以看出，国外高档大客车的发动机最大功率大多在1 8 0 4 0 0 k w 之间， 最大扭矩大多不会超过2 3 0 0 n m 。但是，随着人们对大客车的动力性、舒适性、 安全性等方面的要求越来越高，发动机的最大功率也会越来越高。 1 1 1 2 国内常规大客车技术现状与分析 一直以来我国大中型客车行业给人的感觉是“散、乱、差”，具体表现为重 复投资，重复引进，重复建设，管理混乱，产品质量差。大中型客车企业基本上 也是“小而全，大而全”的生产模式，它们隶属于不同的部门，不同的企业。部 门之间各自为政，企业之间各成体系。城建系统所属的客车厂生产改装城市公交 车；交通部所属的客车厂生产改装长途运输客车；机械、航天等部门所属的客车 厂生产改装旅游客车及团体客车。客车系统生产目标明确，基本上不生产本系统 以外的客车产品。随着我国加入世贸组织，在国内外激烈竞争的推动下，这一现 象明显得到改善。企业为了生存，不得不打破部门系统的界限，适应市场的需求， 扩展产品型谱，要不独立生产非原本系统的产品，要不重组跟其他企业合作共同 开发生产大中型客车产品。2 0 0 2 年，我国汽车市场连续第4 年保持快速增长势 头，达到历史最高水平。据统计 5 “，2 0 0 2 年1 1 1 月，我国共计生产客车9 4 5 0 2 4 ：1 安人7坝t学位论立 辆，比上年| 一j 期增长2 2 3 4 。大删客车产品主要集中在“郑州宇通”、“常州长 江”、“东风汽车”、“安徽安凯”、“辽宁黄海”、“江苏亚星”等企业；巾型客车产 品主要集中在“安徽江淮”、“一汽集团”、“东风汽车”、“棼州会龙”、“江苏亚星”、 “常州长江”。2 0 0 3 年1 - 9 月我国共生产：客车3 6 7 2 5 3 辆，比上年同期增长2 0 5 4 ， 大中型客车的集中情况与上年基本相似。 目前，我国大客车已出口到东南弧、中东、非洲、南美洲、朝鲜、前苏联和 香港等2 8 个国家和地区。这主要是因为我国大中型客车的产品特点比较适合这 些国家和地区，客车生产成本低、经济实用。然而，我国国产高档大客车综合性 能跟国外还有相当大的差距，主要缺陷体现在发动机的动力和经济性能、底盘的 综合性能、客车安全性与舒适性等方面。通过调查与统计i ”，得到我国当前几种 大客车的发动机性能参数如下： 广西玉柴机器股份有限公司生产的大客车用玉柴系列发动机最大功率在 1 5 0 2 2 0 k w 之间，最大扭矩在6 4 0 1 1 2 5 n m ( 1 2 0 0 1 8 0 0 r m i n ) 之问，标定转速 一般在2 2 0 0 - 2 6 0 0 r m i n 之间： 东风康明斯发动机有限公司生产的大客车用康明斯系列发动机最大功率为 1 6 2 - 3 0 9 k w ，最大扭矩为8 0 0 2 0 1 0 n m ( 1 2 0 0 1 6 0 0 r m i n ) ，标定转速一般为 1 9 0 0 2 2 0 0 r m i n ： 西安西沃客车有限公司生产的大客车上所使用的发动机最大功率一般在 2 1 0 k w 左右( 转速在2 2 0 0 r m i n 左右) ，最大扭矩在1 2 0 0 n m 左右( 转速在1 5 0 0 r r a i n 左右) ： 中通客车控股股份有限公司与荷兰b o v a 公司共同开发生产的l c k 6 系列车 上所采用的发动机最大功率一般为1 9 9 2 6 8 k w ，最大扭矩为9 8 0 1 5 0 0 n m ，标定 转速为2 3 0 0 r m i n ： 厦门会龙客车有限公司生产的大客车上所采用的发动机一般为玉柴系列发动 机和进口日野系列发动机；郑州字通客车有限公司生产的大客车上所采用的发动 机一般为玉柴系列和康明斯系列发动机： 由此可见，国产大客车用发动机的动力性不如国外，国产发动机的最大功率 一般不会超过3 1 0 k w ，最大扭矩一般不会超过2 2 0 0 n m 。但是，随着进口车的增 多及中外汽车合资公司的增多，我国国产发动机的动力性肯定会逐步提高。 1 1 2 国内外电动大客车技术现状与分析 1 1 2 1 国外电动大客车技术现状与分析邮”1 世界上第辆电动汽车是由美国人汤姆斯征1 8 3 5 年发明的，5 3 年后他的同 k“人学坝f学位沦 胞佛黝德克姆保尔首次使电动汽车商品化。此后世界电动汽车曾1 度辉煌，肖 时仅美国就有3 0 0 多家电动汽车生产企业。1 8 9 9 年，比利时人卡米尔杰那奇发 明的卷叶型电动汽牟突破陆地牟速1 0 0 k m h 的极限，创f1 0 6 k m h 的骄人记录， 使电动汽车的发展进入了黄金时期。同年世界汽车市场的大半分额由电动汽车挚 断。 然而由于电池技术的限制，电动汽车续驶里程短、充电时间长、使用不方便 等难题始终无法解决，而内燃机技术却发展迅速，再加上1 9 世纪术2 0 世纪仞发 现了大量的油田，内燃机的能源有了保障，所以到2 0 世纪3 0 年代术动力性能较 好的内燃机就完全取代了电动汽车。 2 0 世纪8 0 年代，当电动汽车的发展因电池技术问题1 0 0 多年停滞不前时， 人们丌始意识到日益严重的环境污染、石油产品的同益短缺和价格同益上涨的能 源危机问题。解决这些问题的关键在于找到一种既没有排放又不需要使用石油产 品的替代交通工具，这时电动汽车又开始引起人们的注意。 2 0 世纪9 0 年代初，美国通用、福特、戴姆勒一克勒斯勒三大汽车公司签定 协议，成立先进电池联合体，合作研究电动汽车用电池。1 9 9 3 年，美国能源部 先后与通用、福特、戴姆勒一克勒斯勒三大汽车公司合作，积极推动电动汽车的 开发研制工作，并在随后的研究中取得了丰硕的成果。2 0 0 1 年5 月小布什政府 发表的题为国家能源计划的国情咨文中关于“氢燃料电池的报告”一文中明 确要求大力开发研制电动汽车用燃料电池，为此2 0 0 2 年1 月美国能源部长在底 特律国际车展上首次宣布了f r e e d o mc a r 计划，并预计2 0 0 3 年财政年将拨款 1 5 3 亿美元用于该计划的研究。随后，f r e e d o mc a r 计划又将重点放在燃料电 池的研制与开发上来，强调早日让使用燃料电池的电动汽车早r 走向市场。 源于欧洲石油相对短缺、对外依赖性强和欧洲对降低c 0 2 及其它污染排放 物的强烈要求以及对可持续发展目标的共同认识，由瑞士、德国、法国、英国、 意大利、挪威等组成的1 3 个工作区域联合实施了欧洲乌托邦计划( 既u t o p i a 计划) 。该计划的重心致力于对混合动力、燃料电池、传统发动机的改造，扩大 甲基烷、乙烷等替用燃料在汽车上的使用范围，并提供整个欧洲区汽车工业的发 展与能源、环境问题的整体解决方案。同时，该计划也为欧洲各国发展电动汽车 提供了动力与参考。其中，法国的汽车公司在电动汽车的研制、开发与生产方面 投入较多，整个欧洲一共有1 1 5 0 0 辆电动汽车，而法国就有7 5 0 0 辆。如果将各 种电力驱动汽车都计算在一起，那么法国的标致一雪铁龙汽车公司是生产这种类 型的最大厂商。在欧洲登记注册的电动汽车中，有将近7 5 的电动汽车是法国这 生产公司生产的。另外还有s a i l 公司、雷诺汽车公一j 及其它儿家公司在蓄电 池生产方面很活跃，但是2 0 0 1 年全2 0 0 3 两年内在电动汽车的研究方面投入最多 的当属雷诺汽车公司，该公州的k a n g o oe l e c t r o a d 型电动汽车在2 0 0 1 年世界 汽车展上就引起了普遍的关注。当然标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司也合作了 一些项目，两大公司在1 9 9 0 年就使j 一5 和c 2 5 型电动货车投入生产，1 9 9 5 年， 两公司又共同建成世界第一条电动轿车专用生产线，同年标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动汽车投入牛产。其中，标致1 0 6 电动汽车是以镍镉电池为动力，性能优异， 在欧洲各国的政府部门中拥有大量的用户。 日本政府在电动汽车的开发、研制与推广方面一直很重视，很早就制定了电 动汽车发展计划。1 9 9 1 年，在日本政府制定第三界电动汽车普及计划后，日本 各汽车制造商均丌始了电动汽车的开发与研制。1 9 9 7 年后日本汽车制造商推出 了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。上世纪9 0 年代末，丰田公司研 制出r a v - 4 e v 型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护5 0 k w 交流同步电机， 由2 8 8 v 镍氢电池提供电能，充电时间5 - 6 小时，最高车速1 2 5 k m h ，一次充电 行驶里程2 1 5 k m 。日产公司研制成功l u n n e t e v5 座纯电动轿车，该车采用锂离 子电池，最高车速1 2 0 k m h ，一次充电行驶里程2 3 0 k m 。 据有关资料1 21 3 】，统计得到目前国外一些电动客车技术性能指标如表1 1 所示。 1 1 2 2 国内电动大客车技术现状与分析 在传统的汽车领域，中国落后于发达国家二三十年，中国已经失去了追赶的 机会，而在电动汽车领域，中国与国外相比，技术水平和产业化程度差距相对较 小。中国电动汽车的研发已经有了一定的基础，一些企业在2 0 世纪9 0 年代中期 就已推出了电动汽车样车、电动轿车概念车、燃料电池中巴车等。因此，中国汽 车研究单位与汽车企业应抓住这个良机，争取在“8 6 3 计划”与“绿色奥运”的 推动下，研制出一批具有中国特色的性能优异的电动汽车，为进一步发展民族汽 车：亡业奠定坚实的基础。 据有关资料【“1 2 j ，可统计得到目前我国已有电动汽车的主要性能指标如表 1 2 所示。 从表中可以看出这些电动客车的功率、行驶里程比内燃机客车的功率、行驶 里程低的多，这主要是蓄电池的比能量、比功率远远比内燃机低。因此，未来电 动客车的研究将丰要集中在蓄电池技术、驱动电机技术、电机控制技术、电动客 车专用底盘技术和车身技术等几个力而的研究。 表1 1 国外一些电动客车技术性能 总 最高蓄电池 l 乜动机续驶 外形尺寸 质车速结构电压容量结构最人额定 单程 车型 k 宽，赢m m量k m h掣j 式功率功率 k m 型式v a l l k g t k w ) r i w a ；b a s i s交 2 4 8 5 1 6 2 吖1 4 1 5 2 5 1 51 0 0铅2 5 05 0流4 1 2 53 155 7 v w - t r a n s p o r t e r ( m p v ) 直 c o o l e n t a - m i n i e a b ( b a s ) 3 1 3 0 1 3 9 0 1 8 7 41 6 4 0 6 5 铅 9 0 1 6 0流 2 71 46 6 交 e l i n - e l e k t r o - t r a n s p o r t e r 4 6 5 5 1 8 4 0 1 9 4 02 9 0 0 1 0 0铅 2 2 01 1 0流 3 02 27 9 ( m p v ) e l e k c t r o - t r a n s p o r l e r 直 铅 m b l 8 0 e 3 6 5 0 8 0 2 4 01 2 0流 3 52 87 7 直 b a t t e d cs o l a r m o b i l e6 6 0 0 0 2 0 8 0 2 6 5 07 5 0 0 3 5 铅 8 0 4 5 0流 3 01 87 7 s h - l f b + s ( 6s a ) c o b l l $ 2 0 0 e l 交 铅 n e o p l a n8 8 e 6 9 0 0 2 2 3 0 2 6 3 05 0 0 0 7 02 8 82 0 0流3 04 87 7 n i e d c t i l u r - m i d i b u s 铅 1 2 04 8 0亩流3 0 1 87 78 0 2 0 2 3 0 0 2 6 4 0 8 6 0 05 0 b a t t e r i es o l a r m o b i l e 8s h l ，b + s 8 2 0 毗1 2 5 2 7 5 0 3 5 铅 8 05 6 0 直流 3 0 1 8 7 7 三菱公共汽车9 3 8 0 4 4 0 3 0 6 0 6 0铅3 4 83 2 0 直流 3 0 7 2 1 7 0 东京都路线公共汽车 1 0 2 0 0 2 5 0 0 6 0铅4 2 01 3 5 直流 3 0 6 7 1 7 0 2 9 5 0 1 4 1 0 0 ，2 5 主车 m a n g e s 公批汽午 1 6 0 0 0 7 0铅 3 6 04 5 5商流 1 1 5 9 0 1 4 0 2 9 4 0挂芊 表1 2 我国已有电动汽车的主要性能指标 车型电动大客车电动小型、轻型客车 电动轿车 电动微型轿车 总长m m9 0 0 0 9 5 0 0 5 5 0 0 6 0 0 04 5 0 0 5 0 0 03 5 0 0 - 3 7 0 03 0 0 0 - 3 2 0 0 轴距m m4 5 0 0 - 4 7 0 0 3 2 0 0 - 3 6 0 02 4 0 0 - 2 7 0 02 2 0 0 - 2 3 0 02 1 5 0 2 2 5 0 座位数个4 0 - 4 5 1 9 2 18 94 - 54 蓄电池型式铅酸 铅随、镍镉铅酸、镍镉铅酸、镍镉铅酸、镍镉 电动机功率k w 5 0 - 6 0 2 0 2 41 8 2 01 8 - 2 07 5 一】o 最高车速k m h 7 0 - 7 5 7 5 8 06 0 7 08 0 - 9 0 7 0 - 8 0 一次充电后 1 0 0 - 1 2 0 的续驶里稗 1 1 0 - 1 2 0 9 0 1 1 01 0 0 1 1 01 1 0 - 1 3 0 k m 6 kk 人1 学位论文 此外，电动大客车电机的最大驱动功率远远比常规大客车发动机的最大驱动 功率低。因此，按照能够进行内燃机大客车模拟试验设计与搭建的综合试验台肯 定能够进行电动大客车的模拟试验或直接台架试验。所以，如果直流电力测功机 的加载功率能够覆盖内燃机大客车的行驶阻力功率那么其加载功率也能覆盖电 动大客车的行驶阻力功率。因此，在进行直流电力测功机的负载特性分析比较时， 只进行测功机的加载功率与内燃机大客车的行驶阻力功率的比较，而不比较测功 机的加载功率与电动大客车的行驶阻力功率。 1 2 国内外相关试验台的技术现状与研究 目前，国外很少见到此类似的综合试验台架【“”】，国内基本也是一片空白。 只有一些单位根据各自部门的需要开发出了一些小型的试验台架与设各，如发动 机试验台、汽车离合器总成试验台、汽车变速器台架试验系统、汽车驱动桥台架 试验系统、四轮转向台架试验系统、汽车制动系部件试验系统、电动汽车驱动电 机试验台架、电动机蓄电池试验系统、电动汽车车身试验系统等。 其中，发动机试验台架是一个传统的试验设备，随着计算机控制技术与测试 技术的发展，发动机试验台架由传统的手动控制测试，已经变为半自动或全自动 控制测试。例如洛阳南峰机电设备有限公司可以生产发动机数控试验台的全套设 备。发动机全自动试验台架的开发与应用，为开发搭建电动汽车驱动电机试验台 提供了理论与实践的基础。北京理工大学的电动汽车电机试验台就是仿照发动机 数控试验台的结构与原理搭建起来，只不过台架的测试控制参数会有变化而已； 清华大学一个8 0 k w 直流电机试验台架，一个2 2 0 k w 交流电机试验台架的结构 与基本原理也与发动机自动化试验台的结构和原理非常相似，只不过这两个台架 没有采用传统的电涡流测功加载设备，而是采用电力测功加载系统。 汽车底盘试验系统【”“】是汽车发动机试验系统之外的另一个很重要的试验 系统，该试验系统为研究汽车的动力性、经济性、操纵稳定性、舒适性等性能提 供了坚实的测试摹础。另外，汽车底盘试验系统包含的各大总成最多，零部件的 测试品种最多，所能开展的试验项目也是最多。其中，包括离合器台架试验系统 ( 主要是测试离合器的寿命及其它性能) 、变速器台架试验系统( 主要是测试变 速器的寿命、换档机构的寿命、动态刚度、静扭和噪声的大小等) 、传动轴台架 试验系统( 主要是测试传动轴的寿命、动平衡、静扣等) 、驱动桥台架试验系统 k 宜人学坝1 学f 论 正 ( 主要是测试驱动桥的寿命、桥壳弯曲疲劳寿命、半轴静扭、半轴扭转疲劳等) 、 转向系部件试验系统( 主要是测试转向器、转向盘、安全转向轴、球头销的寿命 及动力转向性能等) 、制动系部件试验系统( 主要是测试液压驱动部件，气压驱 动部件，制动器摩擦副的效率、负荷特性、温度特性、耐摩性等参数，a b s 工 作特性、缓速器性能等) 等。 电动汽车电动机试验台架系统、电动汽车蓄电池测试系统是近几年人们为进 行电动汽车的研究与测试而建立起来的系统，其中电动机测试系统和蓄电池测试 系统的投入比较多。电动机试验台架系统主要是用来测试电动汽车驱动电机的动 力性、效率、可靠性、耐久性及噪音等性能，另外还可以测试电机驱动系统和控 制系统的性能。蓄电池测试系统主要是用来测试蓄电池的总能量、比功率和使用 寿命等性能。目前，美国的阿滨仪器( a r b i ni n s t r u m e n t s ) 公司能提供蓄电池测 试系统的成套产品，而且测试效果、性能与经济性都比较好。清华大学所采用的 蓄电池测试系统设备就采用的是阿滨仪器公司的产品。 由此可见，国内外很少有大客车底盘综合试验台类似的成套设备。汽车的台 架试验由传统的内燃机测试试验转变为电动汽车的测试试验。这是因为电动汽车 是未来最理想的交通工具之一，且环境与时代也急需它能成功问世，也是人们对 电动汽车的研究与开发投入得越来越多的具体表现。因此，有关电动汽车试验台 架的开发与搭建是研究与开发电动车辆的重要手段。 1 3 综合试验台的技术研究 大客车底盘综合试验台是我校汽车学院近期将要搭建的大型基础设备，也是 从事汽车动力学研究、汽车安全性研究、高速车辆技术研究、汽车可靠性研究、 电动汽车研究等学科研究的重点设备，该设备能够完成汽车驱动与制动系统的主 要总成部件的性能实验、电动汽车驱动与控制技术、汽车缓行器等新技术新材料 的试验研究以及蓄电池测试研究。该设备的建设将为本学科提供一套较为完整的 能用于汽车底盘系统科研、研究生培养必须的多功能使用率较高的试验系统平 台。 根据功能需要及科学使用的原则，大客车底盘综合试验甲台的设建有好几种 方案，但一般都是由电源与驱动系统、测功加载系统、飞轮系统、变速连接系统、 测量控制系统等五个部分组成。其巾电源与驱动系统主要是由电源、电机等部件 k 宜人 坝学忙论叟 组成，它主要是为系统提供动力；在进行电动汽车电机及其驱动系统系统测试时， 只须将待测电机及其驱动系统取代综合试验台原驱动电机与驱动系统，进行相关 调整后就可进行电机的试验研究。测功加载系统主要是由测功机、扭矩转速仪等 部件组成，它主要是为被测件施加载荷并根据需要测出电机的扭矩与转速；飞轮 系统主要是由飞轮与电磁离合器组成，它主要是用来储存能量以提供足够的驱动 力矩以满足制动需要，并保持运转平稳；罄连接系统主要足由变速器、连接轴 承、法兰等部件组成，它主要是用以调节驱动系统的转速及扭矩；在进行电动汽 车电机试验时，可以用变速器调节电力测功机的转速，从而达到对台架试验实现 加载的目的。测量控制系统主要由传感器、信号调理、处理单元、逻辑分析计算 单元、驱动单元、执行机构等硬件和相应的软件组成，它主要是控制系统中各部 件按照要求有条不紊的运行，并根据要求把测量的有关数据输入平台机处理、打 印。该系统的软件系统欲采用美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 软件，其可以实 现现场试验数据在计算机上的实时及真实显示，并根据试验数据绘制实时曲线， 对异常情况做出报警，根据需要对试验数据进行记录，查询历史报警及历史曲线， 生成试验报表。 大客车底盘综合试验台在搭建过程中遇到的关键技术问题一般包括试验台 理想布置方案的设计及其组成部件的选型技术、试验台动力匹配技术、试验台测 试控制技术。搭建试验台欲要完成的具体技术工作包括试验台最理想布置方案的 确定、电源系统与驱动电机的合理选型、飞轮系统的合理设计与对测试性能影响 的避免、电力测功机的选型与动力匹配分析、电力测功机的电力回收技术研究、 试验台测试控制技术研究；在试验过程中，大客车底盘综合试验台的关键技术问 题一般包括各种被测器件测试方案的设计及测试数据的处理验证技术、不同型号 的被测电机与电机驱动控制系统间的藕合技术、电机各种参数合理的测试方案、 电力测功机的测试与电力回收技术。本论文主要是针对大客车底盘综合试验台在 搭建过程需要解决的一些关键技术进行研究与探讨。 1 4 本论文的研究意义和主要内容 1 4 1 本论文的研究意义 近十几年来，我剀相继建成了人批高速公路、一级和_ 级公路，已建成了2 5 万公罩的高速公路；到2 0 0 2 年底，全国公路总里程达到1 7 6 5 万公里【1 7 】。公路 建设尤其是高速公路建设的快速发展，引发了传统道路运输业的一次产：p 肇命， 再加上人民生活水平的提高，旅游业的高速发展，使高速客运得到了空前的发展。 随着高速交通环境的大幅度改善、汽车行驶速度的人人提高以及高速客运的空莳 发展，对客车的动力性、安全性、舒适性也提出了更高的要求。另外，随着人们 对能源与环保意识的进一步加强，大力发展电动汽车，尤其是发展电动大客车也 显得尤为重要。因此，对大客车开展室内综合性试验，搭建大客车底盘综合试验 台具有重要的现实意义。 而今，我国北京正在紧锣密鼓的筹办2 0 0 8 年奥运会，“绿色奥运、人文奥运”， “绿色北京”自然也就离不丌“绿色”交通工具了。目前电动公交车是最好的“绿 色”交通工具之一，如果国家支持与民间资本合作起色，软硬环境都具备，那么 2 0 0 8 北京奥运期间让世界各国运动员都坐上我国自行研制生产的电动汽车并不 是一个遥不可及的梦。据悉【l8 1 ，我国“十五”重大科技攻关在电动车领域的投 资达1 0 0 亿元人民币，“8 6 3 计划”中涉及这一领域的投资也达8 8 亿元人民币。 其中，承担电动大客车项目的有北方车辆厂和北京理工大学，将在尼奥普兰底盘 上改装电机驱动大型客车：承担电动轿车研发的是芜湖奇瑞公司和上海交通人 学；另外，清华大学和北京客车总厂合作承担研究燃料电池客车；上海汽车工业 集团公司、同济大学、信息部电机研究所、上海燃料电池汽车动力系统公司承担 了燃料电池轿车的研发任务。目前，国内这些研究单位也取得了很多重大成果。 比如【2 0 】深圳雷天绿色电动源有限公司开发的锂离子电池，续驶里程可达3 0 0 公 里，最高时速可达1 2 0 公里，单台车电池成本4 万元左右；深圳中星汽车制造公 司研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的1 1 倍，价格为锂离子的一 半，体积为锂离子电池的1 3 ，商业化前景一片美好；中国科学院北京三环通用 电气公司开发出电动汽车专用7 5 k w 电机在国内外具有一定的水平；安徽兆成 电动车辆技术有限公司开发的水平极板铅酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获 得国家专利等。他们利用拥有的电动汽车电机测试台、电动汽车电池测试系统、 电动汽车室外整车测试跑道等设备，丌展了一系列的试验与研究，旨在进一步提 高电动汽车的电池、电机等方面的综合性能。可是电动大客车底盘综合性试验台 还是一片空白，而要对电动大客车开展深入的研究，电动大客车底盘综合试验台 是必不可少的重要设备之。凶此，搭建大客车底盘综合试验台无论是对于教学 与科研，还是对于办好“绿色”奥运都具有重要的意义。 1 4 2 问题的提出 目前，随着世界各国对电动汽车投入的逐渐增多和我国“绿色奥运”精神的 k 宜人学颀f 。学位沦文 倡导，我国对电动汽车进行研究与开发生产的研究单位和生产企业越来越多。我 校汽车学院在得到交通部和学校的项目经费后根据教学与研究的需要，欲开发搭 建一台大客车底盘综合试验平台系统，该试验平台不仅能完成内燃机大客车底盘 综合试验，而且还能完成电动大客车电机、蓄电池及底盘零部件等有关试验。综 合试验台的搭建是一个时间持续比较长的l _ 作，在搭建试验台的过程中，首先需 要提出搭建方案，并分析出最理想的方案，其次是开始找合适的厂家共同完成台 架的具体搭建工作，最后就是要测试验收搭建好的台架是否达到预期的要求。 本篇论文所要研究的问题是台架搭建初期所需要解决的一些关键问题，这些 问题是台架搭建的理论基础。论文的主要任务就是提出这些问题的理论解决方案 与措施，并要根据需要提出一个比较理想的综合试验台架的方案。 1 4 3 本论文研究的主要内容 本论文将要研究的主要内容有： 1 进行了大客车底盘综合试验台试验对象技术研究，初步探讨从哪几个方 面搭建大客车底盘综合试验台，以便使大客车的各种路面行驶工况在台架上能够 得到正确的模拟，达到最理想的效果。 2 从台架的五个组成系统出发，分析提供四个台架搭建方案，并根据理论 与实际相结合原则以及动力匹配技术原则，总结出最理想的总成方案以及各分总 成方案。 3 对试验台电源系统、驱动电机、测功机进行了选型分析与动力匹配技术研 究。 4 通过试验数据推导出电力测功机的特性曲线或称为直流电机的外特性曲 线，结合大客车行驶阻力功率曲线对测功机进行了动力匹配验证技术研究。 5 提出了飞轮型号的计算算法，并通过这个算法对试验台用飞轮系统进行 了选型分析。 6 以发动机台架试验测试控制技术为依据，进行了大客车底盘综合试验台 的测试控制技术研究。 7 建立了试验台机械传动系统数学模型，并根据此模型进行了机械传动动 态特性研究。 长安人学地f 学位论史 第二章试验台布置方案设计与动力匹配技术研究 2 1 试验台布置方案设计思想概述 大客车底盘综合试验台主要是用来开展常规大客车底盘零部件方面的测试 以及电动大客车鲁稃性能的测试与研究，它主要是由电源与驱动系统、测功荔载 系统、飞轮系统、变速连接系统、测量控制系统等五个部分组成。因此，试验台 几种不同布置方案的设计也是围绕者这五个系统各自不同的组成结构展开的。比 如电源与驱动系统将是选择直流电源与直流电机，还是选择交流电源与交流电机 的组合；测功加载系统是选择电涡流测功机，还是选择电力测功机的设计方案； 如果是选择电力测功机，那么电力怎样才能够很好的回收；还有就是驱动电机和 测功机最好选择多大功率，是大功率好还是小功率好等等。 另外，由于大客车底盘综合试验台上所能开展的试验很多，所以在设计它的 布置方案时就要多方面综合考虑。试验台上所能开展的试验具体包括：缓行器特 性试验；大客车制动蹄鼓系统作用力、摩擦力矩及热负荷试验；蹄鼓耐摩性试验； a b s 系统特性试验；汽车变速器传动效率及强度、可靠性试验；电动大客车的 驱动电机试验、电机驱动系统的测试、电机控制系统的测试以及蓄电池测试等等。 由于经费问题，试验台的搭建可能要分三步走：第一步，搭建的台架只包括缓行 器特性试验和制动系统特性试验；第二步，继续搭建台架，以便a b s 系统特性 试验、电动大客车的驱动电机试验、电机驱动系统的测试试验及电机控制系统的 测试试验能在台架上开展；第三步，搭建蓄电池的测试试验，并把它作为大客车 底盘综合试验台的一部分。因此，台架的布置方案既包括总方案也包括台架搭建 过程中的每一步实施的分总成方案。 2 ，2 试验台的可选方案与动力匹配技术研究 2 2 i 综合试验台的可选方案 大客车底盘综合试验台可供选择的方案有以下几种： 方案1直流控制电源+ 直流电动机+ 电涡流测功机布置图如图2 - 1 ； 方案2 交流变频调速电源+ 交流电动机+ 电涡流测功机布置图如图2 - 2 ； 方案3 蓄电池+ 直流电动机+ 直流电力测功机( 直流发电机) 布置图如图 2 3 ： k 宜人学顿一l 彳位论文 方案4电嘲+ 交流电动机+ 直流电力测功机布置图如图2 - 4 ； 其中方案1 中的直流控制电源呵以通过两种途径得到。第一种途径是由蓄电 池提供电能，其布局图如图2 5 所示：第二种途径是由电网提供电能，其布局图 如图2 - 6 所示。直流控制电源主要是用来驱动直流电机的，它不仅要满足电机功 率要求，而且电源电压要稳定，且可以控制。因此，无论是从蓄电池获得的电能 还是从电网获得的电能，都不能直接用来驱动电机，而是必须通过一定的处理后 才可以。这是因为未经处理后的电流很不稳定，而且无法控制。 图2 2 方案2 ：交流变频电源。交流电动机+ 电涡流测功机 长生大学颀l 学位论文 嚣糍帖由口卤画囱 图2 - 3 方案3 ：蓄电池+ 直流电动机+ 电力测功机 图2 4 方案4 ：电网+ 交流电动机+ 电力测功机 图2 5 1 4 图2 6 k 宜人学硕l 学位沦史 图2 5 所示的是由蓄电池提供电能，把输入电源变换成电压稳定且可以控制 的直流电源。d c d c 变换器为直流变换器，其主要功能是将一种直流电变换成 另一种直流电，通过这种变换能实现直流电压( 电流) 的幅值或极性的改变。这 罩采用d c d c 变换器主要是为实现蓄电池提供电源的电压大小可以调节与控 制，从而使输入电机的电源为稳压可控直流电源。 图2 - 6 所示的是由电网提供电能，把输入的交流电源变换成电压稳定且可以 控制的直流电源。a c d c 整流器的主要功能是将电网输出的工频交流电( 我国 规定频率是5 0 h z 的电流为工频交流，美、日两国规定为6 0 h z ) 整流成直流电； d c a c 逆变器接着又把整流后的直流电逆变成高频交流电( 既频率可调、电压 可调的交流电) ；a c d c 整流器紧接着又将高频交流电整流成直流电，这时的直 流电为可控制的直流电，但是电压不稳定；因此，最后必须通过滤波器与稳压器 将可控制的直流电变成可控制且电压稳定的直流电。然而通过a c ，d c a c 变换 将电网的工频交流电变换成高频交流电的效率很低，通常又采用另一种方式，既 采用a c a c 交流变换器直接将工频交流变换成高频交流，中间不需要通过将电 流变换成直流这一步。 2 2 2 可选方案的说明与比较 大客车底盘综合试验台的四个可选方案是根据欲搭建台架所要开展的试验 项目要求及汽车学院各位老师以往教学试验的实践经验和目前台架组成部件的 技术成熟性及长远的发展来考虑拟订的。下面就来分析比较一下四中方案哪种最 理想。 通过上面的方案图，我们不难发现四种方案都有共同之处。那就是试验台架 的主体部分基本上一样，不同之处在于台架的电源驱动系统与测功加载系统。电 源驱动系统不同之处在于直流电源、直流电机与交流电源、交流电机；测功加载 系统不同之处在于电涡流测功机与电力测功机。下面我们首先简要的比较一下直 流电源与交流电源、直流电机与交流电机、电涡流测功机与电力测功枫。 直流稳压电源只能用来驱动直流电动机，通常具有稳定性高、成本较低等优 点，但是也具有效率低、笨重、体积较大等缺点；交流变频调速电源主要是用来 驱动交流电动机的。因为感应电机的变频调速需要在一定范围内可以任意变频、 变压的交流电，而交流变频调速电源能达到这一点。交流变频调速电源的优缺点 恰好跟直流稳压电源的优缺点相反。 直流电动机的优点有：( 1 ) 具有优良的电磁转矩控制特性，控制装置简单、 廉价：( 2 ) 直流电动机容量范围很广，l u 以根据所需的转矩和最高转速来选择所 长吱人学硕l 学位论文 需的容量；( 3 ) 直流电动机的制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统价格便宜。 其缺点有：( 1 ) 因在高速旋转时电刷与换向器之间会产生火花，严重时形成“环 火”，这限制了直流电动机转速的提高；( 2 ) 相对于交流电动机，直流电动机的 结构较复杂，体积较大，质量较大，对使用环境要求较高，可靠性差；( 3 ) 直流 电动机的工作效率较低。交流电动机相对于直流电动机的优点有：体积小、质量 轻、效率高、转速高、调速范伺宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便：相对 于直流电动机交流电动机的缺点有：控制系统较为复杂、制造技术还不是非常成 熟、驱动系统价格较高。1 2 2 1 电涡流测功机具有精度高、振动小、结构简单等特点，并且具有较为宽广的 转速范围及功率范围，是传统发动机试验台架上常采用的一种测功加载装置；电 力测功机是利用电磁力及发电机结构，根据发电机的效率及其所发出的电功率来 测量输入的有效功率。电力测功机相对于电涡流测功机具有以下优点：( 1 ) 可在 测定原动机输出功率等数据的同时，以发电的形式回收能量，电能回收率可达 7 0 一8 0 ；( 2 ) 试验过程中不需要用水，节约了水资源及相应的配套设施，试 验场地干净；( 3 ) 可以用测功机来带动原动机，进行反拖试验；( 4 ) 测功机不仅 可以为原动机加载，而且可以减载。但是，电力测功机相对于电涡流测功机还存 在着不足之处。那就是电力测功机产品成熟性不高，在使用过程中有不少问题需 要进一步解决。另外，电力测功机的转速范围与功率范围没有电涡流测功机大， 在进行需要加大负载的测试试验时，电力测功机达不到要求。【2 ”4 j 通过上面对直流稳压电源与交流稳压电源、直流电动机与交流电动机、电涡 流测功机与电力测功机的比较，我们就不难看出大客车底盘综合试验台的四个可 选方案都有优点，也都有缺点。下面就来分析说明各个方案的具体情况。 ( 1 ) 方案1 采用的是直流电源、直流电动机与电涡流测功机的组合，该方案 是建立在传统发动机试验台架的基础上略有改动得到的。该方案所采用产品的技 术