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汽車氣動-聲學(xué)風(fēng)洞技術(shù)之天平/移動道路
2018-02-26 12:02:29·
我們知道，汽車在道路上行駛時，汽車相對路面運(yùn)動，除了克服自身的機(jī)械阻力和道路摩擦力之外，汽車還受氣動阻力、氣動側(cè)向力、氣動升力以及相應(yīng)氣動力矩的影響。氣動阻力直接影響燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性，氣動側(cè)向力和氣動升力直接影響車輛的高速操縱穩(wěn)定性和安全性。為了在試驗(yàn)室內(nèi)研究這些力、力矩的大小，就要用到汽車天平。
我們知道，汽車在道路上行駛時，汽車相對路面運(yùn)動，除了克服自身的機(jī)械阻力和道路摩擦力之外，汽車還受氣動阻力、氣動側(cè)向力、氣動升力以及相應(yīng)氣動力矩的影響。氣動阻力直接影響燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性，氣動側(cè)向力和氣動升力直接影響車輛的高速操縱穩(wěn)定性和安全性。為了在試驗(yàn)室內(nèi)研究這些力、力矩的大小，就要用到汽車天平。本期“汽車風(fēng)洞先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)”系列之汽車天平/移動道路系統(tǒng)，我們將為您介紹這套氣動－聲學(xué)風(fēng)洞中最昂貴的設(shè)備。
天平，大家都知道是一種衡器，它是依據(jù)杠桿原理，在兩端各放一個小盤，一端放砝碼一端放要稱重的物體，兩端平衡時兩邊的質(zhì)量相等。那么汽車天平又是個什么鬼呢？它是用來稱汽車的重量的嗎？非也，汽車風(fēng)洞中的天平，是用來精確測量汽車所受的氣動力和力矩的。
汽車天平/移動道路系統(tǒng)分類
汽車天平/移動道路系統(tǒng)的主要用途：模擬車輛在道路上的行駛情況，測量車輛的氣動阻力、氣動側(cè)向力、氣動升力以及由此產(chǎn)生的氣動力矩，除此之外現(xiàn)代先進(jìn)的天平還能測量車輛的動態(tài)力和拖動力測量。
早期的汽車天平?jīng)]有集成移動道路模擬系統(tǒng)，目前主流的汽車天平系統(tǒng)都已集成了移動道路模擬系統(tǒng)，根據(jù)移動道路模擬帶的數(shù)量主要可分為以下三類。
1、單帶系統(tǒng)
主要特點(diǎn)：整個系統(tǒng)只有一條移動帶，測力傳感器放置在移動帶下面。車輛底部氣流模擬精度高，可用于全比例車型的試驗(yàn)，但測力精度較低、車輛固定麻煩，車輛離地高度不能調(diào)節(jié)，目前主要用于對車輛底部氣流更關(guān)注的賽車測試。
2、五帶系統(tǒng)
主要特點(diǎn)：轉(zhuǎn)臺上集成了1條中間帶和4個車輪驅(qū)動單元小帶。測量精度高，可以調(diào)整車輛離地高度，主要用于乘用車測試。
3、三帶系統(tǒng)
三帶系統(tǒng)的配置包括一個長的中心帶和兩個邊帶單元。邊帶位于汽車左右兩邊車輪之下，以對具備高性能地面效應(yīng)和速度的車輛提供更真實(shí)的移動地面模擬。三帶系統(tǒng)兼具單帶系統(tǒng)車輛底部氣流的模擬精度和五帶系統(tǒng)車輛測量的高精度優(yōu)點(diǎn)。下圖是FKFS風(fēng)洞中的三帶/五帶互換系統(tǒng)，是目前世界上最先進(jìn)的天平/移動道路系統(tǒng)之一。
汽車天平測力方式和用途
1、氣動力和力矩測量
可通過天平直接測量獲得汽車的氣動六分力。需要說明的是，天平測量得到的氣動力矩參考點(diǎn)位于天平轉(zhuǎn)臺中心，這個點(diǎn)與汽車前后軸距與輪距中心線交線的投影重合。
通過安裝在裙邊約束系統(tǒng)頂部的傳感器直接測量出車身的反饋力值，主要用于明確和優(yōu)化車輛在拖動情況下力的反饋值，如渦流脫落、氣流振動、側(cè)風(fēng)等等。
3、拖動力測量
通過安裝在車輪驅(qū)動單元上的傳感器直接測量每個車輪驅(qū)動單元與輪胎接觸點(diǎn)上的縱向力，主要用于研究如何減少車輪滾動阻力損耗產(chǎn)生的阻力，如輪胎花紋、扇形輪轂、氣流摩擦等等。
1、寶馬氣動風(fēng)洞天平
BMW在2009年新建成的AVZ測試中心的氣動聲學(xué)風(fēng)洞中的天平，是由MTS系統(tǒng)公司提供的五帶天平系統(tǒng)，中間帶最高速度250km/h，轉(zhuǎn)臺直徑12.3m。
Toyota在2013年建成的氣動聲學(xué)風(fēng)洞中的天平，是由Horiba公司提供的五帶天平系統(tǒng)，中間帶最高速度250km/h。
FKFS在2014年升級了其氣動－聲學(xué)風(fēng)洞，在這次升級中，F(xiàn)KFS將其五帶天平系統(tǒng)升級成了五帶/三帶互換系統(tǒng)，大大提高了全尺寸氣動聲學(xué)風(fēng)洞滾動道路模擬的精確性和可靠性，并擴(kuò)展了其測試能力范圍（可測試賽車）。該套天平系統(tǒng)由美國MTS系統(tǒng)公司提供。
4、保時捷汽車風(fēng)洞天平
保時捷在2015年建成的氣動－聲學(xué)風(fēng)洞，為了兼顧賽車和乘用車的試驗(yàn)需求，使用了五帶和單帶互換的天平系統(tǒng)，這樣既保證了賽車時要求的最佳地面模擬質(zhì)量，又保證了普通車輛試驗(yàn)時最高的試驗(yàn)精度和安全性，是目前世界上最先進(jìn)的天平系統(tǒng)之一。該套天平系統(tǒng)由德國MAHA公司提供。
目前國外各大汽車廠商的空氣動力學(xué)風(fēng)洞中，大都裝有天平系統(tǒng)，風(fēng)洞天平系統(tǒng)供應(yīng)商主要有三家，分別是美國MTS系統(tǒng)公司、德國MAHA公司和日本HORIBA公司。
MTS公司：目前全世界范圍內(nèi)共提供單帶、三帶、五帶天平20多套，代表客戶：FKFS、寶馬、本田、中國汽研（CAERI）。
MAHA公司：后起之秀，目前全世界范圍內(nèi)共提供3套天平系統(tǒng)，代表客戶：奔馳、保時捷、大眾。
HORIBA公司：目前全世界范圍內(nèi)共提供天平20余套，代表性客戶：奧迪、豐田、菲亞特、同濟(jì)、現(xiàn)代。
CAERI 視點(diǎn)
汽車天平系統(tǒng)作為汽車風(fēng)洞中最重要的測試設(shè)備，其測量精度和技術(shù)水平直接決定了風(fēng)洞的技術(shù)水平，集成了移動道路系統(tǒng)的汽車天平系統(tǒng)更是提升了汽車氣動力測量的準(zhǔn)確性。在國際上，尤其是歐洲車企的風(fēng)洞中，均安裝有先進(jìn)的汽車天平/移動道路系統(tǒng)。
在國內(nèi)，位于重慶的中國汽研正在建造世界一流的汽車風(fēng)洞，采用了MTS系統(tǒng)公司提供的高精度五帶天平系統(tǒng)，在2018年風(fēng)洞建成投入使用后將成為國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的汽車風(fēng)洞試驗(yàn)室。
*致謝：本文封面圖片來自MAHA-AIP，部分內(nèi)容圖片來源于MTS系統(tǒng)公司，在此一并致謝。
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