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汽车气动-声学风洞技术之天平/移动道路

2018-02-26 12:02:29·  
　
我们知道，汽车在道路上行驶时，汽车相对路面运动，除了克服自身的机械阻力和道路摩擦力之外，汽车还受气动阻力、气动侧向力、气动升力以及相应气动力矩的影响。气动阻力直接影响燃油经济性和动力性，气动侧向力和气动升力直接影响车辆的高速操纵稳定性和安全性。为了在试验室内研究这些力、力矩的大小，就要用到汽车天平。
我们知道，汽车在道路上行驶时，汽车相对路面运动，除了克服自身的机械阻力和道路摩擦力之外，汽车还受气动阻力、气动侧向力、气动升力以及相应气动力矩的影响。气动阻力直接影响燃油经济性和动力性，气动侧向力和气动升力直接影响车辆的高速操纵稳定性和安全性。为了在试验室内研究这些力、力矩的大小，就要用到汽车天平。本期“汽车风洞先进试验技术”系列之汽车天平/移动道路系统，我们将为您介绍这套气动－声学风洞中最昂贵的设备。
天平，大家都知道是一种衡器，它是依据杠杆原理，在两端各放一个小盘，一端放砝码一端放要称重的物体，两端平衡时两边的质量相等。那么汽车天平又是个什么鬼呢？它是用来称汽车的重量的吗？非也，汽车风洞中的天平，是用来精确测量汽车所受的气动力和力矩的。
 
汽车天平/移动道路系统分类
汽车天平/移动道路系统的主要用途：模拟车辆在道路上的行驶情况，测量车辆的气动阻力、气动侧向力、气动升力以及由此产生的气动力矩，除此之外现代先进的天平还能测量车辆的动态力和拖动力测量。
早期的汽车天平没有集成移动道路模拟系统，目前主流的汽车天平系统都已集成了移动道路模拟系统，根据移动道路模拟带的数量主要可分为以下三类。

1、单带系统  
主要特点：整个系统只有一条移动带，测力传感器放置在移动带下面。车辆底部气流模拟精度高，可用于全比例车型的试验，但测力精度较低、车辆固定麻烦，车辆离地高度不能调节，目前主要用于对车辆底部气流更关注的赛车测试。


 
2、五带系统 
主要特点：转台上集成了1条中间带和4个车轮驱动单元小带。测量精度高，可以调整车辆离地高度，主要用于乘用车测试。
3、三带系统 
三带系统的配置包括一个长的中心带和两个边带单元。边带位于汽车左右两边车轮之下，以对具备高性能地面效应和速度的车辆提供更真实的移动地面模拟。三带系统兼具单带系统车辆底部气流的模拟精度和五带系统车辆测量的高精度优点。下图是FKFS风洞中的三带/五带互换系统，是目前世界上最先进的天平/移动道路系统之一。
汽车天平测力方式和用途

1、气动力和力矩测量
可通过天平直接测量获得汽车的气动六分力。需要说明的是，天平测量得到的气动力矩参考点位于天平转台中心，这个点与汽车前后轴距与轮距中心线交线的投影重合。
2、动态力测量 
通过安装在裙边约束系统顶部的传感器直接测量出车身的反馈力值，主要用于明确和优化车辆在拖动情况下力的反馈值，如涡流脱落、气流振动、侧风等等。
3、拖动力测量 
通过安装在车轮驱动单元上的传感器直接测量每个车轮驱动单元与轮胎接触点上的纵向力，主要用于研究如何减少车轮滚动阻力损耗产生的阻力，如轮胎花纹、扇形轮毂、气流摩擦等等。
    国际先进汽车风洞的天平设备
1、宝马气动风洞天平 
BMW在2009年新建成的AVZ测试中心的气动声学风洞中的天平，是由MTS系统公司提供的五带天平系统，中间带最高速度250km/h，转台直径12.3m。
    2、丰田汽车风洞天平 
Toyota在2013年建成的气动声学风洞中的天平，是由Horiba公司提供的五带天平系统，中间带最高速度250km/h。
    3、FKFS汽车风洞天平 
FKFS在2014年升级了其气动－声学风洞，在这次升级中，FKFS将其五带天平系统升级成了五带/三带互换系统，大大提高了全尺寸气动声学风洞滚动道路模拟的精确性和可靠性，并扩展了其测试能力范围（可测试赛车）。该套天平系统由美国MTS系统公司提供。
4、保时捷汽车风洞天平 
保时捷在2015年建成的气动－声学风洞，为了兼顾赛车和乘用车的试验需求，使用了五带和单带互换的天平系统，这样既保证了赛车时要求的最佳地面模拟质量，又保证了普通车辆试验时最高的试验精度和安全性，是目前世界上最先进的天平系统之一。该套天平系统由德国MAHA公司提供。 
    汽车天平主要供应商

目前国外各大汽车厂商的空气动力学风洞中，大都装有天平系统，风洞天平系统供应商主要有三家，分别是美国MTS系统公司、德国MAHA公司和日本HORIBA公司。
MTS公司：目前全世界范围内共提供单带、三带、五带天平20多套，代表客户：FKFS、宝马、本田、中国汽研（CAERI）。
MAHA公司：后起之秀，目前全世界范围内共提供3套天平系统，代表客户：奔驰、保时捷、大众。
HORIBA公司：目前全世界范围内共提供天平20余套，代表性客户：奥迪、丰田、菲亚特、同济、现代。

CAERI 视点
汽车天平系统作为汽车风洞中最重要的测试设备，其测量精度和技术水平直接决定了风洞的技术水平，集成了移动道路系统的汽车天平系统更是提升了汽车气动力测量的准确性。在国际上，尤其是欧洲车企的风洞中，均安装有先进的汽车天平/移动道路系统。
在国内，位于重庆的中国汽研正在建造世界一流的汽车风洞，采用了MTS系统公司提供的高精度五带天平系统，在2018年风洞建成投入使用后将成为国内领先、国际一流的汽车风洞试验室。
*致谢：本文封面图片来自MAHA-AIP，部分内容图片来源于MTS系统公司，在此一并致谢。
                                   作者：重庆中汽研石峰  
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