汽车车速仿真跟踪风机系统的研制

　　上海市教委科技基金资助项目2000年8月21日收到上海市200092汽车车速仿真跟踪风机系统的研制王振亚陈礼番孙泽昌王菊弟同济大学从气动设计计算及叶轮强度校核两个方面阐述了仿真跟踪风机的设计工作。介绍了电气控制系统。给出了风机性能试验结果，得出了该风机达到设计要求等结论。

　　一、前言在汽车试验中，汽车在底盘测功机上能按多种工况进行模拟行驶，由于汽车相对地面是静止的，所以需要风机来冷却发动机，以保证试验的正常进行。近年来，底盘测功机成为汽车排放污染物测试的加载设备，它与废气分析仪一起构成了汽车排放污染物的测试系统（见图1）。根据测试规范要求，风机的风速与底盘测功机上汽车的车速应该同步，严格控制多工况下进行测试的汽车发动机等部件的温度，否则会影响排放试验结果。

　　二、仿真跟踪风机设计根据研制仿真跟踪风机项目的要求，跟踪风机的高跟踪风速v = 120km /h.为此在进行了两种跟踪风机结构方案的比较后，确定了GZF　11仿真跟踪风机的结构方案和气动设计参数。

　　跟踪风机的结构采取了可移动的，变频调速单级轴流风机加气流加速喷口方案，喷口截面为0.

　　2，大于桑塔那轿车的散热器进风口面积。气动设计参数为：跟踪风速达120km /h时的风机风量全压高转速1.仿真跟踪风机气动设计计算根据以上确定的气动设计参数，本跟踪风机采用孤立叶型法进行气动计算，叶片扭曲按等环量规律分布（ΔC R=常数） ，具体计算结果如下。

　　（ 1）风机的轴功率N电机配置功率N电（ 2）确定轮毂比，叶轮外径及轮毂直径轮毂比ν= 0. 4叶轮外径D轮毂直径d□设计试验2.仿真跟踪风机叶轮强度校核计算轴流风机的叶轮在旋转时，叶片上受到离心力和气流压力的作用而产生拉伸和弯曲应力。这两种应力的叠加在叶片根部达到大值。本叶轮强度校核是在n下计算出叶片根部的总应力后根据安全系数来进行强度校验的，具体计算结果如下。

　　（ 1）总应力： e（ 2）强度校验： n=根据以上校核计算， GZF 11仿真跟踪风机的叶轮完全满足了超速10工况的强度要求。

　　三、仿真跟踪风机电气控制系统仿真风机风速是否能跟踪底盘测功机上汽车的车速是由电气控制部分来实现的。该电气控制系统如图2.

　　该控制系统具有以下功能。

　　（ 1）风机出口风速能自动跟踪底盘测功机上按各种工况运行的汽车车速。

　　（ 2）系统应具备手动和自动风速设定及运行控制，两种控制方式可方便地进行切换。

　　（ 3）系统为车速测量信号设置模拟与数字两种接口，以便与其他底盘测功机匹配。

　　（ 4）系统能直接显示风机出口风速值，同时也能监控风机驱动电机及系统自身的工况状况。

　　1.电气控制系统的控制方法系统运行时，汽车底盘测功机上的车速传感器输出的电压作为实际车速信号传送给图2中的单片机控制器M C，单片机控制器按图3曲线将车速传感器输出电压换算成对应的变频器控制电压V c，从而控制电机转速，改变风机流量使得风机喷口气流速度与车速一致。

　　2.跟踪风机电机制动能耗控制电路为了实现仿真风机的跟踪控制，风机电力驱动系统必须满足试验过程中对电机加减速的要求。笔者对电机容量及变频器容量进行了合理的选择（电机容量为22kV A，变频器容量为33.

　　具有1分钟120的过载能力） ，因此完全能满足对加速的要求。但是当风机从高转速区域以较大的减速度减速至低转速乃至零转速时，仅靠气流对叶轮产生的阻转矩是不够的。所以风机驱动电机还必须能提供一定的制动转矩以克服叶轮的惯性。根据异步电动机变频调速原理，当电机供电频率迅速降低时，风机叶轮的一部分动能将反馈给变频器，转变为直流回路的电场能，从而使电动机以再生制动方式提供相应的制动转矩，这部分被转化的电场能必须及时地通过一个制动能耗电路消耗掉，否则会导致变频器中间直流回路过电压而使变频器进入保护状态，中断制动过程。

　　在本控制系统中还采用了自行研制的制动能耗控制单元。跟踪风机电机制动能耗控制电路如图4所示。

　　四、仿真跟踪风机的性能试验仿真跟踪风机性能试验的主要目的就是要了解：a.仿真跟踪风机是否能达到设计要求（即高跟踪风速v汽车散热器进气口处气流流场不均匀度如汽车车速仿真跟踪风机系统的研制何c.仿真跟踪风机风速跟踪响应的时间。

　　1.仿真跟踪风机高跟踪风速试验试验的目的是让风机在满足叶轮强度和振动要求的情况下，尽可能地提高风机转速以观察距离喷口1. 5m处截面气流速度能达到多高。试验结果。

　　风机转速（ r /min）1. 5m处风速圆周速度风机额定工况（ 1450）排放法规高工况（ 1600）风机极限工况（ 1750）试验环境条件： p从试验结果分析看， GZF 11仿真跟踪风机气动性能完全能够满足设计要求，即高跟踪风速可达123km /h，此时的叶轮圆周速度为92. 1 m /s符合强度校核要求。风机经过30分钟10超速运行后，叶轮和转动部件未出现异常情况。

　　2.汽车散热器进气口处气流流场不均匀度的测量和评价将跟踪风机气流出口至汽车头部进风口之间的距离调整到1. 5m，用变频器将跟踪风机转速调至760r /min，使离车头进气口40mm处测量截面中心点上的气流速度恒定在60km /h ，然后用固定在三维坐标架上的气动探针按事先画好的坐标位置测量沿喷口高度方向和宽度方向上的气流速度。由于每小时60km /h左右的跟踪风速是在按法规检测汽车排放的整个过程中为普遍应用的，所以采用此跟踪风速来考核测量截面上的流场品质是比较实际的。图5为车头进风口处的气流速度场。根据计算：（ 1）发散气流面积比_风机喷口后发散气流面积比不大于2 （ 2）有效风速截面上的气流速度不均匀度Y= 0. 086.可见，车头进风口有效截面上的气流速度3.仿真跟踪风机风速跟踪响应测试试验时，采用多通道数据采集仪实时采集风机的转速信号和车速信号，并对所得到的波形进行数字滤波处理得到试验曲线，见图6.

　　由跟踪性能试验曲线可知，跟踪风机的跟踪性能相当好，响应时间很短，两者的波形基本一致，响应时间小于2s.由于按排放法规做汽车15工况试验时加速、减速过程相对比较缓慢，风机叶轮的转动惯量和气动载荷也相对比较小，所以，从试验曲线图6看，风速在V= 0～60km /h范围内跟踪响应是相当令人满意的。

　　五、结论通过对仿真跟踪风机的研制以及对试验结果的分析可以得出以下结论。

　　（ 1）本仿真跟踪风机跟踪风速高可达运行平稳可靠，达到项目规定的要求。

　　（ 2）仿真跟踪风机的气动性能和强度符合设计要求。

　　（ 3）车头散热器进气口处的气流流场的不均匀度 10 （日本小野公司同类型的风机的气流流场不均匀度为10 ）。

　　（ 4）采用变频开环控制技术，风速跟踪响应大滞后时间 2s，达到试验规范要求。

　　（ 5）本跟踪风机系统可以替代同类进口配套设备，所需费用只是进口设备的20左右。

　　□设计试验