CN107727352B - 一种车辆风洞甩泥试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车辆风洞甩泥试验装置，包括：试验台；以及多个支撑杆，其设置在车轮围成区域内的四角处且高度可调节，用于固定支撑待测车辆模型；泥水槽，其设置在所述试验台下方并与所述车轮对应，其沿所述试验台轴向车轮前方的顶角处设置有泥水喷口；风洞系统，其设置在所述待测车辆模型正前方。本发明所述的车辆风洞甩泥试验装置，能够覆盖多种工况测试车轮甩泥情况，结构简单，操作方便。本发明还提供一种车辆风洞甩泥试验方法，能够模拟车辆行驶与空气的相对运动，覆盖多种工况测试车轮甩泥情况并调节挡泥板大小，能够为车身形状微调提供有力依据。
Description
技术领域
本发明涉及车辆风洞甩泥试验技术领域，更具体的是，本发明涉及一种车辆风洞甩泥试验装置及其试验方法。
背景技术
车辆在雨天行驶过程中，前后轮路面溅水后，由于轮胎、挡泥板、气动等方面设计的缺陷，容易导致甩起的泥沙附着在车身侧表面、车尾等位置造成车身表面污染。随着市场用户对车辆愈加严苛，汽车厂家除了要满足其质量、功能性要求，也越来越注重车身表面清洁度的要求，以提高市场竞争力。现国内进行相关试验时，多采用雨天道路试验办法，直接观察车轮甩泥对车身侧表面污染情况，但其受天气、道路条件制约，降雨量及道路泥水情况难以控制，且试验周期长，造成附加的研发成本。
中国发明专利CN 104865076提供了一种车载甩泥装置，直接在汽车行驶过程中向轮胎喷射泥浆，虽然克服了天气条件的限制，但仍存在一定缺陷：(1)附加装置占用空间较大，布置不便，且会造成一定的道路污染，存在较大的局限性；(2)忽略了车辆行驶过程中产生的气流的影响，测量误差较大；(3)不能充分考虑车速、风速、泥水密度、泥水量等因素对甩泥的综合影响，覆盖工况较少。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种车辆风洞甩泥试验装置，能够覆盖多种工况测试车轮甩泥情况，结构简单，操作方便。
本发明的另一个目的是设计开发了一种车辆风洞甩泥试验方法，能够模拟车辆行驶与空气的相对运动，覆盖多种工况测试车轮甩泥情况并调节挡泥板大小。
本发明提供的技术方案为：
一种车辆风洞甩泥试验装置，包括：
试验台；以及
多个支撑杆，其设置在车轮围成区域内的四角处且高度可调节，用于固定支撑待测车辆模型；
泥水槽，其设置在所述试验台下方并与所述车轮对应，其沿所述试验台轴向车轮前方的顶角处设置有泥水喷口；
风洞系统，其设置在所述待测车辆模型正前方。
优选的是，还包括：
驱动电机，其与所述车轮的轴连接，用于驱动所述车轮旋转；
泥水箱，其与所述泥水喷口连通并且内部设置有搅拌器；
空气压缩机，其与所述泥水箱连通，用于为喷射泥水提供动力。
优选的是，所述风洞系统包括：
动力段，其包括两台风机并联；
过渡段，其与所述动力段连通，用于过渡所述风机产生的气流；
稳定段，其与所述过渡段连通，其包括整流装置，用于保证收缩段出口流场均匀性；
收缩段，其与所述稳定段连通，用于提高出口风速。
优选的是，所述泥水喷口的宽度大于轮胎宽度，高度为5～10mm；所述支撑杆为液压缸。
优选的是，还包括：
转速传感器，其设置在所述车轮和风机的轴上，用于检测车轮和风机转速；
速度传感器，其设置在所述收缩段出口处，用于检测出口处风速；
控制器，其与所述转速传感器、速度传感器和风机连接，用于接收所述转速传感器和速度传感器的检测数据并控制所述风机转速。
相应地，本发明还提供一种车辆风洞甩泥试验方法，包括如下步骤：
步骤1：试验车辆模型在直行状态时，转速传感器和速度传感器检测车轮转速和风洞系统出口处风速，控制器控制风机转速使得车轮行驶速度与出口处风速一致；
步骤2：在所述车轮后上方放置弧形挡泥板，变换车轮转速、泥水密度和泥水喷射速度并调节弧形挡泥板的大小，观察车身污染面积，当车身污染面积小于等于2％时，弧形挡泥板的大小满足要求，
所述弧形挡泥板初始大小满足：
其中，Sl0为弧形挡泥板的初始面积，单位m2；SN为泥水喷口面积，单位m2；π为圆周率；d0为轮胎直径，单位m；d为轮胎表面与挡泥板的距离，单位m；L为轮胎宽度，单位m；h为待测车辆模型底盘距离试验台高度，单位m；ρ0为纯水密度，单位kg/m3；
所述弧形挡泥板的大小调节满足：
其中，Sl为调节后弧形挡泥板的面积，单位m2；Sl0为弧形挡泥板的初始面积，单位m2；Ad为车身污染面积，单位m2；Ac为车身面积，单位m2；
步骤3：更换轮胎大小并调节底盘距离试验台高度，重复步骤1-2。
优选的是，所述步骤1包括模糊控制器：
将车轮转速ω、风洞系统收缩段出口处风速Vg输入模糊控制器，所述模糊控制器中车轮转速ω、风洞系统收缩段出口处风速Vg分为7个等级；
模糊控制器输出风洞系统的风机转速n，输出分为7个等级；
所述车轮转速ω的模糊论域为[0,1]，其量化因子为30；所述风洞系统收缩段出口处风速Vg的模糊论域为[0,1]，定量化因子为50；输出风机转速n的模糊论域为[0,1]，定量化因子为30000；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个测试过程的车速和出口处风速的理想差值与实际差值ΔV的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行风机转速误差补偿控制。
优选的是，
所述车速和出口处风速的理想差值与实际差值ΔV的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为2；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，所述步骤2中，满足要求的挡泥板的宽度D为：
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所述的车辆风洞甩泥试验装置，能够覆盖多种工况测试车轮甩泥情况，占用体积小，结构简单，操作方便。
(2)本发明所述的车辆风洞甩泥试验方法，能够模拟车辆行驶与空气的相对运动，提高测量精度；还能覆盖多种工况测试车轮甩泥情况并调节挡泥板大小，使得车身污染面积较小。
附图说明
图1为本发明所述车辆风洞甩泥试验装置的结构示意图。
图2为本发明所述风洞系统的结构示意图。
图3为本发明的模糊控制器和模糊PID控制器的示意图。
图4为本发明的模糊控制器的输入车轮转速ω的隶属度函数图。
图5为本发明的模糊控制器的输入风洞系统收缩段出口处风速Vg的隶属度函数图。
图6为本发明的模糊控制器的输出风洞系统的风机转速n的隶属度函数图。
图7为本发明的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图8为本发明的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图9为本发明的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图10为本发明的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图11为本发明的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1、2所示，本发明提供一种车辆风洞甩泥试验装置，包括：试验台100；以及多个支撑杆110，其设置在车轮210围成区域内的四角处且高度可调节，用于固定支撑待测车辆模型200，使待测车辆模型200悬空并与泥水槽120之间保持合适的距离，测试时，应使车轮轮胎210与前后泥水槽120底部贴近，以保证甩泥的效果，并且固定点的选取应避免干扰甩泥的走向，优选的，所述支撑杆110为液压缸；泥水槽120，其设置在所述试验台100下方并与所述车轮210对应，其沿所述试验台100轴向车轮210前方的顶角处设置有泥水喷口121，优选的，所述泥水槽120需要足够的刚度和耐磨性，以防止与轮胎间的持续摩擦造成的磨损，所述泥水喷口121的宽度大于轮胎宽度，高度为5～10mm；风洞系统130，其设置在所述待测车辆模型200正前方。
作为本发明的另一实施例，还包括：驱动电机(图中未示出)，其与所述车轮的轴211连接，用于驱动所述车轮210旋转且转速可以调节；泥水箱140，其与所述泥水喷口121通过管道141连通并且内部设置有搅拌器，实时将泥水搅拌均匀；空气压缩机150，其与所述泥水箱140连通，用于为喷射泥水提供动力，保证提供稳定均匀的泥水量且喷射速度可调。
作为本发明的另一实施例，所述风洞系统130包括：动力段131，其包括两台风机1311并联，本实施例中，所述风机1311直径为1.8m，功率200kw；过渡段132，其与所述动力段131连通，用于过渡所述风机1311产生的气流；稳定段133，其与所述过渡段132连通，其包括整流装置(图中未示出)，用于保证收缩段134出口流场均匀性；收缩段134，其与所述稳定段133连通，用于提高出口风速。
作为本发明的另一实施例，还包括：转速传感器，其设置在所述车轮210和风机1311的轴上，用于检测车轮210和风机1311转速；速度传感器，其设置在所述收缩段134出口处，用于检测出口处风速；控制器，其与所述转速传感器、速度传感器和风机连接，用于接收所述转速传感器和速度传感器的检测数据并控制所述风机转速。
本发明所述的车辆风洞甩泥试验装置，能够覆盖多种工况测试车轮甩泥情况，占用体积小，结构简单，操作方便。
不同车辆模型在做试验时，车辆的轮胎大小，底盘距离地面高度已经确定(不同车型具有不同的轮胎大小和底盘距离地面的高度)，当然车身形状也已经确定，为了得到较优的车型，在试验过程中，根据试验结果可以对车身形状进行微调(即车身设计初始，在车轮附近的翼子板的设计考虑未必全面，那么通过获得挡泥板的面积，对车身侧面以及翼子板做小幅调整)，本发明提供一种车辆风洞甩泥试验方法，可以调节挡泥板的面积，试验得到的满足要求的挡泥板可以为车身微调提供依据。具体车辆风洞甩泥试验方法包括如下步骤：
步骤1：试验车辆模型在直行状态时，转速传感器和速度传感器检测车轮转速和风洞系统出口处风速，控制器控制风机转速使得车轮行驶速度与出口处风速一致，以模拟车辆行驶与空气的相对运动：
如图3所示，包括模糊控制器和模糊PID控制器：
步骤1.1：将车轮转速ω(r/s)、风洞系统喷口处风速Vg(m/s)和风洞系统的风机转速n(r/s)进行模糊处理；在无控制时，车轮转速ω的模糊论域为[0,1]，其定量化因子为30；所述风洞系统喷口处风速Vg的模糊论域为[0,1]，定量化因子为50；输出风机转速n的模糊论域为[0,1]，定量化因子为30000。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中的车轮转速ω和风洞系统收缩段出口处风速Vg分为7个等级；输出风洞系统的风机转速n，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图4、5和6。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：
(1)车轮转速ω一定，风洞系统收缩段出口处风速Vg增大，需要减小风洞系统的风机转速n；
(2)风洞系统收缩段出口处风速Vg一定，车轮转速ω增大，需要增大风洞系统的风机转速n；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一风洞系统的风机转速n的模糊控制表
模糊控制器的输入车轮转速ω、风洞系统收缩段出口处风速Vg，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出风洞系统的风机转速n，风机转速n利用重心法解模糊化。
步骤1.2：模糊PID控制器
将第i个输料过程的车速和出口处风速的理想差值与实际差值ΔV的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为2；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为1；PID的比例系数Kp模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1。PID的比例积分系数Ki模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；PID的微分系数Kd模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图7-11。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二 PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三 PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四 PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个输料过程的车速和出口处风速的理想差值与实际差值ΔV的偏差e、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行风机转速n误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对风机转速n进行精确控制，使风洞系统进行精确控制其风机转速n，使风机转速n的偏差小于0.1％，使得车轮行驶速度与出口处风速一致，以模拟车辆行驶与空气的相对运动。
步骤2：在所述车轮后上方放置弧形挡泥板(本实施例中，所述弧形挡泥板的弧度为90度，弯曲状态与轮胎的形状一致)，变换车轮转速、泥水密度和泥水喷射速度并调节弧形挡泥板的大小，观察车身污染面积，当车身污染面积小于等于2％时，弧形挡泥板的大小满足要求，
首先根据试验车辆模型的参数得到初始挡泥板的大小为：
其中，Sl0为弧形挡泥板的初始面积，单位m2；SN为泥水喷口面积，单位m2；π为圆周率；d0为轮胎直径，单位m；d为轮胎表面与挡泥板的距离，单位m；L为轮胎宽度，单位m；h为待测车辆模型底盘距离试验台高度，单位m；ρ0为纯水密度，单位kg/m3；
采用初始挡泥板的大小，变换车轮转速、泥水密度和泥水喷射速度并观察车身污染面积：
(1)当车身污染面积小于等于2％时，初始挡泥板的大小即可满足要求；
(2)当车身污染面积大于2％时，根据污染面积调节弧形挡泥板的大小，所述弧形挡泥板的大小调节满足：
其中，Sl为调节后弧形挡泥板的面积，单位m2；Sl0为弧形挡泥板的初始面积，单位m2；Ad为车身污染面积，单位m2；Ac为车身面积，单位m2；
采用调节后的挡泥板大小，变换车轮转速、泥水密度和泥水喷射速度并观察车身污染面积，当车身污染面积小于等于2％时，此时的挡泥板的大小即可满足要求；当车身污染面积大于2％时，重复(2)，直至挡泥板的面积达到要求；
(3)根据满足要求的挡泥板大小计算此时挡泥板的宽度D：
步骤3：更换轮胎大小并调节底盘距离试验台高度，重复步骤1-2，可以得到不同车型满足要求的挡泥板大小，为车身形状的微调提供有力依据。
本发明所述的车辆风洞甩泥试验方法，能够模拟车辆直线行驶产生的气流，提高测量精度；还能覆盖多种工况测试车轮甩泥情况并调节挡泥板大小，使得车身污染面积较小，同时也为车身形状的微调提供有力依据。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (4)
1.一种车辆风洞甩泥试验方法，利用车辆风洞甩泥试验装置，其特征在于，所述车辆风洞甩泥试验装置包括：
试验台；以及
多个支撑杆，其设置在车轮围成区域内的四角处且高度可调节，用于固定支撑待测车辆模型；
泥水槽，其设置在所述试验台下方并与所述车轮对应，其沿所述试验台轴向车轮前方的顶角处设置有泥水喷口；
其中，所述泥水喷口的宽度大于轮胎宽度，高度为5～10mm；
风洞系统，其设置在所述待测车辆模型正前方；
所述风洞系统包括：
动力段，其包括两台风机并联；
过渡段，其与所述动力段连通，用于过渡所述风机产生的气流；
稳定段，其与所述过渡段连通，其包括整流装置，用于保证收缩段出口流场均匀性；
收缩段，其与所述稳定段连通，用于提高出口风速；
转速传感器，其设置在所述车轮和风机的轴上，用于检测车轮和风机转速；
速度传感器，其设置在所述收缩段出口处，用于检测出口处风速；
控制器，其与所述转速传感器、速度传感器和风机连接，用于接收所述转速传感器和速度传感器的检测数据并控制所述风机转速；
所述车辆风洞甩泥试验方法包括如下步骤：
步骤1：试验车辆模型在直行状态时，转速传感器和速度传感器检测车轮转速和风洞系统出口处风速，控制器控制风机转速使得车轮行驶速度与出口处风速一致；
步骤2：在所述车轮后上方放置弧形挡泥板，变换车轮转速、泥水密度和泥水喷射速度并调节弧形挡泥板的大小，观察车身污染面积，当车身污染面积小于等于2％时，弧形挡泥板的大小满足要求，
所述弧形挡泥板初始大小满足：
其中，Sl0为弧形挡泥板的初始面积，单位m2；SN为泥水喷口面积，单位m2；π为圆周率；d0为轮胎直径，单位m；d为轮胎表面与挡泥板的距离，单位m；L为轮胎宽度，单位m；h为待测车辆模型底盘距离试验台高度，单位m；ρ0为纯水密度，单位kg/m3；
所述弧形挡泥板的大小调节满足：
其中，Sl为调节后弧形挡泥板的面积，单位m2；Sl0为弧形挡泥板的初始面积，单位m2；Ad为车身污染面积，单位m2；Ac为车身面积，单位m2；
步骤3：更换轮胎大小并调节底盘距离试验台高度，重复步骤1-2；
其中，所述步骤1包括模糊控制器：
将车轮转速ω、风洞系统收缩段出口处风速Vg输入模糊控制器，所述模糊控制器中车轮转速ω、风洞系统收缩段出口处风速Vg分为7个等级；
模糊控制器输出风洞系统的风机转速n，输出分为7个等级；
所述车轮转速ω的模糊论域为[0,1]，其量化因子为30；所述风洞系统收缩段出口处风速Vg的模糊论域为[0,1]，定量化因子为50；输出风机转速n的模糊论域为[0,1]，定量化因子为30000；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
还包括模糊PID控制器：
输入第i个测试过程的车速和出口处风速的理想差值与实际差值ΔV的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行风机转速误差补偿控制；
所述车速和出口处风速的理想差值与实际差值ΔV的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为2；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
2.如权利要求1所述的车辆风洞甩泥试验方法，其特征在于，所述车辆风洞甩泥试验装置还包括：
驱动电机，其与所述车轮的轴连接，用于驱动所述车轮旋转；
泥水箱，其与所述泥水喷口连通并且内部设置有搅拌器；
空气压缩机，其与所述泥水箱连通，用于为喷射泥水提供动力。
3.如权利要求1所述的车辆风洞甩泥试验方法，其特征在于，所述支撑杆为液压缸。
4.如权利要求1所述的车辆风洞甩泥试验方法，其特征在于，所述步骤2中，满足要求的挡泥板的宽度D为：
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