蔡旭
天津福云天翼科技有限公司，天津 300409
摘 要:本文针对道路模拟实验台的研制背景和意义，以及道路模拟实验台采用电磁驱动和液压驱动这两种方式的优缺点进行了对比论述。本文通过对一种电磁驱动作动器的介绍和描述，表明此装置不仅可以替代液压驱动作动器，还相较传统的伺服液压驱动更加节能。
关键词：汽车；道路试验；模拟实验；试验装置。
1 概述
近年来,国内汽车工业发展迅速,产销量屡创新高，新车型的开发周期也越来越快。同时,随着人民生活水平的提高,对汽车操控性、安全性和舒适性的要求也不断提高。因此需要对车辆整车、车厢、车架及车载设备等进行耐久性试验，车辆的耐久性疲劳测试有两种方式：一种是在汽车制造商指定的试验场进行的耐久性道路试验，另外一种是通过道路模拟试验台，利用实际采集的道路谱数据对车辆进行力加载疲劳试验。
利用道路模拟试验台,在试验室内对汽车零部件和整车进行道路模拟试验是加速新车型开发,提高产品质量的有效手段。
四立柱道路模拟试验台在垂直方向布有4个作动器，作动器连接轮胎托盘，用于承载车辆车轮。模拟整车道路行驶时的振动环境，以及汽车在不同路面条件下的行驶状况。试验台主要用于全路面汽车路谱的仿真试验。该系统采用伺服驱动技术，能准确模拟再现汽车在实际道路运行时的振动环境，以及汽车在不同路面条件下的行驶状况。从而可以评价汽车悬架系统的安全性以及驾驶的舒适性，不仅可以对整车、车厢、车架及车载设备等进行耐久性试验，也可以对车厢、机架及车载设备等进行动态响应测试试验。
该系统结构紧凑，满足用户所要求的性能指标，可按照客户的需求，安装在地基上，或安装于可移动的质量块上。
现有道路模拟试验台普遍采用液压驱动（伺服液压）技术，自20世纪60年代中期发明伺服液压阀，经过50年的开发已经解决了许多系统的使用限制，伺服液压技术已经在世界许多测试应用中被广泛采用和接受，也一直是道路模拟试验台驱动方式的首选。虽然技术已经成熟，但在设备安装、调整、维护和故障排除中还需要有较高伺服液压系统技术能力和专业知识的人员。
自20世纪90年代中期以来，电磁驱动（伺服电动）技术一直在稳步发展和创新，今天很难找到一个不使用伺服电机进行精确轴运动控制的系统。该技术通过伺服电机将电能直接转换为机械运动，从而完全避免使用液压驱动技术，即将液动能量传输并转换为机械运动。伺服电动技术是一种比传统的伺服液压系统“更绿色”的方法。伺服电动系统不包含大量液压油，可能导致高压管道和软管破裂，液压泵的高噪音以及危险物质（液压油）清理的相关风险。伺服电动系统使用的能源比同等大小的伺服液压系统使用的能源也要少得多。伺服电动技术是一种比传统的伺服液压技术“更绿色”的方法。
目前国内的道路模拟试验台作动器普遍采用液压驱动（伺服液压）技术进行能量转换。因此，采用电磁驱动（伺服电动）替代液压驱动（伺服液压）技术不仅能减少能耗和液压油污染，也能降低设备的噪声水平，改善使用环境，对生态环境的保护具有实际意义。
2装置介绍
2.1 电磁驱动作动器结构组成
电磁驱动的作动器由线性电机（初级部件）、电机轨道（次级部件）、移动骨架、安装框架、盖板、直线导轨、轮盘及连接件等组成，次级部件由添加稀土材料的磁性材料制成。如图1所示。
.png)
图1 电磁驱动作动器结构
电机轨道安装在移动骨架上，串联安装可成比例缩放运行距离使其满足应用要求。线性电机固定在安装框架上，使用盖板对电机进行封闭，移动骨架的两侧安装直线导轨，对直线电机的运动提供导向。移动骨架上方通过连接件安装轮盘，用于放置乘用车车轮和固定装置。
2.2 电磁驱动作动器结构特性
电磁驱动作动器的主要优势：一是机械结构简单，不含传输单元 （例如滚珠丝杠传动、联轴节或皮带传动），使得驱动组件具有更高的可靠性。二是定位精度高，避免弹性效应、齿隙效应、磨损效应以及传动机构中的自然共振，可以获得较高的动态响应和精确性。在采用了合适的测量系统且温度条件适宜时，可在纳米范围内对电机进行定位。三是反应速度快，线性电机由初级部件和次级部件组成，由于线性电机初级部件和次级部件的非接触式设计，驱动力传输过程中不发生接触，因此提高了系统的灵敏度、快速性和随动性。四是故障少、寿命长，由于非接触式设计，实现无接触力传递，机械损耗为零，所以故障少、免维修，因而工作安全可靠、寿命长。
2.3 电磁驱动作动器功能描述
驱动器是出力部件，可以将电磁能直接转换成直线运动的机械能。直线电机的初级部件和次级部件分别安装在安装框架和移动骨架上，通过磁场的变化产生直线的电磁推力，用于对试件进行加载。直线导轨用于驱动器运动方向的约束。直线电机两部分运动时不接触，所以没有磨损和能量损耗，满足疲劳测试的要求。
此外，与液压油的可压缩性相比，直线电机固有的“电磁刚度”要硬数百倍，因此实现了更高的频率响应。这使得采用电磁驱动方式的作动器更容易被调整，而无需补偿液压油共振、温度变化、伺服阀的非线性和磨损，以及不同测试件的动力学特性。
3性能比较
3.1 能效比较
假设作动器最大出力30000N，最大速度1.75m/s。若采用液压驱动，则选择工作压力28MPa，流量500L/min的液压源提供动力。若采用电磁驱动，则选择2台计算功率81.9kW的直线电机提供动力。
（1）电磁驱动作动器
单台直线电机最大出力20700N，速度253m/min，两台并联可以得到最大出力41400N，速度4.2m/s。经分析直线电机实际工作功率为20.8kW，两台合计41.6kW。且直线电机两部分运动时不接触，基本没有能量损耗。所以输出功率=输入功率=41.6kW。对于电磁驱动系统，作动器在不移动时不消耗能量。因此能量使用量可以估计为在总时间内移动时间的百分比，因此显著降低整体能源消耗。
（2）液压驱动作动器
液压泵电机的整体效率通常为93%。电机可直接连接到液压泵上，在55kW范围内的固定排量叶片泵的工作效率约73%。液压油在液压管路和电磁阀内流动产生的压力损失，这些损失估计为5%。伺服阀也会造成显著的损失，并且在额定流量下，功率传输效率为66%。由于这些损失不是恒定的，并且发生在峰值流量事件期间，因此伺服阀的损失估计为85%。
总结这些损失，得出工作效率=93%×73%×95%×85%=54.8%，所以输出功率=输入功率×工作效率=55kW×54.8%=30.14kW。
（3）能耗对比
对于典型的每天单班工作制度，每年总小时=8小时/天×250天/年=2000小时/年。比较上述估计，伺服电磁系统比伺服液压系统的年节能范围从68,0000元到103,800元不等。
表1 典型能源工作功率比较
驱动类型 持续工作 间歇工作
液压伺服驱动 55kW 64kW
电磁伺服驱动 21kW 3.1kW
表2 典型能源使用费用比较
驱动类型 持续工作 间歇工作
液压伺服驱动 110,000kWh/年=11万元/年 110,000kWh=11万元/年
电磁伺服驱动 42,000kWh/年=4.2万元/年 6,200kWh=0.62万元/年
备注：工业电价按照1元/kWh。
3.2 性能比较
液压伺服驱动自20世纪60年代中期进入汽车测试领域，技术的发展一直在稳步进行，已经在世界许多测试应用中被广泛采用和接受。
电磁伺服驱动是一种全新的技术，近年来应用日益广泛，虽然在汽车测试领域相对较新，但和液压伺服驱动一样，都是道路模拟试验台的驱动方式。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。
（1）电磁驱动作动器
直线电机损耗小，刚度大，控制精度高。且噪音小、免维护、无配管要求。由于直线电机是新产品，产量较低、价格比较贵。永磁铁的价格较高，因此长行程的直线电机更贵。对于加载力大的系统，需要多台直线电机并联使用，增加系统的建设成本。且长时间高负载运行需要冷却水对直线电机进行降温。
（2）液压驱动作动器
液压驱动系统出力大，速度快，控制精度较高。但噪音大、须维护、管线安装工作量大。液压驱动系统经过数十年发展、设计比较成熟，制造成本比较低。可以满足长行程、高速度、大出力的疲劳试验要求。
3.3 比较总结
经过以上对比，在此浅述道路模拟试验台测试系统中伺服液压驱动和伺服电磁驱动技术的优缺点，并进行分析。
（1）液压伺服驱动系统
优点：
系统运行行程较长、出力大、速度快，经多年发展，技术成熟可靠，有许多经验丰富的供应商，有助于降低系统价格，只要使用适当的维护。
缺点：
系统组件，如伺服阀、液压缸等需要定期维护和更换，影响正常使用，维护成本较高，系统安装工作量较大、且使用过程中噪音较大，工作环境较恶劣。
（2）电磁伺服驱动系统
优点：
组件数量的减少简化了安装、维护和故障排除的工作量，维护成本相对较低。比伺服液压系统的能源消耗减少了近80%，工作过程的低噪音提供了更好的工作环境。
缺点：
电磁驱动技术在应用中仍然是新的，系统供应商较少，建设成本较高，长行程的直线电机更贵。系统在较高的负荷下持续运行会导致电机加热，需要冷却时间。
4结论
虽然伺服液压系统没有伺服电磁系统那样的广泛的加载频率范围和控制精度水平，但通常是道路模拟试验台首选的驱动方式，尤其是对大吨位商用车的测试，作动器需要较大的出力，更适用伺服液压系统进行驱动。并且伺服液压驱动的道路模拟试验台已经成功使用多年，在设计、安装、调试、培训和维护等方面积累了大量使用经验和设计应用知识。
而采用电磁驱动系统作为道路模拟试验台的动力，结构简单便于安装，使用过程中可以减少能源消耗，可以给投资者节省安装时间，建设和运行成本，不用担心液压油的泄露而造成的环境污染，低噪声的作业环境更适用于车辆振动噪声的检测试验。
参考文献
[1] 汪斌等.道路模拟试验台路面不平度再现方法研究.武汉理工大学：研究生学位论文
作者简介：蔡旭，男，1980，天津，工程师，研究方向加载试验设备、仿真、设计研究。