在一級方程式賽車的世界里，所有零部件都必須滿足很高的質(zhì)量要求和功率性能要求。因此，英國的Ball Racing Developments有限責(zé)任公司（以下簡稱BRD公司）在其一級方程式模擬賽車（圖1）中采用了Danaher Motion公司設(shè)計(jì)的Kollmorgen和Thomson技術(shù)方案。在BRD公司專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，此一級方程式模擬賽車項(xiàng)目在真實(shí)模擬賽車駕駛狀態(tài)方面起到了非常重要的作用，從而能很好地培養(yǎng)一級方程式賽車的駕駛員。

在一級方程式賽車項(xiàng)目開始初期，BRD公司就了解到市場中沒有能夠精確模擬一級方程式賽車的驅(qū)動系統(tǒng)。經(jīng)過了多年潛心研究，通過與不同驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商之間的合作后，BRD公司開始了模仿一級方程式賽車運(yùn)動的系統(tǒng)研發(fā)。此項(xiàng)目中最引人注意的是一級方程式賽車在高速行進(jìn)時出現(xiàn)的很高的外力。

圖1 此一級方程式模擬賽車中的無刷直流伺服電動機(jī)負(fù)責(zé)模擬真實(shí)的加速運(yùn)動

無刷伺服電動機(jī)滿足了任務(wù)要求

新一代的特殊驅(qū)動系統(tǒng)的樣機(jī)于2007年11月就已生產(chǎn)出來，被安裝到Macau的一個游樂場中，為游客提供與一級方程式賽車有著極高相似性的模擬賽車。BRD公司對當(dāng)時的供應(yīng)商的供貨時間計(jì)劃和設(shè)備功率及性能都不太滿意。因?yàn)槟M技術(shù)企業(yè)總是希望設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加緊湊，動力更加強(qiáng)大。公司在經(jīng)過替代方案的尋找和分析后，最終選擇了Danaher Motion公司的無刷直流伺服電動機(jī)AKM-7和AKM-6。

圖2 新一代的賽車模擬平臺采用了Kollmorgen-S700直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，
能夠?qū)崿F(xiàn)基于以太網(wǎng)技術(shù)的Ethercat和Synqnet通信技術(shù)的支持

被選中的Kollmorgen-AKM電動機(jī)的輸出扭矩為0.16~53Nm，轉(zhuǎn)速為8000 r/min，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，可以在很小的安裝空間里得到盡可能大的動力。這一點(diǎn)對于BRD公司來講是非常重要的，因?yàn)槊繙p少1kg的重量都能在提高功率性能和縮短反應(yīng)時間方面帶來好處。AKM直流伺服電動機(jī)的體積只有原來使用的電動機(jī)的1/2。

此新型V1-500型模擬賽車需要為每一個運(yùn)動方向和運(yùn)動坐標(biāo)軸配備單獨(dú)的驅(qū)動裝置。因此，一個AKM-7電動機(jī)負(fù)責(zé)垂直方向的運(yùn)動（向前和向后的加速運(yùn)動），而水平方向的運(yùn)動（側(cè)向移動）以及側(cè)滑偏轉(zhuǎn)（圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)）則由AKM-6電動機(jī)控制。在所有的模擬賽車中，只有BRD公司研發(fā)生產(chǎn)的模擬賽車具有模擬側(cè)滑旋轉(zhuǎn)的功能。這一側(cè)滑模擬是通過前后旋轉(zhuǎn)位置中間回轉(zhuǎn)中心的移動來實(shí)現(xiàn)的。

截至目前為止，每個電動機(jī)都由一個Kollmorgen AC伺服驅(qū)動裝置S 6000控制。其帶有數(shù)字式伺服放大器，適于完成復(fù)雜的驅(qū)動任務(wù)。基于利用以太網(wǎng)通信數(shù)量越來越多的事實(shí)，如越來越多地使用Ethercat和Synqnet，新一代的一級方程式賽車模擬平臺將采用新的S700-AC伺服驅(qū)動（圖2）。Danaher Motion公司以其S700集成了以太網(wǎng)通信功能的新產(chǎn)品，保障了未來市場的發(fā)展。借助于S700集成的接口，就無需再使用附加的擴(kuò)展卡來實(shí)現(xiàn)兼容了。

另外兩個賽車模擬設(shè)備已被銷往新加坡。這兩個賽車模擬裝置將在一級方程式賽車大獎賽的宣傳廣告中發(fā)揮重要作用。生產(chǎn)這兩輛賽車的時間進(jìn)度是非常重要的。因此，模擬賽車選用滾珠絲杠和線性導(dǎo)軌系統(tǒng)是非常有意義的：供貨期可以提前，且安裝也更加簡單。

據(jù)BRD公司介紹，市場中運(yùn)動擴(kuò)展的相關(guān)產(chǎn)品“多如牛毛”，使人摸不著頭腦。而Danaher Motion公司的產(chǎn)品則消除了這種雜亂無章的感覺。這一點(diǎn)在BRD公司的兩套V1-500賽車模擬平臺訂單中得到了證實(shí)：從簽訂合同、設(shè)計(jì)開始到完成安裝只用了10周時間。

賽車模擬平臺上安裝了一級方程式賽車的模型，賽車模型的運(yùn)動是在Danaher Motion公司3個Thomson絲杠的驅(qū)動下完成的。出于互換性的原因，3個絲杠的長度是統(tǒng)一的，都是1.2m。

這種Thomson滾珠絲杠組件由一個滾動絲杠、一個帶有內(nèi)溝槽的滾珠螺母（外溝槽）和精制鋼球組成，精制鋼球可以在絲杠和螺母間的溝槽中運(yùn)動。由于這種滾珠絲杠沒有摩擦，傳動效率很高，因此，扭矩可以有效地轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力，可保證絲杠旋轉(zhuǎn)的同時模擬平臺的其他部件仍做線性運(yùn)動。BRD公司使用的這種Thomson滾珠絲杠的最大特點(diǎn)是其具有很大的螺距。在模擬地球的重力加速度時，要實(shí)現(xiàn)大約10m/s2的加速度，大螺距是非常重要的因素。

圖3 500系列的Thomson線性導(dǎo)軌有足夠的強(qiáng)度和剛性，
能夠承受一級方程式賽車模擬平臺加速力的作用

沿絲杠軸的縱向，有一套由一組500系列的Thomson成型導(dǎo)軌構(gòu)成的線性運(yùn)動系統(tǒng)（圖3）。其滿足了DIN 645-1標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有很高的承載能力和剛性，能夠承受一級方程式模擬賽車產(chǎn)生的加速力。為了能夠抵抗新加坡的潮濕環(huán)境，線性運(yùn)動系統(tǒng)都有鍍鉻防護(hù)層。

在完成這兩套運(yùn)動控制平臺的機(jī)械安裝后，即將其與BRD公司研發(fā)生產(chǎn)的視聽系統(tǒng)連接在一起。為了真實(shí)再現(xiàn)比賽的實(shí)況，對新加坡賽段的路程進(jìn)行了檢測，并建立了相應(yīng)的數(shù)字模型。BRD公司研發(fā)的軟件Netkarpro可作為新加坡賽段共享軟件從網(wǎng)站中下載。這樣，每一個一級方程式賽車的愛好者都可以針對這一非常艱難的賽段進(jìn)行練習(xí)，提高新加坡賽段比賽的觀賞性。愛好者甚至可以在網(wǎng)上開設(shè)一個在線排名表，檢測其跑一圈的時間是多少，并比較與其他人的差距。

接近真實(shí)運(yùn)動狀況的賽車模擬

BRD公司生產(chǎn)的這兩個一級方程式賽車模擬裝置于2008年4月交付新加坡大獎賽贊助商之一的新加坡電信（Sing-Tel）。真實(shí)的外形和逼真的運(yùn)動，使其為方程式賽車的愛好者提供了最接近比賽現(xiàn)場的賽況。

出于健康和安全的考慮，BRD公司把一級方程式賽車遇到障礙物時的反彈和回跳進(jìn)行了衰減處理。運(yùn)動平臺在各個坐標(biāo)軸方向的加速度值達(dá)1.0~1.5g。為保障安全，每一個模擬賽車的駕駛員在“駕車比賽”時都必須系好四點(diǎn)式安全帶。

方程式賽車參賽的有關(guān)組織和人員也對此模擬平臺表示出了極大的興趣。一位排名領(lǐng)先的一級方程式車手對V1-500進(jìn)行了測試，在這一賽車平臺的幫助下他每圈的用時減少了0.7s。該系統(tǒng)可為車手帶來很好的駕車感受，使其體會到接近真實(shí)的超控、失控、制動或車輪打滑時的情況。