歐陽愛國，畢朋飛，劉燕德，劉志雄

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌 330013）

單滾筒底盤測功機主要參數(shù)測定方法研究

歐陽愛國，畢朋飛，劉燕德，劉志雄

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌 330013）

針對單滾筒底盤測功機在測量過程中出現(xiàn)測量精度降低的問題，運用實驗法對單滾筒底盤測功機的測力系統(tǒng)、測速系統(tǒng)分別提出校準方法，利用慣性原理對基礎慣量、寄生阻力和加載阻力分別進行測定。試驗數(shù)據(jù)表明：測力系統(tǒng)最大偏差處的誤差僅為0.02%，測速系統(tǒng)最大偏差＜0.01%，測得的基礎慣量值偏差小、穩(wěn)定性高，測得的測功機寄生阻力最大偏差值僅為-1.41N，汽車在道路上的行駛阻力與校準后的底盤測功機上的行駛阻力的最大偏差均＜5%，證明該校準方法精度高、可靠，為單滾筒底盤測功機的校準提供理論依據(jù)和參考價值。

單滾筒底盤測功機；慣性原理；基礎慣量；寄生阻力；加載阻力

0　引　言

汽車底盤測功機是一種在室內模擬汽車道路行駛狀況的非解體的汽車檢測設備，其主要由轉鼓、加載裝置、測量裝置、控制裝置和其他輔助裝置等組成，其基本特點是具有替代路面的旋轉轉鼓和功率吸收裝置[1-2]。通過底盤測功機模擬試驗，在室內即可完成汽車動力性、耐久性、可靠性、燃油經(jīng)濟性和尾氣排放檢測等試驗，可以測量各種汽車基本參數(shù)，其最主要的功能是用于模擬汽車在道路上直線的行駛狀況[3-6]。

底盤測功機是一種精確測量裝置，內部有很多高準確度傳感器，其保證準確測量的前提是自身傳感器測量的可靠準確。但在使用過程中，隨著時間的增加，測功機各部件會出現(xiàn)磨損和誤差，其基礎慣量、寄生阻力、道路模擬特性、力學與速度傳感器的準確度都會發(fā)生變化[7-8]。因此，根據(jù)機器的使用頻率與時間，必須按照相關規(guī)程對其進行檢定并校準，用以滿足在汽車試驗過程中測試結果的準確性。

1　汽車底盤測功機的傳感器校準

1.1力傳感器的校準

因為拉力傳感器安裝在電機外殼上，其所測的參數(shù)為滾筒表面的牽引力，故在對其標定時，不能單獨將傳感器作為對象，要將整個測力系統(tǒng)看作一個整體，對其進行校準。對力傳感器用雙向標定臂對其進行校準，其左右?guī)缀涡螤顚ΨQ，整體由相同的材料所制成，所以其質量分布均勻，在測試時不會由于標定臂自身的質量而對測試結果產(chǎn)生影響。標定臂校準測力系統(tǒng)是通過在它的一端加載砝碼來實現(xiàn)，測力系統(tǒng)所受到的真實力值F為

式中：M——砝碼的重力，N；

l——標定臂的長度，m；

d——電機外殼的直徑，m。

在熱機完成，制動滾筒后，使測功機空載，此時，滾筒表面沒有受到任何切向力，因此，則將其設置為0，這樣既對傳感器的零點進行了校準。再根據(jù)標定臂的長度、電機外殼直徑、傳感器的滿量程值通過換算得出需要加載砝碼的質量，然后在標定臂的一端直接加上相應質量的砝碼，將其設為滿量程值，用同樣的方法即可標定傳感器的反向滿量程值。

在對測力系統(tǒng)的零點與滿量程進行校準后，接下來針對測功機平時所需用到的測力范圍，選取0～8 000 N的區(qū)間進行校準，采用雙向標定臂，從0開始，每次加載40 kg的砝碼，從40，80，…，400 kg依次加載、卸載，對其正反向進行標定。最后將測試值與理論值對比，其偏差如圖1所示。

圖1　加載力偏差

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，無論是正向加載、卸載，還是反向加載、卸載，測力系統(tǒng)均具有極好的線性相關性。此外，在每次砝碼的質量相同時，由系統(tǒng)所讀出的測量值基本一致，且與理論值對比，每個點的實測值與理論值也非常接近，最大偏差僅為8N。由此可得，此測力系統(tǒng)線性度良好，且準確度滿足試驗要求。

檢定重復性只需檢測在加載相同的砝碼值時測力系統(tǒng)所檢測的結果是否一致，因此，可以參考前面加載或卸載所測得的數(shù)據(jù)。為了使試驗有效進行，選取從加載到卸載的砝碼質量依次為0，40，160，280，400，320，200，80，0kg，與正向反向線性度的標定相似，重復性的檢定也需兩個方向都進行，最后將測得的結果與前面所得的結果即參考值相對比，將測試結果換算成誤差百分比的形式，并以散點圖的形式給出，如圖2、圖3所示。

圖2　正向重復性誤差曲線

圖3　反向重復性誤差曲線

可以看出，在0～8000N的范圍內對測力系統(tǒng)做重復性試驗，其測試結果在與參考值出現(xiàn)最大偏差點處的誤差百分比也僅為0.02%，小于0.05%，這說明，該測力系統(tǒng)的重復性能良好，可以滿足試驗要求。

1.2速度傳感器的校準

在底盤測功機中，對速度采用閉環(huán)控制。對滾筒轉速進行檢定，即檢測滾筒的實際轉速與控制系統(tǒng)中所設定的轉速是否一致。對此，只需將顯示器上所顯示的速度與滾筒的實際轉速進行對比即可。首先，將速度傳感器的脈沖信號輸入到計數(shù)器，再傳入測功系統(tǒng)中的計算機中，然后將測功機設置成恒速模式，通過在測試過程中計數(shù)器所統(tǒng)計的脈沖數(shù)、測試時間、傳感器分辨率、滾筒直徑就可得到滾筒表面的實際速度。本文測功機所用速度傳感器的分辨率為5000，試驗結果如表1所示。

表1　速度傳感器校準

可以看出，設定速度與實際測量速度具有高度的一致性，對于測功機上所進行的試驗，速度偏差相對于速度值都控制在0.01%以內，完全可以滿足試驗的精度要求。

2　基礎慣量與寄生阻力的測定

2.1測功機基礎慣量的測定

底盤測功機上的基礎慣量主要由其機械結構引起，包括滾筒、主軸、電機及其他因素在運轉時所產(chǎn)生的慣性質量[9-10]。底盤測功機在運轉時其基礎慣量也不會發(fā)生改變，根據(jù)牛頓第二定律可知，只需用一恒定不變的力對測功機進行加載，然后通過測得在某一速度區(qū)間內所經(jīng)歷的時間，再計算出此時滾筒速度變化的加速度，就可以計算得到底盤測功機的基礎慣量BIWi。

將測功機熱機空載，使測功機驅動滾筒到初始速度8km/h，將ν0（16 km/h）至ν1（64 km/h）設定為測量的速度區(qū)間，然后指定一固定的加速度，此時加載力Fi為一恒力，將滾筒速度加速至72km/h以上，記錄在測量速度區(qū)間加速過程中所用時間，再以同一加速度使?jié)L筒減速至8km/h，記錄在測量速度區(qū)間減速過程中所用時間，將所記錄的數(shù)據(jù)用下式進行計算：

得到此次測量的測功機的基礎慣量值，重復3次并使用不同的加速度進行試驗，將最后結果取平均值即得到最終的基礎慣量BIWi。

本試驗中，選取的加速度值為1mph/s、6mph/s、12mph/s，其中，當以加速度為1mph/s、6mph/s、12mph/s進行試驗時，測功機的加載力、測量速度區(qū)間滑行時間及測功機的基礎慣量值如圖4所示。

圖4　基礎慣量測量

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可得，當以加速度為1，6，12mph/s進行試驗時得到的測功機基礎慣量的平均值分別為1177.19，1178.74，1179.36kg，再對這3個結果取平均值、取整數(shù)，得到最終結果，即此單滾筒底盤測功機的基礎慣量為1178kg。由試驗數(shù)據(jù)可知，采用此方法測定的基礎慣量值偏差小、穩(wěn)定性高，滿足實驗要求。

2.2測功機寄生阻力的測定

通常，測量單滾筒測功機的寄生內阻使用空載滑行法進行，將底盤測功機作為一個獨立的研究對象，其理論依據(jù)仍是牛頓第二定律。在充分熱機、空載的前提下，將測功機的道路阻力系數(shù)設置為0，然后利用測功機自帶的加速功能將滾筒速度驅動至210km/h以上，再斷開動力，使其依靠自身寄生摩擦阻力自由減速滑行，并將此時作為滑行實驗的起始時間，從210km/h開始，每隔10km/h作為一個速度區(qū)間，記錄每個速度區(qū)間滑行所經(jīng)歷的時間，結合已經(jīng)得出的基礎慣量，即可計算得出速度區(qū)間中點速度點底盤測功機的寄生摩擦阻力。滾筒速度為205km/h時，其寄生阻力F205的計算公式如下式：

然后，利用相同的方法記錄各速度區(qū)間的時間，直到測功機滾筒的速度為零，再根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)進行計算，得到一組從5km/h開始到205km/h，以10km/h為速度間隔，涵蓋整個測功機測量區(qū)間的寄生摩擦阻力值，最后將試驗結果擬合成二次曲線，如圖5所示。

圖5　寄生摩擦阻力曲線

由圖可知，本試驗中測得的數(shù)據(jù)所擬合成的測功機寄生摩擦阻力曲線具有良好的相關性，隨速度的增加而增大，其曲線可表示為

2.3底盤測功機系統(tǒng)摩擦阻力的驗證

單滾筒底盤測功機正常運行時，必須對其寄生摩擦阻力進行補償，為了驗證試驗結果得出的寄生阻力曲線是否可以準確地補償其寄生摩擦阻力，對此，針對測功機在實際運行中的工況，對其指定不同慣量值，在常用的速度區(qū)間進行驗證。除了底盤測功機的基礎慣量1178kg，還指定慣量值907，2495kg，在這3個不同慣量值下，用等速法獲取其在某個速度點的寄生阻力值，再將此結果與寄生阻力曲線進行對比。

充分熱機，將測功機的道路阻力系數(shù)都設置為0，選取驗證速度區(qū)間為128km/h至16km/h，以16km/h為速度間隔，驅動滾筒，待滾筒速度達到設定速度點且速度穩(wěn)定后，以1Hz的頻率采集傳感器所顯示的牽引力值，測試時間為60 s，取其平均值，即為此速度點的寄生阻力值。然后再加速至下一速度點，按照此方法獲取在測試速度點的寄生阻力值，最后將獲取的結果與空載滑行法得到的寄生摩擦阻力曲線進行對比，將寄生摩擦阻力的誤差值以散點圖的形式給出，如圖6所示。

圖6　寄生摩擦阻力誤差曲線圖

由圖可知，在各慣量值、各速度點下，最大的寄生阻力偏差值為-1.41 N，且最大的寄生功率偏差值也僅為-31.25W。據(jù)規(guī)范，底盤測功機在各慣量、各速度點下寄生阻力＜10N，或者寄生功率＜73.5W即為合格，因此本實驗得出的寄生摩擦曲線模型具有相當高的準確度，可以滿足現(xiàn)實中汽車檢測試驗的要求。

3　底盤測功機加載曲線的測定

3.1汽車道路行駛阻力曲線的測定

底盤測功機要模擬汽車在真實路面行駛的狀態(tài)，就必須實時加載汽車在路面上所受的行駛阻力。汽車行駛阻力的測定通常用路面滑行試驗來測定[11]，最后將阻力根據(jù)速度擬合成行駛阻力曲線，為測功機的加載提供依據(jù)。測功機再根據(jù)此曲線設定相應的加載系數(shù)，從而使得汽車在底盤測功機上再現(xiàn)真實路面行駛的狀態(tài)。

本試驗采用江鈴寶典系列的某款皮卡車進行，其質量為1710kg，試驗場地為江鈴汽車股份有限公司汽車試驗場。采用汽車檢測設備五輪儀來采集滑行過程中的時間、速度與滑行距離等參數(shù)。將滑行試驗進行10次，最后取其平均值進行計算。本試驗中選取的速度區(qū)間為120 km/h至10 km/h進行滑行，對所獲取的數(shù)據(jù)根據(jù)下式來計算此測試車輛的道路行駛阻力值[12]：

式中：Fi——速度區(qū)間中點行駛阻力；

Vi+1——速度區(qū)間開始速度；

Vi-1——速度區(qū)間末速度；

ti+1——初始速度時間；

ti-1——末速度時間；

m——汽車質量。

最后整理采集到的數(shù)據(jù)及計算出行駛阻力結果，最后將計算所得到的此車輛的道路行駛阻力值進行擬合，得出其道路行駛阻力系數(shù)，結果如圖7所示。

圖7　道路行駛阻力曲線

由圖7可知，此試驗所得出的結果擬合度良好，此試驗車輛的道路行駛阻力方程為

3.2測功機模擬加載的驗證

在對測功機的參數(shù)進行校準后，需對測功機的模擬加載功能進行驗證，本文將車輛在真實路面的行駛阻力曲線作為目標阻力值輸入測功機，再對測功機預設一加載值，然后使車輛在測功機上進行滑行，通過系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，計算得出測功機的加載曲線。對滑行試驗進行偏差設定，若汽車在滾筒上所受的阻力與汽車在道路上所受的阻力滿足這一偏差，則驗證通過。針對道路滑行試驗與測功機模擬試驗的要求，設定試驗驗證時行駛阻力所允許的偏差值，即在某一速度點，汽車在道路上的行駛阻力與在底盤測功機上的行駛阻力當速度＜36 km/h時，最大偏差≤5%；在速度＞36km/h時，最大偏差≤3%，可達到此要求，則系統(tǒng)驗證通過。

系統(tǒng)進行了兩次滑行，汽車在底盤測功機上的行駛阻力與汽車在真實道路上的行駛阻力表現(xiàn)出高度一致，此測功機系統(tǒng)可以實現(xiàn)對汽車路面真實行駛狀態(tài)的高精度模擬，達到了預期效果。

4　結束語

本文對單滾筒底盤測功機的主要技術參數(shù)提出了標準、測定方法并進行了大量試驗，包括測力系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、基礎慣量、測功機寄生阻力及測功機的加載曲線。其中，該底盤測功機的測力系統(tǒng)在其工作范圍內，最大偏差僅為8N，測速系統(tǒng)的速度偏差相對于理論速度值都控制在0.01%以內，此外底盤測功機的寄生阻力曲線與模擬加載曲線都具有良好的擬合度，并通過試驗進行了驗證。

在對底盤測功機進行校準的過程中，必須從傳感器開始進行，并都需將測功機空載熱機，使其達到工作工況。其中，底盤測功機寄生阻力的測定除了可以使用空載滑行法進行測量外，還可使用等速法、速度漂移法，但對于單滾筒底盤電力測功機，用空載滑行法可以獲得較高的精度。

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（編輯：李剛）

Study on main parameter determination of single cylinder chassis dynamometers

OUYANG Aiguo，BI Pengfei，LIU Yande，LIU Zhixiong
（School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013 China）

Calibration methods for force-measuring system and velocity-measuring system are separately proposed on the basis of experimentation to enhance the measurement accuracy of single cylinder chassis dynamometers.The basic inertia，parasite drag and load resistance are determined via the principle of inertia.According to experimental data，the error at the max deviation of the force-measuring system is merely 0.02%and the max deviation of the velocity-measuring system is less than 0.01%.Moreover，the basic inertia value is small in deviation and high in stability，whereas the max.deviation of the parasite drag is only-1.41 N.The max deviations in the running resistance of vehicle and the corrected running resistance of the chassis dynamometer are both lower than 5%.Experimental data show that this new calibration method is accurate and reliable and has provided theoretical basis and reference value for calibrating single-cylinder chassis dynamometers.

single-cylinder chassis dynamometer；determination；inertia principle；basic inertia；parasite drag；load resistance

A

1674-5124（2016）03-0007-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.002

2015-08-17；

2015-09-27

國家自然科學基金（51265015）

歐陽愛國（1968-），男，江西南昌市人，教授，主要從事車輛性能檢測。