汽車底盤測功機的模擬原理分析研究

中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 杜磊 董小瑞

引言

汽車底盤測功機是一種用來測試汽車動力性、多工況排放指標(biāo)、燃油指標(biāo)等性能的室內(nèi)臺架試驗設(shè)備。汽車底盤測功機通過滾筒模擬路面，計算出道路模擬方程，并用加載裝置進行模擬，實現(xiàn)對汽車各工況的準(zhǔn)確模擬。底盤測功機使用方便，性能可靠不受外界條件的影響。在不解體汽車的前提下，能夠準(zhǔn)確快速地檢測出汽車各個系統(tǒng)、部件的使用性能。本文從測功機的結(jié)構(gòu)和工作原理入手，將汽車在道路行駛阻力與在測功機上的行駛阻力進行等效模擬，為設(shè)計新型底盤測功機提供參考。

1 底盤測功機的結(jié)構(gòu)

汽車底盤測功機，主要用于檢測汽車動力性、加速性等使用性能和技術(shù)性能，配備一系列輔助裝置，還能進行汽車科學(xué)試驗及維修檢測。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示

2 汽車底盤測功機的基本原理

2.1 底盤測功機的功率轉(zhuǎn)化原理

底盤測功機是用滾筒模擬代替路面，汽車在正常勻速行駛時遇到的各種阻力通過加載裝置模擬。汽車在加速以及滑行時，所受阻力通過飛輪組的轉(zhuǎn)動慣量模擬。底盤測功機的轉(zhuǎn)矩和功率通過安裝在一個連接定子和測功機外殼的力臂上的力傳感器測得。汽車驅(qū)動滾筒，加載裝置通過定子對轉(zhuǎn)子施加制動力矩，同時，定子受到轉(zhuǎn)子的反作用力矩。此力矩被力傳感器測得并換算成驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩和功率。

2.2 汽車底盤測功機輸出功率計算原理

汽車底盤輸出功率一般是用驅(qū)動輪的輸出功率表示。輸出功率是指汽車使用性能及安全性能好壞的重要參數(shù)。輸出功率大，汽車動力性強，發(fā)動機燃燒充分，燃油經(jīng)濟性提高。下面來介紹一下檢驗測功機輸出功率的原理。

汽車驅(qū)動力輸出功率計算公式：

式中：

PC為驅(qū)動力輸出功率；

PI為汽車傳動系統(tǒng)損耗功率，一般通過傳動系統(tǒng)的傳遞效率進行估算；

PJ為驅(qū)動輪胎的打滑損耗功率，根據(jù)速度傳感器測出滾筒轉(zhuǎn)速來估算；

PS為測功機內(nèi)部摩擦損失功率，滾筒與渦流機接觸，無相對運動，PS＝0；

PE為滾筒自身消耗功率，與電渦流機吸收功率相同。

只要測出PE就能測出輸出功率PC。

根據(jù)功率公式P＝T·n/9549，功率的大小可以通過測試出電渦流機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩求得。我們知道，電渦流機輸入轉(zhuǎn)矩Tm與滾筒輸出轉(zhuǎn)矩TE相等，即：Tm=TE。電渦流機的轉(zhuǎn)矩等效方為：

式中：TM是電磁轉(zhuǎn)矩，單位是N.m；JdΩ/dt是慣性轉(zhuǎn)矩，單位是N.m。

如果滾筒勻角速度轉(zhuǎn)動，則JdΩ/dt=0，穩(wěn)定狀態(tài)運行時的轉(zhuǎn)矩等效方程式為：TM=Tm。從公式可知,得到輸入轉(zhuǎn)矩Tm，即為滾筒輸出轉(zhuǎn)矩TE。根據(jù)電渦流機的原理，Tm與勵磁電流Ia成正比，即Tm=k·Ia。因此通過控制勵磁線圈的勵磁電流Ia求得電渦流機輸入轉(zhuǎn)矩和輸出功率PC。

3 汽車底盤測功機的等效模擬原理分析

3.1 汽車道路行駛阻力分析

汽車在水平道路上勻速行駛時，汽車驅(qū)動力除了要克服地面摩擦帶來的滾動阻力Ff和汽車與空氣摩擦帶來的空氣阻力Fw，還要克服汽車在上坡行駛時汽車自身重力分力（即坡度阻力Fi）。另外，汽車在加速過程中還要克服加速阻力Fj。圖3-1是汽車加速上坡的受力分析。

圖3-1汽車行駛阻力分析

因此，汽車行駛的阻力方程為：

其中，F(xiàn)t為路面對汽車的反作用力；

如果不考慮坡度阻力Fi，為了跟底盤測功機受力方程等效，可將上述方程化簡成關(guān)于速度v的方程：

3.2 汽車驅(qū)動輪在底盤測功機滾筒上的阻力分析

汽車底盤測功機工作運行檢測時，驅(qū)動輪與滾筒滾動接觸，滾筒驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，汽車前輪鎖死，無法滾動，以滾筒為參照物，汽車相當(dāng)于在滾筒上行駛。

汽車在底盤測功機上檢測時，除了要受到電渦流機的加載力，還需要克服輪胎與滾筒的滾動摩擦力，系統(tǒng)的機械摩擦力和滾筒等旋轉(zhuǎn)部件帶來的慣性力矩。

汽車車輪在滾筒上滾動，在不滑動的前提下，驅(qū)動輪在滾筒上的受力分析如圖3-2所示。

圖3-2車輪在滾筒上的受力分析

水平方向和豎直方向受力平衡方程分別是：

式中：F1、F2為前后滾筒與車輪接觸點的切向反作用力；N1、N2為前后滾筒對驅(qū)動輪的法向支承力；Gk為車輛驅(qū)動軸分布在滾筒上的載荷；H為汽車車橋作用在車輪的水平力。

對上式進行化簡，得到驅(qū)動輪在滾筒上的滾動阻力：

式中：f為車輪與滾筒間的滾動阻力系數(shù)，與滾筒表面材料的摩擦度有關(guān)；α0為車輪在滾筒式臺架上的安置角，可根據(jù)需要設(shè)定合適的安置角。

在測功器工作加載時，汽車在底盤測功機上運行時所需克服的總阻力為：

3.3 底盤測功機電模擬模型

電模擬加載裝置之所以能很好地模擬出汽車道路行駛阻力，是因為模擬方程跟車輪速度及加速度成幾何函數(shù)關(guān)系，檢測數(shù)據(jù)方便準(zhǔn)確，誤差小。只需測試出汽車的速度就可模擬汽車道路行駛。其結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，能實現(xiàn)無極調(diào)整，不僅測試精度有了很大提高，購買及維護成本也大大降低。目前國內(nèi)的飛輪組測功機已經(jīng)滿足不了市場的需求，鑒于此，功能齊全且能夠模擬加速、滑行阻力的電模擬加載裝置成為本文研究課題的首選。

底盤測功機模擬原理就是將道路行駛阻力式（3）與底盤測功機上的行駛阻力式（7）等效，如式（8）：

式(10)為底盤測功機動力學(xué)基本模型方程。由上式可見，選定汽車在無風(fēng)狀態(tài)下進行測試時，驅(qū)動力FR是與速度和加速度相關(guān)的方程。將同類項合并，模型方程可簡化為：

式中：FR為電渦流機的驅(qū)動力，即加載到汽車的模擬阻力；v為轉(zhuǎn)鼓表面速度；A為恒定阻力系數(shù)(摩擦力)，是個常數(shù)，單位為N；B為速度相關(guān)系數(shù)，單位為N/km/h；C為依賴于速度平方的阻力系數(shù)(風(fēng)阻)；m為整車額定質(zhì)量；Mw2為汽車旋轉(zhuǎn)等效質(zhì)量；MR為滾筒旋轉(zhuǎn)等效質(zhì)量；α為坡度角；Fm為測功機機械總摩擦阻力。

由上述分析可知：汽車在底盤測功機上檢測時，系數(shù)A、B、C可以通過系統(tǒng)空載試驗測得，電模擬加載力FR主要是由汽車行駛時的速度和加速度決定。計算機根據(jù)檢測出來的速度和加速度以及按要求設(shè)置的坡度角α，運算出加載阻力。渦流機根據(jù)加載阻力進行加載控制，完成汽車在道路滑行阻力的模擬。式中包含了慣性質(zhì)量和行駛阻力，原理上能得到滿意的測試結(jié)果。

4 總結(jié)

本文首先介紹底盤測功機的機械結(jié)構(gòu)并分析其基本工作原理，進而分析了汽車在汽車底盤測功機上檢測時的功率測量原理,為底盤測功機電路設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。最后將汽車在道路上受力方程與汽車在底盤測功機上的受力方程等效結(jié)合，推導(dǎo)出新的電模擬底盤測功機功率的計算方法，證明了等效模擬的可行性，為設(shè)計新型底盤測功機提供了參考。

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