底盤測(cè)功機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的標(biāo)定*

歐陽愛國，畢朋飛，陳齊平，劉志雄

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌　330013)

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底盤測(cè)功機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的標(biāo)定*

歐陽愛國，畢朋飛，陳齊平，劉志雄

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌330013)

摘要：在單滾筒底盤測(cè)功機(jī)中，測(cè)力系統(tǒng)以測(cè)力傳感器為核心，安裝在電力測(cè)功機(jī)的外殼上，再配合力臂、底座、處理器等構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。文章提出來底盤測(cè)功機(jī)在測(cè)試過程中對(duì)測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的必要性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)力系統(tǒng)的零點(diǎn)、滿量程進(jìn)行了標(biāo)定，并設(shè)計(jì)雙向標(biāo)定臂對(duì)測(cè)力傳感器的線性度、重復(fù)性進(jìn)行了檢定，試驗(yàn)結(jié)果顯示，論文所采用的測(cè)功機(jī)測(cè)力系統(tǒng)最大偏差為8N，具有良好的線性相關(guān)性與重復(fù)性，可以滿足測(cè)試要求，且此方法具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快捷的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：底盤測(cè)功機(jī)；標(biāo)定臂；測(cè)力系統(tǒng)；校準(zhǔn)

0引言

汽車底盤測(cè)功機(jī)的誕生是汽車檢測(cè)與故障診斷技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，它標(biāo)志著汽車檢測(cè)技術(shù)走向成熟的階段。汽車底盤測(cè)功機(jī)是在室內(nèi)模擬汽車道路實(shí)驗(yàn)的一種常用整車性能試驗(yàn)裝置，由轉(zhuǎn)鼓、加載裝置、測(cè)量裝置、控制系統(tǒng)及輔助裝置等幾個(gè)部分組成，從主要部件的組成可將測(cè)功機(jī)分為單滾筒與雙滾筒兩種[1-3]。在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，最主要的是測(cè)試汽車的行駛阻力以模擬汽車在道路上直線行駛的狀況，也可測(cè)量車輛的基本行駛特征，如功率、車速、牽引力等力學(xué)參數(shù)[4-5]。汽車底盤測(cè)功機(jī)的基本特點(diǎn)是有模擬路面作用的滾筒機(jī)構(gòu)和功率吸收裝置，利用它在室內(nèi)可完成汽車動(dòng)力性試驗(yàn)，耐久性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)，若再配備尾氣分析儀、油耗儀等輔助設(shè)備，還可完成汽車的環(huán)保排放檢測(cè)項(xiàng)目、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)及與汽車傳動(dòng)系有關(guān)的多種專項(xiàng)試驗(yàn)與研發(fā)[6-9]。

在底盤測(cè)功機(jī)的使用過程中，力傳感器的精確度直接影響到測(cè)功機(jī)的加載，因此要求測(cè)功機(jī)上的拉力傳感器具有良好的線性度與重復(fù)性[10]。但由于傳感器的固有特性，其測(cè)試結(jié)果肯定會(huì)存在一定的偏差，也不可能具有標(biāo)準(zhǔn)的線性性能，所以為了保證測(cè)試結(jié)果盡可能真實(shí)，每隔一段時(shí)間也必須對(duì)拉力傳感器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，以保證底盤測(cè)功機(jī)的試驗(yàn)精度[11]。

1測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定原理

測(cè)功機(jī)上滾筒表面牽引力一般使用扭矩傳感器或者拉力傳感器來測(cè)量[12]，本論文的試驗(yàn)對(duì)象為AVL Roadsim型48英寸單滾筒底盤測(cè)功機(jī)，系統(tǒng)顯示直接為牽引力，所使用的是拉力傳感器。

在測(cè)試過程中，汽車車輪處于滾筒的正上方，在測(cè)功模式，車輛通過輪胎與滾筒之間的摩擦力來帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)；在反拖過程中，則是由滾筒來帶動(dòng)車輛運(yùn)行。滾筒表面的牽引力就是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪胎與滾筒產(chǎn)生摩擦，再通過拉力傳感器測(cè)得的與滾筒表面相切的力，其大小等于輪胎的切向力。滾筒表面的牽引力由測(cè)功機(jī)上的拉力傳感器所測(cè)得，其安裝在電力測(cè)功機(jī)電機(jī)的外殼上，如圖1所示。

單滾筒底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)加載力實(shí)現(xiàn)精確的控制必須在測(cè)力傳感器測(cè)量精度高的前提下才可實(shí)現(xiàn)。與測(cè)量滾筒的表面速度相似，滾筒表面牽引力的大小不能通過普通的方法直接測(cè)得，必須通過力的轉(zhuǎn)換來獲取。

圖1　力傳感器安裝位置

目前市場(chǎng)上所生產(chǎn)的一般測(cè)功機(jī)其結(jié)構(gòu)都是滾筒與測(cè)功機(jī)主軸通過聯(lián)軸器相連，處于同一軸線。以AVL Roadsim型48英寸單滾筒底盤測(cè)功機(jī)為例，滾筒表面的牽引力是通過主軸而傳遞到電機(jī)的轉(zhuǎn)子，再通過電機(jī)內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子之間的相互作用力，將滾筒表面的牽引力傳遞到電機(jī)外殼，而拉力傳感器就安裝于電機(jī)外殼表面，測(cè)量電機(jī)外殼上所受的切向力即可實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒表面牽引力的測(cè)量。

因?yàn)槔鞲衅靼惭b在電機(jī)外殼上，其所測(cè)的參數(shù)為滾筒表面的牽引力，故在對(duì)其標(biāo)定時(shí)，不能單獨(dú)將傳感器作為對(duì)象，要將整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)看作一個(gè)整體，對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。通常對(duì)于測(cè)功機(jī)上的測(cè)力系統(tǒng)的標(biāo)定采用標(biāo)定臂，分為單向與雙向兩種，其中雙向標(biāo)定臂左右?guī)缀涡螤顚?duì)稱，整體由相同的材料所制成，所以其質(zhì)量分布均勻，在測(cè)試時(shí)不會(huì)由于標(biāo)定臂自身的重量而對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響[13]。如圖2所示。

圖2　標(biāo)定臂裝位置

標(biāo)定臂校準(zhǔn)測(cè)力系統(tǒng)是通過在它的一端加載砝碼來實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)砝碼的重量M及標(biāo)定臂的長(zhǎng)度與電機(jī)外殼的直徑的比值計(jì)算出測(cè)力系統(tǒng)所受到的真實(shí)力值F：

F=M·l/d

(1)

式中：

M—砝碼的重力，N；

l—標(biāo)定臂的長(zhǎng)度，m；

d—電機(jī)外殼的直徑，m。

2測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方法

根據(jù)拉力傳感器的固有特性，即使其精度再高，隨著使用時(shí)間的延續(xù)，它的零點(diǎn)、線性度、重復(fù)性及滿量程也可能會(huì)發(fā)生改變，若長(zhǎng)時(shí)間使用而不進(jìn)行檢定，其工作性能可能會(huì)達(dá)不到試驗(yàn)的要求。測(cè)功機(jī)在運(yùn)行時(shí)，拉力傳感器往往需要承受較大的負(fù)荷，因此為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，需要每隔一段時(shí)間對(duì)測(cè)功機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[14]。

在對(duì)測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)之前，應(yīng)該先將測(cè)功機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，使其磨合潤滑，達(dá)到工作狀態(tài)，因?yàn)闇y(cè)功機(jī)處于靜止時(shí)，如果不進(jìn)行熱機(jī)，軸承、聯(lián)軸器等部件會(huì)存在較大的靜摩擦力，從而會(huì)使測(cè)試的結(jié)果失真，達(dá)不到校準(zhǔn)的效果。當(dāng)測(cè)功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來后，各部件得到充分潤滑，其工作狀態(tài)與汽車測(cè)試時(shí)的工況一致，這樣才可獲取需要的數(shù)據(jù)。在熱機(jī)完成后，需將滾筒采取制動(dòng)措施，以防止?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，在對(duì)標(biāo)定臂加載砝碼時(shí)，應(yīng)在一端的兩側(cè)同時(shí)加載，否則可能因?yàn)轫来a重量偏向于一側(cè)而導(dǎo)致標(biāo)定臂扭曲產(chǎn)生側(cè)向力，這樣也會(huì)使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生偏差。

2.1零點(diǎn)與滿量程標(biāo)定

首先，先檢測(cè)傳感器的零點(diǎn)是否發(fā)生了變化，因?yàn)椴还苣欠N類型的測(cè)試系統(tǒng)，都有可能出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象[15]。在熱機(jī)完成，制動(dòng)滾筒后，使測(cè)功機(jī)空載，此時(shí)，滾筒表面沒有受到任何切向力，因此，此時(shí)傳感器所測(cè)得的力信號(hào)傳入測(cè)試系統(tǒng)，在系統(tǒng)顯示界面上的牽引力的值應(yīng)該也為0，若不為0，則將其設(shè)置為0，這樣既對(duì)傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行了校準(zhǔn)。接下來對(duì)傳感器的滿量程點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，因?yàn)闈L筒可以雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以應(yīng)對(duì)傳感器的正向及反向滿量程都進(jìn)行標(biāo)定。首先，根據(jù)標(biāo)定臂的長(zhǎng)度、電機(jī)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重量，然后在標(biāo)定臂的一端直接加上相應(yīng)重量的砝碼，然后檢測(cè)系統(tǒng)所顯示的讀數(shù)是否為理論值，若有偏差，則將其設(shè)為滿量程值，這就完成了對(duì)傳感器在一個(gè)方向上的滿量程標(biāo)定。再依次將砝碼卸下，之后再將砝碼加載到標(biāo)定臂的另一端，用同樣的方法即可標(biāo)定傳感器的反向滿量程值。

2.2測(cè)力系統(tǒng)線性度標(biāo)定

在對(duì)測(cè)力系統(tǒng)的零點(diǎn)與滿量程進(jìn)行校準(zhǔn)后，接下來就檢定它的線性度與重復(fù)性，力傳感器的線性度是描敘傳感器測(cè)試性能的重要指標(biāo)，而它的重復(fù)性則指檢測(cè)同一個(gè)物理量時(shí)其檢測(cè)結(jié)果的不一致程度[16]。對(duì)于AVL Roadsim型48英寸單滾筒底盤測(cè)功機(jī)，其力傳感器的測(cè)量范圍為0～10096N，在對(duì)其校準(zhǔn)時(shí)，不可能在每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行測(cè)試，因此，針對(duì)測(cè)功機(jī)平時(shí)所需用到的測(cè)力范圍，我們選取0～8000N的區(qū)間進(jìn)行校準(zhǔn)，采用專用標(biāo)定臂，從0開始，每次加載40kg的砝碼(相當(dāng)于800N的加載載荷)，從40kg、80kg……400kg，其次對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。因?yàn)闈L筒表面的牽引力分為正向與反向，因此，設(shè)定第一次標(biāo)定的方向?yàn)檎颍来渭虞d、卸載。正向加載結(jié)果如圖3所示，正向卸載結(jié)果如圖4所示。

圖3　正向加載擬合

圖4　正向卸載擬合

在標(biāo)定臂一端加載砝碼完成后，需用同樣的方法，對(duì)標(biāo)定臂的另一端進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的反向標(biāo)定。反向加載結(jié)果如圖5所示；反向卸載結(jié)果如圖6所示；本試驗(yàn)測(cè)功機(jī)測(cè)力傳感器的測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果的偏差如圖7所示。

圖5　反向加載擬合

圖6　反向卸載擬合

圖7　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(cè)力系統(tǒng)均具有極好的線性相關(guān)性。此外，在每次砝碼的重量相同時(shí)，由系統(tǒng)所讀出的測(cè)量值基本一致，且與理論值對(duì)比，每個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值也非常接近，最大偏差僅為8N。在試驗(yàn)中，每種型號(hào)的測(cè)功機(jī)對(duì)測(cè)力系統(tǒng)的誤差控制范圍也不同，以本試驗(yàn)所采用的測(cè)功機(jī)為例，誤差不超過0.1%即可，而根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，本試驗(yàn)所校準(zhǔn)的傳感器最大誤差為0.04%，所以可得，此測(cè)力系統(tǒng)線性度良好，且精度滿足試驗(yàn)要求。

2.3測(cè)力系統(tǒng)重復(fù)性標(biāo)定

在完成上述工作后，接下來對(duì)測(cè)力系統(tǒng)的重復(fù)性進(jìn)行檢定，檢定重復(fù)性只需檢測(cè)在加載相同的砝碼值時(shí)測(cè)力系統(tǒng)所檢測(cè)的結(jié)果是否一致，因此，可以參考前面加載或卸載所測(cè)得的數(shù)據(jù)。為了使試驗(yàn)更有效率的進(jìn)行，我們選取從加載到卸載的砝碼重量依次為0、40kg、160kg、280kg、400kg、320kg、200kg、80kg、0，與正向反向線性度的標(biāo)定相似，重復(fù)性的檢定也需兩個(gè)方向都進(jìn)行，最后將測(cè)得的結(jié)果與前面所得的結(jié)果即參考值相對(duì)比，數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1　正向重復(fù)性測(cè)試

表2　反向重復(fù)性測(cè)試

由表中數(shù)據(jù)可知，此次測(cè)試的結(jié)果無論在哪個(gè)點(diǎn)，都與參考值非常接近，對(duì)于本試驗(yàn)所采用的測(cè)功機(jī)，其規(guī)定測(cè)力系統(tǒng)的重復(fù)性誤差最大不超過0.05%，因此，為了更直觀地看出測(cè)力系統(tǒng)的重復(fù)性是否達(dá)標(biāo)，這里將測(cè)試結(jié)果換算成誤差百分比的形式，并以散點(diǎn)圖的形式給出，如圖8、圖9所示。

圖8　正向重復(fù)性誤差曲線

圖9　反向重復(fù)性誤差曲線

從圖中可以看出，在0～8000N的范圍內(nèi)對(duì)測(cè)力系統(tǒng)做重復(fù)性試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果在與參考值出現(xiàn)最大偏差點(diǎn)處的誤差百分比也僅為0.02%，小于0.05%，這說明，該測(cè)力系統(tǒng)的重復(fù)性能良好，可以滿足試驗(yàn)要求。

3結(jié)論

在分析了底盤測(cè)功機(jī)測(cè)力系統(tǒng)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)底盤測(cè)功機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的方法。通過測(cè)功機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)零度和滿程的標(biāo)定，并對(duì)雙向標(biāo)定臂對(duì)測(cè)力傳感器的線性度、重復(fù)性進(jìn)行了檢定。通過大量的試驗(yàn)，得到了此方法對(duì)于測(cè)功機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的校定達(dá)到很好的效果，具有良好的重復(fù)性和可靠性，適合用于底盤

測(cè)功機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的校定上。

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(編輯趙蓉)

Calibration Chassis Dynamometer Force Measurement System

OUYANG Ai-guo，BI Peng-fei，CHEN Qi-ping，LIU Zhi-xiong

(School of Mechatronics Engineering,East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China)

Abstract：In the single cylinder chassis dynamometer, The force sensor is the core of the force sensor,It is installed on the power dynamometer housing, coupled with the structure of the whole system, the base, arm processor.In this paper, the necessity of the calibration of the dynamometer in the course of the test is carried out.Based on this, the zero point and the full scale of the measuring system are calibrated, and the linearity and repeatability of the bidirectional calibration arm are designed.The experimental results show that the measured dynamometer test system the maximum deviation 8N, with good linear correlation and repeatability, can meet the test requirements, and this method has the advantages of simple, accurate and fast.

Key words：chassis dynamometer; calibration arm; force measurement system;calibration

中圖分類號(hào)：TH161;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：歐陽愛國(1968—)，男，南昌人，華東交通大學(xué)教授，研究方向?yàn)檐囕v性能檢測(cè)和現(xiàn)代傳感器測(cè)試技術(shù)，(E-mail)ouyang1968711@163.com。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51265015)；江西省自然科學(xué)基金(20151BAB206037)

收稿日期：2015-06-29

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0056-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.016