提高底盤測功機檢測精度的策略研究

戴曉鋒（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，揚州225127，中國）

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提高底盤測功機檢測精度的策略研究

戴曉鋒
（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，揚州225127，中國）

底盤測功機是汽車底盤輸出功率檢測、燃油消耗量檢測以及工況法排放檢測的必要檢測設備。燃油消耗量檢測和工況法排放檢測是社會熱點之一，提高底盤測功機檢測精度可以準確反映汽車真實的燃油消耗量和實際排放水平，有助于實現(xiàn)汽車檢測的社會效益。

汽車；底盤測功機；精度；策略

底盤測功機在機動車檢驗機構應用十分廣泛，可以用來檢驗汽車底盤輸出功率和最高車速；與碳平衡法油耗儀組合，可以檢驗汽車燃油消耗量，與尾氣分析儀組合，可以進行工況法尾氣排放檢驗；與不透光煙度計組合，可以進行加載減速法排放檢驗；配備飛輪組的底盤測功機還可以檢驗滑行距離、加速時間及相關特性等。然而，底盤測功機檢測精度受到的影響因素較多，這些因素的存在，時刻威脅著相關參數(shù)檢驗結(jié)果的真實性和正確性。

本文通過分析底盤測功機的結(jié)構、檢測過程，找出影響檢測精度的因素，并提出相應對策。

1　底盤測功機的檢測原理

在檢驗機構檢測汽車底盤的輸出功率，汽車相對地面是靜止不動的，因此必須創(chuàng)造一個使汽車能輸出動力的運行條件，即底盤測功機應有一種活動路面，使汽車能產(chǎn)生相對運動，同時還能制造行駛阻力，以平衡、吸收汽車輸出的動力。

底盤測功機的滾筒相當于連續(xù)移動的路面，被測汽車的車輪在其上滾動；電渦流機是底盤測功機最常見的加載裝置，是用以模擬汽車在道路上行駛時所受到的各種阻力，飛輪組是以其轉(zhuǎn)動慣量模擬汽車加速、滑行等各種阻力。

檢驗時汽車驅(qū)動輪置于滾筒上，帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，與滾筒串接的加載裝置（電渦流機）用定子對其轉(zhuǎn)子施加制動作用，進行加載，定子則受到大小相等、方向相反的力矩作用，此反力矩使定子繞其軸擺動，并經(jīng)一定長度的桿臂傳給測力傳感器，測量裝置便將測定的力矩及車輪相應的轉(zhuǎn)速換算為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩和輸出功率。

加載裝置所吸收的功率、力矩和轉(zhuǎn)速之間的關系如下：

P=1/9550·F·L·n=1/9550·M·n，kW

式中：P—加載裝置所吸收的功率，kW；

F—測得的作用于定子的反力，N；

L—測力臂長度，m；

M—加載裝置吸收的力矩，N·m；

n—滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

控制系統(tǒng)按照檢測的需要，根據(jù)測力和測速傳感器反饋的信息，向加載裝置發(fā)出增減滾筒系統(tǒng)轉(zhuǎn)動阻力的指令（即增減汽車行駛阻力），以調(diào)節(jié)和控制汽車驅(qū)動輪輸出的功率，進而實現(xiàn)運行工況的模擬。

2　車輪滾動阻力對汽車底盤輸出功率測試精度的影響

底盤測功機電渦流器的吸收功率不含檢測時的車輪滾動阻力消耗的功率，而這一部分的功率消耗取決于底盤測功機的結(jié)構和性能、輪胎的構造、材料、氣壓等。同一輛汽車在不同型號的底盤測功機上，在同一檢測工況下測得的驅(qū)動輪輸出功率將不相同。滾動阻力的存在，導致底盤輸出功率檢測結(jié)果偏低，造成誤判，從而使動力性檢測失去公正性和權威性。所以，對其影響因素分析是必要的，具體分析如下：

2.1輪胎氣壓對滾動阻力系數(shù)的影響

車輪滾動時，輪胎與滾筒的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應的輪胎和支承面的相對剛度確定了變形的特點。當彈性輪胎在硬質(zhì)的鋼制光滾筒上滾動時，輪胎的變形是主要的，此時由于輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，是輪胎變形時對它做的功不能全部收回，此能量消耗在輪胎各組成部分間摩擦及橡膠、簾線等物質(zhì)的分子間的摩擦，最后轉(zhuǎn)化成熱能而消失在大氣中。這種損失即為彈性物質(zhì)的遲滯損失。

輪胎氣壓對滾動阻力系數(shù)影響很大，氣壓低時在硬質(zhì)滾筒上輪胎變形大，滾動時遲滯損失增加，為了減少該項所引起的檢測誤差，要求在動力性檢測前必須將輪胎氣壓充至規(guī)定氣壓。

2.2安置角對車輪滾動阻力的影響

動力性檢測時，汽車車輪以兩點弧線相接支承在滾筒上，車輪承受靜態(tài)支承反力的分布取決于車輪在滾筒上安置角（α=arcsinL/2（R+r），即車輪與滾筒接觸點的切線方向與水平方向的夾角），顯然安置角（α）的大小由滾筒半徑（r）、兩滾筒軸距（L）和車輪半徑（R）（檢驗時，應為滾動半徑）確定。滾筒中心距L是指底盤測功機前后兩排滾筒支承軸線之間的距離，隨著滾筒中心矩的增加，汽車車輪的安置角隨之增大，前后滾筒對車輪支承力也隨之增大，這樣將導致車輛在測功機臺架上運行滾動阻力增大。

圖1　輪胎在雙滾筒上的受力圖

此時處在靜止狀態(tài)，可以知道輪胎受到的滾筒的支反力N1和N2是大小相等的，從而可以得到式：

式中：W——車輛軸荷；

N1， N2——滾筒對輪胎支反力。

同一型號底盤測功機的L、r值都是固定不變的，不同規(guī)格型號的車輪在同一型號底盤測功機上安置角各不相同，車輪與滾筒的接觸狀況差異明顯，輪胎的變形阻力和摩擦阻力因此而異。同一輛汽車在不同型號底盤測功機上檢測動力性時，由于安置角的明顯差別，使輪胎的變形阻力和摩擦阻力完全不同，克服車輪滾動阻力消耗的功率也就有多有少，從而導致同一輛汽車在不同型號底盤測功機上可測得大小不同的驅(qū)動輪輸出功率。

為了減少安置角的對檢測精度的影響，一種底盤測功機只能適用于一定范圍內(nèi)滾動半徑的車輪。

2.3滾筒直徑、表面狀況對車輪滾動阻力的影響

不同型號的底盤測功機，即使車輪安置角相同，由于滾筒直徑不同，車輪在滾筒上的滾動阻力也明顯不同。因為車輪與滾筒接觸面的大小取決于滾筒直徑。滾筒直徑減小，滾筒曲率就增大，車輪滾動的遲滯損耗因此增大，車輪滾動阻力隨之增大，輪胎的溫升也隨之增大。滾筒直徑對在其上滾動的車輪的滾動阻力有著相當大的影響。為減小滾筒直徑對車輪滾動阻力的影響，d值是越大越好。國外早已有滾筒直徑為500mm的雙滾筒式底盤測功機，但d值過大，將增加滾筒的加工難度，此外在線速度相等的狀況下，滾筒轉(zhuǎn)速將隨其直徑增大而降低，增加了底盤測功機匹配電渦流機的難度。

在加工過程中滾筒的橢圓度、同軸度越小，輪胎在滾筒上的運轉(zhuǎn)就越平穩(wěn)，當車速一定時滾動阻力系數(shù)的波動范圍就越小，故滾動阻力系數(shù)隨滾筒加工精度的提高而減小。

底盤測功機滾筒表面一般有三種，一種是常見的光滾筒即表面為未經(jīng)處理的滾筒，由于滾筒表面較光滑，其附著系數(shù)約為0.5，汽車車輪在滾筒表面行走時，有滑拖現(xiàn)象。另一種是滾筒表面噴涂有耐磨硬質(zhì)合金，采用表面噴涂技術，將滾筒表面的附著系數(shù)提高到0.8左右，接近于一般路面的附著系數(shù)，則可有效避免滑拖現(xiàn)象。第三種是表面有滾花，其附著系數(shù)介于上述兩者之中。

2.4車輪滾動阻力消耗功率的測量

車輪在滾筒上的滾動阻力功率，為分驅(qū)動輪在滾筒上克服滾動阻力損耗功率、驅(qū)動輪在滾筒上打滑損失功率等二者之和。該滾動阻力應計入底盤輸出功率中。下文中滾動阻力也同樣應計入底盤輸出功率中，不再贅述。

所謂反拖系統(tǒng)是在原有的電渦流測功器式的底盤測功機上加裝驅(qū)動電機，由電動機帶動功率吸收裝置、滾筒、車輪以及汽車傳動系進行旋轉(zhuǎn)，最終測量電動機輸出功率的一種裝置。

其測試原理是：在正驅(qū)動情況下，發(fā)動機輸出功率可表示為：

式中，Pe為發(fā)動機輸出功率；Pt為汽車傳動系損耗功率；Pf為驅(qū)動輪在滾筒上克服滾動阻力損耗功率；Pm為底盤測功機傳動機構損耗功率；Pw為風冷測功器風扇消耗功率；Ps為驅(qū)動輪和滾筒打滑損失功率；Pdy為測功器吸收功率。

為測出測功器吸收功率以外的其它功率，利用反拖法，在同一測試條件下（如同一轉(zhuǎn)速），測出電機輸出功率Pd，因反拖時傳遞功率比較小，不存在打滑功率損失，所以可近似認為Pd=Pt+Pf+Pm +Ps，則發(fā)動機的輸出功率Pe= Pd+Ps+Pdy，Ps可通過公式Ps=Fd×（Vf-Vr）求出，F(xiàn)d為滾筒與車輪之間的作用力，Vf、Vr分別為前后滾筒速度，這些參數(shù)都可直接測出。所以利用這個原理評價發(fā)動機的動力性就可滿足國家標準中規(guī)定的檢測要求。

3　底盤測功機內(nèi)阻的功率損耗對汽車底盤輸出功率測試精度的影響

底盤測功機的內(nèi)阻是指底盤測功機傳動系在傳遞動力時存在的阻力，它主要是由各動配合副（包括支承軸承、連軸器、升速器等）在相對運動中存在機械摩擦引起的機械阻力構成。機械阻力（F）一般為定值，不受配合副相對運動速度（v）的影響，故F×v即為克服底盤測功機運動機件機械阻力所消耗的功率。底盤測功機機械阻力的大小主要取決于傳動系的結(jié)構和產(chǎn)品的制造工藝水平，只要生產(chǎn)廠的制造工藝穩(wěn)定，其內(nèi)阻應穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，生產(chǎn)廠應將這一范圍內(nèi)的均值內(nèi)阻告之用戶，以便用戶對檢測結(jié)果進行修正。如不進行修正，則會導致對檢測結(jié)果誤判。

由于臺架阻力消耗了汽車部分驅(qū)動力功率，在檢測汽車底盤輸出功率時，必須計入機械阻力所消耗的功率。

另外，時期有些底盤測功機在滾筒與功率吸收裝置間安裝有升速器，要求升速器外殼必須是浮動的，并安裝拉壓傳感器以檢測傳動扭矩。由于升速器的攪油損失和機械損失不僅與加注潤滑油量的多少有關，而且還隨溫度的變化而變化，液力阻力的大小還與齒輪副的運動速度密切相關，使臺架機械損失難以測得，增大了檢測誤差。

用反拖方法可以測出不同車速下底盤測功機的機械阻力所消耗的功率（不含升速器的機械損耗）。在2.4已經(jīng)詳細介紹，在此不再贅述。

底盤測功機內(nèi)阻的測定還可以采用底盤測功機滑行法。即將測功機滾筒加速旋轉(zhuǎn)到某一高速，然后切斷動力源，使?jié)L筒只在臺架內(nèi)阻的作用下滑行，利用動能守恒定律，得到公式：

其中：v1：滑行試驗過程中滾筒轉(zhuǎn)動的某一高速（m/ s）；

v2：滑行試驗過程中滾筒轉(zhuǎn)動的某一低速（m/s）；

F0：底盤測功機在滾筒線速度 v時的內(nèi)阻（N），

S：底盤測功機所有轉(zhuǎn)動部件總的轉(zhuǎn)動慣量的當量質(zhì)量在滑行過程中的平動距離（m）

t：從高速v1滑行到低速v2的時間（s）；

m：底盤測功機所有轉(zhuǎn)動部件總的轉(zhuǎn)動慣量相當于平動S的當量質(zhì)量（kg）。

4　風冷式電渦流機對汽車底盤輸出功率測試精度的影響

風冷式電渦流測功機是靠做成風扇狀的轉(zhuǎn)子散熱，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，冷卻風扇自身將消耗一定的驅(qū)動功率，且與轉(zhuǎn)子速度的三次方成正比，檢測車速越高，風冷電渦流機功率消耗就越大，而底盤測功機測得的功率中卻未包含測功機自身散熱所消耗的功率。因此，當?shù)妆P測功機安裝有風冷式電渦流功率吸收裝置時，必須給出風扇消耗功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（或車速）的數(shù)學模型，以便計入底盤輸出功率中。如果不計冷卻風扇所消耗的功率，那么底盤測功機的檢測準確度就毫無意義了。此外，風冷式電渦流測功機不能測量較大的持續(xù)功率。

圖2　風冷渦流機恒速工作時最大制動力矩隨時間變化的關系

圖2是對某型號底盤測功機（采用風冷式電渦流機）的最大制動力矩隨檢測時間變化的實時記錄曲線，可以看出，隨著工作時間的延續(xù)，制動力矩顯著下降。渦流器以600r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)工作12min的最大制動力矩只有初始值的40%（圖2），渦流機連續(xù)工作的轉(zhuǎn)速越高，最大制動力矩下降值就越大。

一般風冷式電渦流測功機持續(xù)測功的能力只有冷態(tài)的1/4～1/6。有關資料表明，美國MD系列底盤測功機采用的MDCCl00系列的風冷電渦流測功機冷態(tài)最大吸收功率411kW，持續(xù)最大吸收功率僅69kW。有的底盤測功機產(chǎn)品只提供加載裝置的最大吸收功率，而不標明加載裝置的形式和規(guī)格，這就有誤導用戶之嫌。有的采用風冷電渦流器的國外底盤測功機在銘牌上明確標示測功機連續(xù)工作不應超過12min。由于檢驗機構單輛汽車測功時間很短，因此在檢測頻率不高時，風冷式底盤測功機性能穩(wěn)定，足以勝任檢驗工作；在檢測頻率很高時，應注意讓電渦流器充分冷卻，此時，依靠電渦流器自身冷卻風扇是不夠的，應采用大功率的軸流風扇輔助冷卻，否則會影響檢測精度。

5　飛輪組的數(shù)量對動態(tài)檢測精度的影響

汽車在道路上行駛時，汽車具有一定的慣性，即汽車的動能。汽車在底盤測功機滾筒上是相對靜止的，不具有平動（移）動能。檢測時汽車驅(qū)動輪帶動滾筒系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量小于汽車的平動質(zhì)量，加速時不足以產(chǎn)生與汽車在道路上行駛的加速阻力，減速時，又不具有汽車在道路行駛的動能。為模擬汽車在非穩(wěn)定工況運行時的阻力，進行非穩(wěn)定工況的性能測試，如加速性能、滑行性能等，渦流機式底盤測功機必須配置模擬汽車慣量的裝置，通常是配用機械式的轉(zhuǎn)動慣量裝置，即飛輪。飛輪轉(zhuǎn)動慣量是相當于汽車平動（移）時的質(zhì)量。確定的飛輪轉(zhuǎn)動慣量只適應于質(zhì)量和車輪相同的同一車型汽車。車型不同，汽車的質(zhì)量和車輪規(guī)格也不同。底盤測功機若要檢測不同車型的汽車，就必須按車型配備大小相適應的飛輪，這在機械上顯然是難以做到，也不可取。

為簡化結(jié)構，底盤測功機配置飛輪的基本原則是根據(jù)底盤測功機需要檢測的各車型系列汽車的質(zhì)量范圍（mmin～mmax）及保證確定的檢測精確度所允許的最大模擬質(zhì)量誤差（m0），配置盡可能少的飛輪。根據(jù)mmin、mmax及m0確定不同轉(zhuǎn)動慣量的飛輪數(shù)，并使各個飛輪能組合成若干個慣量級，以模擬給定的汽車質(zhì)量范圍內(nèi)的各種車型汽車的質(zhì)量，且模擬誤差均不大于m0。如，德國申克500系列底盤測功機裝有6個飛輪，可匹配級差為平動質(zhì)量56kg的32級轉(zhuǎn)動慣量（32級的汽車平動質(zhì)量）。顯然測功機匹配的慣量級數(shù)越多，量程就越大，就能更準確的模擬汽車行駛的動能，而沒有飛輪的測功機就只能測定穩(wěn)定工況下的汽車性能；只有一個飛輪的測功機也只能匹配成兩級慣量（必須要配備離合器），其量程小、適應車型少。

目前由于對汽車臺架的慣量沒有制定相應的標準，因而國產(chǎn)底盤測功機所裝配的慣性飛輪的個數(shù)不同，且飛輪慣量的大小也不同，飛輪的個數(shù)越多，則檢測精度越高。

6　檢測工況的控制精度對汽車底盤輸出功率測試精度的影響

發(fā)動機節(jié)氣門位置一定時，車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速是對應的，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速與發(fā)動機輸出功率對應，驅(qū)動輪輸出功率隨檢測車速變化而變化。車速偏離要求（設定）車速，將導致驅(qū)動輪輸出功率的偏差，同樣會引起動力性檢測的誤差。為保證檢測結(jié)果的準確性，恒速控制誤差應不大于±0.2km/h，恒扭矩控制誤差應不大于±1%F.S，恒電流控制誤差應不大于0.5%。此外，在底盤測功機的顯示屏上應同時顯示設定檢測車速和實際檢測車速，以供檢測人員評判檢測結(jié)果的可靠性。

檢測車速偏離要求車速的現(xiàn)象在低速時尤為明顯，有的底盤測功機在檢測車速小于40km/h時不能穩(wěn)定工作，而40km/h左右的車速多是中型車最大（額定）轉(zhuǎn)矩檢測工況的檢測車速。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，除底盤測功機控制系統(tǒng)軟、硬件外，所用電渦流器低速區(qū)的加載特性與被檢汽車匹配不當也是重要的因素。

7　底盤測功機車型庫不完備對測試結(jié)果的影響

檢驗機構使用底盤測功機對汽車動力性、滑行性能、油耗等項目進行檢測，檢測過程控制、檢測結(jié)果的評判與車型參數(shù)密切相關。目前使用中的底盤測功機不少車型參數(shù)庫不完備，對新增車型不能及時提供技術支持，有的雖有車型參數(shù)庫但不能根據(jù)車型參數(shù)自動選擇評價標準，完全依賴用戶自身的技術素質(zhì)來使用設備，這給技術水平不高的檢測站在使用上造成極大不便。這些檢測站如果不能根據(jù)車型參數(shù)選擇相應的檢測標準，則檢測結(jié)果無論怎么準確都毫無意義。

綜上所述，在使用底盤測功機進行檢測時，應充分考慮到各種影響檢測結(jié)果的因素，使檢測結(jié)果更具公正性、科學性、準確性和權威性，更好地為道路運輸業(yè)提供優(yōu)質(zhì)檢測服務。

Strategy Researchon Improving the Detection Accuracy of the Chassis Dynamometer

DAI Xiaofeng
（Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou225127，China）

Chassis dynamometer is the necessary testing equipment for chassis output power detection, fuel consumption detection and mode method emission testing. Fuel consumption detection and multi-mode emission measurement method has become one of the social issues, so improving the detection accuracy of the chassis dynamometer can accurately reflect the actual fuel consumption of the vehicle and the actual emission levels, which may help to achieve the social benefits of vehicle detection.

Vehicle； chassis dynamometer； accuracy； strategy