一種新型測(cè)功機(jī)
——輪轂測(cè)功機(jī)

申方 郭朋彥 張寧 邵方閣 劉子川

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

一種新型測(cè)功機(jī)
——輪轂測(cè)功機(jī)

申方 郭朋彥 張寧 邵方閣 劉子川

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車測(cè)試行業(yè)逐漸向細(xì)化領(lǐng)域發(fā)展。基于此，介紹一種國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)的新型輪轂測(cè)功機(jī)，對(duì)其工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的研究，并對(duì)其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪轂測(cè)功機(jī)具有成本低、便于移動(dòng)的明顯優(yōu)勢(shì)，具有較好的應(yīng)用前景。

輪轂測(cè)功機(jī)；工作原理；結(jié)構(gòu)；優(yōu)劣勢(shì)

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車作為方便快捷的交通工具日益受到人們的青睞。汽車需求量的增加，促進(jìn)了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。自2009年以來(lái)，我國(guó)的汽車產(chǎn)銷量連續(xù)7a居世界首位，截至2015年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.79億輛，僅次于美國(guó)，居世界第二。汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使大量的資本、人力、物力向這個(gè)行業(yè)集聚，眾多高校、科研院所、企事業(yè)單位開(kāi)始從事汽車方面的研究與開(kāi)發(fā)。性能測(cè)試是汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所必須經(jīng)歷的階段，而測(cè)功機(jī)是汽車測(cè)試的重要設(shè)備。

1 測(cè)功機(jī)概述

按照測(cè)試對(duì)象不同，測(cè)功機(jī)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)/動(dòng)力總成臺(tái)架測(cè)功機(jī)和底盤(pán)測(cè)功機(jī)兩大類，前者主要對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行測(cè)試，后者主要對(duì)整車進(jìn)行測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)/動(dòng)力總成臺(tái)架測(cè)功機(jī)主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)，或發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)-變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)電機(jī)-變速箱混合動(dòng)力總成等在臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試。底盤(pán)測(cè)功機(jī)一般安裝于地下或地面底座上，可分為雙滾筒和單滾筒式，測(cè)試時(shí)，采用駕駛或其他方式將車輛驅(qū)動(dòng)輪置于滾筒上，將車輛固定后發(fā)動(dòng)汽車，通過(guò)油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)車輛加減速行駛，此時(shí)車輛驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)摩擦帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)試滾筒的轉(zhuǎn)速、扭矩即可測(cè)得待測(cè)車輛的車速、扭矩、功率等。

底盤(pán)測(cè)功機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)整車性能的測(cè)試，但是，底盤(pán)測(cè)功機(jī)因滾筒安裝于地下或地面鐵質(zhì)底座上。所以，造價(jià)高，一次性投入大，且不能移動(dòng)。這使得研發(fā)經(jīng)費(fèi)較少的高校、科研院所和企業(yè)難于開(kāi)展整車研發(fā)與測(cè)試工作。近年來(lái)，國(guó)外出現(xiàn)一種新型測(cè)功機(jī)——輪轂測(cè)功機(jī)，使用這種測(cè)功機(jī)測(cè)試車輛時(shí)將車輛驅(qū)動(dòng)輪的左右車輪拆下來(lái)，通過(guò)法蘭盤(pán)直接將驅(qū)動(dòng)軸連接到左右測(cè)功單元上，這種測(cè)功機(jī)擺脫了傳統(tǒng)底盤(pán)測(cè)功機(jī)必須固定安裝的局限，可隨時(shí)移動(dòng)，靈活地改變車輛測(cè)試地點(diǎn)，且價(jià)格便宜。因便于移動(dòng)，使用者可通過(guò)租賃等方式實(shí)現(xiàn)自己的測(cè)試，非常適合經(jīng)費(fèi)較少的高校、科研院所及企業(yè)從事整車性能測(cè)試。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這種測(cè)功機(jī)。本文介紹這種新型交流電力輪轂測(cè)功機(jī)，對(duì)其工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并對(duì)其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析。

2 測(cè)功機(jī)的分類

按測(cè)試原理，測(cè)功機(jī)一般可分為水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)和電力測(cè)功機(jī)［1］。早期主要以水力測(cè)功機(jī)和電渦流測(cè)功機(jī)為主，這兩種測(cè)功機(jī)在測(cè)試過(guò)程中，不僅要將被測(cè)試設(shè)備輸出的所有能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，而且還需要額外的冷卻散熱設(shè)備。這兩種測(cè)功機(jī)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)倒拖原動(dòng)機(jī)方面的測(cè)試，所以這兩種測(cè)功機(jī)的適用場(chǎng)合比較局限。

近年來(lái)，隨著電工電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，電力測(cè)功機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。與水力測(cè)功機(jī)和電渦流測(cè)功機(jī)相比，電力測(cè)功機(jī)可以作為電動(dòng)機(jī)倒拖原動(dòng)機(jī)，并且在測(cè)功狀態(tài)下獲得的能量能夠回饋到電網(wǎng)。通常，電力測(cè)功機(jī)又分為直流電力和交流電力測(cè)功機(jī)［3］。早期，由于直流電力測(cè)功機(jī)調(diào)速性能好及成熟的控制技術(shù)，電力測(cè)功機(jī)以直流電力測(cè)功機(jī)為主。但是，直流電力測(cè)功機(jī)存在換向、設(shè)備復(fù)雜等問(wèn)題。隨著變頻控制技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的日益成熟，交流電力測(cè)功機(jī)得到了迅速的發(fā)展。

3 輪轂測(cè)功機(jī)的原理

輪轂測(cè)功機(jī)一般采用交流電力形式，所以輪轂測(cè)功機(jī)的原理和交流電力測(cè)功機(jī)的原理相同。如果用P表示原動(dòng)機(jī)輸出的有效功率（kW），T表示輸出軸上的有效轉(zhuǎn)矩（Nm），n表示轉(zhuǎn)速（r/min），則三者之間的關(guān)系為：

由式（1）可知，通過(guò)測(cè)定某工況下被測(cè)原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n，即可得到該工況下相應(yīng)的有效功率P。

交流電力測(cè)功機(jī)作為原動(dòng)機(jī)負(fù)載測(cè)功運(yùn)行時(shí)實(shí)際上是一個(gè)發(fā)電機(jī)，其吸收被測(cè)原動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率，將原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，上傳電網(wǎng)，或直接消耗掉。通過(guò)控制測(cè)功電機(jī)的阻力來(lái)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，通過(guò)測(cè)量測(cè)功電機(jī)的轉(zhuǎn)速和軸上的轉(zhuǎn)矩來(lái)間接測(cè)量原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。當(dāng)測(cè)功電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，可拖動(dòng)原動(dòng)機(jī)以測(cè)定其機(jī)械損失。

4 輪轂測(cè)功機(jī)的結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上分，輪轂測(cè)功機(jī)主要由測(cè)功機(jī)主體、連接線束、控制器、上位機(jī)操作臺(tái)等組成，如圖1所示。單軸輪轂測(cè)功機(jī)主體由左右2個(gè)測(cè)功模塊（分別為主、副模塊）組成，測(cè)試時(shí)將待測(cè)車輛驅(qū)動(dòng)軸的左右車輪卸掉，然后通過(guò)法蘭盤(pán)將驅(qū)動(dòng)軸直接連到到輪轂測(cè)功機(jī)測(cè)功模塊上，連接相應(yīng)的線束和控制器，在上位機(jī)軟件上進(jìn)行相應(yīng)的配置即可進(jìn)行整車性能測(cè)試。

圖1 輪轂測(cè)功機(jī)系統(tǒng)組成圖

從功能上分，汽車輪轂測(cè)功機(jī)通常由加載裝置、測(cè)量裝置、測(cè)控系統(tǒng)及其他輔助裝置組成。

4.1 加載裝置

由于被測(cè)試車輛在交流電力輪轂測(cè)功機(jī)上所受的各種阻力和與汽車在實(shí)際道路上行駛時(shí)受的阻力和不相等，為了準(zhǔn)確地在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬出被測(cè)試車輛在實(shí)際道路的行駛情況，就需要給被測(cè)試車輛提供相應(yīng)的阻力來(lái)彌補(bǔ)兩者的阻力差，提供阻力差的這部分裝置被稱為加載裝置。交流電力測(cè)功機(jī)一般是通過(guò)改變產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載阻力。

表1是幾種測(cè)功機(jī)加載裝置性能對(duì)比，由表1可知，交流電力輪轂測(cè)功機(jī)采用的電力測(cè)功機(jī)加載裝置具有較好的性能。

表1 幾種測(cè)功器加載器對(duì)比

4.2 測(cè)量裝置

測(cè)量裝置主要包括測(cè)力裝置和測(cè)轉(zhuǎn)速裝置，是輪轂測(cè)功機(jī)的基本組件。測(cè)力裝置測(cè)量定子外殼所受的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)一定的變換后可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。測(cè)力裝置的精度主要取決于測(cè)力傳感器的精度和測(cè)力系統(tǒng)的精度。輪轂測(cè)功機(jī)使用的測(cè)力傳感器一般分為拉壓傳感器和位移傳感器2種類型，他們一端連接功率吸收裝置的外殼，另外一端連接機(jī)體。圖2、3分別為拉壓傳感器、位移傳感器安裝圖。

測(cè)速裝置通過(guò)測(cè)量輪轂測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，經(jīng)相應(yīng)的計(jì)算可獲得被測(cè)試車輛的行駛車速。測(cè)速裝置通常由轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集處理電路等組成。轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)進(jìn)行傳輸，常用的轉(zhuǎn)速傳感器主要有磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器等。

圖2 拉壓傳感器安裝圖

圖3 位移傳感器安裝圖

4.3 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)是輪轂測(cè)功機(jī)的控制核心，其完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理，進(jìn)而對(duì)被測(cè)試車輛的性能進(jìn)行評(píng)估。交流電力輪轂測(cè)功機(jī)對(duì)被測(cè)試設(shè)備進(jìn)行加載時(shí)，通過(guò)電機(jī)變頻控制器向交流電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速、扭矩等控制信號(hào)；測(cè)量時(shí)，通過(guò)傳感器采集轉(zhuǎn)速及扭矩等參數(shù)，并把這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這些信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)功機(jī)控制器經(jīng)過(guò)處理后，一路輸送到上位機(jī)中進(jìn)行顯示（見(jiàn)圖4），另外一路經(jīng)一定的算法整理成控制信號(hào)反饋給交流電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖4 輪轂測(cè)功機(jī)上位機(jī)軟件界面

4.4 輔助裝置

輔助裝置包括連接法蘭盤(pán)、旋轉(zhuǎn)腳輪、止輪塊、冷卻風(fēng)扇、配件包和附加測(cè)試所需附件等。

用于連接待測(cè)試車輛驅(qū)動(dòng)軸和輪轂測(cè)功機(jī)的法蘭盤(pán)根據(jù)不同車型而有不同的規(guī)格，如圖5中所示法蘭盤(pán)包含4mm×100mm、4mm×108mm、4mm×114.3mm，5mm× 100mm、5mm×114.3mm、5mm×120mm，5mm×110mm、5mm×112mm、5mm×130mm等幾種車輪螺栓布置模式。

圖5 輪轂測(cè)功機(jī)連接法蘭盤(pán)

由于輪轂測(cè)功機(jī)比較重，所以為了方便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)移動(dòng)輪轂測(cè)功機(jī)，輪轂測(cè)功機(jī)模塊下面安裝有輪子，以調(diào)整位置和方向，同時(shí)在外框架上設(shè)計(jì)出扶手，以便推拉。汽車輪轂測(cè)功機(jī)在測(cè)試時(shí)，一般還需要用于防止汽車前后移動(dòng)的約束裝置（如止輪塊），用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻的冷卻裝置，拆卸驅(qū)動(dòng)輪時(shí)所需的扳手、千斤頂，用于失效保護(hù)的枕木等。

如果要實(shí)現(xiàn)排放和經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，還需要配置氣體分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器和油耗儀等附件。

5 輪轂測(cè)功機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)分析

5.1 輪轂測(cè)功機(jī)的優(yōu)勢(shì)

輪轂測(cè)功機(jī)是一種重要的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)整車性能測(cè)試設(shè)備，與底盤(pán)測(cè)功機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要捆扎（以固定車輛）；不存在車輪滑移問(wèn)題；沒(méi)有輪胎阻力的損失；優(yōu)秀的重復(fù)性；不需要坑道或底座，價(jià)格便宜；便于移動(dòng)；適合整車動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。

輪轂測(cè)功機(jī)擺脫了傳統(tǒng)測(cè)功機(jī)必須固定安裝的局限，其可隨時(shí)移動(dòng)，靈活地改變車輛測(cè)試地點(diǎn)；只要一塊15～20m2甚至更小的空間就可以安裝輪轂測(cè)功機(jī)系統(tǒng)來(lái)測(cè)試車輛，以完成動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試、調(diào)校、排放測(cè)試、整車工況檢測(cè)等。設(shè)備擁有者可以出租輪轂測(cè)功機(jī)而獲得收益，從而降低設(shè)備成本；設(shè)備使用者可通過(guò)租賃方式實(shí)現(xiàn)自己的測(cè)試，從而降低研發(fā)費(fèi)用。

使用輪轂測(cè)功機(jī)，不僅可以對(duì)車輛的整車動(dòng)力性進(jìn)行測(cè)試，而且配套使用氣體分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器和油耗儀等設(shè)備時(shí)，還可以測(cè)試汽車在各種工況下的尾氣排放指標(biāo)、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、油耗等。正是由于輪轂測(cè)功機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)輪轂測(cè)功機(jī)已在國(guó)外汽車科研院所的科學(xué)試驗(yàn)及汽車維修領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

5.2 輪轂測(cè)功機(jī)的劣勢(shì)

相比于底盤(pán)測(cè)功機(jī)，輪轂測(cè)功機(jī)的單次測(cè)試安裝、拆卸時(shí)間較長(zhǎng)。輪轂測(cè)功機(jī)獲得的是中間功率，不是車輪上的輸出功率，只能對(duì)整車性能進(jìn)行近似評(píng)估，而且輪轂測(cè)功機(jī)的測(cè)試結(jié)果不能和其他底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)不同的汽車型號(hào)可能需要不同輪轂適配器（連接法蘭），而底盤(pán)測(cè)功機(jī)可以測(cè)試大多數(shù)汽車。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車測(cè)試行業(yè)逐漸向細(xì)化領(lǐng)域發(fā)展，輪轂測(cè)功機(jī)正是汽車測(cè)試行業(yè)向細(xì)化領(lǐng)域發(fā)展的重要設(shè)備，本文介紹了這種新型輪轂測(cè)功機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，并對(duì)其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了分析。相較于傳統(tǒng)底盤(pán)測(cè)功機(jī)，這類測(cè)功機(jī)具有成本低、便于移動(dòng)的明顯優(yōu)勢(shì)，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］葉曉，金振華，高大威，等.測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬算法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（10）：1492-1497.

A New Type of Dynamometer——Axle-Hub Dynamometer

Shen Fang Guo Pengyan Zhang Ning Shao Fangge Liu Zichuan
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

In recent years,with the rapid development of the automotive industry,the automotive testing industry has gradually developed to more narrow branches field.Based on this,a new type dynamometer(Axle-Hub Dynamome?ter)was introduced,which has not yet appeared in China.And its structure and working principle were introduced, the superiority and inferiority of Axle-Hub Dynamometer were analyzed.The results show that the Axle-Hub Dyna?mometer has the advantages of cost and movability,and will have a good application prospects in China.

Axle-Hub Dynamometer；working principle；structure；superiority and inferiority

TM933.3

：A

：1003-5168（2017）01-0074-03

2016-12-21

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助計(jì)劃（13A460693）；華北水利水電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助（HSCX2014112）。

申方（1989-），男，碩士，研究方向：車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及測(cè)試。