底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中內(nèi)生摩擦阻力的補(bǔ)償數(shù)模研究

歐陽愛國，盧晉夫，劉燕德，王均剛，畢鵬飛

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中內(nèi)生摩擦阻力的補(bǔ)償數(shù)模研究

歐陽愛國，盧晉夫，劉燕德，王均剛，畢鵬飛

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

為解決滾筒底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因內(nèi)生摩擦阻力損耗而使測功裝置顯示數(shù)值偏小的問題，給其數(shù)值補(bǔ)償提供理論依據(jù)。根據(jù)能量守恒原理，通過二次加載滑行和無加載滑行等實(shí)驗得到相關(guān)測試數(shù)據(jù)，建立單滾筒底盤測功機(jī)無車輛運(yùn)轉(zhuǎn)中內(nèi)生摩擦阻力的數(shù)學(xué)模型，以AVL Roadsim 48″單滾筒底盤測功機(jī)為試驗機(jī)，實(shí)驗測得其在速度20，40，60，80，100 km/h下的內(nèi)生摩擦阻力值與數(shù)學(xué)模型計算值的誤差≤10.47%。研究表明：滾筒底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力可通過二次加載力值及二次加載和空載下的滑行距離獲得，其內(nèi)生摩擦阻力大小隨速度的增大而增大，常規(guī)速度下空氣產(chǎn)生的摩擦阻力遠(yuǎn)小于其機(jī)械阻力。

底盤測功機(jī)；內(nèi)生摩擦阻力；數(shù)學(xué)模型；滑行測試

0 引言

底盤測功機(jī)是一種汽車底盤綜合性能檢測設(shè)備，主要由滾筒裝置、測功裝置、飛輪機(jī)構(gòu)、測速機(jī)構(gòu)、控制與指示裝置、電動機(jī)及發(fā)電機(jī)等構(gòu)成[1]，其主要功能是測試汽車的驅(qū)動輪輸出功率、加速性能、滑行能力和傳動系統(tǒng)的傳動效率，間接可測試發(fā)動機(jī)功率、汽車燃油經(jīng)濟(jì)性能和廢氣排放性能[2]。

底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)測試過程中，內(nèi)部相對運(yùn)動零部件間會產(chǎn)生摩擦而消耗能量，如滾筒自身轉(zhuǎn)動部分的損耗、軸承摩擦和其他功率吸收裝置的阻力等[3]，其大小會隨機(jī)器磨損變形而變化，影響底盤測功機(jī)的模擬加載，使底盤測功機(jī)動力吸收裝置的記錄數(shù)值不準(zhǔn)確[4-5]，如能將底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力準(zhǔn)確計入以抵消摩擦阻力對試驗結(jié)果的影響，則能大大提高底盤測功機(jī)的檢測精度。

本文擬針對滾筒底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因內(nèi)生摩擦阻力損耗而使測功裝置顯示數(shù)值偏小的問題，根據(jù)能量守恒原理，通過二次加載滑行法和無加載滑行法等試驗獲得相關(guān)測試數(shù)據(jù)，建立滾筒底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行算例分析和實(shí)驗驗證，為底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中測功裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償提供理論依據(jù)。

1 底盤測功機(jī)轉(zhuǎn)動中的摩阻分析

1.1 底盤測功機(jī)的車輛檢測精度分析

底盤測功機(jī)的車輛檢測一般是在室內(nèi)利用滾筒模擬路面，讓汽車在滾筒上運(yùn)行時所受到的阻力等同于它在路面上行駛所受到的阻力，從而達(dá)到試車場的測試效果。檢測車輛時，車輛在底盤測功機(jī)上所受的阻力主要有：測功機(jī)的摩擦阻力、測功機(jī)加載阻力、汽車傳動系摩擦阻力、車輪與滾筒間的滾滑阻力及慣性阻力[6-7]。其中底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中本身的摩擦阻力不可忽略，其會加大底盤測功機(jī)的加載阻力，造成被測車輛所受阻力大于在實(shí)際道路上的所受阻力，從而難以準(zhǔn)確地模擬道路行駛工況，影響車輛檢測的準(zhǔn)確度。

1.2 摩擦阻力構(gòu)成因素分析

底盤測功機(jī)運(yùn)行時內(nèi)部摩擦阻力的構(gòu)成非常復(fù)雜，它主要包括滾筒自身轉(zhuǎn)動時的阻力、滾筒兩側(cè)軸承產(chǎn)生的摩擦阻力、聯(lián)軸器摩擦阻力及電力測功機(jī)在運(yùn)行時自身的阻力等運(yùn)動過程中形成的機(jī)械摩擦阻力[8-9]。機(jī)械摩阻大小隨滾筒轉(zhuǎn)速的增加而增大，一般與速度呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為F1=a+bν；另外，在底盤測功機(jī)的運(yùn)行過程中，運(yùn)動部件快速運(yùn)轉(zhuǎn)時也會與空氣產(chǎn)生摩擦而形成空氣阻力，由于測功過程中滾筒運(yùn)行速度快，因此這一部分阻力也不可忽略，其大小可表示為F2=kν2，即底盤測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的摩擦阻力可被看成是機(jī)械阻力與空氣阻力之和，其與滾筒速度的關(guān)系式[10]可表示為F=A+Bν+Cν2。由于摩擦阻力構(gòu)成的復(fù)雜性，要確定該關(guān)系式的系數(shù)A、B、C，單純從理論上推導(dǎo)是難以獲得的，需要通過理論與試驗相結(jié)合，檢測速度點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出摩擦阻力的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)據(jù)擬合方法，得到底盤測功機(jī)實(shí)測過程中其摩擦阻力造成損失的補(bǔ)償關(guān)系。

2 內(nèi)生摩擦阻力的數(shù)模構(gòu)建

式中：Fν0——單滾筒底盤測功機(jī)在待測速度ν0時的內(nèi)生摩擦阻力；

Sν0——單滾筒底盤測功機(jī)所有轉(zhuǎn)動部件的總轉(zhuǎn)動慣量的當(dāng)量質(zhì)量在滑行中相當(dāng)?shù)钠骄瑒泳嚯x；

M——單滾筒底盤測功機(jī)所有轉(zhuǎn)動部件在滑行過程中總轉(zhuǎn)動慣量的當(dāng)量質(zhì)量。

式（1）中除了M為未知量，其他3項Sν0、ν1、ν2均可通過滑行實(shí)驗得出，即欲獲得Fν0，須先求出M。為此，本文采用對單滾筒底盤測功機(jī)進(jìn)行二次加載滑行的方法來獲得M。

二次加載滑行法是通過對底盤測功機(jī)進(jìn)行兩次不同的加載，讓底盤測功機(jī)在沒有車輛時滑行進(jìn)行的檢測[12-13]。單滾筒底盤測功機(jī)第1次開始運(yùn)行前，先給它加載一個阻力值F1，然后讓單滾筒底盤測功機(jī)在加載力F1和內(nèi)生摩擦阻力的共同作用下滑行，選取其運(yùn)行開始時的速度點(diǎn)ν1和結(jié)束時的速度點(diǎn)ν2，記錄這段滑行的時間t1及滑行的距離S1，結(jié)束第1次加載運(yùn)行；然后進(jìn)行第2次加載運(yùn)行開始前，先給單滾筒底盤測功機(jī)加載一個大小不同于F1的加載力F2，然后讓單滾筒底盤測功機(jī)在加載力F2和內(nèi)生摩擦阻力的共同作用下滑行，并保證其開始時和結(jié)束時的速度值與第1次運(yùn)行時的一樣，仍然為ν1和ν2，記錄第2次加載滑行的時間t2及滑行的距離S2。由于速度ν1和ν2與ν0接近，這3種速度運(yùn)行時的單滾筒底盤測功機(jī)產(chǎn)生的摩擦阻力可近似看成相等，利用能量守恒原理可建立以下數(shù)學(xué)模型：

式中：F1——第1次加載運(yùn)行時單滾筒底盤測功機(jī)的加載力；

F2——第2次加載運(yùn)行時單滾筒底盤測功機(jī)的加載力。

聯(lián)解式（2）、式（3）可得：

將M代入式（1）即可求出單滾筒底盤測功機(jī)在待測速度ν0時的內(nèi)生摩擦阻力Fν0。

3 算例分析

以AVL公司生產(chǎn)的型號為AVL Roadsim 48″單滾筒底盤測功機(jī)為例，選取測試速度點(diǎn)ν0=110km/h，空車開動底盤測功機(jī)熱機(jī)至熱平衡狀態(tài)，進(jìn)行二次加載滑行，二次加載載荷分別為100N和200N；開始和結(jié)束測試時的速度分別為ν1=120 km/h和ν2= 100 km/h，二次加載滑行的測得時間分別為39.03 s和27.01s；二次加載滑行的測得距離分別為1691m和964m。然后再讓電機(jī)帶動單滾筒底盤測功機(jī)進(jìn)行無車無加載滑行，開始和結(jié)束測試的速度點(diǎn)同樣分別選為ν1=120 km/h和ν2=100km/h，可測得無加載滑行的滑行時間為64.62 s，滑行距離為5967m；將上述測試數(shù)據(jù)代入Fν0表達(dá)式可得速度ν0=110 km/h時單滾筒底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力Fν0=37.58N。按上述同樣方法，在空載滑行和二次加載F1=100N和F2=200N下滑行，其他速度點(diǎn)（如20，40，60，80，100km/h）的單滾筒底盤測功機(jī)內(nèi)生摩擦阻力相關(guān)情況見表1。

表1 不同速度點(diǎn)的內(nèi)生摩擦阻力

利用表中數(shù)據(jù)進(jìn)行其多項式擬合，可建立其曲線表達(dá)式為

式中：x——速度；

y——單滾筒底盤測功機(jī)內(nèi)生摩擦阻力。

由式（6）可知x4和x3的系數(shù)相對x2的系數(shù)來說很小，即速度的3次方和4次方對單滾筒底盤測功機(jī)內(nèi)生摩擦阻力影響很小，因此單滾筒底盤測功機(jī)的速度與其內(nèi)生摩擦阻力的關(guān)系可近似看成為一條拋物線關(guān)系，其表達(dá)式為

式中x2的系數(shù)相對x項和常數(shù)項較小，說明單滾筒底盤測功機(jī)空氣阻力的影響相對其機(jī)械阻力的影響較?。粁的系數(shù)相對常數(shù)項較小，說明單滾筒底盤測功機(jī)的機(jī)械阻力起點(diǎn)較高，固有機(jī)械阻力較大。

4 試驗驗證

將AVL公司生產(chǎn)的型號為AVL Roadsim 48″單滾筒底盤測功機(jī)的電渦流測功器與變速器之間的連接裝置斷開，由帶動單滾筒底盤測功機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)直接驅(qū)動電渦流測功器運(yùn)轉(zhuǎn)，選取驗證速度區(qū)間16～128 km/h，以16 km/h為速度間隔，在每個速度點(diǎn)測試時，對電渦流測功器加載，直至其運(yùn)轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，則所加載荷即為單滾筒底盤測功機(jī)在該速度點(diǎn)的內(nèi)生摩擦阻力值，然后再至下一速度點(diǎn)，按此方法獲取在各測試速度點(diǎn)的內(nèi)生摩擦阻力值，最后將獲取的結(jié)果與空車滑行數(shù)學(xué)模型計算得到的內(nèi)生摩擦阻力進(jìn)行比較，其結(jié)果如表2。

表2 試驗和數(shù)模計算的內(nèi)生摩擦阻力比較

相對誤差以試驗驗證得到的內(nèi)生摩阻為標(biāo)準(zhǔn)計算獲得。可以看出，數(shù)模計算的單滾筒底盤測功機(jī)內(nèi)生摩阻與試驗驗證的相差較小，變化規(guī)律一致，單滾筒底盤測功機(jī)的速度為ν0=80 km/h時的內(nèi)生摩阻的相對誤差最小，說明本文所建立的單滾筒底盤測功機(jī)內(nèi)生摩擦阻力的數(shù)學(xué)模型基本能反映其實(shí)際情況。

5 結(jié)束語

1）在單滾筒底盤測功機(jī)上進(jìn)行無車狀態(tài)下的無加載滑行和二次加載滑行，通過測量無加載滑行的滑行距離Sν0及在兩次加載F1和F2下的滑行距離S1和S2，即可獲得滾筒底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力Fν0，其數(shù)學(xué)關(guān)系模型為

2）型號為AVL Roadsim 48″單滾筒底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力Fν0與其速度之間存在拋物線關(guān)系，其關(guān)系式可近似表達(dá)為

3）滾筒底盤測功機(jī)的內(nèi)生摩擦阻力隨速度的增加而增大，其中機(jī)械阻力比空氣阻力對滾筒底盤測功機(jī)的影響更大，且機(jī)械阻力的起點(diǎn)較高。

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（編輯：李妮）

Research on mathematical model of com pensation for internal friction resistance of chassis dynamometer in operation

OUYANG Aiguo，LU Jinfu，LIU Yande，WANG Jungang，BI Pengfei
（School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In order to solve the problem that the display value on power testing device was small because of the internal frictional resistance loss in the process of operation of a drum chassis dynamometer and provide theoretical basis for its value compensation.The mathematical model of the internal frictional resistance of a single-drum chassis dynamometer in the operation was established through the test data obtained in the experiment method of the secondary load sliding and the no-load sliding and other related method according to the principle of conservation of energy.The experimental value of internal frictional resistance of a single-drum chassis dynamometer AVL Roadsim 48″(test device)was obtained at the speed of 20，40，60，80，100km∕h and the error between it and the calculating value of mathematical model was less than or equal to 10.47%.The results show that the internal frictional resistance of a drum chassis dynamometer can be obtained by the secondary load value and the sliding distance under secondary load and no-load，and the value of the internal frictional resistance increases with speed，and the friction resistance produced by the air under conventional speed is far less than its mechanical resistance.

chassis dynamometer；internal frictional resistance；mathematical model；slide test

A

1674-5124（2017）05-0124-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.026

2016-10-15；

2016-12-08

國家自然科學(xué)基金項目（51265015）；江西省自然科學(xué)基金項目（20161BAB206153）；江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目（YC2016－S255）；華東交通大學(xué)科研啟動基金資助項目（26441039）

歐陽愛國（1968-），男，江西南昌市人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事車輛性能檢測和現(xiàn)代傳感器測試技術(shù)。