四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀的研發(fā)與應(yīng)用

呂慶斌?劉嘉靖?鄔洋?郭鸞

摘要：針對(duì)四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)在實(shí)際使用過程中，進(jìn)行速度同步性校準(zhǔn)和滑行時(shí)間檢測(cè)的需求，并且考慮到計(jì)量部門進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)時(shí)，對(duì)四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)前后轉(zhuǎn)鼓同時(shí)進(jìn)行計(jì)量的實(shí)際需要，研發(fā)了一種四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀。實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)試儀不僅可以有效地測(cè)量滑行時(shí)間等參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)多通道同步測(cè)量，來完成前后轉(zhuǎn)鼓速度同步性等參數(shù)的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī) 速度同步性校準(zhǔn) 滑行時(shí)間 多通道同步測(cè)量

Abstract： A sliding time tester of for four-wheel drive （4WD） vehicle chassis dynamometer is developed， considering the test demand of speed synchronization calibration， sliding time and the calibration of front and rear drum for the metrology department at the same time. Experiments show that the tester not only can effectively measure parameters such as sliding time， also can realize multi-channel synchronous measurement， to complete the measurement of front and rear drum speed synchronization parameters.

Key words： 4WD vehicle chassis dynamometer， speed synchronization calibration， sliding time， multi-channel synchronous measurement

0 引言

底盤測(cè)功機(jī)，又稱轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，是一種室內(nèi)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)設(shè)備。汽車底盤測(cè)功機(jī)通過滾筒模擬路面，計(jì)算出道路模擬方程，并用加載裝置進(jìn)行加載模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車各種工況的準(zhǔn)確模擬。汽車在道路上行駛時(shí)，汽車相對(duì)于靜止的路面做縱向運(yùn)動(dòng)，在底盤測(cè)功機(jī)上是以轉(zhuǎn)鼓的表面來取代路面，這時(shí)轉(zhuǎn)鼓的表面相對(duì)于靜止的汽車作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，使用汽車底盤測(cè)功機(jī)模擬汽車的行駛阻力（與一定的計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合），使汽車受力狀況如同在道路上行駛，從而可以在不解體整車狀態(tài)下檢測(cè)汽車動(dòng)力性、多工況排放指標(biāo)、燃油指標(biāo)等各項(xiàng)性能指標(biāo)。同時(shí)能方便地進(jìn)行汽車的加載調(diào)試和診斷汽車在負(fù)載條件下出現(xiàn)的故障等。由于汽車底盤測(cè)功機(jī)在試驗(yàn)時(shí)能通過控制試驗(yàn)條件，使周圍環(huán)境影響減至最小，同時(shí)通過功率吸收加載裝置來模擬道路行駛阻力，控制行駛狀況，故能進(jìn)行符合實(shí)際的復(fù)雜循環(huán)試驗(yàn)，因而得到汽車制造廠、機(jī)動(dòng)車檢測(cè)站、維修站和4S店的廣泛應(yīng)用。

底盤測(cè)功機(jī)分為兩類：?jiǎn)螡L筒底盤測(cè)功機(jī)和雙滾筒底盤測(cè)功機(jī)。近年來因電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，為數(shù)據(jù)的采集、處理及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了有效的手段，同時(shí)為模擬道路狀態(tài)準(zhǔn)備了條件，加速了底盤測(cè)功機(jī)的發(fā)展，加之各類專用軟件的開發(fā)和應(yīng)用，使汽車底盤測(cè)功機(jī)得到了廣泛的推廣。

由于底盤測(cè)功機(jī)的重要作用，長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)均對(duì)其展開了研究與探討。如：王建強(qiáng)、何鳳江等人[1]通過研究驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和反拖狀態(tài)下的受力分析，在雙滾筒底盤測(cè)功機(jī)上利用反拖法求出了汽車在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的滾阻，但是由于反拖時(shí)并未考慮到傳動(dòng)系產(chǎn)生的阻力從而導(dǎo)致了測(cè)試精度也不是很高。過學(xué)迅、李玉民[2]等系統(tǒng)地探討了轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的模擬原理，但是由于所研究的底盤測(cè)功機(jī)為國(guó)外20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，使得其測(cè)試精度不是很高。華東交通大學(xué)肖文龍[3]以單滾筒底盤測(cè)功機(jī)為研究對(duì)象，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)進(jìn)行了研究，以測(cè)試底盤測(cè)功機(jī)的加載阻力。劉志雄對(duì)底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析[4]，提出了對(duì)誤差進(jìn)行校正的方法，旨在提高底盤測(cè)功機(jī)的測(cè)試精度，以期為同類產(chǎn)品的研究與開發(fā)提供參考。長(zhǎng)安大學(xué)王曉東[5]提出了一種具有較高精確度的用底盤測(cè)功機(jī)模擬被測(cè)車輛道路行駛阻力的加載力計(jì)算方法。武漢理工大學(xué)劉偉[6]借鑒和吸收了以往先進(jìn)的研究成果，開發(fā)和研究了針對(duì)電動(dòng)汽車的室內(nèi)測(cè)試設(shè)備汽車底盤測(cè)功機(jī)的相關(guān)技術(shù)。胡博[7]設(shè)計(jì)了一種基于總線的汽車底盤測(cè)功機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)按功能劃分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn)，并由轉(zhuǎn)接口電路實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信。基于總線進(jìn)行設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)分工明確，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)化。畢朋飛[8]以AVL Roadsim型48英寸 （1英寸=25.4毫米）單滾筒底盤測(cè)功機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，以江鈴寶典 2007款為試驗(yàn)車輛，采用正向加載試驗(yàn)和反拖試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在免拆卸狀態(tài)下檢測(cè)出汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的功率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出汽車的傳動(dòng)效率。張訓(xùn)[9]在詳細(xì)分析汽車道路上和底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行受力情況的基礎(chǔ)上， 采用電模擬阻力加載裝置建立了測(cè)功機(jī)電模擬模型。吉林大學(xué)王文揚(yáng)[10]設(shè)計(jì)了由PC機(jī)和I/O板、A/D板組成的底盤測(cè)功機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。前述對(duì)汽車測(cè)功機(jī)的研究主要集中在對(duì)測(cè)功機(jī)本身機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)開展的研究工作相對(duì)較少。并且研究對(duì)象也多是用于單軸車輛動(dòng)力性等測(cè)試的測(cè)功機(jī)。

基于目前傳統(tǒng)底盤測(cè)功機(jī)中存在的上述問題，本文提出并研發(fā)了一種四輪汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀。該底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀通過讀取接觸式轉(zhuǎn)速采集裝置中編碼器的脈沖信號(hào)周期測(cè)量測(cè)功機(jī)滾筒表面線速度，再用高精確度的溫補(bǔ)晶振計(jì)時(shí)來記錄滑行時(shí)間，從而對(duì)汽車底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)性能做校準(zhǔn)。并且本滑行測(cè)試儀還可以進(jìn)行多通道測(cè)量，有效提高計(jì)量效率。該裝置主要包括機(jī)械部分和電氣信息采集部分，將在本文接下來的章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 滑行時(shí)間測(cè)試儀設(shè)計(jì)與研發(fā)

1.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)原理

機(jī)械部分采用的是接觸式轉(zhuǎn)速采集裝置，該裝置主要有尼龍計(jì)量輪、編碼器、鋁合金拐臂、鋁合金連桿、鋁合金調(diào)整絲桿、阻尼器、拉簧、磁力座和鎖緊把手等組成，如圖1所示。

圖1 測(cè)速滾輪裝置示意圖

為提升轉(zhuǎn)速采集裝置整體的可攜帶便利性、可操作性，同時(shí)又不降低各項(xiàng)使用性能。采集裝置主體使用高強(qiáng)度鋁合金，選用該種鋁合金材料可以在保證機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)最大程度地降低該裝置的重量，方便攜帶。加工完成后對(duì)鋁合金工件進(jìn)行表面工藝處理以提高耐用性和美觀度。直接與滾筒等接觸的尼龍計(jì)量輪，綜合考慮其耐磨性、耐腐蝕性，以及合理的加工工藝性，選用黑色尼龍棒整體一次加工而成，充分保證尼龍計(jì)量輪加工時(shí)對(duì)同軸度、平面度、表面粗糙度等要求。由于汽車底盤測(cè)功機(jī)在工作過程中轉(zhuǎn)速較高，并且受到裝配、加工等因素的影響，底盤測(cè)功機(jī)的滾筒在工作過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。為了最大程度減小計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的震動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響，在整個(gè)測(cè)試儀機(jī)械裝置設(shè)計(jì)中加入了彈性、阻尼系統(tǒng)。磁力座連接桿采用滾花工藝可有效防止連接桿和滾輪臂的滑移旋轉(zhuǎn)，起到了固定連接桿和滾輪臂的作用，限制兩者在其他運(yùn)動(dòng)方向上的自由度。緊固卡機(jī)構(gòu)可支持人工緊固，在該過程中無(wú)需借助其他工具，可以方便快捷地對(duì)各連接部件起到固定的作用。然后將直徑130mm的耐磨材料的硬質(zhì)橡膠滾輪與汽車底盤測(cè)功機(jī)相切接觸，通過支撐座的彈性壓力來和滾輪表面緊密貼合旋轉(zhuǎn)來測(cè)量滾輪轉(zhuǎn)度。最后利用編碼器經(jīng)過電氣信號(hào)采集系統(tǒng)計(jì)算輸出滾筒表面的線速度，再用高精確度的溫補(bǔ)晶振計(jì)時(shí)來記錄滑行時(shí)間，從而對(duì)汽車底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量過程中的滑行時(shí)間進(jìn)行測(cè)量與讀取。

1.2 電氣部分設(shè)計(jì)原理

所研發(fā)的四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀的電氣部分硬件主要包括以下組成元器件：（1）編碼器；（2）AC633板卡；（3）Linux開發(fā)板imx283A板卡；（4）7寸（1寸=33.3mm）彩色觸控液晶顯示器等。Linux開發(fā)板負(fù)責(zé)人機(jī)界面顯示、檢測(cè)項(xiàng)目流程控制、數(shù)據(jù)處理顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。7寸電容屏，主要提供人機(jī)交互界面，可供觸摸操作。使用過程中位于接觸式采集裝置上的編碼器主要完成對(duì)尼龍車輪的車速的采集。編碼器采集完車速信號(hào)之后，AC633板卡主要是通過軟件對(duì)編碼器采集的車速信號(hào)進(jìn)行處理，在軟件中主要速度采集使用定時(shí)周期采集編碼器脈沖數(shù)量，可以計(jì)算出頻率，然后每次頻率都緩存到一個(gè)數(shù)組中，數(shù)組緩存50個(gè)，在這50個(gè)頻率中去掉最大值、最小值后取平均值得到當(dāng)前頻率，頻率與速度的關(guān)系為：

式中：

vi——掃頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)定輸出的標(biāo)準(zhǔn)速度值，km/h；

fi——掃頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)定輸出頻率值，kHz；

N——編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)；

D——速度采樣器轉(zhuǎn)動(dòng)輪的直徑，mm。

根據(jù)上述公式計(jì)算得出頻率每變化1kHz，速度相應(yīng)的變化0.68014933km/h。在軟件中滑行時(shí)間是在20ms頻率計(jì)算中斷函數(shù)里面判斷頻率是否到達(dá)開始計(jì)時(shí)頻率，如果開始就啟動(dòng)定時(shí)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，判斷到達(dá)計(jì)時(shí)結(jié)束頻率點(diǎn)，就停止計(jì)時(shí)，在開始和結(jié)束計(jì)時(shí)的點(diǎn)利用二次擬合的方法進(jìn)行修正，最終得到精確的滑行時(shí)間。最后，將處理好的車速和滑行時(shí)間數(shù)通過linux平臺(tái)在7寸彩色觸控液晶顯示器上進(jìn)行顯示和設(shè)定相關(guān)的參數(shù)。所研發(fā)的四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀車速采集采用雙通道同步采樣硬件，雙通道的車速信號(hào)在經(jīng)過車速板單片機(jī)處理后由主控板通過串口查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過單片機(jī)高速、并行地對(duì)兩通道數(shù)據(jù)同時(shí)采樣，核心板同時(shí)對(duì)兩通道數(shù)據(jù)做采樣、分析、處理，來完成雙通道同步測(cè)量的功能。

除此之外，該設(shè)備對(duì)車速進(jìn)行高精度測(cè)量，選用直徑130mm的滾輪裝置貼合被測(cè)臺(tái)體滾筒，滾輪裝置采用高精度編碼器，優(yōu)化計(jì)數(shù)法主要通過單片機(jī)對(duì)車速脈沖信號(hào)輸入做硬件自動(dòng)捕獲計(jì)數(shù)，并通過對(duì)定時(shí)器功能寄存器配置使能輸入信號(hào)毛刺濾波，并且硬件毛刺濾波不影響車速響應(yīng)時(shí)間和采樣周期，較好地避免了滾輪裝置和滾筒間的震動(dòng)或電磁干擾引起的輸入信號(hào)毛刺波動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

根據(jù)本文所研發(fā)的四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀基本原理和測(cè)量方法，對(duì)該測(cè)試儀的具體應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

該實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要針對(duì)車速和滑行時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，在尼龍車輪直徑和編碼器脈沖數(shù)不變的情況下，通過改變掃頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)定輸出頻率值，對(duì)車速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量記錄如表1所示。

根據(jù)車速記錄表可以看出，在不同掃頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)定輸出頻率值的情況下，該測(cè)試儀所測(cè)車速均能很好地與理論車速吻合。

設(shè)置不同的掃頻時(shí)間，對(duì)滑行時(shí)間進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，測(cè)量記錄如表2所示。

通過滑行時(shí)間記錄表可以看出，利用該測(cè)試儀測(cè)得的實(shí)際滑行時(shí)間與理論計(jì)算滑行時(shí)間基本一致，誤差均在1ms以內(nèi)。并且設(shè)置的掃頻時(shí)間越長(zhǎng)，該儀器的測(cè)量精度越高。

3 滑行時(shí)間測(cè)試儀的應(yīng)用

利用本文研發(fā)的滑行時(shí)間測(cè)試儀，開展了北京市科技計(jì)劃課題（課題編號(hào)：Z161100003016002）：國(guó)產(chǎn)質(zhì)監(jiān)計(jì)量科學(xué)儀器驗(yàn)證與綜合評(píng)價(jià)能力研發(fā)培育，進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)備的功能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了較高的技術(shù)水平。

因此，高精度雙通道同步測(cè)量的檢測(cè)線綜合計(jì)量?jī)x可以有效提高計(jì)量效率，并提高計(jì)量精度，可以滿足更多的計(jì)量項(xiàng)目，將會(huì)更廣泛應(yīng)用于汽車制造廠、機(jī)動(dòng)車檢測(cè)站、維修站和4S店。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了一款四驅(qū)汽車底盤測(cè)功機(jī)用滑行時(shí)間測(cè)試儀的工作原理與應(yīng)用，該測(cè)試儀通過讀取接觸式轉(zhuǎn)速采集裝置中編碼器的脈沖信號(hào)周期測(cè)量測(cè)功機(jī)滾筒表面線速度，再用高精確度的溫補(bǔ)晶振計(jì)時(shí)來記錄滑行時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明該測(cè)試儀在測(cè)量滑行時(shí)間上具有較高的精度，并在機(jī)動(dòng)車檢測(cè)行業(yè)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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