中置式汽車底盤測功機的誤差分析

王明塔

（天津科達動力測控技術(shù)有限公司，天津 300072）

0 引言

中置式汽車底盤測功機是指兩個轉(zhuǎn)鼓直接安裝在電機軸頭兩端的轉(zhuǎn)鼓底盤測功機。這種結(jié)構(gòu)的底盤測功機比傳統(tǒng)直線型底盤測功機（電機放在一側(cè)，兩個轉(zhuǎn)鼓放在一側(cè)，電機與轉(zhuǎn)鼓通過聯(lián)軸器聯(lián)接成一體）結(jié)構(gòu)緊湊，需要地坑尺寸更小，軸承數(shù)量少測量精度高。并且在設(shè)計中可以把測力機構(gòu)，力的標(biāo)定系統(tǒng)放在測功機頂部，使設(shè)備的安裝維護都非常方便，是目前汽車性能檢測領(lǐng)域比較流行的底盤測功機。

1 中置式汽車底盤測功機的誤差分析及修正

中置式汽車底盤測功機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電機轉(zhuǎn)子以及電機定子在電機發(fā)電過程和電動過程中電機勻速運行時的受力如圖2所示。

圖1 中置式汽車底盤測功機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電機轉(zhuǎn)子及電機定子在電機電動運行和發(fā)電運行時受力圖

圖中符號的含義：Me—軸扭矩－測功機軸上的扭矩（N·m）。發(fā)電運行時是測功機軸上（轉(zhuǎn)鼓上）的制動力矩。電動運行時是測功機軸上（轉(zhuǎn)鼓上）的驅(qū)動力矩；Mc—電磁力矩 （N·m）；Mzm—轉(zhuǎn)子軸承摩擦阻力矩 （N·m）；Mdm—定子軸承的摩擦阻力矩（N·m）；Mtm—鐵損等損失（N·m），硅鋼片中磁滯渦流損耗等；Mzf1—電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩（N·m）；Mzf2—轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件風(fēng)阻力矩（N·m）；Mdf1—電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)流攪動對定子的驅(qū)動力矩（N·m）；Mdf2—電機冷卻風(fēng)對定子的驅(qū)動力矩（N·m）；Mf：測功機測力機構(gòu)的約束力矩（N·m）（測功機指示值）。

1.1 發(fā)電運行

轉(zhuǎn)子的平衡關(guān)系式為：

定子的平衡關(guān)系式為：

由于冷卻風(fēng)對定子的附加力矩Mdf2是一個常數(shù)，所以可以在標(biāo)定時開風(fēng)機標(biāo)定測功機的零點就可以消除風(fēng)機冷卻風(fēng)的影響。則式（2）就可以改寫為：

式（1）-式（3）有：

令：ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1

我們稱ΔM為風(fēng)阻附加阻力則：

即中置式汽車底盤測功機發(fā)電運行時轉(zhuǎn)鼓制動扭矩Me等于測功機指示值Mf和定子軸承阻力Mdm之和再加上風(fēng)阻附加阻力ΔM。

1.2 電動運行

轉(zhuǎn)子的平衡關(guān)系式為：

定子的平衡關(guān)系式為：

標(biāo)定時開冷卻風(fēng)機標(biāo)定測功機的零點消除冷卻風(fēng)阻Mdf2的影響。則式（7）改寫為：

將式（8）代入式（6）中

令ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1則有：

即中置式汽車底盤測功機電動運行時電機軸輸出扭矩Me等于測功機指示值Mf和定子軸承阻力Mdm之和再減去風(fēng)阻附加阻力ΔM。

1.3 中置式汽車底盤測功機測量值的修正

為了得到測功機軸上準(zhǔn)確的制動和驅(qū)動扭矩必須對測量指示值進行修正。下面分別分析各項影響因素和修正方法。

1.3.1 測功機冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩Mdf2。

測功機冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩是由于冷卻空氣沖擊定子外殼產(chǎn)生的附加扭矩。減少測功機冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩和修正方法為：

（1）設(shè)計冷卻風(fēng)道盡量沿電機定子外殼的軸線方向，使附加扭矩盡量小。

（2）Mdf2與測功機轉(zhuǎn)速及負(fù)荷無關(guān)，僅與冷卻風(fēng)量有關(guān)，所以冷卻風(fēng)附加扭矩Mdf2基本上是常數(shù)，所以可以標(biāo)定時開風(fēng)機設(shè)定測功機零點來修正。

1.3.2 定子軸承摩擦阻力Mdm的修正

定子軸承的摩擦阻力Mdm與軸承徑向載荷有關(guān)。而軸承的徑向載荷主要取決于電機轉(zhuǎn)子和定子的總重量，測功機的負(fù)荷，兩個軸承的同軸度，以及測功機軸與被測機械軸的同軸度有關(guān)。所以要準(zhǔn)確的計算和測量是很困難的。

對于一般測功機而言只要設(shè)計合理，加工精度和安裝精度能夠保證，定子軸承的阻力相對來說很小，可以忽略不計。而對于中置式汽車底盤測功機定子軸承的徑向負(fù)荷除了電機重力以及測力傳感器引起的徑向負(fù)荷外還有兩個轉(zhuǎn)鼓的重力，壓在轉(zhuǎn)鼓上試驗用車輛的重力，以及沿轉(zhuǎn)鼓表面切線方向的制動力都會增加定子軸承的徑向負(fù)荷。初步估算在最大車重，最大制動力時定子軸承的摩擦阻力高達70多N.m。折合到轉(zhuǎn)鼓輪表面相當(dāng)于120N的阻力。所以必須采用適當(dāng)?shù)拇胧┬拚?/p>

圖3是消除定子軸承摩擦阻力的一種方法。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電機每端定子是用一個軸承支撐，測量時定子軸承不旋轉(zhuǎn)，只是在很小的范圍內(nèi)擺動。而改進結(jié)構(gòu)電機每端的定子是用雙軸承支撐，并且兩個軸承中間加裝一個旋轉(zhuǎn)套。旋轉(zhuǎn)套在電機鏈子的帶動下慢速旋轉(zhuǎn)。并且為了避免牽引力信號偏移，定子兩端驅(qū)動鏈子的電機旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣就保證了驅(qū)動中產(chǎn)生的動摩擦相互抵消。通過改進把克服一個軸承的靜摩擦變?yōu)榭朔蓚€軸承的動摩擦。這樣可以使定子軸承的摩擦阻力趨近于零。很好的消除了定子軸承摩擦阻力對測量的影響，并有效的消除了測量中測量滯后的現(xiàn)象。

圖3 消除定子軸承摩擦阻力的一種方法

1.3.3 風(fēng)阻附加阻力ΔM的修正

其中：Mzf1：電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩（N·m）；Mzf2：轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件風(fēng)阻力矩（N·m）；Mdf1：電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)流攪動對定子的驅(qū)動力矩（N·m）。

一般電機轉(zhuǎn)子和定子在一個密閉的空間，所以可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起空氣動能全部傳給定子外殼?？諝鈱D(zhuǎn)子的阻力Mzf1和空氣對定子的驅(qū)動力Mdf1相等。即Mzf1≈Mdf1。一般的測功機輸出軸上沒有轉(zhuǎn)鼓等大的旋轉(zhuǎn)件，可認(rèn)為Mzf2→0。所以一般測功機可以近似認(rèn)為ΔM=0。而對于中置式汽車底盤測功機轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件攪動空氣的阻力無法傳遞到測功機定子外殼，所以此阻力測力機構(gòu)測量不出來，故必須進行修正。修正方法如下：

從式 （10）可知測功機電動運行時有Me=Mf+Mdm-ΔM。當(dāng)測功機軸上無輸出時，也就是中置式汽車底盤測功機轉(zhuǎn)鼓上不放車，測功機空轉(zhuǎn)。則Me=0。式（10）可寫為ΔM=Mf+Mdm。如前所述Mdm→0則有ΔM=Mf。即底盤測功機電動勻速運轉(zhuǎn)時測功機指示值Mf即為該轉(zhuǎn)速測功機的風(fēng)阻附加值ΔM。改變測功機的轉(zhuǎn)速就可以測出不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)阻附加值。最后擬合出ΔM=f（n）的關(guān)系方程，便可以對風(fēng)阻附加值ΔM進行修正。

2 結(jié)束語

中置式汽車底盤測功機由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，軸承數(shù)量少，占用地坑面積小的特點。通過對影響中置式測功機系統(tǒng)各個因素的修正就可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動力矩或制動力矩。當(dāng)測功機電動運行時轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動力矩Me等于測功機的指示值Mf減去風(fēng)阻附加阻力ΔM，即Me=Mf-ΔM。當(dāng)測功機發(fā)電運行時轉(zhuǎn)鼓的制動力矩Me等于測功機指示值加上風(fēng)阻附加阻力ΔM，即Me=Mf+ΔM。通過對影響因素的修正，使中置式汽車底盤測功機的測量更加準(zhǔn)確。