基于測功機的工程機械底盤動力性能實驗誤差分析與方法研究

趙瑋 王強 何曉暉

摘要：為減小測功機自身損耗功率對底盤動力性能測量精度的影響，提出一種反拖模擬掛車測量測功機自身損耗功率的方法，測量結(jié)果用于對底盤損耗功率進行修正。對某型工程機械進行底盤動力性能測試和實驗數(shù)據(jù)分析，評價機械底盤的傳動效率與發(fā)動機的輸出功率，結(jié)果表明，該方法有效地降低工程機械自重導致測功機自身損耗功率變化對底盤動力性能測試的影響，提高測量結(jié)果的精度，為工程機械底盤維修提供有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：工程機械;底盤測功機;動力性能;掛車

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0151-06

0 引言

目前國內(nèi)外輪式工程機械一般采用底盤測功平臺進行整車動力性能測試，且以底盤損耗功率來評價工程機械底盤傳動系統(tǒng)的性能[1]。

收稿日期：2017-12-10;收到修改稿日期：2018-04-13

作者簡介：趙瑋（1984-），男，山西太原市人，講師，博士，研究方向為軍用工程機械機電一體化技術(shù)。

測功機空載狀態(tài)下，滾筒、軸承摩擦以及功率吸收裝置的自身損耗功率往往很小，所以底盤性能測試過程中，通常主要進行底盤輸出功率和車輛底盤損耗功率的測量，對測功機自身損耗視為變化不大而予以忽略。但是研究發(fā)現(xiàn)，忽略測功機在工作狀態(tài)下的自身損耗功率對于上述兩個指標的測量結(jié)果影響較大，因此準確測量測功機損耗功率以及底盤損耗功率是非常重要的。文獻[2]通過運用轉(zhuǎn)鼓實驗臺反拖車輛，測量轉(zhuǎn)鼓實驗臺內(nèi)部、驅(qū)動輪滾動阻力和汽車傳動系統(tǒng)的摩擦損耗，測量出汽車驅(qū)動輪功率曲線;文獻[3]采用內(nèi)部損耗功率補償?shù)姆绞?，對測功機底盤損耗功率進行了一定程度上的修正;文獻[4]有效解決了底盤測功機測試過程中輪胎滾動阻力與路面行駛時實際滾動阻力失準的問題;文獻[5]分別采用了空載滑行法與能力法對測功機自身損耗進行了一定的修正。文獻[6]系統(tǒng)分析了運用底盤測功機進行底盤性能測試過程中車輛以及測功機臺架受到的阻力，文獻[7]針對臺架內(nèi)阻產(chǎn)生的原因以及對測量結(jié)果進行了分析;文獻[8]利用測功機恒定轉(zhuǎn)速模式對前驅(qū)和后驅(qū)模式車輛進行了底盤動力性能測試，并通過發(fā)動機性能測試對底盤傳動系統(tǒng)效率進行綜合評判;文獻[9]采用拆除車輪并將輪轂連接測功機進行底盤傳動系統(tǒng)的性能測試，有效避免了輪胎摩擦阻力對底盤動力性能測試的影響。

為了更準確地提高底盤的各項性能指標的測試精度，本文以交流異步電機作為測功機加載裝置，通過測量模擬底盤的掛車對測功機臺架的自身損耗功率對底盤的傳動效率進行修正。為了更好地對工程機械底盤維修效果作評價，運用底盤測功機對某型工程機械做修理前后的底盤動力性能測試，能夠更準確地反映機械底盤的傳動效率并同時評價發(fā)動機性能。

1 底盤測功機模擬工程機械道路行駛阻力模型研究

輪式工程機械的行駛阻力為滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡度阻力之和[10]，表達為

F=A+Bv+Cv²+δmdv/dtmgsinβ（1）

式中：F——工程機械道路行駛阻力，N;

v——工程機械行駛速度，m/s;

δ——機械旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);

m——工程機械質(zhì)量，kg;

β——爬坡角度，rad;

A、B、C——待定系數(shù)，通過工程機械道路滑行實驗獲得[11]。

輪式工程機械在底盤測功平臺上進行底盤性能測試時，測功機模擬工程機械在道路上行駛時受到的各種阻力，其計算公式如下：

式中：F_R——機械在測功平臺上的模擬行駛阻力，N;

I_R——工程機械車輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m²;

I_r——測功平臺滾筒等旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m²;

R——工程機械輪胎半徑，m;

r——測功機滾筒半徑，m;

A₁、B₁、C₁——待定系數(shù)，通過機械在測功平臺的滾筒上的滑行實驗獲得，與道路滑行實驗獲得的A、B、C方法類似。

電力測功機作為工程機械的模擬阻力加載裝置進行加載試驗llz一ls]，可以滿足測功與反拖工程機械的一體化，異步電機通過變速箱等與工程機械底盤測功平臺的滾筒連接，工程機械在滾筒上行駛，異步電機為待測工程機械提供模擬阻力負載，并且把測功機轉(zhuǎn)動時輸出的機械轉(zhuǎn)化為電能回饋至電網(wǎng)。底盤測功機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

底盤測功機加載至滾筒的模擬阻力矩T_R為

式中：ω_r——測功機滾筒轉(zhuǎn)速，rad/s;

A₂、B₂、C₂——待定系數(shù)，通過式（2）的A₁、B₁、C₂與滾筒半徑r的關(guān)系獲得。

當測功機滾筒轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速ω_r與電機加載至測功機滾筒處轉(zhuǎn)矩T_G為相同的方向時，此時電機處于電動狀態(tài)，T_G設為正值;反之，電機處于發(fā)電狀態(tài)時，T_G為負值，測功機需要提供的阻力轉(zhuǎn)矩經(jīng)過測功機變速箱傳遞至滾筒處為T_R為

T_R=T_D+T_G（5）

式中：T_D——測功機自身等效阻力矩，由等效加速轉(zhuǎn)矩、電機、變速箱等摩擦轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，N·m;

J_D——為測功電機與其變速箱的等效至滾筒處的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m²;

B_D——定義為測功機內(nèi)部摩擦阻力與轉(zhuǎn)速比，N·s/rad;

T_G——異步電機電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的經(jīng)變速箱等效至滾筒處的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m。

對底盤測功系統(tǒng)做受力分析，T_C 為工程機械底盤給滾筒的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，假設作用在測功機滾筒上的總外力矩為T_ω，其計算公式為

T_ω=T_C-T_R-T_D

可表示為關(guān)于ω_r的表達式

對式（8）進行拉氏變換，得

測功機加載控制系統(tǒng)原理如圖2所示，在這種加載控制方法中，滾筒轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器獲得，加載轉(zhuǎn)矩通過測功機平臺固有性能參數(shù)以及被測工程機械型號、測試工況環(huán)境等條件計算獲得，加載前先通過從計算機數(shù)據(jù)庫內(nèi)符號被測裝備型號、實驗工況的數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)速與相關(guān)參數(shù)計算實時加載轉(zhuǎn)矩。

2 工程機械底盤損耗功率測試試驗研究

2.1 工程機械底盤輸出功率分析

輪式工程機械功率傳輸線路中，發(fā)動機是工程機械的動力源，其動力依次經(jīng)過液力變矩器、變速箱、萬向節(jié)、傳動軸、驅(qū)動橋中的主減速器、差速器和半軸傳到驅(qū)動輪。由發(fā)動機到驅(qū)動輪之間的裝置構(gòu)成了工程機械的底盤傳動系統(tǒng)。輪式工程機械底盤測功機測試驅(qū)動輪輸出功率時，動力傳遞路線為工程機械傳動系、驅(qū)動輪、滾筒、齒輪變速箱，最后傳遞到交流電力測功電機。

輪式工程機械在底盤測功機上進行功率檢測試驗時，假設輪胎與測功機滾筒之間不發(fā)生相對滑動，則發(fā)動機經(jīng)過液力變矩器輸出的有效功率可以表示為P_h

P_h=P_t+P_D+P_S（10）

式中：P_t——工程機械傳動系統(tǒng)損耗功率，kW;

P_D——底盤測功機損耗功率，kW;

P_S——測功機滾筒連接軸的傳感器顯示功率，kW。

2.2 測功機自身損耗功率測試方法研究

在測功機損耗功率測試中，傳統(tǒng)方法是測功機空轉(zhuǎn)，設定不同的轉(zhuǎn)速，測量不同滾筒轉(zhuǎn)速下的連接滾筒的軸的轉(zhuǎn)矩，計算測功機損耗功率。在實際測量測功機臺架損耗過程中，由于工程機械的自重對測功機的壓力，導致測功機底盤損耗功率比測功機空載損耗功率大。為了正確反映不同型號與規(guī)格工程機械對測功機損耗功率的影響，本文采用一種模擬底盤測量方法，制作一個通用型的掛車。圖3

圖3測功機反拖不同質(zhì)量的掛車消耗功率分為3t和5t的模擬底盤在不同反拖速度情況下，測功機自身損耗功率測試曲線。

通過圖3得知，反拖不同質(zhì)量的模擬底盤掛車，測功機損耗功率不同。質(zhì)量大的相應的底盤測功機損耗也隨之增大，且隨著滾筒的轉(zhuǎn)速的增大測功機損耗功率也隨之增大。為了準確測量反拖不同質(zhì)量機械情況下底盤測功機自身損耗功率，使掛車的質(zhì)量與重物質(zhì)量之和與被測工程機械相同，且重心位置與工程機械重心位置基本保持一致。

圖4（a）與圖4（b）分別為測功機空載運行自身損耗功率與反拖某型號工程機械等質(zhì)量掛車底盤測功機在轉(zhuǎn)速不同情況下測功機自身損耗功率。通過測試結(jié)果圖4（a）、圖4（b）對比發(fā)現(xiàn)，機械自重導致的底盤損耗功率遠大于測功機空運轉(zhuǎn)損耗功率。在傳統(tǒng)的測量方式中，測功機自身損耗功率遠小于機械底盤損耗功率，對底盤動力性能測試精度影響非常小;但在實際測試過程中，由于工程機械的自重導致的底盤測功機損耗功率較大，運用本文的方法可以有效地避免在測試過程中由于工程機械自身重量導致的測功機自身損耗功率的測量誤差。

2.3 工程機械底盤損耗功率測量方法

工程機械底盤損耗功率測試反映工程機械傳動系統(tǒng)的狀況，測功機反拖工程機械獲得的功率損耗數(shù)據(jù)為機械底盤損耗功率以及測功機臺架損耗功率之和。對同一臺工程機械修理前與修理后進行底盤反拖試驗，其測量結(jié)果如圖5所示。

對圖進行分析，機械底盤損耗功率隨著機械行駛速度逐漸增大，測功機反拖工程機械的損耗功率大于機械傳動系統(tǒng)損耗功率。工程機械底盤損耗功率的測量，采用測量底盤測功機反拖工程機械損耗功率與反拖工程機械自身質(zhì)量相同的掛車的底盤測功機損耗功率之差修正后獲得。同時對比圖5（a）、圖5（b），經(jīng)過大修后，工程機械的底盤損耗功率較大修前小，底盤傳動效率得到了明顯提高。

3 工程機械底盤輸出功率測試試驗研究

工程機械的底盤動力性能可以通過測試測功機自身損耗功率測試、工程機械底盤傳動系統(tǒng)損耗功率測試以及工程機械在底盤輸出功率測試獲得。分別對大修前后的底盤性能進行測試試驗，可以評判工程機械的維修質(zhì)量。運用此方法對某型推土機進行底盤輸出功率測試，已知推土機發(fā)動機額定功率為168kW。測試方法為工程機械從停止開始啟動，隨著測功機滾筒轉(zhuǎn)速以及測功機模擬阻力的增大，工程機械不論是前輪和后輪輸出功率都隨之增大。底盤輸出達到最大值時，隨著轉(zhuǎn)速即工程機械行駛速度的升高，由于工程機械驅(qū)動力不足，調(diào)節(jié)測功機加載阻力逐漸緩慢降低，保證工程機械不熄火的情況下繼續(xù)測量在該行駛速度下工程機械底盤輸出功率，其測量結(jié)果如圖6所示。

對圖分析可以得知：1）由于工程機械自身結(jié)構(gòu)的原因，無論是修前還是修理后，其后輪的輸出功率要大于前輪的輸出功率;2）通過對工程機械底盤進行維修，大修后的底盤輸出功率大于大修前的狀態(tài)，可以證明維修后底盤傳動系統(tǒng)的傳動效率得到提高;3）由于工程機械各檔的最大驅(qū)動力不同，工程機械各檔的輸出最大功率不同，且達到最大輸出功率時對應的工程機械行駛速度也不相同。工程機械在三檔情況下底盤輸出功率的峰值要大于其他兩擋。工程機械在不同檔位條件下，不論前后輪和整車底盤輸出功率均比大修前要大。4）工程機械整車底盤輸出功率峰值：大修前二檔75.1kW，測功機滾筒轉(zhuǎn)速105r/min;三檔79.3kW，測功機滾筒轉(zhuǎn)速160r/min;四檔 67.3kW，測功機滾筒轉(zhuǎn)速180r/min;大修后二檔82.1kW，測功機滾筒轉(zhuǎn)速105r/min;三檔89.8kW，測功機滾筒轉(zhuǎn)速160r/min;四檔78.8kW，測功機滾筒轉(zhuǎn)速180r/min。

在不考慮工程機械輪胎與測功機滾筒發(fā)生相對滑動損耗功率以及工程機械附件損耗功率的前提下，以工程機械最大輸出功率點計算發(fā)動機輸出功率，工程機械發(fā)動機經(jīng)過液力變矩器輸出的功率Phmax為

P_hmax=P_smax+P_D+P_t（11）式中：P_smax——測功機傳感器上顯示的工程機械底盤最大輸出功率，kW;

P_D——在P_smax時，即工程機械在此速度行駛

條件下測功機底盤測功損耗功率，kW;

P_t——在P_smax時，即工程機械在此速度行駛條

件下工程機械傳動系統(tǒng)損耗功率，kW。

工程機械傳動系統(tǒng)損耗功率，即工程機械在三檔條件下測功機顯示工程機械底盤輸出最大功率89.8kW，此時測功機滾筒轉(zhuǎn)速160r/min，工程機械行駛速度為14.6km/h，采用傳統(tǒng)的忽略工程機械質(zhì)量對測功機自身損耗影響的測量方法，底盤傳動系統(tǒng)的損耗功率為21.3kW，采用本文的反拖掛車的方法，工程機械自重導致底盤測功機自身損耗為3.9kW，則此速度下工程機械底盤傳動系統(tǒng)實際損耗功率為Pt，根據(jù)式（10）獲得為17.4kW。本文方法測得工程機械發(fā)動機經(jīng)過液力變矩器輸出的最大功率為120.9kW，傳統(tǒng)方法為117kW，被測機械的底盤傳動系統(tǒng)的效率實際為74.3%。

由于已知液力變矩器的傳動效率η=80%，利用本文構(gòu)建的實驗系統(tǒng)進行測試，被測工程機械發(fā)動機輸出的最大功率151.1kW，而采用傳統(tǒng)的方法獲得發(fā)動機輸出的最大功率146.2kW。將該發(fā)動機拆卸后進行發(fā)動機臺架實驗，測得功率為153.4kW，偏差率為1.50%，采用傳統(tǒng)的方法偏差率為4.67%。采用本文的方法較傳統(tǒng)方法更加合理，測試精度更高。

4 結(jié)束語

通過建立工程機械在底盤測功平臺上的模擬阻力模型并分析工程機械底盤在測功機上運行過程中功率的損耗;提出一種反拖模擬掛車的方法，通過反拖工程機械等質(zhì)量掛車，對測功機自身損耗功率進行有效的修正，有效地避免在測試過程中由于機械自重導致的的測量誤差，提高了測試精度。運用修正后的實驗方法對大修理前后的某型工程機械進行底盤動力性能實驗，通過精確的試驗數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的認為觀測方法分析底盤的動力性能，為輪式機械的底盤動力性能評價與維修提供有力的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

[1]趙瑋，王強，李艷峰.基于底盤測功機的輪式工程機械底盤動力性能測試[J].中國工程機械學報，2011，9（3）：348-351.

[2]歐陽愛國，畢鵬飛，劉燕德.基于轉(zhuǎn)鼓實驗的汽車傳動效率的研究[J].制造業(yè)自動化，2015，37（10）：78-81.

[3]郭正，安相璧.底盤測功機內(nèi)部損耗功率補償曲線的擬合[J].四川兵工學報，2015，36（5）：109-111.

[4]歐陽愛國，肖文龍，陳齊平.單滾筒底盤測功機對輪胎滾動阻力測定的精準度研究[J].中國測試，2015，41（8）：13-16.

[5]龔志遠，劉志雄，歐陽愛國.單滾筒汽車發(fā)動機測功裝置自身消耗功率的測量方法研究[J].中國測試，2015，41（3）：26-29.

[6]GROVER P S.Modeling of rolling resistance test data[J].Powder Technology，2011（3）：269-282.

[7]CHELI F，BRAGHIN F，BRUSAROSCO M，et al.Design andtesting of an innovative measurement device for tyre-roadcontact forces[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2011，25（6）：1956-1972.

[8]IRMESCU A，MIHON L，PRADURE G.Automotivetransmission efficiency measurement using a chassisdynamometer[J].International Journal of AutomotiveTechnology，2011，12（4）：555-559.

[9]JACKSON M.Vehicle parasitic loss and drive line efficiencytest fixture and method：US 7530263[P].2009-05-12.

[10]羅建峰，何永祥，吳明.汽車傳動系阻力臺架檢測和評價方法[J].公路與汽運，2014，161（2）：32-37.

[11]尹濤，鄭義.底盤測功機行駛阻力設定方法的比較[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2014，43（1）：54-57.

[12]ZHAO W，WANG Q，ZHAO H F.Application of improvedgrey forecast in fuzzy direct torque control system[J].International Journal of Digital Content Technology and itsApplications，2012，6（12）：617-621.

[13]YAO Z L，CAI B J.Research of the fuzzy controller of thedirect torque control system[J].Development&Innovation ofMachinery&Electrical Products，2008，21（3）：156-160.

（編輯：劉楊）