利用底盤測功機模擬爬坡工況的驗證方法探討

何厚來 馮威 龍春林 孫戰(zhàn)峰 謝江

關(guān)鍵詞：底盤測功機;爬坡工況;模擬;路譜

0 引言

根據(jù)某產(chǎn)品售后反饋，在云南、貴州山區(qū)出現(xiàn)數(shù)例匹配CVT變速器的車型在連續(xù)坡道無法行駛的故障。其原因為車輛在較大坡度的山路持續(xù)低速行駛時，變速器油溫度過高，觸發(fā)發(fā)動機控制單元ECM 的限扭保護，發(fā)動機實際輸出功率及扭矩大幅降低，導致車輛動力不足無法繼續(xù)行駛。在原地怠速數(shù)分鐘后，變速器油冷卻至低于限扭設定溫度值時，動力自行恢復正常。

此類故障工況的主要特點有2 點：一是低速，CVT 變速器的變矩器頻繁在未鎖止工況下運行;二是發(fā)動機持續(xù)在較大負荷工況下運轉(zhuǎn)。這類工況呈現(xiàn)到實際道路上，就是能夠滿足一定坡度，并連續(xù)保持適當?shù)拈L度?，F(xiàn)代汽車的常規(guī)耐久性試驗中都在試驗場內(nèi)進行，坡道場地長度有限。國內(nèi)主要試驗場如海南熱帶汽車試驗場、北京交通部公路交通試驗場和定遠汽車試驗場等，其場內(nèi)坡度單程長度等均在200 m 以內(nèi)，無法滿足長度要求。在海南五指山市有連續(xù)12 km 的山路，但其平均坡度為4.6%，發(fā)動機無法持續(xù)在較大負荷工況下運轉(zhuǎn)，因此同樣無法驗證故障工況[1]。

為獲取車輛故障時的實際運行工況信息，我司技術(shù)人員在云南出現(xiàn)故障的實地進行測試并采集路譜。實地道路為蜿蜒曲折的山村鄉(xiāng)道，道路呈“之”字形走勢，平均坡度達到15.3%，局部最大坡度超過32%，遠超國家公共道路的建設標準。由于實地道路險峻，安全風險較高，從場地安全、驗證成本等方面考慮均不適宜進行實地試驗， 因此需要開發(fā)一種基于在底盤測功機上模擬汽車爬坡工況的測試方法。以下就某車型的實際測試方法進行簡要說明。

1 模擬測試的設備及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備

1.1 故障工況信息收集

通過對故障車輛發(fā)生故障地點的道路條件進行調(diào)查（圖1），獲取道路的信息;檢查故障車輛狀態(tài)，尤其是動力系統(tǒng)，排除其對車輛故障產(chǎn)生的影響;調(diào)查故障工況時車內(nèi)乘員數(shù)量和實際載荷、用戶的操作習慣以及車速區(qū)間等信息并進行綜合分析，選取較典型的道路，進行實地測試。

1.2 測試設備及路譜采集信號

確認測試道路后，便可組織車輛實地測試以采集路譜。根據(jù)調(diào)查的信息，用戶出現(xiàn)故障時的載荷已經(jīng)接近額定載荷，并考慮測試需要擴展至其他車型，且需保證一致的載荷標準，故使用車型的額定載荷工況下進行測試并采集路譜。路譜需要采集的的信息如下。

動力系統(tǒng)信號：進氣溫度、冷卻液溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、噴油量（噴油信號占空比）、車速、變速器油溫度、擋位、變矩器鎖止狀態(tài)、請求扭矩、實際扭矩以及變速器速比等，以上信號一般可通過CAN 端口讀取。

環(huán)境參數(shù)：海拔高度、坡度、空氣濕度、大氣壓力、陽光輻射強度和風速（進氣格柵處縱向風速）。

測量設備：VBOX 3I、慣性測量儀和熱電偶等設備。

測試平臺：AVL 道路模擬兩驅(qū)環(huán)境艙底盤測功機。

1.3 路譜數(shù)據(jù)初步處理及分析

采集的路譜由于數(shù)據(jù)波動較大（圖2），需要對初始路譜進行必要的處理，消除曲線毛刺及平滑處理，否則會導致底盤測功機頻繁報故障甚至停機。經(jīng)過對底盤測功機運行過程出現(xiàn)的故障點與路譜對應進行分析發(fā)現(xiàn)，大部分故障點均處于制動工況，或從滑行切換至加速工況瞬間。

這是由于車輪對轉(zhuǎn)轂施加的扭矩發(fā)生方向性變化，容易導致輪胎與轉(zhuǎn)轂間出現(xiàn)滑動;且測試時對應坡度阻值越大，輪胎與轉(zhuǎn)轂間出現(xiàn)滑動的風險會隨之增大，并且隨輪胎胎面溫度升高滑動的風險會進一步增加。因此，為使測試可以順利進行，減輕對設備的損耗，適當對測試路譜進行修正，如降低車輛的減速度，提升數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用固定坡度值等措施[2]。

2 測試方法

2.1 參數(shù)確認

底盤測功機是一種檢測汽車動力性、燃油經(jīng)濟性以及排放性能的專業(yè)設備。當測試車輛在轉(zhuǎn)轂上運轉(zhuǎn)，調(diào)整轉(zhuǎn)轂的負載阻力可以模擬汽車在不同負荷條件下的運行狀態(tài)。配合環(huán)境艙控制進氣溫度、濕度和日光輻射強度等參數(shù)，可以確保艙內(nèi)的測試條件盡可能地接近實地測試的外部環(huán)境。在實測路譜中，環(huán)境相關(guān)參數(shù)如空氣溫度、空氣濕度、陽光輻射強度及大氣壓力均為變化值，但在底盤測功機上測試時，從可實施性考慮，可將其簡化為固定值。風速采用車輛運行速度進行設定。

從故障的原因分析可知，冷卻液溫度、變速器油溫度是導致故障的直接因素。車輛運行時，進氣溫度、風速、空氣濕度、冷卻液循環(huán)速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度以及變矩器鎖止狀態(tài)等都會影響動力系統(tǒng)冷卻能力。本文篇幅有限，我們重點關(guān)注進氣溫度、冷卻液溫度和變速器油溫度3 項溫度參數(shù)曲線的重構(gòu)。通過基于該3 項溫度信號隨時間變化曲線的重構(gòu)，可大致反應該動力總成在測試工況下動力系統(tǒng)的熱平衡匹配水平。

2.2 運行工況控制及處置

在進行底盤測功機測試前，需要測定標準載荷下車輛的滑行阻力，以設定阻值參數(shù)，條件受限時也可采用查表法按重量確定。底盤測功機按照采集的速度、坡度曲線運行，同步收集各項信息，以便后續(xù)進行對比分析。測試過程需關(guān)注發(fā)動機冷卻液溫度、變速器油溫度的變化，當出現(xiàn)發(fā)動機水溫高報警、變速器油溫過高報警時，終止測試并保持發(fā)動機怠速冷卻，避免造成動力系統(tǒng)的損壞。

2.3 數(shù)據(jù)對比分析及修正

在實際測試中，發(fā)現(xiàn)底盤測功機上測得的進氣溫度、冷卻液溫度和變速器油溫度曲線與實測路譜中曲線的走向及峰值存在較大差異，這與路譜的采集質(zhì)量以及為適應測試平臺而進行的調(diào)整有關(guān)，此外與測試平臺有也有很大的關(guān)聯(lián)（圖3）。

為使試驗結(jié)果與目標曲線一致，首先需要確定測試溫度。在20 ～ 38℃重復進行測試對比，發(fā)現(xiàn)當艙內(nèi)溫度在35℃時，進氣溫度的曲線與目標曲線最為接近，故確認測試溫度為35℃。

當固定坡度值進行測試時，需要通過坡度值對測試條件進行必要的修正。如在測試路段某區(qū)間的平均坡度為it，如果在底盤測功機上按照坡度it 進行測試，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果中冷卻液溫度和變速器油溫度的曲線斜率是偏小的。分析為車輛在曲折的山路中行駛時，整車的行駛阻力變化極大，尤其為小轉(zhuǎn)彎半徑路段，其內(nèi)外路面高低差以及轉(zhuǎn)向時增加的摩擦阻力，都會導致阻力進一步增大，此因素在底盤測功機上是無法模擬的。

因此在此引入一個補償系數(shù)k，其定義方法為：在原路譜中取較典型的一段加速區(qū)間（即出彎后的加速過程），其間的噴油信號最大占空比峰值為A ;在底盤測功機上按實測路譜的平均坡度it 運行時，在該區(qū)間時噴油信號占空比峰值為B，其比值為k1=A/B。k2 為經(jīng)驗補償比，主要補償因調(diào)整路譜減速度引起的強度影響，以及與測試平臺因素有關(guān)。根據(jù)測試經(jīng)驗，k2 一般在1.2 ～ 1.4 間選取。最終在底盤測功機上測試時，設置的固定坡度值為平均坡度it 與補償系數(shù)k 之積，其中k=k1k2，此時的測試結(jié)果比較接近預期。

在實際的的測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)， 當采用固定坡度的方法在底盤測功機上運行時， 會呈現(xiàn)兩種基本的測試結(jié)果：一是當散入冷卻系統(tǒng)的熱量小于冷卻系統(tǒng)的最大冷卻能力時[3]，發(fā)動機冷卻液溫度、變速器油溫度在上升到某個溫度值后會達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨測試時間而升高;二是當散入冷卻系統(tǒng)的熱量大于冷卻系統(tǒng)的最大冷卻能力時，會導致冷卻液溫度或變速器油溫度持續(xù)上升，進而觸發(fā)系統(tǒng)的保護設定而表現(xiàn)出故障。

圖4 為某車型在固定坡度設定為26% 時的測試曲線。在此條件下，冷卻液溫度、變速器油溫度的變化率及峰值與道路實測路譜基本一致，可視為此測試工況與該實際道路（it=15.3% 的測試路段）行駛工況強度接近等效。在實際應用中，當評估動力系統(tǒng)熱害時，可以用此工況替代實際道路驗證。

2.4 測試方案的局限性

對于不同動力總成的車型，在同一路段行駛其動力表現(xiàn)差異巨大，如配備相同排量的自然吸氣發(fā)動機與渦輪增壓發(fā)動機的同一系列車型，每一種動力總成的車型需均獨立采集路譜。同一動力總成車型，當動力總成標定數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化時，如增加新的駕駛模式等過程，應重新采集路譜。對于相同動力總成、驅(qū)動方式相同的不同車型，當額定質(zhì)量差異在5% 以內(nèi)時可以借用測試，在底盤測功機上測試時按實測車輛的質(zhì)量進行設定即可。

3 結(jié)束語

綜上所述，我司從實際故障出發(fā)，探索利用底盤測功機模擬車輛極限爬坡工況的測試方法，并將其持續(xù)優(yōu)化。通過此方法，可以利用底盤測功機測試車輛動力系統(tǒng)在極限工況下的表現(xiàn)，驗證系統(tǒng)保護設定的有效性。該方法有益于大幅降低實地驗證的成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)驗證周期。