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1、汽車底盤論文?多功能汽車底盤測功機(jī) 【關(guān)鍵詞】底盤測功機(jī),檢測控制系統(tǒng),電渦流機(jī) 【論文摘要】多功能汽車底盤測功機(jī)實(shí)現(xiàn)了不同工況不同負(fù)載下動力性能的 連續(xù)測量并且增加了排放的連續(xù)測量功能，對控制系統(tǒng)和控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用經(jīng)驗(yàn)控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的控制方案。本文在介紹多功能汽車底盤測功 機(jī)檢測控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，闡述了該測功機(jī)的測量原理及各種工況下汽車動力性 能和排放數(shù)據(jù)的連續(xù)測量、電渦流機(jī)控制方法等關(guān)鍵技術(shù)，并給出了測量結(jié)果分 析。 1 概述 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，交通事故及環(huán)境污染對人類生命的威脅越來越大，因而汽車檢測技術(shù)的重要性日益突出出來，各種檢測設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。作

2、為 大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，汽車底盤測功機(jī)可以模擬汽車道路試驗(yàn)的各種工況，完成汽車的 經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)、動力性試驗(yàn)、排放性能評價與分析、可靠性試驗(yàn)以及與汽車傳動系 統(tǒng)有關(guān)的專項(xiàng)試驗(yàn)。它在汽車試驗(yàn)研究、產(chǎn)品開發(fā)和新車及在用車質(zhì)量檢測中是 不可或缺的。使用汽車底盤測功機(jī)完成汽車試驗(yàn)及各類型的質(zhì)量檢測與通常的道 路試驗(yàn)相比具有試驗(yàn)速度快、精度高、費(fèi)用低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可比性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。 鑒于汽車底盤測功機(jī)的以上優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)許多廠家先后研制開發(fā)了一系列測功 機(jī)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要用于檢測軸重10t以下的汽車底盤輸出功率，最大吸收 功率為150kW。檢測項(xiàng)目主要是：汽車底盤的輸出功率、驅(qū)動力、車速、加速

3、性能、滑行性能、以及車速表和里程表的準(zhǔn)確性等等[2]。 但是國內(nèi)測功機(jī)產(chǎn)品還有許多不完善的地方，亟待解決。例如：汽車在不同 工況、不同負(fù)載等狀態(tài)下，其動力性能不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，控制系統(tǒng)、控制方法比較落后。本文正是針對這些不足，在控制系統(tǒng)、控制方法上進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí) 現(xiàn)了不同工況、不同負(fù)載的狀態(tài)下，對汽車動力性能進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的連續(xù)測量，并且增加了排放的連續(xù)測量功能。此外，參照國外先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，利用計算機(jī) 技術(shù)對汽車有關(guān)傳動損耗、滾動阻力、海拔高度、氣溫等參數(shù)進(jìn)行模擬和修正。 2 汽車動力性能及排放測功機(jī)檢測控制系統(tǒng) 多功能汽車底盤測功機(jī)（以下簡稱測功機(jī)）是一種新型底盤測功機(jī)。該機(jī)的

4、 測量和控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)參見圖2—1。 Itf2-1測功機(jī)測地和控制系域結(jié)構(gòu) 測功機(jī)檢測控制系統(tǒng)中的控制微機(jī)采用高性能的工業(yè)控制計算機(jī)，整個測控系統(tǒng)包括計算機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)，輸入輸出端子板，多功能PC總線接口卡、可控硅及其控制電路，所有部件全部安裝在1.8m高的標(biāo)準(zhǔn)19寸工業(yè)控制柜中。測控系統(tǒng)加上測功機(jī)的機(jī)械部分（臺架）構(gòu)成了整個測功機(jī)。測控系統(tǒng)通過臺架上的壓力傳感器、速度傳感器、氣動舉升機(jī)和電渦流機(jī)等裝置，完成對測功機(jī)的測量和控制。 圖中多功能PC總線接口板是計算機(jī)和測量控制通道的接口設(shè)備，現(xiàn)場模擬信號的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)量信號的測量都

5、由它完成，該接口卡還能控制多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，另外該卡還提供了用于頻率測量的計數(shù)器接口。 在臺架上汽車驅(qū)動輪帶動滾筒轉(zhuǎn)動，滾筒轉(zhuǎn)動經(jīng)光電解碼器產(chǎn)生脈沖輸出，接入多功能卡的計數(shù)器，測量速度和行駛距離。汽車在臺架上行駛時，其驅(qū)動能對滾筒的作用力經(jīng)電渦流機(jī)耦合在壓力傳感器上，由輸入通道將信號送入計算機(jī)，與速度信號結(jié)合可測量汽車的動力性能。在實(shí)際測量過程中，實(shí)測的速度信號與設(shè)定速度比較，根據(jù)偏差按一定的算法調(diào)整阻力（電渦流機(jī)勵磁電流），使車速能穩(wěn)定在給定值，完成恒速條件下各種數(shù)據(jù)的測量。 測功機(jī)的應(yīng)用軟件由測量控制程序、登錄程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)程序構(gòu)成，程序設(shè)計采用先進(jìn)的C/S（客戶/服務(wù)器）設(shè)計方法

6、，軟件的結(jié)構(gòu)見圖2—2。測量控制程序和登錄程序是客戶端程序，它們與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換是通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)程序完成，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)對用戶是透明的，方便本系統(tǒng)與其他機(jī)動車檢測設(shè)備或管理網(wǎng)絡(luò)連接。登錄程序完成用戶對車輛的基本信息、檢測項(xiàng)目的初始設(shè)定；測量控制程序是該系統(tǒng)的核心程序，其主要功能是完成對硬件信號的測量和控制、按登錄程序設(shè)定的檢測要求完成各項(xiàng)檢測任務(wù)，另外該程序還提供參數(shù)設(shè)定、檢測結(jié)果查詢、打印等輔助功能。 強(qiáng)有eftffi息 情助n星 圖軟件整體結(jié)構(gòu) 3底盤測功機(jī)測量基本原理 底盤測功機(jī)的測量參數(shù)一般有牽引力、速度、距離等。下面分別介紹它們的測量原理。 (1)功率測量原理

7、 電渦流測功器由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，轉(zhuǎn)子與定子間的制動力矩可由擺動的定子經(jīng)測力臂傳給測力傳感器。當(dāng)測功車速為定值時，驅(qū)動輪上的功率可按下式計算： 3599 (kW) 式中：F—牽引力， N; V—車速，km/ ho (2)速度測量原理 試驗(yàn)臺在進(jìn)行測功、加速、制動試驗(yàn)時都需要準(zhǔn)確的得到測試時刻的車速，并要求能連續(xù)測量。光電測量是測量車速的常用方法，其基本原理如下：在驅(qū)動滾筒軸上裝有光電盤，驅(qū)動滾筒每旋轉(zhuǎn)一周能發(fā)出600個脈沖，而驅(qū)動滾筒的圓周長是1m,若每秒記錄的脈沖數(shù)為n,則速度計算公式如下： X 3600 1000 3 -500 n (kni/h ) (

8、3)距離測量原理 汽車的加速距離、滑行距離和制動距離的測量有很多類似之處，也是通過對驅(qū)動滾筒上的光電脈沖計數(shù)器來完成，對上述的脈沖傳感器而言，每個脈沖的距離是1/600m,通過計量脈沖數(shù)即可得到距離。 4多功能汽車底盤測功機(jī)關(guān)鍵技術(shù) 4.1 電渦流機(jī)的控制技術(shù) 電渦流機(jī)又稱電渦流測功器，是基于渦流電流（物理學(xué)上也稱傅科電流）進(jìn)行工作的設(shè)備。它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子部分包括定子架和裝在上面的勵磁線圈。定子框架周圍有孔，勵磁線圈裝在孔內(nèi)。定子框架中心部分輪轂，借助兩個滾動軸承支撐在轉(zhuǎn)子軸上。轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子軸和固定在該軸上的兩個轉(zhuǎn)子，兩個轉(zhuǎn)子分別位于定子部分的兩端，轉(zhuǎn)子軸可以被外力帶

9、動而自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)端面與定子的端面保持很小的間隙，該間隙電磁學(xué)上稱為氣隙。該轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)面是十分光滑的平面，渦流電流就產(chǎn)生在這個光滑平面上［5］。 電渦流機(jī)的勵磁繞組通入電流時，磁通經(jīng)定子、渦流環(huán)、氣隙、轉(zhuǎn)子構(gòu)成閉合磁路。當(dāng)汽車驅(qū)動輪帶動滾筒及電渦流機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于磁通密度發(fā)生變化使轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流電流，該渦流電流與磁場相互作用，產(chǎn)生反向制動力矩，使定子繞主軸軸線擺動。該制動力矩通過杠桿傳遞給壓力傳感器，由壓力傳感器給出相應(yīng)的電信號，經(jīng)計算處理后，可得出汽車瞬時的動力參數(shù)。調(diào)節(jié)勵磁電流大小，即可改變電渦流機(jī)的制動力矩，同時相應(yīng)改變汽車車速，不斷變化的勵磁電流與車速形成閉合環(huán)，并最終實(shí)現(xiàn)

10、恒速或恒力下的功率測量。 從圖中可以看出電渦流機(jī)具有最大的速度和載荷范圍。此外它體積小，造價低，更適合于操縱自動化。交流電機(jī)（異步電機(jī)）具有最小的速度（800?1500r/min）和載荷范圍，穩(wěn)定性較差，小負(fù)荷具有很硬的特性。直流電機(jī)制動裝置具有很高的使用性能，操作方便，工況穩(wěn)定，過渡簡易且平穩(wěn)，但它的試驗(yàn)臺造價高，低速制動扭矩小，因而限制了應(yīng)用。 本系統(tǒng)之所以選擇電渦流機(jī)作為加載裝置，是由于它的外特性及造價、可靠性、測量精度決定的。圖4—1列出幾種基本加載裝置特征。 圖4-1汽隼牽引力性能珍斷臺加載裝置外特性 1—電渦流測功器；2一直流電機(jī)；3—水力測功器；4—交流電機(jī)；

11、目前，國產(chǎn)渦流機(jī)大部分為水力測功機(jī)，少量幾種電渦流機(jī)也主要為水冷式的，易漏水，導(dǎo)致軸承機(jī)件銹蝕，容易漏磁，恒速控制精度差，且體積重量大，需要一套供水冷卻循環(huán)系統(tǒng)及渦流機(jī)內(nèi)部潤滑系統(tǒng)，使用很不方便，在我國北方，冬季尤為不適用。更為重要的是，國產(chǎn)水力電渦流機(jī)幾乎全部用于發(fā)動機(jī)功率測量的高轉(zhuǎn)速功率吸收裝置（最大功率吸收范圍1500?4000r/min）,不適用于汽車底盤測功，后者最大功率吸收范圍為500?1000r/min。國際上專門生產(chǎn)這種低轉(zhuǎn)速，大扭矩電渦流機(jī)只有西班牙的FRENELSA公司和法國的TELMA公司，他們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為風(fēng)冷式。 由于測功機(jī)的扭矩和功率測量對速度和載荷范圍要求要大，在

12、考慮造價、可 靠性、測量精度的情況下我們選擇了FRENELSA公司的F16—160型風(fēng)冷16組 電渦流機(jī)，其最大扭矩吸收轉(zhuǎn)速為750r／min，渦流機(jī)電壓為DC96V，電流為 35A，最大吸收扭矩為160kg。該渦流機(jī)恒速精度高，體積重量小，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，勿需冷卻水，且內(nèi)置160℃熱電偶，可在過熱時自動斷電，避免渦流機(jī)被燒壞。 4.2 汽車的恒速控制技術(shù) 電渦流機(jī)的恒速控制是測功機(jī)測試精度的關(guān)鍵因素之一，國內(nèi)大部分測功機(jī) 未真正解決好這一問題。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，恒速精度應(yīng)達(dá)到±2km／h（如中國 GB86—94），但由于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動慣量較大，且不同車型慣量不同，同時，存在 失控

13、死區(qū)、非線性、滯后反應(yīng)等調(diào)速反饋方面的難度，使得恒速控制成為設(shè)計中 的重點(diǎn)之一。 目前，我們通過幾種途徑予以解決，一是盡量采用直接傳動，減小失控死區(qū) 及滯后反應(yīng)，同時采用數(shù)字調(diào)速和自適應(yīng)控制等解決不同轉(zhuǎn)動慣量的影響。此外， 大轉(zhuǎn)速及電流兩個閉環(huán)中采用不同的采樣頻率以便有效的控制渦流機(jī)動態(tài)及反饋電流。測試證明可以穩(wěn)定達(dá)到±0．5km／h，是標(biāo)準(zhǔn)的1／4。 控制過程如下：汽車在開始加速時，由于運(yùn)行速度與設(shè)定速度相差較大，采 用經(jīng)驗(yàn)控制算法即按一定的規(guī)律逐步增加阻力；一旦汽車運(yùn)行速度接近設(shè)定速度，自適應(yīng)控制開始工作。因?yàn)樵趩与A段，使運(yùn)行速度盡快接近設(shè)定速度是首 要目的，而最后以何種方

14、式穩(wěn)定在設(shè)定速度則不在考慮之內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)控制是簡單易 行且效果很好的控制方式。在運(yùn)行速度接近設(shè)定速度之后，速度的穩(wěn)定成為唯一 目的，此時經(jīng)驗(yàn)控制就無能為力了。汽車的實(shí)際運(yùn)行工況十分復(fù)雜，其速度變化 規(guī)律難以預(yù)測，因而任何預(yù)先設(shè)定參數(shù)的控制形式都不可能一直發(fā)揮最佳控制作 用，其效果的優(yōu)劣隨運(yùn)行工況而不斷變化。自適應(yīng)控制正是為適應(yīng)類似的工況而 發(fā)展起來的，它能夠根據(jù)工況而調(diào)整控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時最佳控制。 自適應(yīng)控制算法以當(dāng)前速度與設(shè)定速度之差和速度變化率兩個變量為控制 依據(jù),施加阻力。具體算法如下： AF=a1Xa2XdVdt AF—施加的阻力變化量； AV一當(dāng)前速度與設(shè)定速度之

15、差； dV/dt—速度變化率；“1、a2T空制系數(shù)。 對于不同的汽車，不同的設(shè)定速度，要達(dá)到較好的控制效果，a1和a2的取值是不一樣的。自適應(yīng)控制算法能根據(jù)汽車的動態(tài)特性和設(shè)定速度及其它因素，自動調(diào)節(jié)a1和a2的取值，以達(dá)到恒速的目的。 4.3 排放測量 汽車在怠速狀態(tài)下，不同負(fù)載狀態(tài)下，不同車速狀態(tài)下以及不同路況的情況下的排放都是不同的，測量到這些數(shù)據(jù)對于汽車維修保養(yǎng)很重要，但更為重要的是為判斷汽車排放是否合格提供依據(jù)，為環(huán)保檢測部門提供精確而豐富的數(shù)據(jù)材料。本測功機(jī)可以配合尾氣分析儀在不同工況的條件下進(jìn)行汽車排放的檢測，檢測標(biāo)準(zhǔn)完全符合新出臺的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB14761—1999)

16、。 這里，我們首次在國內(nèi)采用四氣分析儀與測功機(jī)連接，并且在功率一一扭矩曲線上同時繪制CO、CO2、HC、02等曲線。由于CO、CO2的采樣時間為15s,HC、02更長達(dá)25s,而測功機(jī)的電渦流機(jī)的響應(yīng)時間很短，約為0.025s，因此，在控制程序中如何協(xié)調(diào)二者的差別(既要作到連續(xù)采樣，又要保證不同廢氣成份必要的反應(yīng)時間)十分重要。在反復(fù)測試中，我們利用延長穩(wěn)定點(diǎn)速度、穩(wěn)定時間來解決這一問題，效果很好。 5測量結(jié)果 下面以恒速底盤測功為例，分析一下測量結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)條件：起始速度60km/h,終止速度80km/h,速度步長5km，恒速穩(wěn)定點(diǎn)為5個。試驗(yàn)車為桑塔那轎車。 ppm Nm 10

17、505 H 3分劉土自 S7O 4 27 8 1X1 5 212 回 4 4 4 t12 1 J,9 2.2 O.t 7.0 在恒速狀態(tài)下配合尾氣分析儀，我們進(jìn)行了發(fā)動機(jī)輸出功率、輪輸出扭矩及功率、傳動損耗功率、CO、C02、HC、02等8個參數(shù)的測量，并對速度、功率、扭矩進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控，測量結(jié)果如圖5—1所示。 3707580 就受訪率茂動Mm*k動裁耗 $?》七 在本試驗(yàn)中，輪輸出功率與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值相符，發(fā)動機(jī)輸出功率為輪輸出功率與 傳動損耗功率之和。輪輸出最大功率對應(yīng)的速度為75km/h。傳動損耗功率是檢驗(yàn)汽車驅(qū)動功率是否合格的重要參數(shù)，它直接關(guān)系到汽車的動力性能。

18、 6結(jié)束語 多功能汽車底盤測功機(jī)是汽車運(yùn)輸維修業(yè)、綜合性能檢測站、環(huán)境保護(hù)、交 通（今后在用車報廢將按其動力性能及排放性能而定）等行業(yè)所必需的測試設(shè)備，具有廣闊的市場前景。通過計算機(jī)控制電渦流測功器加載實(shí)現(xiàn)阻力模擬，可以測 量不同的工況下汽車動力性能和環(huán)保性能（排放性能），并具有修正功能，測量數(shù) 據(jù)更接近汽車實(shí)際行駛時的數(shù)據(jù)。本測功機(jī)通過自適應(yīng)控制算法控制車速，提高 了汽車的恒速穩(wěn)定性，并且實(shí)現(xiàn)了動力性能和環(huán)保性能的連續(xù)測量。 盡管如此，本測功機(jī)還存在有待改進(jìn)的問題： （1） 根據(jù)14761—1999《汽車污染物排放限值及其測試方法》，本測功機(jī)提供了3種循環(huán)下的多工況排放測量，但

19、目前該標(biāo)準(zhǔn)暫未在用車中強(qiáng)制應(yīng)用，因此應(yīng)給用戶預(yù)留一可自由編程的接口。 （2） 關(guān)于傳動系統(tǒng)損耗功率的測定，目前除了采用電機(jī)反拖的方法之外，尚 未找到其它更為簡單、精確的方法。本測功機(jī)采用主機(jī)慣量反拖法，經(jīng)多次試驗(yàn)， 找到了一個較好的加載電流值（約為1?2A）,測試值接近理論值（即傳動損耗功率約為底盤輸出功率的8%?10%）。實(shí)際上，德國的MAHA公司及西班牙的MANRESA公司都采用類似方法，因此，測出的傳動損耗功率均為近似值，要測出精確的傳動損耗功率值，尚需繼續(xù)探索。 【參考文獻(xiàn)】 [1]魯統(tǒng)利，陸德元．大型汽車底盤動態(tài)模擬測功機(jī)測控系統(tǒng)[J]．汽車工程,1999年（第21期）第2期P118?123. [2]鄭世潤，楊景泰.中外汽車檢測與維修設(shè)備手冊[M.金盾出版社，1997. [ 3] 李照美．汽車檢測與診斷技術(shù)[M]．中國農(nóng)業(yè)出版社，1996． [ 4] 姚錫凡，周鋒，鄧楚南．汽車底盤測功機(jī)的計算機(jī)輔助測試與控制系統(tǒng)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報，第25卷第10期，1997年10月． [5]張曉光.電渦流制動器的工作原理[J].科技信息，總第9期，P20?23.