ACD系列摩托車電慣量交流底盤測功機研究

方 華 李曙光

（中國兵器裝備集團(tuán)摩托車檢測技術(shù)研究所 西安）

一、前言

當(dāng)前，我國已經(jīng)成為世界摩托車生產(chǎn)大國，年摩托車生產(chǎn)總量穩(wěn)居世界第一，但仍不是生產(chǎn)強國，其中最大的弱點就是缺乏產(chǎn)品開發(fā)能力，各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品同質(zhì)化相當(dāng)嚴(yán)重，只能通過價格戰(zhàn)來爭奪有限的市場資源。近年來，越來越多的生產(chǎn)廠家意識到了技術(shù)創(chuàng)新和推出新產(chǎn)品的重要性，自建技術(shù)研發(fā)中心，需要引進(jìn)或開發(fā)先進(jìn)的摩托車實驗設(shè)備。

摩托車底盤測功機是應(yīng)用現(xiàn)代電測和計算機技術(shù)，利用摩托車在路面行駛中與道路的相對運動關(guān)系，將摩托車道路行駛工況(如:道路阻力狀況、行駛慣性等)有效、等量地轉(zhuǎn)移到摩托車底盤測功機上，即摩托車底盤測功機仿真模擬各項行駛阻力，使摩托車整車的道路試驗項目以及應(yīng)用工況法測量摩托車排氣污染物排放量等試驗移至室內(nèi)進(jìn)行的專用測試設(shè)備。摩托車產(chǎn)品的研發(fā)和國家質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)的檢測，都需要底盤測功機作為檢測手段來具體實現(xiàn)。

二、底盤側(cè)動機基本原理

底盤測功機的主要作用是對摩托車運行中的慣量進(jìn)行誤差范圍內(nèi)的模擬，其中在技術(shù)手段上主要利用了電、氣離合器切換飛輪手動或自動組合，摩托車運動中質(zhì)量慣量和轉(zhuǎn)動慣量的模擬是通過以慣性飛輪轉(zhuǎn)動慣量模擬實現(xiàn)，只有慣量等效才能確保最后的模擬效果可行。模擬慣量明確后，應(yīng)該進(jìn)一步明確摩托車運行中所受的阻力影響，包括爬坡阻力、從動輪滾動阻力、空氣阻力等，這一系列阻力的模擬是通過功率吸收加載裝置完成。另外，路面模擬需要的是一種相對運動裝置，在實際測試中摩托車不可能前行，那么必須由與摩托車相接觸的滾筒進(jìn)行模擬，以實現(xiàn)車輪與路面相對滾動的效果。加持裝置控制方式可采取手動或自動控制，通過控制系統(tǒng)，驅(qū)動慣性模擬系統(tǒng)并指揮加載裝置運行，最終達(dá)到對摩托車的全面檢測，主要包括以下項目：爬坡性能、驅(qū)動輪輸出功率、校驗車速表、滑行性能、耗油性能、校驗里程表、最低穩(wěn)定車速、動力性能（加速與減速）等（圖1）。

圖1 底盤測功機系統(tǒng)簡圖

底盤測功機的主要作用是對摩托車運行中的慣量進(jìn)行誤差范圍內(nèi)的模擬，其中在技術(shù)手段上主要利用了電、氣離合器切換飛輪手動或自動組合，摩托車運動中質(zhì)量慣量和轉(zhuǎn)動慣量的模擬是通過以慣性飛輪轉(zhuǎn)動慣量模擬實現(xiàn)，只有慣量等效才能確保最后的模擬效果可行。模擬慣量明確后，應(yīng)該進(jìn)一步明確摩托車運行中所受的阻力影響，包括爬坡阻力、從動輪滾動阻力、空氣阻力等，這一系列阻力的模擬是通過功率吸收加載裝置完成。另外，路面模擬需要的是一種相對運動裝置，在實際測試中摩托車不可能前行，那么必須由與摩托車相接觸的滾筒進(jìn)行模擬，以實現(xiàn)車輪與路面相對滾動的效果。加持裝置控制方式可采取手動或自動控制，通過控制系統(tǒng)，驅(qū)動慣性模擬系統(tǒng)并指揮加載裝置運行，最終達(dá)到對摩托車的全面檢測，主要包括以下項目：爬坡性能、驅(qū)動輪輸出功率、校驗車速表、滑行性能、耗油性能、校驗里程表、最低穩(wěn)定車速、動力性能（加速與減速）等。

三、動力模型建立及關(guān)鍵問題的解決

經(jīng)典的車輛理論已經(jīng)把車輛在道路行駛的力學(xué)關(guān)系分析得十分詳盡，尤其是摩檢所袁宏勛老師早在20世紀(jì)80年代，對車輛在底盤測功機上的運行力學(xué)關(guān)系進(jìn)行過周密的數(shù)學(xué)力學(xué)分析，推導(dǎo)出路試與臺試的等效關(guān)系并推出了車輛在底盤測功機上運行的力學(xué)方程式。但是在本次系統(tǒng)的研發(fā)過程中，仍存在一個問題需要確認(rèn)解決，就是電慣量的模擬問題，即在底盤測功機有機械飛輪組的前提下，加速阻力全部由機械慣性力來提供，測功機的電器系統(tǒng)不涉及加速阻力，但是目前在研制電慣量模擬交流測功機的過程中需要用測功機轉(zhuǎn)矩來模擬飛輪的機械慣性，同時車輛還要受到測功機轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)轂等機械慣性力的作用，作者在分析各種受力的基礎(chǔ)上建立了動力數(shù)學(xué)模型。

1.高速、高分辨率的速度測量方法

由于采用電慣量來代替機械飛輪組，要求道路阻力設(shè)定器實時測量轉(zhuǎn)鼓的速度，以此來計算出瞬時加速度、加速阻力，從而控制變頻器、測功機向受試車輛提供加速阻力。如果速度測量分辨率低，則加速度的分辨率和精度也就會低，如果速度測量的周期長，會使系統(tǒng)響應(yīng)變慢，阻力施加變得滯后，從而會導(dǎo)致同一車輛路試和臺式的成績出現(xiàn)不一致。經(jīng)過計算分析，定出速度測量周期≤20 ms，分辨率優(yōu)于0.01 km/h。

一般情況下，速度測量有兩種方式，即T法與M法。T法求頻率是通過測量兩個脈沖間的時間間隔，將其利用周期頻率公式換算得到。由于在測量時間時可能存在半個或一個時間單位的誤差測量，因此當(dāng)周期小時，用此方法測量帶來的誤差顯得過大，故對于周期長的低速情況使用T法比較合適。M法求頻率是通過測量單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)直接得到頻率大小，在測量單位時間段內(nèi)脈沖數(shù)時可能出現(xiàn)首尾各半個脈沖的測量誤差問題，因此會造成單位時間內(nèi)測得的脈沖數(shù)存在一個或兩個誤差，如果周期長，脈沖數(shù)少，出現(xiàn)這樣的誤差將會給測量結(jié)果帶來很大影響，故對于周期短的高速情況使用M法比較合適。

如果用M法測量速度，M法測量周期50 ms，分辨率達(dá)到0.117 km/h。如果使用T法，測量周期和轉(zhuǎn)速成反比，不固定，給加速度計算帶來不便。為了解決速度的高速、高精度測量問題，經(jīng)過查閱資料，找到了M/T法的方式，該方法綜合了M法和T法的優(yōu)點。通過計算，測速分辨率達(dá)到0.01 km/h，測量周期達(dá)到10 ms，從而滿足了阻力設(shè)定器的要求。

2.道路阻力設(shè)定器滑行修正加速度的算法

為了準(zhǔn)確修正滑行試驗中對各個點的速度值修正，首先，通過查閱標(biāo)準(zhǔn)ISO 11486《兩輪摩托車燃油消耗量用滑行法設(shè)定底盤測功機》，得出阻力計算公式（1）。

通過公式（1）編輯算法，測得的速度值有較大的波動，記錄各個時間點采集的速度值，得到的不是一個理想的二維曲線，而是一族曲線。

通過以下方法對系統(tǒng)進(jìn)行檢查，首先用信號發(fā)生器給出穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號作為輸入，測得速度值非常穩(wěn)定準(zhǔn)確。但是，用測功機上的光電編碼器的信號進(jìn)行輸入，測功機升速到高速后突然斷電，讓測功機進(jìn)行無動力滑行，然后連續(xù)測速，結(jié)果測得的速度值波動范圍達(dá)到0.2～0.3 km/h。經(jīng)過分析，判斷為所用的光電編碼器精度不高、輸出的脈沖信號間隔不均勻所致。通過更換高精度光電編碼器，同時對算法進(jìn)行改進(jìn)，對滑行過程中的連續(xù)測速值進(jìn)行滑動分段，然后對每一個小段數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合出一小段曲線，其斜率就是所需要的加速度。經(jīng)過試驗驗證，該方法對于滑行修正和加速度測量效果很好。

四、試驗驗證

準(zhǔn)備好試驗樣車，打開恒溫恒濕控制系統(tǒng)使環(huán)境條件趨于一致。并按照規(guī)定的預(yù)熱時間和要求對兩臺設(shè)備進(jìn)行了預(yù)熱，道路阻力統(tǒng)一設(shè)定為EU3，連接好各信號傳感器線纜，做好試驗準(zhǔn)備。按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行了最高車速、滑行距離、爬陡坡、起步加速、超越加速等實驗，相關(guān)數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果如表1～表5所示。

表1 最高車速試驗結(jié)果

表2 滑行距離試驗結(jié)果

表3 爬陡坡比對試驗結(jié)果

表4 起步加速比對試驗結(jié)果表4

表5 超越加速比對試驗結(jié)果

實驗結(jié)果采用常規(guī)的偏差分析方法進(jìn)行計算，式（2）。

式中 y1——標(biāo)準(zhǔn)值

y2——ACD底盤測功機的測量結(jié)果

1.最高車速試驗結(jié)果（表1）

2.滑行距離試驗結(jié)果（表2）

3.爬陡坡比對試驗結(jié)果（表3）

4.起步加速比對試驗結(jié)果（表4）

5.超越加速比對試驗結(jié)果（表5）

五、結(jié)束語

通過室內(nèi)臺架模擬摩托車性能試驗研究，綜合考慮了使用摩托車底盤測功機檢測汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等功能，研制了ACD系列摩托車用底盤測功機，適應(yīng)車輛檢測需求，提高了檢測的準(zhǔn)確性。實際試驗研究結(jié)果表明，該項目的研制為完善國家和摩托車行業(yè)性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，為統(tǒng)一、規(guī)范測功機產(chǎn)品質(zhì)量提供了技術(shù)基礎(chǔ)，能有效指導(dǎo)測功機產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、使用和產(chǎn)品檢驗工作。