單滾筒底盤測功機(jī)寄生摩擦阻力測量方法研究

龔志遠(yuǎn)，劉志雄，歐陽愛國，陳齊平

（華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013）

單滾筒底盤測功機(jī)寄生摩擦阻力測量方法研究

龔志遠(yuǎn)，劉志雄，歐陽愛國，陳齊平

（華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013）

針對單滾筒底盤測功機(jī)寄生摩擦阻力的獲取，在不同加速度下對測功機(jī)進(jìn)行加載滑行，對測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量進(jìn)行標(biāo)定，然后采用空載滑行法，根據(jù)基礎(chǔ)慣量、速度區(qū)間與滑行時間得到各測量速度點的寄生阻力值，再將其擬合成二次曲線。最后，采用等速法加載不同慣量值對曲線進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：采用此方法所得出的測功機(jī)寄生阻力計算模型滿足試驗要求，具有較高的準(zhǔn)確度。

單滾筒；底盤測功機(jī)；寄生阻力；基礎(chǔ)慣量

0　引　言

汽車本身是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由于行駛里程的增加和使用時間的延續(xù)，其技術(shù)狀況將不斷變差。動力性差的車輛運行時燃油消耗明顯增加，增大排放污染物的含量，不利于節(jié)能和環(huán)保等方面的要求。因此，有必要對汽車進(jìn)行定期或不定期的綜合性能檢測，以達(dá)到延長汽車使用壽命、節(jié)約能源、降低運營成本、減少污染物的排放的目的［1］。汽車底盤測功機(jī)與傳統(tǒng)的試驗場相比，具有重復(fù)性好、安全性高的特點，且擺脫了場地的限制，不受天氣的制約，大大節(jié)約了汽車開發(fā)與檢測成本。

目前，在用的底盤測功機(jī)主要分為單滾筒底盤測功機(jī)與雙滾筒底盤測功機(jī)，單滾筒底盤測功機(jī)因結(jié)構(gòu)優(yōu)勢具有較高的準(zhǔn)確度，但其成本較高。在測功機(jī)運行的過程中，將滾筒自身轉(zhuǎn)動部分的損耗、軸承摩擦效應(yīng)和其他功率吸收裝置的阻力統(tǒng)稱為測功機(jī)的寄生摩擦阻力，寄生摩擦阻力會隨著機(jī)器的磨損、變形而發(fā)生變化，且其大小會影響測功機(jī)的模擬加載與最終測試結(jié)果的準(zhǔn)確度［2］，因此必須定時采用相應(yīng)的方法對測功機(jī)的寄生摩擦阻力進(jìn)行標(biāo)定，補償以抵消寄生摩擦阻力對試驗結(jié)果的影響［3-4］。本文通過對單滾筒底盤測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量的測定，再用空載滑行法通過多次試驗得到測功機(jī)寄生摩擦阻力與滾筒轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型，最后采用等速法對所獲得的模型進(jìn)行了驗證，以期為汽車檢測試驗及單滾筒測功機(jī)的開發(fā)研究提供參考。

1　單滾筒底盤測功機(jī)的寄生阻力

1.1寄生阻力的組成因素分析

單滾筒底盤測功機(jī)在運行時，其系統(tǒng)內(nèi)部會產(chǎn)生各種阻力，主要包括滾筒自身轉(zhuǎn)動時的阻力、滾筒兩側(cè)軸承產(chǎn)生的摩擦阻力、聯(lián)軸器摩擦阻力及電力測功機(jī)在運行時自身的阻力等。在不同環(huán)境下，如大氣壓值不同、空氣濕度不同時其寄生阻力值也會不同，其大小對測量結(jié)果所產(chǎn)生的影響是不能忽略的。將底盤測功機(jī)的寄生阻力進(jìn)行歸類分析，可將其分為機(jī)械阻力與空氣阻力兩部分。其中機(jī)械阻力的大小隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而增大，與速度呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為

空氣阻力是測功機(jī)在運行過程中，運動部件快速運轉(zhuǎn)時與空氣產(chǎn)生摩擦而形成的阻力。由于在測功過程中，滾筒的運行速度極快，因此這一部分阻力也不可忽略。據(jù)流體力學(xué)的知識，測功機(jī)在空氣中所受的阻力可表示為

因此可得，單滾筒測功機(jī)的寄生阻力即為機(jī)械阻力與空氣阻力之和，其與轉(zhuǎn)鼓速度的關(guān)系［5-7］式為

1.2寄生阻力對測試精度的影響

底盤測功機(jī)的基本原理就是使用滾筒模擬路面，使汽車在滾筒上運行時受到的阻力等同于它在路面上行駛所受到的阻力，從而在室內(nèi)達(dá)到試車場測試的效果。

在檢測車輛時，車輛在測功機(jī)上所受的阻力主要分成4部分：測功機(jī)的寄生摩擦阻力、測功機(jī)加載阻力、汽車傳動系阻力與輪胎滾動阻力、慣性阻力。其中測功機(jī)的寄生摩擦阻力不可忽略，內(nèi)阻不消去就會加大測功機(jī)的加載阻力，使得被測車輛所受的阻力大于在實際道路上所受的阻力，從而不能準(zhǔn)確地模擬道路行駛工況，影響試驗的準(zhǔn)確度［8］。

2　實驗設(shè)備及方法

本試驗采用AVL公司生產(chǎn)的48英寸（1英寸≈0.0254m）單滾筒底盤測功機(jī)，其具體參數(shù)如表1所示。

表1　底盤測功機(jī)參數(shù)

因為底盤測功機(jī)檢測功率時，要根據(jù)不同車型加載不同慣量值，測功機(jī)基礎(chǔ)慣量值是測功機(jī)所特有的參數(shù)，且其大小對測功機(jī)寄生阻力的影響有密切關(guān)系，所以，為了獲得更準(zhǔn)確的寄生阻力值，在用滑行法測量測功機(jī)的寄生阻力前，先對測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量進(jìn)行標(biāo)定［9］。

2.1單滾筒測功機(jī)基礎(chǔ)慣量的標(biāo)定方法

單滾筒底盤測功機(jī)檢測汽車功率時，其加載慣量根據(jù)不同車型確定，加載過程中，底盤測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量所引起的慣性力也作用到了車輪上［10］。主要包括滾筒的轉(zhuǎn)動慣量、測功機(jī)的電機(jī)慣量及其他因素所引起的慣量等等，這部分慣量很多是無法直接通過測量或計算得到。本試驗中將測功機(jī)視為一個整體，因為底盤測功機(jī)的測功器、測試系統(tǒng)、各回轉(zhuǎn)構(gòu)件等的質(zhì)量是不變的，因此可判定在測功機(jī)的運行過程中，它的基礎(chǔ)慣量值也不會改變。根據(jù)牛頓第二定律F=Ma，可得M=F/a。

進(jìn)行標(biāo)定前，將測功機(jī)空載并充分熱機(jī)，使測功機(jī)驅(qū)動滾筒到初始速度8km/h，將16～64km/h設(shè)定為測量的速度區(qū)間，然后指定一固定的加速度，此時加載力F為一恒力，將滾筒速度加速至72km/h以上，記錄在測量速度區(qū)間加速過程中所用時間，再以同一加速度使?jié)L筒減速至8 km/h，記錄在測量速度區(qū)間減速過程中所用時間，將所記錄的數(shù)據(jù)用下式進(jìn)行計算：

得到此次測量的測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量值，重復(fù)3次并使用不同的加速度進(jìn)行試驗，將最后結(jié)果取平均值即得到最終的基礎(chǔ)慣量BIW。

本試驗中，在選取的加速度值為1，6，12mph/s進(jìn)行試驗時（1 mph=1.609 km/h），測功機(jī)的加載力、測量速度區(qū)間的滑行時間及測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量值如表2～表4所示。

由實驗數(shù)據(jù)可得，當(dāng)以加速度為1，6，12 mph/s進(jìn)行試驗時得到的測功機(jī)基礎(chǔ)慣量的平均值分別為1177.19，1178.75，1179.37kg，再對這3個結(jié)果取平均值、取整數(shù)，得到最終結(jié)果，即此單滾筒底盤測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量為1178kg。由試驗數(shù)據(jù)可知，采用此方法測定的基礎(chǔ)慣量值偏差小、穩(wěn)定性高，滿足實驗要求。

表2　加速度為1mph/s時的試驗數(shù)據(jù)

表3　加速度為6mph/s時的試驗數(shù)據(jù)

表4　加速度為12mph/s時的試驗數(shù)據(jù)

2.2單滾筒測功機(jī)的寄生內(nèi)阻測定

單滾筒測功機(jī)的寄生內(nèi)阻測量使用空載滑行法進(jìn)行，將底盤測功機(jī)作為一個獨立的研究對象，其理論依據(jù)仍是牛頓第二定律。在充分熱機(jī)、空載的前提下，將測功機(jī)的道路阻力系數(shù)F0、F1、F2都設(shè)置為0，然后利用測功機(jī)自帶的加速功能將滾筒速度驅(qū)動至210km/h以上，再斷開動力，使其依靠自身的寄生摩擦阻力自由減速滑行，并將此時作為滑行實驗的起始時間，從210km/h開始，每隔10km/h作為一個速度區(qū)間，記錄每個速度區(qū)間所滑行經(jīng)歷的時間，結(jié)合已經(jīng)得出的基礎(chǔ)慣量，再根據(jù)公式即可計算得出速度區(qū)間中點速度點底盤測功機(jī)的寄生摩擦阻力。滾筒速度為205km/h時，其寄生阻力的計算式為

然后，利用相同的方法記錄各速度區(qū)間的時間，直到測功機(jī)滾筒的速度為零，再根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到一組5～205km/h，以10 km/h為速度間隔，涵蓋整個測功機(jī)測量區(qū)間的寄生摩擦阻力值，其結(jié)果如表5所示。

表5　空載滑行法試驗數(shù)據(jù)表

由前面分析可知，單滾筒底盤測功機(jī)的寄生摩擦阻力的數(shù)學(xué)模型可用二次多項式表示，因此將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合，得出寄生摩擦阻力曲線，如圖1所示。

圖1　寄生摩擦阻力曲線

由圖可知，本試驗中測功機(jī)的寄生摩擦阻力可表示為

3　結(jié)果分析與驗證

據(jù)實驗結(jié)果可知，隨著測功機(jī)滾筒速度的增大，測功機(jī)的寄生摩擦阻力也呈現(xiàn)出增大的規(guī)律，且從測定各速度點的阻力值可以看出，采用空載滑行法測出的單滾筒底盤測功機(jī)寄生阻力值與擬合的二次曲線偏差很小。

單滾筒底盤測功機(jī)正常運行時，必須對其寄生摩擦阻力進(jìn)行補償。為了驗證試驗結(jié)果得出的寄生阻力曲線是否可以準(zhǔn)確補償其寄生摩擦阻力，針對測功機(jī)在實際運行中的工況，對其指定不同慣量值，在常用的速度區(qū)間進(jìn)行驗證。除了底盤測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量1178kg，還指定慣量值907kg、2495kg，在這3個不同慣量值下，用等速法獲取其在某個速度點的寄生阻力值，再將此結(jié)果與寄生阻力曲線進(jìn)行對比。

充分熱機(jī)，將測功機(jī)的道路阻力系數(shù) F0、F1、F2都設(shè)置為0，選取驗證速度區(qū)間為16～128 km/h，以16km/h為速度間隔，驅(qū)動滾筒，待滾筒速度達(dá)到設(shè)定速度點且速度穩(wěn)定后，以1Hz的頻率采集傳感器所顯示的牽引力值，測試時間為60 s，取其平均值，即為此速度點的寄生阻力值，然后再加速至下一速度點，按照此方法獲取在測試速度點的寄生阻力值，最后將獲取的結(jié)果與空載滑行法得到的寄生摩擦阻力曲線進(jìn)行對比，其結(jié)果如表6所示。

表6　等速法試驗數(shù)據(jù)表

為了更直觀地分析，將寄生摩擦阻力的誤差值以散點圖的形式給出，如圖2所示。

圖2　寄生摩擦阻力誤差曲線圖

由圖可知，在各慣量值、各速度點下，最大的寄生阻力誤差值為-1.41 N，且最大的寄生功率誤差值也僅為-31.25W，據(jù)規(guī)范可知，底盤測功機(jī)在各慣量、各速度點下寄生阻力＜10 N，或者寄生功率＜73.5 W即為合格，因此本實驗得出的寄生摩擦曲線模型具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，可以滿足現(xiàn)實中汽車檢測實驗的要求。

4　結(jié)束語

1）相對于雙滾筒而言，單滾筒底盤測功機(jī)因滾筒直徑較大，車輪輪胎與滾筒的接觸更接近車輪與路面接觸的實際情況，滑轉(zhuǎn)率小，滾動阻力小，因而具有較高的精度優(yōu)勢。但在測功機(jī)運行過程中，它自身的寄生摩擦阻力對于模擬加載與測量結(jié)果產(chǎn)生的影響不可忽略，其大小隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而增大。

2）單滾筒底盤測功機(jī)的基礎(chǔ)慣量會隨著機(jī)器的使用時間、磨損程度等發(fā)生變化，從而影響測試準(zhǔn)確度，采用不同加速度的加載滑行法可以得出準(zhǔn)確度較高的基礎(chǔ)慣量值，本文測試結(jié)果的最大偏差值僅為2.18kg。

3）單滾筒底盤測功機(jī)的寄生摩擦阻力可用速度的函數(shù)式來表示，本實驗用空載滑行法所獲取的數(shù)學(xué)模型，在加載不同的慣量值下，仍可精準(zhǔn)地得出寄生摩擦阻力值，該方法簡便、可行，可以更大的提高單滾筒底盤測功機(jī)的測試準(zhǔn)確度。

［1］在用汽油車穩(wěn)態(tài)加載污染物排放限值及測量方法：DB 11/122—2010［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

［2］劉昭度.底盤測功機(jī)摩擦功率測試方法研究［J］.汽車工程，2006，28（9）：870-872.

［3］高有山，李興虎.汽車滑行阻力分析［J］.汽車技術(shù)，2008（4）：56-59.

［4］劉克濤.汽車專用底盤測功機(jī)的校準(zhǔn)［J］.中國計量，2009（9）：79-81.

［5］溫溢，田野，王建海，等.耐久底盤測功機(jī)隨使用時間的內(nèi)阻特性研究［J］.中國測試，2013，39（4）：121-124.

［6］劉昭度.汽車底盤測功機(jī)加載滑行測試研究［J］.汽車工程，2006，28（12）：1129-1132.

［7］李軍，吳明.底盤測功機(jī)基本慣量測試方法誤差分析［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010（7）：316-319.

［8］吳明.底盤測功機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析 ［J］.公路與汽運，2010（4）：20-24.

［9］劉磊.基于底盤測功機(jī)臺架系統(tǒng)阻力測試方法研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2012.

［10］趙偉，王強.基于底盤測功機(jī)的輪式工程機(jī)械底盤動力性能測試［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報，2011，9（3）：347-350.

（編輯：徐柳）

Study on the measurement method of single drum chassis dynamometer parasitic friction resistance

GONG Zhiyuan，LIU Zhixiong，OUYANG Aiguo，CHEN Qiping
（East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In order to obtain the parasitic friction resistance of single drum chassis dynamometers，loaded sliding tests for dynamometer under different acceleration conditions was conducted and the basic inertia of the dynamometer was calibrated.Then，no-load sliding method was used to acquire the parasitic resistance at each measurement speed point according to the basic inertia，velocity section and sliding time.After that，the parasitic resistance values were fitted into a quadratic curve.Finally，the curve was verified by loading different inertia values at a constant speed.The results show that the calculation model obtained for dynamometer parasitic resistance obtained from this method can satisfy the testing requirements and has high accuracy.

single drum；chassis dynamometer；parasitic resistance；base inertia

A

1674-5124（2016）06-0005-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.002

2015-07-07；

2015-09-12

國家自然科學(xué)基金（51265015）江西省對外科技合作項目（20111BDH80028）江西省教育廳青年基金（GJJ14392）

龔志遠(yuǎn)（1966-），男，江西南昌市人，副教授，主要從事機(jī)電一體化教學(xué)與研究。