单滚筒底盘测功机寄生摩擦阻力测量方法研究

龚志远，刘志雄，欧阳爱国，陈齐平

（华东交通大学，江西 南昌 330013）

单滚筒底盘测功机寄生摩擦阻力测量方法研究

龚志远，刘志雄，欧阳爱国，陈齐平

（华东交通大学，江西 南昌 330013）

针对单滚筒底盘测功机寄生摩擦阻力的获取，在不同加速度下对测功机进行加载滑行，对测功机的基础惯量进行标定，然后采用空载滑行法，根据基础惯量、速度区间与滑行时间得到各测量速度点的寄生阻力值，再将其拟合成二次曲线。最后，采用等速法加载不同惯量值对曲线进行验证，结果表明：采用此方法所得出的测功机寄生阻力计算模型满足试验要求，具有较高的准确度。

单滚筒；底盘测功机；寄生阻力；基础惯量

0　引　言

汽车本身是一个复杂的系统，由于行驶里程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断变差。动力性差的车辆运行时燃油消耗明显增加，增大排放污染物的含量，不利于节能和环保等方面的要求。因此，有必要对汽车进行定期或不定期的综合性能检测，以达到延长汽车使用寿命、节约能源、降低运营成本、减少污染物的排放的目的［1］。汽车底盘测功机与传统的试验场相比，具有重复性好、安全性高的特点，且摆脱了场地的限制，不受天气的制约，大大节约了汽车开发与检测成本。

目前，在用的底盘测功机主要分为单滚筒底盘测功机与双滚筒底盘测功机，单滚筒底盘测功机因结构优势具有较高的准确度，但其成本较高。在测功机运行的过程中，将滚筒自身转动部分的损耗、轴承摩擦效应和其他功率吸收装置的阻力统称为测功机的寄生摩擦阻力，寄生摩擦阻力会随着机器的磨损、变形而发生变化，且其大小会影响测功机的模拟加载与最终测试结果的准确度［2］，因此必须定时采用相应的方法对测功机的寄生摩擦阻力进行标定，补偿以抵消寄生摩擦阻力对试验结果的影响［3-4］。本文通过对单滚筒底盘测功机的基础惯量的测定，再用空载滑行法通过多次试验得到测功机寄生摩擦阻力与滚筒转速的数学模型，最后采用等速法对所获得的模型进行了验证，以期为汽车检测试验及单滚筒测功机的开发研究提供参考。

1　单滚筒底盘测功机的寄生阻力

1.1寄生阻力的组成因素分析

单滚筒底盘测功机在运行时，其系统内部会产生各种阻力，主要包括滚筒自身转动时的阻力、滚筒两侧轴承产生的摩擦阻力、联轴器摩擦阻力及电力测功机在运行时自身的阻力等。在不同环境下，如大气压值不同、空气湿度不同时其寄生阻力值也会不同，其大小对测量结果所产生的影响是不能忽略的。将底盘测功机的寄生阻力进行归类分析，可将其分为机械阻力与空气阻力两部分。其中机械阻力的大小随着滚筒转速的增加而增大，与速度呈线性关系，其关系式为

空气阻力是测功机在运行过程中，运动部件快速运转时与空气产生摩擦而形成的阻力。由于在测功过程中，滚筒的运行速度极快，因此这一部分阻力也不可忽略。据流体力学的知识，测功机在空气中所受的阻力可表示为

因此可得，单滚筒测功机的寄生阻力即为机械阻力与空气阻力之和，其与转鼓速度的关系［5-7］式为

1.2寄生阻力对测试精度的影响

底盘测功机的基本原理就是使用滚筒模拟路面，使汽车在滚筒上运行时受到的阻力等同于它在路面上行驶所受到的阻力，从而在室内达到试车场测试的效果。

在检测车辆时，车辆在测功机上所受的阻力主要分成4部分：测功机的寄生摩擦阻力、测功机加载阻力、汽车传动系阻力与轮胎滚动阻力、惯性阻力。其中测功机的寄生摩擦阻力不可忽略，内阻不消去就会加大测功机的加载阻力，使得被测车辆所受的阻力大于在实际道路上所受的阻力，从而不能准确地模拟道路行驶工况，影响试验的准确度［8］。

2　实验设备及方法

本试验采用AVL公司生产的48英寸（1英寸≈0.0254m）单滚筒底盘测功机，其具体参数如表1所示。

表1　底盘测功机参数

因为底盘测功机检测功率时，要根据不同车型加载不同惯量值，测功机基础惯量值是测功机所特有的参数，且其大小对测功机寄生阻力的影响有密切关系，所以，为了获得更准确的寄生阻力值，在用滑行法测量测功机的寄生阻力前，先对测功机的基础惯量进行标定［9］。

2.1单滚筒测功机基础惯量的标定方法

单滚筒底盘测功机检测汽车功率时，其加载惯量根据不同车型确定，加载过程中，底盘测功机的基础惯量所引起的惯性力也作用到了车轮上［10］。主要包括滚筒的转动惯量、测功机的电机惯量及其他因素所引起的惯量等等，这部分惯量很多是无法直接通过测量或计算得到。本试验中将测功机视为一个整体，因为底盘测功机的测功器、测试系统、各回转构件等的质量是不变的，因此可判定在测功机的运行过程中，它的基础惯量值也不会改变。根据牛顿第二定律F=Ma，可得M=F/a。

进行标定前，将测功机空载并充分热机，使测功机驱动滚筒到初始速度8km/h，将16～64km/h设定为测量的速度区间，然后指定一固定的加速度，此时加载力F为一恒力，将滚筒速度加速至72km/h以上，记录在测量速度区间加速过程中所用时间，再以同一加速度使滚筒减速至8 km/h，记录在测量速度区间减速过程中所用时间，将所记录的数据用下式进行计算：

得到此次测量的测功机的基础惯量值，重复3次并使用不同的加速度进行试验，将最后结果取平均值即得到最终的基础惯量BIW。

本试验中，在选取的加速度值为1，6，12mph/s进行试验时（1 mph=1.609 km/h），测功机的加载力、测量速度区间的滑行时间及测功机的基础惯量值如表2～表4所示。

由实验数据可得，当以加速度为1，6，12 mph/s进行试验时得到的测功机基础惯量的平均值分别为1177.19，1178.75，1179.37kg，再对这3个结果取平均值、取整数，得到最终结果，即此单滚筒底盘测功机的基础惯量为1178kg。由试验数据可知，采用此方法测定的基础惯量值偏差小、稳定性高，满足实验要求。

表2　加速度为1mph/s时的试验数据

表3　加速度为6mph/s时的试验数据

表4　加速度为12mph/s时的试验数据

2.2单滚筒测功机的寄生内阻测定

单滚筒测功机的寄生内阻测量使用空载滑行法进行，将底盘测功机作为一个独立的研究对象，其理论依据仍是牛顿第二定律。在充分热机、空载的前提下，将测功机的道路阻力系数F0、F1、F2都设置为0，然后利用测功机自带的加速功能将滚筒速度驱动至210km/h以上，再断开动力，使其依靠自身的寄生摩擦阻力自由减速滑行，并将此时作为滑行实验的起始时间，从210km/h开始，每隔10km/h作为一个速度区间，记录每个速度区间所滑行经历的时间，结合已经得出的基础惯量，再根据公式即可计算得出速度区间中点速度点底盘测功机的寄生摩擦阻力。滚筒速度为205km/h时，其寄生阻力的计算式为

然后，利用相同的方法记录各速度区间的时间，直到测功机滚筒的速度为零，再根据所记录的数据进行计算，得到一组5～205km/h，以10 km/h为速度间隔，涵盖整个测功机测量区间的寄生摩擦阻力值，其结果如表5所示。

表5　空载滑行法试验数据表

由前面分析可知，单滚筒底盘测功机的寄生摩擦阻力的数学模型可用二次多项式表示，因此将所得数据进行二次拟合，得出寄生摩擦阻力曲线，如图1所示。

图1　寄生摩擦阻力曲线

由图可知，本试验中测功机的寄生摩擦阻力可表示为

3　结果分析与验证

据实验结果可知，随着测功机滚筒速度的增大，测功机的寄生摩擦阻力也呈现出增大的规律，且从测定各速度点的阻力值可以看出，采用空载滑行法测出的单滚筒底盘测功机寄生阻力值与拟合的二次曲线偏差很小。

单滚筒底盘测功机正常运行时，必须对其寄生摩擦阻力进行补偿。为了验证试验结果得出的寄生阻力曲线是否可以准确补偿其寄生摩擦阻力，针对测功机在实际运行中的工况，对其指定不同惯量值，在常用的速度区间进行验证。除了底盘测功机的基础惯量1178kg，还指定惯量值907kg、2495kg，在这3个不同惯量值下，用等速法获取其在某个速度点的寄生阻力值，再将此结果与寄生阻力曲线进行对比。

充分热机，将测功机的道路阻力系数 F0、F1、F2都设置为0，选取验证速度区间为16～128 km/h，以16km/h为速度间隔，驱动滚筒，待滚筒速度达到设定速度点且速度稳定后，以1Hz的频率采集传感器所显示的牵引力值，测试时间为60 s，取其平均值，即为此速度点的寄生阻力值，然后再加速至下一速度点，按照此方法获取在测试速度点的寄生阻力值，最后将获取的结果与空载滑行法得到的寄生摩擦阻力曲线进行对比，其结果如表6所示。

表6　等速法试验数据表

为了更直观地分析，将寄生摩擦阻力的误差值以散点图的形式给出，如图2所示。

图2　寄生摩擦阻力误差曲线图

由图可知，在各惯量值、各速度点下，最大的寄生阻力误差值为-1.41 N，且最大的寄生功率误差值也仅为-31.25W，据规范可知，底盘测功机在各惯量、各速度点下寄生阻力＜10 N，或者寄生功率＜73.5 W即为合格，因此本实验得出的寄生摩擦曲线模型具有相当高的准确度，可以满足现实中汽车检测实验的要求。

4　结束语

1）相对于双滚筒而言，单滚筒底盘测功机因滚筒直径较大，车轮轮胎与滚筒的接触更接近车轮与路面接触的实际情况，滑转率小，滚动阻力小，因而具有较高的精度优势。但在测功机运行过程中，它自身的寄生摩擦阻力对于模拟加载与测量结果产生的影响不可忽略，其大小随着滚筒转速的增加而增大。

2）单滚筒底盘测功机的基础惯量会随着机器的使用时间、磨损程度等发生变化，从而影响测试准确度，采用不同加速度的加载滑行法可以得出准确度较高的基础惯量值，本文测试结果的最大偏差值仅为2.18kg。

3）单滚筒底盘测功机的寄生摩擦阻力可用速度的函数式来表示，本实验用空载滑行法所获取的数学模型，在加载不同的惯量值下，仍可精准地得出寄生摩擦阻力值，该方法简便、可行，可以更大的提高单滚筒底盘测功机的测试准确度。

［1］在用汽油车稳态加载污染物排放限值及测量方法：DB 11/122—2010［S］.北京：中国质检出版社，2010.

［2］刘昭度.底盘测功机摩擦功率测试方法研究［J］.汽车工程，2006，28（9）：870-872.

［3］高有山，李兴虎.汽车滑行阻力分析［J］.汽车技术，2008（4）：56-59.

［4］刘克涛.汽车专用底盘测功机的校准［J］.中国计量，2009（9）：79-81.

［5］温溢，田野，王建海，等.耐久底盘测功机随使用时间的内阻特性研究［J］.中国测试，2013，39（4）：121-124.

［6］刘昭度.汽车底盘测功机加载滑行测试研究［J］.汽车工程，2006，28（12）：1129-1132.

［7］李军，吴明.底盘测功机基本惯量测试方法误差分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2010（7）：316-319.

［8］吴明.底盘测功机结构参数分析 ［J］.公路与汽运，2010（4）：20-24.

［9］刘磊.基于底盘测功机台架系统阻力测试方法研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［10］赵伟，王强.基于底盘测功机的轮式工程机械底盘动力性能测试［J］.中国工程机械学报，2011，9（3）：347-350.

（编辑：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

国家自然科学基金（51265015）江西省对外科技合作项目（20111BDH80028）江西省教育厅青年基金（GJJ14392）

龚志远（1966-），男，江西南昌市人，副教授，主要从事机电一体化教学与研究。