一种新型测功机——轮毂测功机

申方 郭朋彦 张宁 邵方阁 刘子川

（华北水利水电大学，河南郑州 450045）

一种新型测功机
——轮毂测功机

申方 郭朋彦 张宁 邵方阁 刘子川

（华北水利水电大学，河南郑州 450045）

近年来，随着汽车行业的飞速发展，汽车测试行业逐渐向细化领域发展。基于此，介绍一种国内尚未出现的新型轮毂测功机，对其工作原理和结构进行详细的研究，并对其优劣势进行分析。结果发现，轮毂测功机具有成本低、便于移动的明显优势，具有较好的应用前景。

轮毂测功机；工作原理；结构；优劣势

随着人们生活水平的不断提高，汽车作为方便快捷的交通工具日益受到人们的青睐。汽车需求量的增加，促进了我国汽车产业的迅速发展。自2009年以来，我国的汽车产销量连续7a居世界首位，截至2015年底，我国机动车保有量达2.79亿辆，仅次于美国，居世界第二。汽车产业的迅速发展使大量的资本、人力、物力向这个行业集聚，众多高校、科研院所、企事业单位开始从事汽车方面的研究与开发。性能测试是汽车产品开发所必须经历的阶段，而测功机是汽车测试的重要设备。

1 测功机概述

按照测试对象不同，测功机主要有发动机/动力总成台架测功机和底盘测功机两大类，前者主要对动力总成进行测试，后者主要对整车进行测试。发动机/动力总成台架测功机主要对发动机、驱动电机，或发动机-变速箱、驱动电机-变速箱、发动机-驱动电机-变速箱混合动力总成等在台架上进行测试。底盘测功机一般安装于地下或地面底座上，可分为双滚筒和单滚筒式，测试时，采用驾驶或其他方式将车辆驱动轮置于滚筒上，将车辆固定后发动汽车，通过油门踏板、制动踏板实现车辆加减速行驶，此时车辆驱动轮通过摩擦带动滚筒转动，通过测试滚筒的转速、扭矩即可测得待测车辆的车速、扭矩、功率等。

底盘测功机可实现对整车性能的测试，但是，底盘测功机因滚筒安装于地下或地面铁质底座上。所以，造价高，一次性投入大，且不能移动。这使得研发经费较少的高校、科研院所和企业难于开展整车研发与测试工作。近年来，国外出现一种新型测功机——轮毂测功机，使用这种测功机测试车辆时将车辆驱动轮的左右车轮拆下来，通过法兰盘直接将驱动轴连接到左右测功单元上，这种测功机摆脱了传统底盘测功机必须固定安装的局限，可随时移动，灵活地改变车辆测试地点，且价格便宜。因便于移动，使用者可通过租赁等方式实现自己的测试，非常适合经费较少的高校、科研院所及企业从事整车性能测试。目前，国内还没有这种测功机。本文介绍这种新型交流电力轮毂测功机，对其工作原理和结构进行研究,并对其优劣势进行分析。

2 测功机的分类

按测试原理，测功机一般可分为水力测功机、电涡流测功机和电力测功机［1］。早期主要以水力测功机和电涡流测功机为主，这两种测功机在测试过程中，不仅要将被测试设备输出的所有能量转化为热能消耗掉，而且还需要额外的冷却散热设备。这两种测功机还无法实现倒拖原动机方面的测试，所以这两种测功机的适用场合比较局限。

近年来，随着电工电子技术、微机技术、控制技术的发展与应用，电力测功机得到了广泛的应用。与水力测功机和电涡流测功机相比，电力测功机可以作为电动机倒拖原动机，并且在测功状态下获得的能量能够回馈到电网。通常，电力测功机又分为直流电力和交流电力测功机［3］。早期，由于直流电力测功机调速性能好及成熟的控制技术，电力测功机以直流电力测功机为主。但是，直流电力测功机存在换向、设备复杂等问题。随着变频控制技术中的直接转矩控制技术的日益成熟，交流电力测功机得到了迅速的发展。

3 轮毂测功机的原理

轮毂测功机一般采用交流电力形式，所以轮毂测功机的原理和交流电力测功机的原理相同。如果用P表示原动机输出的有效功率（kW），T表示输出轴上的有效转矩（Nm），n表示转速（r/min），则三者之间的关系为：

由式（1）可知，通过测定某工况下被测原动机的输出转矩T和转速n，即可得到该工况下相应的有效功率P。

交流电力测功机作为原动机负载测功运行时实际上是一个发电机，其吸收被测原动机发出的功率，将原动机输出的机械能转变成电能，上传电网，或直接消耗掉。通过控制测功电机的阻力来改变原动机的负荷及转速，通过测量测功电机的转速和轴上的转矩来间接测量原动机的输出转矩和功率。当测功电机作电动机运行时，可拖动原动机以测定其机械损失。

4 轮毂测功机的结构

从结构上分，轮毂测功机主要由测功机主体、连接线束、控制器、上位机操作台等组成，如图1所示。单轴轮毂测功机主体由左右2个测功模块（分别为主、副模块）组成，测试时将待测车辆驱动轴的左右车轮卸掉，然后通过法兰盘将驱动轴直接连到到轮毂测功机测功模块上，连接相应的线束和控制器，在上位机软件上进行相应的配置即可进行整车性能测试。

图1 轮毂测功机系统组成图

从功能上分，汽车轮毂测功机通常由加载装置、测量装置、测控系统及其他辅助装置组成。

4.1 加载装置

由于被测试车辆在交流电力轮毂测功机上所受的各种阻力和与汽车在实际道路上行驶时受的阻力和不相等，为了准确地在实验室内模拟出被测试车辆在实际道路的行驶情况，就需要给被测试车辆提供相应的阻力来弥补两者的阻力差，提供阻力差的这部分装置被称为加载装置。交流电力测功机一般是通过改变产生磁场的电流大小来调节负载阻力。

表1是几种测功机加载装置性能对比，由表1可知，交流电力轮毂测功机采用的电力测功机加载装置具有较好的性能。

表1 几种测功器加载器对比

4.2 测量装置

测量装置主要包括测力装置和测转速装置，是轮毂测功机的基本组件。测力装置测量定子外壳所受的转矩，经一定的变换后可以计算出驱动轴上的输出转矩。测力装置的精度主要取决于测力传感器的精度和测力系统的精度。轮毂测功机使用的测力传感器一般分为拉压传感器和位移传感器2种类型，他们一端连接功率吸收装置的外壳，另外一端连接机体。图2、3分别为拉压传感器、位移传感器安装图。

测速装置通过测量轮毂测功机转子转速，经相应的计算可获得被测试车辆的行驶车速。测速装置通常由转速传感器、数据采集处理电路等组成。转速传感器将转子转速信号转化为脉冲信号进行传输，常用的转速传感器主要有磁电式转速传感器、光电式转速传感器和霍尔式转速传感器等。

图2 拉压传感器安装图

图3 位移传感器安装图

4.3 测控系统

测控系统是轮毂测功机的控制核心，其完成数据的采集、分析与处理，进而对被测试车辆的性能进行评估。交流电力轮毂测功机对被测试设备进行加载时，通过电机变频控制器向交流电机发送转速、扭矩等控制信号；测量时，通过传感器采集转速及扭矩等参数，并把这些参数转化为电信号，这些信号传输到测功机控制器经过处理后，一路输送到上位机中进行显示（见图4），另外一路经一定的算法整理成控制信号反馈给交流电机控制器，从而实现整个系统的闭环控制。

图4 轮毂测功机上位机软件界面

4.4 辅助装置

辅助装置包括连接法兰盘、旋转脚轮、止轮块、冷却风扇、配件包和附加测试所需附件等。

用于连接待测试车辆驱动轴和轮毂测功机的法兰盘根据不同车型而有不同的规格，如图5中所示法兰盘包含4mm×100mm、4mm×108mm、4mm×114.3mm，5mm× 100mm、5mm×114.3mm、5mm×120mm，5mm×110mm、5mm×112mm、5mm×130mm等几种车轮螺栓布置模式。

图5 轮毂测功机连接法兰盘

由于轮毂测功机比较重，所以为了方便在实验室内移动轮毂测功机，轮毂测功机模块下面安装有轮子，以调整位置和方向，同时在外框架上设计出扶手，以便推拉。汽车轮毂测功机在测试时，一般还需要用于防止汽车前后移动的约束装置（如止轮块），用于发动机舱冷却的冷却装置，拆卸驱动轮时所需的扳手、千斤顶，用于失效保护的枕木等。

如果要实现排放和经济性测试，还需要配置气体分析仪、发动机温度传感器和油耗仪等附件。

5 轮毂测功机的优劣势分析

5.1 轮毂测功机的优势

轮毂测功机是一种重要的实验室内整车性能测试设备，与底盘测功机相比具有以下优点：不需要捆扎（以固定车辆）；不存在车轮滑移问题；没有轮胎阻力的损失；优秀的重复性；不需要坑道或底座，价格便宜；便于移动；适合整车动力系统开发等。

轮毂测功机摆脱了传统测功机必须固定安装的局限，其可随时移动，灵活地改变车辆测试地点；只要一块15～20m2甚至更小的空间就可以安装轮毂测功机系统来测试车辆，以完成动力系统测试、调校、排放测试、整车工况检测等。设备拥有者可以出租轮毂测功机而获得收益，从而降低设备成本；设备使用者可通过租赁方式实现自己的测试，从而降低研发费用。

使用轮毂测功机，不仅可以对车辆的整车动力性进行测试，而且配套使用气体分析仪、发动机温度传感器和油耗仪等设备时，还可以测试汽车在各种工况下的尾气排放指标、发动机温度、油耗等。正是由于轮毂测功机的诸多优点，近年来轮毂测功机已在国外汽车科研院所的科学试验及汽车维修领域得到了广泛的应用。

5.2 轮毂测功机的劣势

相比于底盘测功机，轮毂测功机的单次测试安装、拆卸时间较长。轮毂测功机获得的是中间功率，不是车轮上的输出功率，只能对整车性能进行近似评估，而且轮毂测功机的测试结果不能和其他底盘测功机测试结果进行对比。针对不同的汽车型号可能需要不同轮毂适配器（连接法兰），而底盘测功机可以测试大多数汽车。

6 结语

随着汽车行业的飞速发展，汽车测试行业逐渐向细化领域发展，轮毂测功机正是汽车测试行业向细化领域发展的重要设备，本文介绍了这种新型轮毂测功机的工作原理和结构，并对其优劣势进行了分析。相较于传统底盘测功机，这类测功机具有成本低、便于移动的明显优势，具有较好的应用前景。

［1］叶晓，金振华，高大威，等.测功机动态负载模拟算法［J］.清华大学学报（自然科学版），2013（10）：1492-1497.

A New Type of Dynamometer——Axle-Hub Dynamometer

Shen Fang Guo Pengyan Zhang Ning Shao Fangge Liu Zichuan
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

In recent years,with the rapid development of the automotive industry,the automotive testing industry has gradually developed to more narrow branches field.Based on this,a new type dynamometer(Axle-Hub Dynamome⁃ter)was introduced,which has not yet appeared in China.And its structure and working principle were introduced, the superiority and inferiority of Axle-Hub Dynamometer were analyzed.The results show that the Axle-Hub Dyna⁃mometer has the advantages of cost and movability,and will have a good application prospects in China.

Axle-Hub Dynamometer；working principle；structure；superiority and inferiority

TM933.3

：A

：1003-5168（2017）01-0074-03

2016-12-21

河南省教育厅科学技术研究重点项目资助计划（13A460693）；华北水利水电大学大学生创新计划项目资助（HSCX2014112）。

申方（1989-），男，硕士，研究方向：车辆、发动机设计及测试。