ZQ500底盘测试台电惯性模拟参数试验研究

2013-11-15肖启瑞黄学翾石本改易东旭

中国测试 2013年4期

肖启瑞，黄学翾，石本改，易东旭

（1.广东机电职业技术学院汽车学院，广东广州 510515；2广州地下铁道集团公司运营事业总部车辆中心，广东广州 510000；3.广汽集团研究院底盘工程技术部，广东广州 510000；）

0 引言

进行汽车多工况法排气污染物测试，要求底盘测试系统不仅能模拟汽车等速行驶时的道路阻力，也要能模拟汽车加减速行驶时的惯性力。目前国内汽车动力性试验用底盘测试系统，汽车惯量通常用机械飞轮组来模拟，不能实现无级调整，模拟精度不高。而采用机械惯量电模拟技术，能达到较好的综合性能，在进行机械惯量电模拟系统设计时，由于车辆处于相对静止状态，需要由底盘测试系统电惯量模拟的行驶阻力包括两部分：一部分由滚动阻力与空气阻力组成，通称为路面阻力；另一部分为汽车加速时产生的惯性力。本文结合ZQ500车辆底盘测试台的设计，就车辆底盘测试系统的理论计算方法以及利用汽车滑行试验法进行汽车路面阻力参数的获取方法展开讨论。

1 汽车行驶受力分析

1.1 汽车在道路上行驶受力分析

通过对行驶中的汽车进行受力分析。驱动力由发动机经传动系传至驱动轮上得到。行驶阻力包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。可建立汽车的行驶方程式[1-2]：

式（1）展开得：

式中：G——车辆总重；

Ff——滚动阻力；

Fw——空气阻力；

Fi——上坡阻力；

f——滚动阻力系数；

δ——汽车旋转质量换算系数。

对于4×2的普通车辆，δ主要与发动机飞轮、车轮的转动惯量及传动比有关，可以表示为[2]

代入式（1）可得：

式中：Iq——两前轮转动惯量；

Ih——两后轮转动惯量；

If——发动机飞轮转动惯量；

i——传动比；

r——车辆半径。

1.2 车辆在测试系统上行驶受力分析

本文采用单滚筒型测试系统，由车辆驱动轮驱动滚筒，而从动轮静止，其无法模拟滚动阻力及相应惯性质量。

在测试系统上进行试验时，式（1）中的Fw=0及Fi=0[3]，展开得：

式中：Ir——测试系统滚筒的转动惯量；

ωr——滚筒的角速度；

ωf——发动机飞轮角速度。

设车辆驱动轮与测试系统滚筒间为纯滚动，有：

代入式（5）得：

为了在测试系统上较准确地模拟道路行驶状态，所以式（4）与式（6）的差应当由测试系统加载电惯量模拟实现[3]（假设道路试验为平直0坡度路面，即 Fi=0）：

注意到在进行有坡度道路模拟试验时，必须考虑Fi的作用，可由计算机控制测试系统加载实现模拟坡道阻力。

从式（7）中可以看出，需要由底盘测试系统电惯量模拟的行驶阻力包括两部分：一部分由滚动阻力与空气阻力组成，即F1=Gf+Fw，称为路面阻力[4]；另一部分为括号内的惯性力F2。

2 汽车路面阻力参数的获取计算

由于新车型阻力参数为经验数据，通常不太准确，且汽车滚动阻力系数f也应由道路试验测得。因此，应首先对车辆进行空档滑行试验，利用最小二乘法得到车辆在平直道路上路面阻力与车速关系式，可实时调整测试系统的加载值，以准确动态模拟车辆行驶阻力[5]。

在进行汽车理论动力性计算时，为粗略估算滚动阻力值，可认为滚动阻力为车速的一次函数，但空气阻力不宜就一次函数估算。本文是讨论利用汽车滑行试验法反求路面阻力与车速的函数关系，为精确起见，设路面阻力为车速的二次函数，令其函数表达式为

a、b、c均为待定系数，可由滑行试验反求获得。具体根据GB/T 12536-1990《汽车滑行试验方法》进行滑行试验，试验内容如下：

（1）试验仪器。测量仪器使用国产zqy195智能五轮仪，该五轮仪与传统接触式五轮仪不同，非接触式五轮仪以计算机为核心部件，配以相应的I/O接口及外设，不需要路面接触。它采用光电相关滤波技术，安装在车上的光电路面探测器（简称光电头）照射路面，把路面图像变换为频率信号，用于汽车动力性、制动性和燃油经济性能的测试。具有较高的测量精度和抗干扰能力[6]。

五轮仪测量速度范围：5～120km/h，准确度0.5%；测量距离范围：0～99 999 m，准确度0.5%；最小距离≥20m。使用温度：-10～40℃；环境湿度：20%～85%（无露滴）；供电电源：AC 220～250 V，试验车辆由车载DC-AC逆变器电源供电。

试验条件及试验车辆的准备全部满足GB/T 12534-1990《汽车道路试验方法通则》的规定，即：试验道路除另有规定外，应在清洁、干燥、平坦的，用沥青或混凝土铺装的直线道路上进行。道路长2～3km，宽≥8 m，纵向坡度在0.1%以内，风速≤3 m/s，特别注意轮胎气压必须满足厂家出厂规定气压，否则将造成测量误差。

（2）试验方法。在长约1000m的平直试验路段两端立上标杆作为滑行区段，汽车在进入滑行区段前车速应稍大于80km/h。汽车驶入滑行区段前，驾驶员将变速器排挡放入空挡（松开离合器踏板），汽车开始滑行。当车速为80km/h时（汽车应进入滑行区段），使用第五轮仪进行记录，直至汽车完全停住为止。在滑行过程中，驾驶员不得转动方向盘。记录滑行初速度（应为80km/h±0.3km/h）和滑行距离，试验至少往返各滑行一次，往返区段尽量重合[7]。

试验样车选取国产某新型试制轿车，整车整备质量1350kg，为前置前驱型。汽车空挡滑行时由驱动车轮反拖传动系旋转，取旋转质量转换系数δ=0.04，轮胎型号为185/65R14子午线轮胎，前轮空载额定气压为260kPa，后轮空载额定气压为230kPa。

试验采用速度模式，利用动态测试记录仪按等速度间隔记录速度、时间间隔。试验时，风阻及滚动阻力随滑行速度成正相关，故滑行速度试验精度有很大影响，滑行初速度不应过低，试验时定为80km/h。最终得到试验数据列于表1。由表1中的数据可知，随着试验车速的升高，车辆所受到的路面阻力随之增大，说明路面阻力是与车速正相关的，同时由于滑行试验时车辆减速度完全由路面阻力产生，因此，车辆减速度也应与车速正相关，这与试验结果完全一致。

表1 滑行法试验数据列表

由表1数据可以得到车速与减速度及车速与路面阻力的拟合曲线，如图1、图2所示。由图1的拟合曲线可知车辆滑行减速度随车速降低而减小，二者之间近似于线性关系，这是由于路面阻力随车速变化的结果。由图2可知路面阻力随车速增加而增加，所以，通常在进行汽车动力性计算时，如果汽车以低速行驶，汽车行驶阻力主要表现为轮胎滚动阻力，而空气阻力较小，路面阻力整体数值仍然较小，随着车速升高，路面阻力上升较快，试验车辆车速为80km/h时路面阻力可达到322.9N，其中以空气阻力成分为主。但要区分滚动阻力及空气阻力二者具体数值的话，一般仅由路面滑行试验无法获得[8]。