汽车底盘测功机的模拟原理分析研究

中北大学机械与动力工程学院 杜磊 董小瑞

引言

汽车底盘测功机是一种用来测试汽车动力性、多工况排放指标、燃油指标等性能的室内台架试验设备。汽车底盘测功机通过滚筒模拟路面，计算出道路模拟方程，并用加载装置进行模拟，实现对汽车各工况的准确模拟。底盘测功机使用方便，性能可靠不受外界条件的影响。在不解体汽车的前提下，能够准确快速地检测出汽车各个系统、部件的使用性能。本文从测功机的结构和工作原理入手，将汽车在道路行驶阻力与在测功机上的行驶阻力进行等效模拟，为设计新型底盘测功机提供参考。

1 底盘测功机的结构

汽车底盘测功机，主要用于检测汽车动力性、加速性等使用性能和技术性能，配备一系列辅助装置，还能进行汽车科学试验及维修检测。其基本结构如图1-1所示

2 汽车底盘测功机的基本原理

2.1 底盘测功机的功率转化原理

底盘测功机是用滚筒模拟代替路面，汽车在正常匀速行驶时遇到的各种阻力通过加载装置模拟。汽车在加速以及滑行时，所受阻力通过飞轮组的转动惯量模拟。底盘测功机的转矩和功率通过安装在一个连接定子和测功机外壳的力臂上的力传感器测得。汽车驱动滚筒，加载装置通过定子对转子施加制动力矩，同时，定子受到转子的反作用力矩。此力矩被力传感器测得并换算成驱动轮的转矩和功率。

2.2 汽车底盘测功机输出功率计算原理

汽车底盘输出功率一般是用驱动轮的输出功率表示。输出功率是指汽车使用性能及安全性能好坏的重要参数。输出功率大，汽车动力性强，发动机燃烧充分，燃油经济性提高。下面来介绍一下检验测功机输出功率的原理。

汽车驱动力输出功率计算公式：

式中：

PC为驱动力输出功率；

PI为汽车传动系统损耗功率，一般通过传动系统的传递效率进行估算；

PJ为驱动轮胎的打滑损耗功率，根据速度传感器测出滚筒转速来估算；

PS为测功机内部摩擦损失功率，滚筒与涡流机接触，无相对运动，PS＝0；

PE为滚筒自身消耗功率，与电涡流机吸收功率相同。

只要测出PE就能测出输出功率PC。

根据功率公式P＝T·n/9549，功率的大小可以通过测试出电涡流机的转速和转矩求得。我们知道，电涡流机输入转矩Tm与滚筒输出转矩TE相等，即：Tm=TE。电涡流机的转矩等效方为：

式中：TM是电磁转矩，单位是N.m；JdΩ/dt是惯性转矩，单位是N.m。

如果滚筒匀角速度转动，则JdΩ/dt=0，稳定状态运行时的转矩等效方程式为：TM=Tm。从公式可知,得到输入转矩Tm，即为滚筒输出转矩TE。根据电涡流机的原理，Tm与励磁电流Ia成正比，即Tm=k·Ia。因此通过控制励磁线圈的励磁电流Ia求得电涡流机输入转矩和输出功率PC。

3 汽车底盘测功机的等效模拟原理分析

3.1 汽车道路行驶阻力分析

汽车在水平道路上匀速行驶时，汽车驱动力除了要克服地面摩擦带来的滚动阻力Ff和汽车与空气摩擦带来的空气阻力Fw，还要克服汽车在上坡行驶时汽车自身重力分力（即坡度阻力Fi）。另外，汽车在加速过程中还要克服加速阻力Fj。图3-1是汽车加速上坡的受力分析。

图3-1汽车行驶阻力分析

因此，汽车行驶的阻力方程为：

其中，Ft为路面对汽车的反作用力；

如果不考虑坡度阻力Fi，为了跟底盘测功机受力方程等效，可将上述方程化简成关于速度v的方程：

3.2 汽车驱动轮在底盘测功机滚筒上的阻力分析

汽车底盘测功机工作运行检测时，驱动轮与滚筒滚动接触，滚筒驱动车轮转动，汽车前轮锁死，无法滚动，以滚筒为参照物，汽车相当于在滚筒上行驶。

汽车在底盘测功机上检测时，除了要受到电涡流机的加载力，还需要克服轮胎与滚筒的滚动摩擦力，系统的机械摩擦力和滚筒等旋转部件带来的惯性力矩。

汽车车轮在滚筒上滚动，在不滑动的前提下，驱动轮在滚筒上的受力分析如图3-2所示。

图3-2车轮在滚筒上的受力分析

水平方向和竖直方向受力平衡方程分别是：

式中：F1、F2为前后滚筒与车轮接触点的切向反作用力；N1、N2为前后滚筒对驱动轮的法向支承力；Gk为车辆驱动轴分布在滚筒上的载荷；H为汽车车桥作用在车轮的水平力。

对上式进行化简，得到驱动轮在滚筒上的滚动阻力：

式中：f为车轮与滚筒间的滚动阻力系数，与滚筒表面材料的摩擦度有关；α0为车轮在滚筒式台架上的安置角，可根据需要设定合适的安置角。

在测功器工作加载时，汽车在底盘测功机上运行时所需克服的总阻力为：

3.3 底盘测功机电模拟模型

电模拟加载装置之所以能很好地模拟出汽车道路行驶阻力，是因为模拟方程跟车轮速度及加速度成几何函数关系，检测数据方便准确，误差小。只需测试出汽车的速度就可模拟汽车道路行驶。其结构简单，体积较小，能实现无极调整，不仅测试精度有了很大提高，购买及维护成本也大大降低。目前国内的飞轮组测功机已经满足不了市场的需求，鉴于此，功能齐全且能够模拟加速、滑行阻力的电模拟加载装置成为本文研究课题的首选。

底盘测功机模拟原理就是将道路行驶阻力式（3）与底盘测功机上的行驶阻力式（7）等效，如式（8）：

式(10)为底盘测功机动力学基本模型方程。由上式可见，选定汽车在无风状态下进行测试时，驱动力FR是与速度和加速度相关的方程。将同类项合并，模型方程可简化为：

式中：FR为电涡流机的驱动力，即加载到汽车的模拟阻力；v为转鼓表面速度；A为恒定阻力系数(摩擦力)，是个常数，单位为N；B为速度相关系数，单位为N/km/h；C为依赖于速度平方的阻力系数(风阻)；m为整车额定质量；Mw2为汽车旋转等效质量；MR为滚筒旋转等效质量；α为坡度角；Fm为测功机机械总摩擦阻力。

由上述分析可知：汽车在底盘测功机上检测时，系数A、B、C可以通过系统空载试验测得，电模拟加载力FR主要是由汽车行驶时的速度和加速度决定。计算机根据检测出来的速度和加速度以及按要求设置的坡度角α，运算出加载阻力。涡流机根据加载阻力进行加载控制，完成汽车在道路滑行阻力的模拟。式中包含了惯性质量和行驶阻力，原理上能得到满意的测试结果。

4 总结

本文首先介绍底盘测功机的机械结构并分析其基本工作原理，进而分析了汽车在汽车底盘测功机上检测时的功率测量原理,为底盘测功机电路设计奠定了理论基础。最后将汽车在道路上受力方程与汽车在底盘测功机上的受力方程等效结合，推导出新的电模拟底盘测功机功率的计算方法，证明了等效模拟的可行性，为设计新型底盘测功机提供了参考。

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