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汽車底盤論文|多功能汽車底盤測功機
【關鍵詞】底盤測功機，檢測控制系統(tǒng)，電渦流機【論文摘要】多功能汽車底盤測功機實現(xiàn)了不同工況不同負載下動力性能的連續(xù)測量并且增加了排放的連續(xù)測量功能，對控制系統(tǒng)和控制方法進行了改進，采用經(jīng)驗控制和自適應控制相結合的控制方案。本文在介紹多功能汽車底盤測功機檢測控制系統(tǒng)的基礎上，闡述了該測功機的測量原理及各種工況下汽車動力性能和排放數(shù)據(jù)的連續(xù)測量、電渦流機控制方法等關鍵技術，并給出了測量結果分析。
1 概述
隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，交通事故及環(huán)境污染對人類生命的威脅越來越大，因而汽車檢測技術的重要性日益突出出來，各種檢測設備也應運而生。作為大型實驗設備，汽車底盤測功機可以模擬汽車道路試驗的各種工況，完成汽車的經(jīng)濟性試驗、動力性試驗、排放性能評價與分析、可靠性試驗以及與汽車傳動系統(tǒng)有關的專項試驗。它在汽車試驗研究、產品開發(fā)和新車及在用車質量檢測中是不可或缺的。使用汽車底盤測功機完成汽車試驗及各類型的質量檢測與通常的道路試驗相比具有試驗速度快、精度高、費用低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可比性好等優(yōu)點[1].
鑒于汽車底盤測功機的以上優(yōu)點，國內許多廠家先后研制開發(fā)了一系列測功機產品，這些產品主要用于檢測軸重10 t以下的汽車底盤輸出功率，最大吸收功率為150 kW.檢測項目主要是：汽車底盤的輸出功率、驅動力、車速、加速性能、滑行性能、以及車速表和里程表的準確性等等[2].
但是國內測功機產品還有許多不完善的地方，亟待解決。例如：汽車在不同工況 、不同負載等狀態(tài)下，其動力性能不能實現(xiàn)連續(xù)測量，控制系統(tǒng)、控制方法比較落后。本文正是針對這些不足，在控制系統(tǒng)、控制方法上進行了改進，實現(xiàn)了不同工況、不同負載的狀態(tài)下，對汽車動力性能進行準確可靠的連續(xù)測量，并且增加了排放的連續(xù)測量功能。此外，參照國外先進技術及經(jīng)驗，利用計算機技術對汽車有關傳動損耗、滾動阻力、海拔高度、氣溫等參數(shù)進行模擬和修正。
2 汽車動力性能及排放測功機檢測控制系統(tǒng)
多功能汽車底盤測功機（以下簡稱測功機）是一種新型底盤測功機。該機的測量和控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其強大功能的關鍵設備，其結構參見圖2—1.
測功機檢測控制系統(tǒng)中的控制微機采用高性能的工業(yè)控制計算機，整個測控系統(tǒng)包括計算機、顯示器、鍵盤、鼠標、打印機，輸入輸出端子板，多功能PC總線接口卡 、可控硅及其控制電路，所有部件全部安裝在1.8 m高的標準19寸工業(yè)控制柜中。測控系統(tǒng)加上測功機的機械部分（臺架）構成了整個測功機。測控系統(tǒng)通過臺架上的壓力傳感器、速度傳感器、氣動舉升機和電渦流機等裝置，完成對測功機的測量和控制。
圖中多功能PC總線接口板是計算機和測量控制通道的接口設備，現(xiàn)場模擬信號的放大和模數(shù)轉換、開關量信號的測量都由它完成，該接口卡還能控制多個執(zhí)行機構的動作，另外該卡還提供了用于頻率測量的計數(shù)器接口。
在臺架上汽車驅動輪帶動滾筒轉動，滾筒轉動經(jīng)光電解碼器產生脈沖輸出，接入多功能卡的計數(shù)器，測量速度和行駛距離。汽車在臺架上行駛時，其驅動能對滾筒的作用力經(jīng)電渦流機耦合在壓力傳感器上，由輸入通道將信號送入計算機，與速度信號結合可測量汽車的動力性能。在實際測量過程中，實測的速度信號與設定速度比較，根據(jù)偏差按一定的算法調整阻力（電渦流機勵磁電流），使車速能穩(wěn)定在給定值，完成恒速條件下各種數(shù)據(jù)的測量。
測功機的應用軟件由測量控制程序、登錄程序和數(shù)據(jù)庫服務程序構成，程序設計采用先進的C/S（客戶/服務器）設計方法，軟件的結構見圖2—2.測量控制程序和登錄程序是客戶端程序，它們與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換是通過數(shù)據(jù)庫服務程序完成，數(shù)據(jù)庫結構對用戶是透明的，方便本系統(tǒng)與其他機動車檢測設備或管理網(wǎng)絡連接。登錄程序完成用戶對車輛的基本信息、檢測項目的初始設定；測量控制程序是該系統(tǒng)的核心程序，其主要功能是完成對硬件信號的測量和控制、按登錄程序設定的檢測要求完成各項檢測任務，另外該程序還提供參數(shù)設定、檢測結果查詢、打印等輔助功能。
3 底盤測功機測量基本原理
底盤測功機的測量參數(shù)一般有牽引力、速度、距離等。下面分別介紹它們的測量原理。
（1）功率測量原理
電渦流測功器由轉子和定子兩部分組成，轉子與定子間的制動力矩可由擺動的定子經(jīng)測力臂傳給測力傳感器。當測功車速為定值時，驅動輪上的功率可按下式計算：
式中：F—牽引力，N;V—車速，km/h.
（2）速度測量原理
試驗臺在進行測功、加速、制動試驗時都需要準確的得到測試時刻的車速，并要求能連續(xù)測量。光電測量是測量車速的常用方法，其基本原理如下：在驅動滾筒軸上裝有光電盤，驅動滾筒每旋轉一周能發(fā)出600個脈沖，而驅動滾筒的圓周長是1 m,若每秒記錄的脈沖數(shù)為n,則速度計算公式如下：
（3）距離測量原理
汽車的加速距離、滑行距離和制動距離的測量有很多類似之處，也是通過對驅動滾筒上的光電脈沖計數(shù)器來完成，對上述的脈沖傳感器而言，每個脈沖的距離是1/600 m,通過計量脈沖數(shù)即可得到距離。
4 多功能汽車底盤測功機關鍵技術
4.1 電渦流機的控制技術
電渦流機又稱電渦流測功器，是基于渦流電流（物理學上也稱傅科電流）進行工作的設備。它由定子和轉子兩部分組成。定子部分包括定子架和裝在上面的勵磁線圈 .定子框架周圍有孔，勵磁線圈裝在孔內。定子框架中心部分輪轂，借助兩個滾動軸承支撐在轉子軸上。轉子部分包括轉子軸和固定在該軸上的兩個轉子，兩個轉子分別位于定子部分的兩端，轉子軸可以被外力帶動而自由轉動。轉子的內側端面與定子的端面保持很小的間隙，該間隙電磁學上稱為氣隙。該轉子的內側面是十分光滑的平面，渦流電流就產生在這個光滑平面上[5].
電渦流機的勵磁繞組通入電流時，磁通經(jīng)定子、渦流環(huán)、氣隙、轉子構成閉合磁路。當汽車驅動輪帶動滾筒及電渦流機轉子旋轉時，由于磁通密度發(fā)生變化使轉子表面產生渦流電流，該渦流電流與磁場相互作用，產生反向制動力矩，使定子繞主軸軸線擺動。該制動力矩通過杠桿傳遞給壓力傳感器，由壓力傳感器給出相應的電信號，經(jīng)計算處理后，可得出汽車瞬時的動力參數(shù)。調節(jié)勵磁電流大小，即可改變電渦流機的制動力矩，同時相應改變汽車車速，不斷變化的勵磁電流與車速形成閉合環(huán)，并最終實現(xiàn)恒速或恒力下的功率測量。
從圖中可以看出電渦流機具有最大的速度和載荷范圍。此外它體積小，造價低，更適合于操縱自動化。交流電機（異步電機）具有最小的速度（800——1500r/min）和載荷范圍，穩(wěn)定性較差，小負荷具有很硬的特性。直流電機制動裝置具有很高的使用性能，操作方便，工況穩(wěn)定，過渡簡易且平穩(wěn)，但它的試驗臺造價高，低速制動扭矩小 ,因而限制了應用。
本系統(tǒng)之所以選擇電渦流機作為加載裝置，是由于它的外特性及造價、可靠性、測量精度決定的。圖4—1列出幾種基本加載裝置特征。
1—電渦流測功器；2—直流電機；3—水力測功器；4—交流電機；
目前，國產渦流機大部分為水力測功機，少量幾種電渦流機也主要為水冷式的，易漏水，導致軸承機件銹蝕，容易漏磁，恒速控制精度差，且體積重量大，需要一套供水冷卻循環(huán)系統(tǒng)及渦流機內部潤滑系統(tǒng)，使用很不方便，在我國北方，冬季尤為不適用。更為重要的是，國產水力電渦流機幾乎全部用于發(fā)動機功率測量的高轉速功率吸收裝置（最大功率吸收范圍1500——4000 r/min），不適用于汽車底盤測功，后者最大功率吸收范圍為500——1000 r/min.國際上專門生產這種低轉速，大扭矩電渦流機只有西班牙的FRENELSA公司和法國的TELMA公司，他們的產品結構為風冷式。
由于測功機的扭矩和功率測量對速度和載荷范圍要求要大，在考慮造價、可靠性 、測量精度的情況下我們選擇了FRENELSA公司的F16—160型風冷16組電渦流機，其最大扭矩吸收轉速為750 r/min,渦流機電壓為DC96V,電流為35A,最大吸收扭矩為160 kg.該渦流機恒速精度高，體積重量小，結構簡單，操作方便，勿需冷卻水，且內置160℃熱電偶，可在過熱時自動斷電，避免渦流機被燒壞。
4.2 汽車的恒速控制技術
電渦流機的恒速控制是測功機測試精度的關鍵因素之一，國內大部分測功機未真正解決好這一問題。按標準規(guī)定，恒速精度應達到±2 km/h（如中國GB86—94），但由于機械系統(tǒng)運動慣量較大，且不同車型慣量不同，同時，存在失控死區(qū)、非線性、滯后反應等調速反饋方面的難度，使得恒速控制成為設計中的重點之一。
目前，我們通過幾種途徑予以解決，一是盡量采用直接傳動，減小失控死區(qū)及滯后反應，同時采用數(shù)字調速和自適應控制等解決不同轉動慣量的影響。此外，大轉速及電流兩個閉環(huán)中采用不同的采樣頻率以便有效的控制渦流機動態(tài)及反饋電流。測試證明可以穩(wěn)定達到±0.5 km/h,是標準的1/4.
控制過程如下：汽車在開始加速時，由于運行速度與設定速度相差較大，采用經(jīng)驗控制算法即按一定的規(guī)律逐步增加阻力；一旦汽車運行速度接近設定速度，自適應控制開始工作。因為在啟動階段，使運行速度盡快接近設定速度是首要目的，而最后以何種方式穩(wěn)定在設定速度則不在考慮之內，經(jīng)驗控制是簡單易行且效果很好的控制方式。在運行速度接近設定速度之后，速度的穩(wěn)定成為唯一目的，此時經(jīng)驗控制就無能為力了。汽車的實際運行工況十分復雜，其速度變化規(guī)律難以預測，因而任何預先設定參數(shù)的控制形式都不可能一直發(fā)揮最佳控制作用，其效果的優(yōu)劣隨運行工況而不斷變化。自適應控制正是為適應類似的工況而發(fā)展起來的，它能夠根據(jù)工況而調整控制參數(shù)，以實現(xiàn)實時最佳控制。
自適應控制算法以當前速度與設定速度之差和速度變化率兩個變量為控制依據(jù)，施加阻力。具體算法如下：
ΔF=α1×ΔV+α2×dV/dt
ΔF—施加的阻力變化量；
ΔV—當前速度與設定速度之差；
dV/dt—速度變化率；α1、α2—控制系數(shù)。
對于不同的汽車，不同的設定速度，要達到較好的控制效果，α1和α2的取值是不一樣的。自適應控制算法能根據(jù)汽車的動態(tài)特性和設定速度及其它因素，自動調節(jié)α1和α2的取值，以達到恒速的目的。
4.3 排放測量
汽車在怠速狀態(tài)下，不同負載狀態(tài)下，不同車速狀態(tài)下以及不同路況的情況下的排放都是不同的，測量到這些數(shù)據(jù)對于汽車維修保養(yǎng)很重要，但更為重要的是為判斷汽車排放是否合格提供依據(jù)，為環(huán)保檢測部門提供精確而豐富的數(shù)據(jù)材料。本測功機可以配合尾氣分析儀在不同工況的條件下進行汽車排放的檢測，檢測標準完全符合新出臺的國家標準（GB14761—1999）。
這里，我們首次在國內采用四氣分析儀與測功機連接，并且在功率——扭矩曲線上同時繪制CO、CO2、HC、O2等曲線。由于CO、CO2的采樣時間為15s,HC、O2更長達25s,而測功機的電渦流機的響應時間很短，約為0.025s,因此，在控制程序中如何協(xié)調二者的差別（既要作到連續(xù)采樣，又要保證不同廢氣成份必要的反應時間）十分重要。在反復測試中，我們利用延長穩(wěn)定點速度、穩(wěn)定時間來解決這一問題，效果很好。
5 測量結果
下面以恒速底盤測功為例，分析一下測量結果。
實驗條件：起始速度60 km/h,終止速度80 km/h,速度步長5 km,恒速穩(wěn)定點為5個。試驗車為桑塔那轎車。
在恒速狀態(tài)下配合尾氣分析儀，我們進行了發(fā)動機輸出功率、輪輸出扭矩及功率 、傳動損耗功率、CO、CO2、HC、O2等8個參數(shù)的測量，并對速度、功率、扭矩進行了實時監(jiān)控，測量結果如圖5—1所示。
在本試驗中，輪輸出功率與經(jīng)驗數(shù)值相符，發(fā)動機輸出功率為輪輸出功率與傳動損耗功率之和。輪輸出最大功率對應的速度為75 km/h.傳動損耗功率是檢驗汽車驅動功率是否合格的重要參數(shù)，它直接關系到汽車的動力性能。
6 結束語
多功能汽車底盤測功機是汽車運輸維修業(yè)、綜合性能檢測站、環(huán)境保護、交通（今后在用車報廢將按其動力性能及排放性能而定）等行業(yè)所必需的測試設備，具有廣闊的市場前景。通過計算機控制電渦流測功器加載實現(xiàn)阻力模擬，可以測量不同的工況下汽車動力性能和環(huán)保性能（排放性能），并具有修正功能，測量數(shù)據(jù)更接近汽車實際行駛時的數(shù)據(jù)。本測功機通過自適應控制算法控制車速，提高了汽車的恒速穩(wěn)定性，并且實現(xiàn)了動力性能和環(huán)保性能的連續(xù)測量。
盡管如此，本測功機還存在有待改進的問題：
（1）根據(jù)14761—1999《汽車污染物排放限值及其測試方法》，本測功機提供了3種循環(huán)下的多工況排放測量，但目前該標準暫未在用車中強制應用，因此應給用戶預留一可自由編程的接口。
（2）關于傳動系統(tǒng)損耗功率的測定，目前除了采用電機反拖的方法之外，尚未找到其它更為簡單、精確的方法。本測功機采用主機慣量反拖法，經(jīng)多次試驗，找到了一個較好的加載電流值（約為1——2 A），測試值接近理論值（即傳動損耗功率約為底盤輸出功率的8%——10%）。實際上，德國的MAHA公司及西班牙的MANRESA公司都采用類似方法，因此，測出的傳動損耗功率均為近似值，要測出精確的傳動損耗功率值，尚需繼續(xù)探索。
[參考文獻]
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