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影响汽车底盘测功机检测结果的因素

摘要：底盘测功机是汽车动力性检测应用较为广泛的检测设备，在检测实践中发现测功机在检测汽车动力性时存在一些问题。通过对测功机的结构原理的分析，找出影响测功机检测结果的因素。
关键词：底盘测功机 汽车动力性 检测
一、 前言
依据GB18565-2001《营运车辆综合性能要求和检验方法》的规定，对于在用营运车辆的动力性采用底盘测功机(以下简称为测功机)检测汽车驱动轮输出功率来评价。测功机是一种不解体检测汽车底盘输出功率的设备，它是通过在室内台架上汽车模拟道路行驶工况的方法来检测汽车的动力性。由于测功机在试验时能通过控制试验条件，使周围环境影响减至最小，同时通过功率吸收加载装置来模拟道路行驶阻力，控制行驶状况，故能进行符合实际的复杂循环试验，因而广泛应用于汽车动力性的检测。但是经过多年的实践,发现在实际检测过程中仍然存在一些问题。本文主要通过对测功机的结构原理分析，找出影响检测结果的因素，并提出解决问题的建议措施。
二、测功机工作原理
2.1测功机结构
测功机主要由道路模拟系统、数据采集与控制系统、安全保障系统及引导系统等构成。普通型道路模拟系统如图所示。

2.2测功机工作原理
测功机采用电涡流测功器测试汽车的瞬时驱动力数值。电涡流测功器主要有定子和转子两大部分，其中定子是一个钢制的机壳，在圆周方向上装有若干个带铁芯的励磁线圈；转子是一个很厚的钢制圆盘(涡流盘)，固定在转轴上，可随转轴一起转动。定子与转子之间以及转子涡流盘与线圈铁芯之间都只有很小的间隙，若在线圈中通入直流电，就会产生较强的磁场。磁力线将经过铁芯、转子盘以及定子外壳的一部分形成闭合回路。当转子转动时，转子盘将切割磁力线而感应很强的涡流。涡流与励磁线圈磁场间的相互作用，将使转子的转动受到一定的阻力或制动转矩。汽车驱动轮要带动涡流测功器的转子转动，就必然要克服这种涡流阻力而消耗能量。调节励磁线圈的电流，就能改变磁场和涡流的强度，也就可以轻而易举地改变驱动轮的负荷，因而能在不同工况下检测出汽车的速度、汽车驱动轮上的驱动力和输出功率。在动力性检测过程中，控制方式处于恒速控制，当车速达到设定车速（误差±2km/h）并稳定5s后（时间过短，检测结果重复性较差），计算机读取车速与驱动力数值，并计算汽车底盘输出功率。而计算机所依据的计算公式为：P=T·n／9549(kw)。
其中：n为设定车速时带动测功机转子的转速
T为当测功机转子以转速n转动时，且给励磁线圈加一定的电流时，可摆动的定子外壳所产生的阻力矩
三、影响检测结果的因素及分析
1.定子外壳作用力精度
由公式：P=T·n／9549可知，力矩T与转速n的大小直接影响着功率P的大小，由于检测过程中，采用恒速控制，因而与力矩T直接关系的作用于定子外壳的力（与驱动轮的力的大小相等，方向相反）的精度与功率检测结果密切相关。影响定子外壳作用力的主要因素是滚动阻力，而滚动阻力与滚筒的表面状况和车轮在滚筒上的安置角有关。以下分析滚筒的表面状况与车轮在滚筒上的安置角跟滚动阻力之间的关系：
①滚筒的表面状况 滚筒的表面状况是指滚筒表面的加工方法和清洁程度(水、油和橡胶粉末的污染等)。
汽车在干燥滚筒上的驱动过程是一个摩擦过程，总摩擦力由若干分力组成，如:
F总=F附着+F阻滞
式中:
F附着--接触面间的附着力；
F阻滞--轮胎在滚筒上滚动变形时，由于压缩与伸张作用之间能量的差别而消耗的能量，进而转化为阻止车轮滚动的作用力；
该两项分力取决于轮胎材料、结构和温度。附着系数随速度增加而下降的原因较为复杂，一方面是由于滚筒圆周速度提高，橡胶块与滚筒之间的嵌合程度越来越差，在未达到平衡状态之前便产生了滑动和振动；另一方面随着速度的提高，接触面的温升加快，很快在滚筒表面形成了一层橡胶膜，降低了附着系数，从而降低了附着力，使得力矩变小，从而降低了功率。
不同厂家的测功试验台滚筒表面的附着系数不尽相同，即便是同一测功试验台新旧滚筒的附着系数也不一样，不同的附着系数直接影响着测功试验台的测试能力。
在实际检测中，车轮滚动时，轮胎与滚筒的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承面的相对刚度确定了变形的特点。当弹性轮胎在硬质钢制滚筒上滚动时，轮胎的变形是主要的，此时由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失，是轮胎变形时对它做的功不能全部收回，此能量消耗在轮胎各组成部分间摩擦及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化成热能而消失在大气中。这种损失即为弹性物质的迟滞损失。
滚动阻力系数与模拟路面的滚筒加工、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，具体如下：
a.若滚筒的半径越大，在车轮滚动时轮胎的变形量就越小，也就是说弹性迟滞损失就越小，故滚动阻力系数随滚筒半径的增大而减小。
b.在加工过程中滚筒的椭圆度、同轴度越小，轮胎在滚筒上的运转就平稳，当车速一定时滚动阻力系数的波动范围就越小，所以说，滚动阻力系数随滚筒加工精度的提高而减小。
c轮胎气压 轮胎气压对滚动阻力系数影响很大，气压低时在硬质滚筒上轮胎变形大，滚动时迟滞损失增加，增大了阻滞力（过大时，使阻滞力不合格），为了减少该项所引起的检测误差，要求在测功性能检测前必须将轮胎气压充至标准气压。
②安置角 所谓安置角是指车轮与滚筒接触点的切线方向与水平方向的夹角。安置角对滚动阻力是有影响的，如图所示，车轮在滚筒上匀速旋转时的受力分析，由力偶平衡原理：
∑T0=0;

其中滚动力矩:

由此可得出车轮的滚动阻力为:

式中:Ff----车轮的滚动阻力;
f----滚动阻力系数;

得:
由上式可见，台架的滚动阻力系数随着安置角的增大而增大。
从以上分析可见适当大的安置角对检测有利，但并不是越在越好，因为当安置角β 增大时车轮轮胎相对变形增大，迟滞损失增加，滚筒带动车轮旋转的附加转矩增大，仪器示值大，影响测量精度，同时增加车轮驶离滚筒时的困难。安置角大小不相等，使测功性能测试结果缺乏可比性，使检测结果失真。
在实际的检测设备中，滚筒中心距会影响车轮的安置角。滚筒中心距是指底盘测功机前后两排滚筒支承轴线之间的距离，随着滚筒中心距的增加，汽车车轮的安置角随之增大，前后滚筒对车轮支承力也随之增大，这样将导致车辆在测功机台架上的运行滚动阻力增加。
2.机械阻力 汽车底盘测功机的台架机械损失主要包括支承轴承、联轴器等，这些部件在车轮带动滚筒旋转过程中，由于摩擦力的存在将消耗一定的功率，为此采用倒拖方法可以测出同不同车速下底盘测功机台架的机械阻力所消耗的功率，如图3所示，由于台架阻力消耗了汽车部分驱动功率，因此，在检测汽车底盘输出功率时，必须计入机械阻力所消耗的功率。
P 机械阻力
车速v

图3 底盘测功机台架机械阻力所消耗的功率与车速的关系
3.冷却风扇 风冷式电涡流功率吸收装置采用冷却风扇给励磁线圈进行散热，由于冷却风扇与转子为一体，当转子转动时，冷却风扇自身将消耗一定的驱动功率，且与转子转速的三次方成正比，因此，当底盘测功机安装有风冷式电涡流功率吸收装置时，必须给出风扇消耗功率与转子转速（或车速）的数学模型，以便计入底盘输出功率中。
4.底盘测功机标定方法影响测试结果
底盘测功一般有两个传感器即车速传感器和力传感器。车速传感器标定比较规范和准确，而力传感器标定存在较多问题而影响检测结果。力传感器标定时切断电涡流机的控制电源，在涡流机上固定标定杆进行标定。由于标定杆安装到标定系统后， 已对力传感器进行了加载，而标定杆的加载量与滚筒切向力和关系是一个未知数，标定人员通常以此状态为零位并调整仪表驱动力示值为零后进行加载标定。这样标定则导致以后检测结果偏小。
5.检测信号处理电路对检测结果的影响 检测信号处理电路的任务是把传感器微弱信号放大并且把传感器的高阻抗输入变换为低阻抗输出，然后把模拟信号进行采样、量化、调制成计算机能识别的标准数字信号。测功机采用的拉压传感器其实就是压电传感器，它的输出信号一般较弱，工作环境往往比较恶劣，在传感器的两端会产生较大的干扰信号。因此信号处理电路的好坏决定了检测结果的准确性。信号处理电路的基本要求是：要有很高的抗干扰能力，温漂系数要小，放大信号稳定。否则信号易失真，使检测结果准确度下降。在测功取点过程中，信号采样速率有时也会影响力的采样。采样点过密不利于有效地滤去外界的干扰信号。让干扰信号叠加在力信号上，在波形曲线上形成“毛刺”，会使功率取点值偏大。采样过疏，无法反映取点过程的全貌，容易造成功率值偏小。因此必须选用较合理的采样频率来保证检测结果的正确性。根据检测实践经验，程序通过检测传感器控制采样开始时间，采样频率为100Hz。
四.减少影响测结果的措施
1.选择合理的测功机 综合性能检测站最好配备两台测功机，比如一台承受轴荷为10吨级，另一台承受轴荷为3吨级，这样就可以根据车辆的类型、轴重、车轮半径、轴距等来选择合适的试验台进行检测，这样可减少车轮安置角对检测结果的影响。
2.要定期对测功机进行维护、检定及运行检查，就可避免因测功机的技术状况欠佳对检测结果的影响。特别应定期检查滚筒的椭圆度和同轴度，对于椭圆度和同轴度不符合标准的滚筒应及时调整或更换。
3.应加强检测前检查轮胎表面的技术状况，特别是同一轴上左右轮胎花纹和磨损的一致性，检查轮胎气压是否符合规定及左右的一致性。可以采用轮胎压力校正设备，使检查和充放气为一台设备，只要在压力计上设定被检车辆的标定轮胎气压，检查和充放气的工作即可同时完成。这样就可减少该项所引起的检测误差。
4.有条件的可采用反拖测功系统。反拖测功机可以测试出测功机的机械损失及汽车传动系、主减速器、车轮与滚筒以及台架机械系统的阻力损失，进而提高检测精度。
5.引车员应严格按操作规程正确操作。在测功时，应使被检车辆沿行车线垂直于试验台缓慢、平稳地驶上试验台，将被检车轮停放在滚筒中间位置上，按照点阵屏提示，挂入合理挡位进行加速。
五、结束语
影响测功检测结果的因素很多，在遇到具体问题时应加以具体分析，找出影响测功检测结果的内在因素，使检测结果更具公正性、科学性和合理性。
参考文献：
[1] 汽车综合性能检测，交通部公路司，2001年版。
[2] GB18565-2001营运车辆综合性能要求和检验方法。
[3] 方锡邦，汽车检测技术，安徽科学技术出版社，2000。
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[5] 常健生，检测与转换技术，机械工业出版社，1980。
[6] 汽车综合性能检测站培训大纲，深圳市大雷实业有限公司，2002年版。
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