论文部分内容阅读
摘要：简述汽车发动机动力性检测的意义，在借鉴现有的检测测功机本身损耗方法的基础上，总结对单滚筒汽车发动机测功装置自身消耗功率的几种测量方法，重点介绍滑行法，并阐述测功装置中系统转动惯量的测量，给出具体计算公式，实验结果表明：该方法可以较为准确地测出测功装置自身消耗的功率。
关键词：底盘测功机；自身损耗；滑行法；转动惯量
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）03-0026-04
0 引言
汽车已经成为现代社会人们工作、生活不可缺少的交通工具，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断变差。动力性和经济性是检测汽车技术状况的主要指标，而汽车发动机输出功率是汽车动力性和经济性的基础。所以，如果不能准确测量出发动机的输出功率，就难以对车辆的动力性和经济性做出准确评价。
目前对于汽车发动机输出功率的准确测量主要是采用拆卸发动机台架实验的方式，该方法操作不便，费时费力。另外，在汽车检测站广泛应用的双滚筒底盘测功装置，因其功能不全以及测量理论和方法不完善而无法快速地测量汽车发动机输出功率和评定发动机的动力性和经济性。
单滚筒汽车发动机测功装置因滚筒直径较大，车轮轮胎与滚筒的接触更接近其与路面的实际情况，滑转率小，滚动阻力小，因而具有较高的精度优势。但在测功机运行过程中，滚筒自身转动的损耗、轴承摩擦效应和其他功率吸收装置的损耗对于测量结果的影响是不能忽略的，因此，准确测量出测功装置自身消耗的功率对汽车发动机功率的准确测量有着重要意义。本文简单阐述了现行测功机自身功率损耗的测量方法，并简述了国内外对于本问题的最新研究，以期为开发研究和选择使用新的测量方法提供参考。其中单滚筒测功装置的示意图如图1所示。
1 现行测功装置自身损耗功率的测量方法
1.1 国外测功装置自身损耗功率的测量方法
以美国BAR 97关于底盘测功机的自身损耗功率测量方法为例，用的是空载滑行法。在检测测功机自身损耗的功率时，使测功机空载转动，计算16-32km/h和32-48km/h的实际滑行时间，然后通过式（1）计算底盘测功机24km/h和40km/h时的损耗功率计算公式为式中：——损耗功率；
DIW——底盘测功机基本惯量；
V1，V2——速度区间的起始与终止速度值；
△t——滑行的时间。
但是仅用零点与这两个速度点的功率损耗，难以准确拟合功率损耗曲线，所以，又对底盘测功机在速度区间12.8-19.2km/h、28.8-35.2km/h和44.8-51.2km/h进行滑行测试，计算出16，32，48km/h这3个点的自身损耗功率，再通过这6点拟合出摩擦功率曲线。
在用该法进行功率损耗测试时，对测功装置除了进行恒加载滑行测试外，还需进行变载荷滑行测试。
1.2 国内测功装置自身损耗功率的测量方法
1.2.1 用能量法测量测功机的自身损耗
能量法用于检查底盘测功机内部磨擦损失功率（包括轴承磨擦损失等），应在速度为8-100km/h的范围内，并且是在系统功率吸收单元完成校正之后进行。通过求出速度与磨擦损失曲线，来修正底盘测功机的运转负荷。速度低于8km/h的情况下，试验台架的磨擦损失较小，不需要进行标定。
速度为40km/h和24km/h时，附加损失试验结果应小于设备首次附加损失试验结果的200%，并且最大值不能超过2.0kW，否则测功机应锁止，由维修人员进行维修检查；附加损失试验时测功机的指示功率PLHP应设为零，在某一运转速度下的附加损失功率PLHP（kW）的计算式为式中：DIW——测功机所有旋转部件的惯性质量，kg；
V1，V2——测试区间的起始与终止速度，m/s；
△t——该测功机在速度区间的实际滑行时间，s。
1.2.2 用空载滑行法对测功机进行功率补偿
汽车在平直道路上行驶时，其道路行驶阻力F与车速V的关系用式（3）表示。某一汽车的系数A、B可用道路滑行能力变化法、等速扭矩法等方法得出。
当汽车置于测功机上时，由于汽车保持静止而测功机滚筒在转动，驱动轴、驱动轮也在实际转动，且制动力等也已产生，这几部分阻力无需再模拟。因此，测功机上实际设置的道路阻力为
测功机运行过程中，为补偿轴承摩擦效应吸收的力和其他功率吸收装置吸收的力，令测功机实际设置的道路阻力系数Fo=F1=F2=0，将测功机空载。用电机拖动使测功机运转至120km/h以上。此时测功机由速度控制模式切换至道路阻力控制模式，然后脱开电机自由滑行。这样，转毂的动能被摩擦效应及功率吸收装置吸收。对测功机分别指定不同的总惯量值m，测出在0，10，…，110，120km/h等各速度点附近给定时间间隔△t（如30s）内的速度下降值△V，如表l所示，由式（3）和式（4）分别计算摩擦损失：式子：m——指定的总惯量值，kg；
Vstart——初始速度，km/h；
Vend——末速度，km/h；
△t——测试时间，s；
Floss——摩擦损失力，N；
Ploss——摩擦损失功率，W。
在各惯量、各速度点下Floss均应小于ION，或者Ploss小于73.5W。否则，应按实测的摩擦损失值重新修正该测功机的摩擦损失补偿曲线。
1.2.3 用滑行法进行功率补偿 汽车底盘测功机作为道路模拟装置，其台架自身传动部件在车轮带动滚筒旋转过程中，由于机械摩擦阻力的存在，将消耗一定的功率，即内部损失功率。以东风EQ01090型车辆为例，在名义速度88km/h时，台架内部损失功率占发动机额定功率的4.5%；在名义速度72km/h时，台架内部损失功率约占驱动轮输出功率的6%。内部损失功率的测量通常采用滑行法。
底盘测功机内部损失功率计算方法：式中：Pvi——名义速度为Vi时的内部损失功率；
的速度点；
△t——对应速度段的滑行时间；
DIW——基本惯量。
根据内部损失功率滑行测试结果拟合内部损失功率一速度曲线，并对最大测试车速范围内任意速度下的吸收功率进行自动补偿，被检车辆驱动轮的输出功率为吸收功率与内部损失功率之和，即：式中：Pa——驱动轮的输出功率；
Pi——测功机吸收功率
Pvi——Vi速度下的内部损失功率。
文献[1]中，采用反拖法与此方法进行了对比验证实验，测试数据表明：在24，40，80kM/h的这3个速度点的测量结果误差分别为0，0.03，0.2kW，说明两种方法的测量误差、实验结果基本吻合，测试速度点越高，误差值越大。
1.2.4 电机反拖功率法测量系统消耗功率
文献[2-3]中利用反拖法对底盘测功机系统消耗功率进行了测试，首先测试底盘测功机在不同速度下阻力及损耗的功率。系统损耗功率的测取方法是利用变频调速器控制反拖电机驱动测试系统空转，记录反拖力及反拖功率大小，测试结果表明：系统阻力随着速度的增加而减小，相反，功率损耗随着速度的增加而增大。
2 底盘测功机转鼓系统转动惯量的测定
在测功装置运行的过程中，底盘测功机的滚筒及传动系转动惯量的准确测出，是精确模拟汽车行驶阻力的前提。文献[4]中提出通过“加速一制动”实验测试系统转动惯量的方法，并建立了测试系统，测试原理如下：
对于一个简单的两端支撑的回转件：设其转动惯量为，，当它以某一转速转动时，在旋转轴上反向施加一恒定的制动扭矩M1，则：式中：M1——制动转矩，N·m；
Mz——系统阻力转矩，N·m；
ε1——回转件的减速度，rad/s?；
W2——开始时转速，rad/s；
Wl——结束时转速，rad/s；
△tl——从W1到W2的时间间隔，s。
得到下式：
由于Mz难以测量，且是W的函数，为了取消M对惯量测试的影响，在同一转速下另外施加一制动扭矩M2，则：式中：M2——制动转矩，N·m；
Mz——系统阻力转矩，N·m；
ε2——回转件的减速度，rad/s?；
W2——开始时转速，rad/s；
Wl——结束时转速，rad/s；
△t2——从W1到W2的时间间隔，s。
式（9）、式（12）相减得到：
所以得到系统转动惯量的计算公式：
实测结果表明，这种方法有效可靠、测试精度高，是一种实用的确定大型复杂传动系统转动惯量的方法。
3 国内外对底盘测功机自身功率损耗测量的最新进展
随着科技发展，测功机自身损耗功率的检测也趋于简便、稳定、精确。吉林大学王建强等对驱动和反拖两种状态进行力学分析，建立了基于双滚筒底盘测功装置的汽车动力性测量模型；马强骏应用相似理论分析和室内台架模拟汽车性能测量实验及道路实验，建立了加速、滑行等主要测量数据修正模型；李晓波等自行研发出一套单滚筒测功机的机械系统与测控系统，可以快速准确地测出测功装置的寄生损失，数据表明，他们研发的测功机已达到GB 18352.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）》标准和美国EPA技术规范的要求。
4 结束语
目前，对于底盘测功机自身损耗的测量存在至少5种方法：电机反拖功率法、电机反拖反力法、自由和加载两次滑行法、增减惯量两次滑行法和惯量统计法，各种检测方法均有其优劣。为了跟上科技发展的脚步，适应功率检测快速、准确、方便等特点，现行使用的测功机自身功率损耗测量的方法仍存在许多问题。
1）测功装置在运行过程中的会产生大量热量，这部分功率的损失仍没有找到有效的测量方法。
2）要探索新技术、新方法，使用新型传感器，减少摩擦损失，更加精确地测量计算中的各个参数，使参数的测量更加有效、简便，使系统的性能更加稳定。
3）引进国外先进设备，结合实验，开发高精度的检测设备，为完善国家和行业汽车性能测量标准，统一，规范发动机功率测量和确保产品质量安全提供技术支持，为汽车检测部门快速准确评价汽车动力性提供理论依据。
参考文献
[1]卢若珊，严朝勇.汽车底盘测功机计算机测控系统的研究与应用[J].机电工程技术，2006，35（8）：34-36.
[2]刘磊.基于底盘测功机台架系统阻力测试方法研究[D].长春：吉林大学，2012.
[3]邱宗敏.汽车动力性台架检测与评定方法的研究[D].西安：长安大学，2006.
[4]鲁统利，吴迪.底盘测功机转鼓系统转动惯量的测定[J].汽车运输，1999（4）：43-45.
关键词：底盘测功机；自身损耗；滑行法；转动惯量
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）03-0026-04
0 引言
汽车已经成为现代社会人们工作、生活不可缺少的交通工具，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断变差。动力性和经济性是检测汽车技术状况的主要指标，而汽车发动机输出功率是汽车动力性和经济性的基础。所以，如果不能准确测量出发动机的输出功率，就难以对车辆的动力性和经济性做出准确评价。
目前对于汽车发动机输出功率的准确测量主要是采用拆卸发动机台架实验的方式，该方法操作不便，费时费力。另外，在汽车检测站广泛应用的双滚筒底盘测功装置，因其功能不全以及测量理论和方法不完善而无法快速地测量汽车发动机输出功率和评定发动机的动力性和经济性。
单滚筒汽车发动机测功装置因滚筒直径较大，车轮轮胎与滚筒的接触更接近其与路面的实际情况，滑转率小，滚动阻力小，因而具有较高的精度优势。但在测功机运行过程中，滚筒自身转动的损耗、轴承摩擦效应和其他功率吸收装置的损耗对于测量结果的影响是不能忽略的，因此，准确测量出测功装置自身消耗的功率对汽车发动机功率的准确测量有着重要意义。本文简单阐述了现行测功机自身功率损耗的测量方法，并简述了国内外对于本问题的最新研究，以期为开发研究和选择使用新的测量方法提供参考。其中单滚筒测功装置的示意图如图1所示。
1 现行测功装置自身损耗功率的测量方法
1.1 国外测功装置自身损耗功率的测量方法
以美国BAR 97关于底盘测功机的自身损耗功率测量方法为例，用的是空载滑行法。在检测测功机自身损耗的功率时，使测功机空载转动，计算16-32km/h和32-48km/h的实际滑行时间，然后通过式（1）计算底盘测功机24km/h和40km/h时的损耗功率计算公式为式中：——损耗功率；
DIW——底盘测功机基本惯量；
V1，V2——速度区间的起始与终止速度值；
△t——滑行的时间。
但是仅用零点与这两个速度点的功率损耗，难以准确拟合功率损耗曲线，所以，又对底盘测功机在速度区间12.8-19.2km/h、28.8-35.2km/h和44.8-51.2km/h进行滑行测试，计算出16，32，48km/h这3个点的自身损耗功率，再通过这6点拟合出摩擦功率曲线。
在用该法进行功率损耗测试时，对测功装置除了进行恒加载滑行测试外，还需进行变载荷滑行测试。
1.2 国内测功装置自身损耗功率的测量方法
1.2.1 用能量法测量测功机的自身损耗
能量法用于检查底盘测功机内部磨擦损失功率（包括轴承磨擦损失等），应在速度为8-100km/h的范围内，并且是在系统功率吸收单元完成校正之后进行。通过求出速度与磨擦损失曲线，来修正底盘测功机的运转负荷。速度低于8km/h的情况下，试验台架的磨擦损失较小，不需要进行标定。
速度为40km/h和24km/h时，附加损失试验结果应小于设备首次附加损失试验结果的200%，并且最大值不能超过2.0kW，否则测功机应锁止，由维修人员进行维修检查；附加损失试验时测功机的指示功率PLHP应设为零，在某一运转速度下的附加损失功率PLHP（kW）的计算式为式中：DIW——测功机所有旋转部件的惯性质量，kg；
V1，V2——测试区间的起始与终止速度，m/s；
△t——该测功机在速度区间的实际滑行时间，s。
1.2.2 用空载滑行法对测功机进行功率补偿
汽车在平直道路上行驶时，其道路行驶阻力F与车速V的关系用式（3）表示。某一汽车的系数A、B可用道路滑行能力变化法、等速扭矩法等方法得出。
当汽车置于测功机上时，由于汽车保持静止而测功机滚筒在转动，驱动轴、驱动轮也在实际转动，且制动力等也已产生，这几部分阻力无需再模拟。因此，测功机上实际设置的道路阻力为
测功机运行过程中，为补偿轴承摩擦效应吸收的力和其他功率吸收装置吸收的力，令测功机实际设置的道路阻力系数Fo=F1=F2=0，将测功机空载。用电机拖动使测功机运转至120km/h以上。此时测功机由速度控制模式切换至道路阻力控制模式，然后脱开电机自由滑行。这样，转毂的动能被摩擦效应及功率吸收装置吸收。对测功机分别指定不同的总惯量值m，测出在0，10，…，110，120km/h等各速度点附近给定时间间隔△t（如30s）内的速度下降值△V，如表l所示，由式（3）和式（4）分别计算摩擦损失：式子：m——指定的总惯量值，kg；
Vstart——初始速度，km/h；
Vend——末速度，km/h；
△t——测试时间，s；
Floss——摩擦损失力，N；
Ploss——摩擦损失功率，W。
在各惯量、各速度点下Floss均应小于ION，或者Ploss小于73.5W。否则，应按实测的摩擦损失值重新修正该测功机的摩擦损失补偿曲线。
1.2.3 用滑行法进行功率补偿 汽车底盘测功机作为道路模拟装置，其台架自身传动部件在车轮带动滚筒旋转过程中，由于机械摩擦阻力的存在，将消耗一定的功率，即内部损失功率。以东风EQ01090型车辆为例，在名义速度88km/h时，台架内部损失功率占发动机额定功率的4.5%；在名义速度72km/h时，台架内部损失功率约占驱动轮输出功率的6%。内部损失功率的测量通常采用滑行法。
底盘测功机内部损失功率计算方法：式中：Pvi——名义速度为Vi时的内部损失功率；
的速度点；
△t——对应速度段的滑行时间；
DIW——基本惯量。
根据内部损失功率滑行测试结果拟合内部损失功率一速度曲线，并对最大测试车速范围内任意速度下的吸收功率进行自动补偿，被检车辆驱动轮的输出功率为吸收功率与内部损失功率之和，即：式中：Pa——驱动轮的输出功率；
Pi——测功机吸收功率
Pvi——Vi速度下的内部损失功率。
文献[1]中，采用反拖法与此方法进行了对比验证实验，测试数据表明：在24，40，80kM/h的这3个速度点的测量结果误差分别为0，0.03，0.2kW，说明两种方法的测量误差、实验结果基本吻合，测试速度点越高，误差值越大。
1.2.4 电机反拖功率法测量系统消耗功率
文献[2-3]中利用反拖法对底盘测功机系统消耗功率进行了测试，首先测试底盘测功机在不同速度下阻力及损耗的功率。系统损耗功率的测取方法是利用变频调速器控制反拖电机驱动测试系统空转，记录反拖力及反拖功率大小，测试结果表明：系统阻力随着速度的增加而减小，相反，功率损耗随着速度的增加而增大。
2 底盘测功机转鼓系统转动惯量的测定
在测功装置运行的过程中，底盘测功机的滚筒及传动系转动惯量的准确测出，是精确模拟汽车行驶阻力的前提。文献[4]中提出通过“加速一制动”实验测试系统转动惯量的方法，并建立了测试系统，测试原理如下：
对于一个简单的两端支撑的回转件：设其转动惯量为，，当它以某一转速转动时，在旋转轴上反向施加一恒定的制动扭矩M1，则：式中：M1——制动转矩，N·m；
Mz——系统阻力转矩，N·m；
ε1——回转件的减速度，rad/s?；
W2——开始时转速，rad/s；
Wl——结束时转速，rad/s；
△tl——从W1到W2的时间间隔，s。
得到下式：
由于Mz难以测量，且是W的函数，为了取消M对惯量测试的影响，在同一转速下另外施加一制动扭矩M2，则：式中：M2——制动转矩，N·m；
Mz——系统阻力转矩，N·m；
ε2——回转件的减速度，rad/s?；
W2——开始时转速，rad/s；
Wl——结束时转速，rad/s；
△t2——从W1到W2的时间间隔，s。
式（9）、式（12）相减得到：
所以得到系统转动惯量的计算公式：
实测结果表明，这种方法有效可靠、测试精度高，是一种实用的确定大型复杂传动系统转动惯量的方法。
3 国内外对底盘测功机自身功率损耗测量的最新进展
随着科技发展，测功机自身损耗功率的检测也趋于简便、稳定、精确。吉林大学王建强等对驱动和反拖两种状态进行力学分析，建立了基于双滚筒底盘测功装置的汽车动力性测量模型；马强骏应用相似理论分析和室内台架模拟汽车性能测量实验及道路实验，建立了加速、滑行等主要测量数据修正模型；李晓波等自行研发出一套单滚筒测功机的机械系统与测控系统，可以快速准确地测出测功装置的寄生损失，数据表明，他们研发的测功机已达到GB 18352.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）》标准和美国EPA技术规范的要求。
4 结束语
目前，对于底盘测功机自身损耗的测量存在至少5种方法：电机反拖功率法、电机反拖反力法、自由和加载两次滑行法、增减惯量两次滑行法和惯量统计法，各种检测方法均有其优劣。为了跟上科技发展的脚步，适应功率检测快速、准确、方便等特点，现行使用的测功机自身功率损耗测量的方法仍存在许多问题。
1）测功装置在运行过程中的会产生大量热量，这部分功率的损失仍没有找到有效的测量方法。
2）要探索新技术、新方法，使用新型传感器，减少摩擦损失，更加精确地测量计算中的各个参数，使参数的测量更加有效、简便，使系统的性能更加稳定。
3）引进国外先进设备，结合实验，开发高精度的检测设备，为完善国家和行业汽车性能测量标准，统一，规范发动机功率测量和确保产品质量安全提供技术支持，为汽车检测部门快速准确评价汽车动力性提供理论依据。
参考文献
[1]卢若珊，严朝勇.汽车底盘测功机计算机测控系统的研究与应用[J].机电工程技术，2006，35（8）：34-36.
[2]刘磊.基于底盘测功机台架系统阻力测试方法研究[D].长春：吉林大学，2012.
[3]邱宗敏.汽车动力性台架检测与评定方法的研究[D].西安：长安大学，2006.
[4]鲁统利，吴迪.底盘测功机转鼓系统转动惯量的测定[J].汽车运输，1999（4）：43-45.