机电研究及设计制造 《机电技术》２０１０年第５期 汽车行驶阻力在转鼓试验台的电模拟研究 赵奇平吴东栋 （武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉４３００７０） 摘要：汽车转鼓试验台是一种不解体检验汽车性能的检测设备。它能够在室内台架上模拟道路行驶阻力，进而 检测汽车的燃料经济性、动力性、滑行性、制动性等性能。简单地介绍了转鼓试验台的用途、基本结构、类型。通过分 析汽车在道路和转鼓试验台的动力性，求出系统的数学模型。再介绍了理论法和实验法来得出转鼓试验台的参数。提出 了用交流变频电机来实现汽车行驶阻力。 关键词：转鼓试验台；动力学；行驶阻力；电模拟 中图分类号：Ｕ４６７．１＋３ ０３１１ 文献标识码： 文章编号：１６７２．４８０１（２０１０）０５－－０６５－－０４ 汽车转鼓试验台，又叫底盘测功机，是一种 ｌ汽车在道路的动力学分析 不解体检验汽车性能的检测设备。它能够在室内 台架上模拟道路行驶阻力，进而检测汽车的燃料 汽车在道路上行驶，动力 由发动机输入， 经济性、动力性、滑行性、制动性等性能，同时 受到的阻力包括：汽车传动系统阻力 和道路行 还可以测量多工况排放指标及油耗，也能方便地 驶阻力 （包括滚动阻力 、空气阻力 、 进行汽车的加载调试和诊断汽车在负载条件下出 坡度阻力 和加速阻力 ）【引。其动力平衡方程 现的故障等。从而及时地进行维修与维护，延长 为： 汽车的使用寿命，节约能源，减少对环境的污染， — ＝ ＋ 十 ＋ ＝ （１） 保证车辆安全行驶。由于转鼓试验台在试验时， 排除由于路况、天气、空气阻力等外界因素所产 （１）滚动阻力 生的影响，使周围环境影响减至最小，同时通过 ＝ ＝ｍｇｒ （２） 功率吸收加载装置来模拟道路行驶阻力，故能进 式中，Ｇ一汽车重力，Ｎ； 行符合实际的复杂循环试验。与道路试验相比具 ｍ一汽车质量，ｋｇ； 有试验周期短、精度高、数据稳定、可比性好等 ｇ一重力加速度，ｍ／ｓ ； 优点。因而在汽车试验研究、产品开发和汽车质 厂一滚动阻力系数。 量检测中得到广泛应用【ｌ Ｊ。 （２）空气阻力 汽车转鼓试验台的主要部件为功率吸收装 １ 置，用来模拟汽车道路行驶阻力，同时可以测量 Ｆｗ＝￣ｃｏ二 Ａｐ ２＝０．６１２９ＣＤＡｕ （３） 转鼓的转矩。主要类型包括有水力测功机、电涡 式中，Ｃ 一空气阻力系数； 流测功机和电力测功机Ｌｚｊ。其中，电力测功机可 一空气密度，ｇ／ｌ； 实现双向加载、制造成本低、技术成熟，已成为 Ａ—＿ｊ虫风面积。ｆｎ２； 未来转鼓试验台的首选加载装置。以往的转鼓试 Ｕ 一相对速度，ｍ／ｓ；在无风时Ｕ 为汽车 验台的惯量模拟多是采用飞轮装置进行机械模 拟，但这样一来就增加了试验台的结构复杂性和 的即时速度Ｕ 。 重量，调整比较麻烦，当飞轮盘数量少时又不能 （３）坡度阻力 达到较高的匹配精度。本文所讨论的转鼓试验台 ＝Ｇｓｉｎａ＝ｍｇｓｉｎａ≈Ｇｔａｎａ＝Ｇｉ （４） 采用电惯量模拟，可很好地解决这个问题。 式中，ｆ一道路坡度； ～坡角。 为实现在转鼓试验台上模拟汽车的道路行驶 （４）加速阻力 阻力需要分别对汽车在道路上和在转鼓试验台上 加速阻力即惯性力。包括平移质量产生的惯 进行动力学分析，以求出功率吸收装置需要模拟 性力和旋转质量产生的惯性力偶矩。为方便计算， 的阻力。 把旋转质量产生的惯性力偶矩转化为平移质量产 ６５ 《机电技术》２０１０年第５期 机电研究及设计制造 生的惯性力，计算时计入汽车旋转质量换算系数 ，此时加速阻力为： （嘉＋ ）ｄｕ ａ． …） Ｆｊ＝６ｍｄｕ￣， ：１＋ ａｃｔ ｍＦ‘ 每＋ １ ｍＦ‘ ｉ２．２ （５） ３ 转鼓试验台模拟阻力的设定 式中， １ｗ一车轮的转动惯量， ・ｎｌ２； 通过对汽车在道路上和在转鼓试验台的动力 ，，一飞轮转动惯量，ｋｇ・ｍ２； 学分析，要使汽车在转鼓试验台上准确的模拟出 汽车道路上的行驶阻力，需要使汽车在转鼓试验 ｆ 一变速器的速比； 台上的行驶阻力和在道路上的行驶阻力相等［４］， ｆｎ一主传动比； 再合理地设置功率吸收装置的输出力。常用的方 —传动系统机械效率。 法有理论法和实验法。 将公式（２）、（３）、（４）和（５）代入公式（１）中，可 ３．１理论法 得出道路行驶阻力为： 理论法就是根据上面对汽车在道路上和在转 Ｆｒｏ ：Ｆｆ七Ｆｗ七Ｆｔ＋Ｆ 鼓试验台上的动力平衡方程，并根据所要模拟的 ＝ｍｇ（ｆｃｏｓａ＋ｓｉｎａ）＋ 路况、汽车的即时速度、加速度、汽车和转鼓试 验台的情况查出方程中各个参数，最后得出电力 ｏ．６ ２９ＣＤ ６ｌ＋ （６） 测功机需要加载的阻力。汽车在转鼓试验台模拟 行驶时，受到的行驶阻力和在道路上的行驶阻力 ２汽车在转鼓试验台的动力学分析 相等，即 汽车在转鼓试验台上面的受力与道路上有所 ＝Ｃｏ 不同，汽车输出的动力需要克服车轮与滚筒间的 Ｆｄ＋Ｆｎ七Ｆｎ＋ＦＡ七Ｆ《２ 滚动阻力 、功率吸收装置模拟加载的力 、 ＝Ｆｆ＋Ｆｗ＋Ｆ ＋Ｆｉ Ｉ、１２ 转鼓试验台内部传动系统阻力 。、转鼓试验台滚 根据公式（１２）可求出功率吸收装置需要加载的阻 筒及其它传动部件的惯性阻力 ，和汽车车轮及 力： ＝相关传动部件的惯性阻力 ，等。当汽车为全轮驱 Ｆ，＋Ｆｗ＋ ＋ 一（ １＋ 。＋ 。＋ ２） 动时，它在试验台的动力平衡方程为： ＝ｍｇ（ｆｃｏｓａ＋ｓｉｎａ）＋０．６１２９ＣＤ 甜 一 — ＝ ＋ ｌ＋ ，＋ ，＋ ＝ （７） 式中， 一汽车在转鼓试验台需要克服的行驶 （ ）＋（一 鲁 阻力。 ≈ｍｇｒ＋０．６１２９Ｃ￣Ａｕ 一（ ＋ １）＋ （１） 】＝ ＝， （８） 式中， 一滚动阻力系数。 ｍｇｉ＋（一 警 （１３） （２） 与汽车和转鼓的重力、车速有关。 功率吸收装置的输出转矩 为： Ｉ＝ Ｒ （１４） 占＝ ＝ 在这里需要注意， 的值在不同条件下有正 式中，，一转鼓试验台滚筒及其它传动部件的转 负之分。当 为正时，表示电机要模拟阻力，电 动惯量和；Ｒ、占、 一分别为滚筒的半径、角 机此时作负载用；当 为负时，表示电机要提供 加速度、角速度。 动力，电机此时作电动机用。 警 ３．２实验法 从上面理论推导出的公式可以看出，公式中 将公式（８）、（９）和（１０）代入公式（７）中，得 有许多待查的参数，估算的参数也难免会存在不 出汽车在转鼓试验台需要克服的行驶阻力为： 准确性，以致会影响最后的试验结果，所以在这 ＝ ＋ 理 ＋ ｌ＋ 里提出的实验法。实验法就是通过实验的方法， 使汽车在道路上和转鼓试验台上分别做无动力滑 机电研究及设计制造 《机电技术》２０１０年第５期 行，得出阻力与速度的关系。这样就可以避免滚 动阻力系数、空气阻力系数和传动系统阻力系数 的不准确问题，使在转鼓试验台上的试验结果与 在道路上的更接近。 同样地，通过多次实验得出平均值，然后别 的速度下测出滑行的阻力值，得出Ｎ个离散点， 再利用最小二乘法拟合得到拟合曲线关系式。 ２（ 。）＝ １＋ １＋Ｆｒ＝ｂｏ＋ 。＋ ｚｆ （１６） （ ）～汽车在 实验法要分别做汽车在道路上和在转鼓试验 台上滑行两个实验。 式中，ｂｏ、岛和６２一待定系数； ２７ 下的转鼓试验台滑行阻力。 （１）汽车在道路上滑行实验 汽车在水平道路上滑行时的阻力有滚动阻力 、（ ）一 （ 。）＝ ＋Ｆｗ一（ ＋Ｆ。） ＝空气阻力 ，和汽车传动系统阻力 ，三者 做实验时根据ＧＢ／Ｔ１２５３４—９０汽车道路试验 （ａｏ—ｂｏ）＋（ａＩ一６１） ＋（ａ２—６￣）２７ （１７） 都与汽车的行驶速度有关【５］。 要求，将汽车在平直的道路上加速到ｖ；＋△１，，此 期间驾驶员尽量不打方向盘，汽车保持直线行驶 将公式（１７）代入公式（１３），得出功率吸收装置 需要模拟的阻力为： ＝（ 一岛）＋（ｑ一白）ｚ ＋（ 一 ） ＋ ＋ 一 。＋ ） 一 ＝ ）＋（ｑ一白 ＋ 一 ＋ ＋ 一 ｉ ． ａ￣ｏ （１８） 状态，然后让汽车脱档滑行至ｖ，～△ｖ，并对速度 和时间进行测量与记录。当Ａｖ较小时 （Ａｖ≤５ｋｍ／ｈ），可近似认为这一行驶过程是匀 减速直线运动。此时， ９Ａ１， 再把汽车和转鼓试验台的参数以及所需要模拟的 工况参数代入即可求出。 ４总结 Ｚ ｆ）＝Ｆｒ＋ ＋Ｆｗ＝ ＝ １（式中， （ｆ）一汽车在１， 滑行时在道路上的阻力 通过对比转鼓试验台阻力设定的两种方法。 实验法虽然测试过程比较麻烦，但可以避免系数 的确定，只要测试点多，就能比较准确的将阻力 和；ｔｉ一汽车从ｖ ＋△１，滑行到 一△ｖ的时间。 值表示出来，可用于同类车辆的大批检测。理论 实验要在道路上往返几次求出平均值，按照 法使用起来比较方便，随着基本理论的发展，各 本方法测出汽车在别的速度下的滑行阻力值，得 种阻力系数的值也会愈加精确，在测试的工况较 出Ｎ个离散点，再利用最小二乘法拟合得到拟合 多，开发新车型时应用较多。 曲线关系式： 当待测车辆以及所需要模拟的工况确定后就 １（ 。）＝Ｆｒ＋Ｆ，＋Ｆｗ＝ａｏ＋ａｌｕ。＋ａ２ｕ： （１５） 可以根据这两种方法求出功率吸收装置所需要模 拟的阻力 与车速 的方程，将其设定在控制器 式中，ａｏ、ａｌ和 一待定系数； （ ）一汽车在 上。常用的控制系统如图１所示。控制系统采用 Ｕ 下的道路滑行阻力。 闭环控制，控制系统跟踪每一时刻的车速求出阻 （２）汽车在转鼓试验台上滑行实验 力，再根据所选用的电力测功机和变频器算出相 汽车在转鼓试验台上滑行时，功率吸收装置 应的值传给变频器，然后与实测的阻力进行对比， 断开，汽车受到的阻力有车轮与鼓筒间的滚动阻 将差值反馈到控制器上，并采用ＰＩＤ控制与神经 力 、转鼓试验台内部传动系统阻力 和汽车 网络调整电力测功机的加载幅度使差值降低，实 传动系统阻力 ，三者都与转鼓转速（即汽车车 现动态模拟道路行驶阻力。 速）有关。 做实验时，将汽车加速到ｖ 十△ｖ，然后让汽 车脱档滑行至 一△ｖ，测量出时间ｔ 。同样的， 当△ｖ较小时（Ａｖ ５ｋｍ／ｈ），可近似认为这一行驶 过程是匀减速运动。此时， （ｆ）＝Ｆ，。＋ ＋ ＝ｔｉｍ ｔｉ 图１转鼓试验台控制系统简图 式中， ：（ｆ）—汽车在 滑行时在转鼓试验台上的 阻力和；ｔｉ一汽车从ｖ，＋Ａｖ滑行到ｖ 一△１，的时间。 ６７ 随着交流电机、变频技术和控制理论的发展， 电机的速度和转矩控制精度也愈来愈高了，转鼓 《机电技术》２０１０年第５期 机电研究及设计制造 试验台的模拟出的行驶阻力精度也会更准确。 参考文献： 【１１胡博．基于ＣＡＮ总线的汽车底盘测功机测控系统研究［Ｄ】．哈尔滨：哈尔滨理工大学，２００８：１－２ 【２】刘雨欣，李源孰，何光里．汽车底盘测功机评述［Ｊ］．汽车维护与修理，１９９７（１０）：５—９ 【３】余志生．汽车理论（第四版）【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００８：７．１５ ［４】陈东雷，高世伦，余江胜．底盘测功机控制系统的开发［Ｊ】．汽车工程，１９９８，２０（３）：１４１．１４２． ［５】张重文．汽车道路行驶阻力测量原理及测量方法［Ｊ］．广东公路交通，１９９８（１）：５３—５７． 作者简介：赵奇平（１９５７年一）女，硕士，教授，主要研究领域：车辆检测技术及其装备； 吴东栋（１９８３年一）男，硕士在读，主要研究领域：电动汽车、车辆检测技术及其装备。 ｊ ｊｋ ｅ 章 留 ｅ 章 ｅ ｅ ｅ 鲁 ｊ 夸 窜ｊ 鲁 鲁－￥ｅ，ｒ ｝ ｝妇 章 （上接第６４页） 学机械曲面抛光。今后若能更进一步深入研究并 单位与有丰富经验的工程师、专家和有关单位联 将该技术推广到抛光行业中，将对模具产业的整 合，共同开发或改进更先进的电化学抛光设备投 体发展起到推动作用。这需要各大专院校、科研 放市场，以满足模具工业发展的需要。 参考文献： ［１】谢格列夫．金属的电抛光和化学抛光［Ｍ】．巩德全译．北京：科学出版社，１９６１． ［２】波庇洛夫．金属电抛光工艺学［Ｍ】．熊大章译．北京：机械工业出版社，１９５７． 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