汽车底盘测功器的标定方法和精度分析.pdf

2004153汽 车 底 盘 测 功 器 的 标 定 方 法 和 精 度 分 析韩 秀 坤 高 力 平 邱 群 麟(北 京 理 工 大 学 ,汽 车 动 力 性 与 排 放 测 试 国 家 专 业 实 验 室 ,北 京 100081)摘 要 主 要 介 绍 汽 车 转 鼓 试 验 台 底 盘 测 功 器 的 标 定 方 法 和 标 定 精 度 的 分 析 ,通 过 分 析 表 明 :汽 车 行 驶 时 道路 阻 力 可 通 过 计 算 的 方 法 得 到 ,经 过 两 次 滑 行 之 后 ,测 功 器 加 载 值 可 较 精 确 地 模 拟 实 际 道 路 阻 力 变 化 情 况 。叙 词 :底 盘 测 功 器 ,道 路 阻 力 ,标 定 方 法 ab 00081 of be by of of 收 到 日 期 为 2003 年 10 月 10 日 ,修 改 稿 收 到 日 期 为 2003 年 12 月 19 日 。1 前 言转 鼓 试 验 台 是 在 室 内 进 行 汽 车 性 能 试 验 和 排 放检 测 的 理 想 设 备 ,正 越 来 越 广 泛 地 用 于 现 代 汽 车 工业 ,对 加 速 汽 车 工 业 的 发 展 、 缩 小 产 品 研 制 周 期 、 节约 产 品 开 发 费 用 、 提 高 汽 车 各 项 性 能 指 标 检 测 的 精度 等 方 面 起 到 了 重 要 作 用 。根 据 汽 车 的 实 验 内 容 和 测 试 精 度 的 要 求 ,转 鼓 试验 台 的 结 构 形 式 也 不 相 同 ,但 基 本 结 构 和 工 作 原 理 是相 同 的 。 汽 车 行 业 使 用 的 转 鼓 试 验 台 包 括 4 个 主 要 部分 :转 鼓 、 动 力 吸 收 单 元 (测 功 器 ) 、 可 变 汽 车 惯 量 模 拟系 统 和 道 路 负 载 控 制 单 元 。 其 中 动 力 吸 收 单 元 和 惯 量模 拟 系 统 组 成 汽 车 道 路 阻 力 模 拟 装 置 。 动 力 吸 收 单 元采 用 电 涡 流 测 功 器 或 电 力 测 功 器 ,汽 车 整 车 质 量 带 来的 惯 性 阻 力 由 不 同 质 量 的 飞 轮 组 合 完 成 ,由 于 飞 轮 的组 合 有 限 ,整 车 的 惯 量 模 拟 由 飞 轮 组 合 和 测 功 器 负 载的 电 惯 量 共 同 完 成 ,提 高 了 整 车 惯 量 模 拟 的 精 度 。当 汽 车 的 驱 动 轮 放 置 在 转 鼓 上 进 行 性 能 试 验时 ,试 验 台 将 汽 车 在 道 路 上 行 驶 的 阻 力 模 拟 到 转 鼓试 验 台 的 测 功 器 和 惯 量 飞 轮 上 ,计 算 机 根 据 汽 车 的行 驶 车 速 实 时 将 实 际 道 路 上 的 阻 力 作 为 测 功 器 的 负载 。 转 鼓 试 验 台 的 测 试 精 度 其 实 就 是 道 路 阻 力 模 拟和 再 现 的 精 度 。2 汽 车 行 驶 阻 力 模 型汽 车 在 实 际 道 路 行 驶 时 ,总 行 驶 阻 力 滚 动阻 力 坡 道 阻 力 空 气 阻 力 加 速 阻 力 数 和 1 。 即 1)其 中 ,加 速 阻 力 是 由 汽 车 整 备 质 量 带 来 的 ,这 部 分 惯量 的 大 部 分 由 惯 量 飞 轮 模 拟 ,其 余 部 分 惯 量 由 试 验台 本 身 的 旋 转 质 量 和 测 功 器 电 惯 量 模 拟 。 转 鼓 试 验台 是 模 拟 汽 车 在 平 直 路 面 上 的 行 驶 状 态 ,坡 度 设 定为 零 。 经 过 对 式 (1)的 整 理 ,就 得 到 测 功 器 要 模 拟 的道 路 阻 力 为 21125 (2)式 中 G 为 车 重 力 (N) ; f 为 滚 动 阻 力 系 数 ; 风阻 系 数 ; A 为 迎 风 面 积 (; 车 速 (h) 。3 底 盘 测 功 器 行 驶 阻 力 的 设 定 方 法随 着 国 家 对 汽 车 排 放 标 准 的 逐 渐 提 高 ,对 底 盘2004 年 (第 26 卷 ) 第 5 期 汽 车 工 程 2004 (26) 5测 功 器 模 拟 汽 车 道 路 行 驶 阻 力 的 精 度 和 有 效 性 提 出了 很 高 的 要 求 ,由 于 底 盘 测 功 器 的 输 出 轴 上 带 有 转鼓 、 传 动 箱 和 惯 量 模 拟 飞 轮 ,再 加 上 测 功 器 转 子 带 来的 转 动 惯 量 ,以 及 汽 车 传 动 系 的 阻 力 ,整 个 测 功 器 系统 在 运 转 时 会 有 内 阻 存 在 ,而 且 测 功 器 系 统 的 内 阻是 随 运 转 时 间 和 工 作 温 度 变 化 的 。 所 以 车 辆 在 正 式试 验 之 前 ,首 先 要 确 定 此 时 测 功 器 内 阻 随 车 速 的 变化 ,以 便 在 测 功 器 加 载 时 予 以 扣 除 。确 定 测 功 器 负 载 的 方 法 在 国 家 标 准 中 已 有 明 确阐 述 ,在 规 定 的 几 种 方 法 中 滑 行 能 量 变 化 法 2 的 精度 最 高 ,且 操 作 简 便 。311 使 用 计 算 方 法 代 替 汽 车 道 路 阻 力 的 测 量汽 车 实 际 道 路 阻 力 的 测 量 是 在 特 定 的 平 直 路 面上 进 行 的 ,道 路 的 长 度 应 能 保 证 汽 车 加 速 到 规 定 的滑 行 车 速 ,在 不 转 动 转 向 盘 的 前 提 下 摘 挡 滑 行 ,直 到车 速 为 零 。 这 样 的 滑 行 试 验 对 道 路 情 况 和 大 气 条 件的 要 求 很 高 ,不 同 状 况 的 路 面 和 驾 驶 员 操 作 以 及 环境 条 件 的 变 化 都 会 对 试 验 结 果 产 生 影 响 。 试 验 中 发现 随 车 的 非 接 触 车 速 仪 采 集 到 的 数 据 离 散 度 较 大 ,经 拟 合 计 算 后 数 据 曲 线 不 圆 滑 。 国 家 排 放 标 准 中 规定 要 重 复 数 次 滑 行 试 验 ,使 平 均 值 的 统 计 精 度 为 P 2 % 2 ,否 则 试 验 数 据 的 拟 合 很 困 难 ,会 影 响 到 道路 阻 力 的 设 定 。可 通 过 式 (2)对 试 验 车 辆 的 道 路 阻 力 进 行 计 算 ,得 到 测 功 器 负 载 与 车 速 之 间 的 对 应 关 系 ,因 为 公 式中 只 有 2 个 系 数 是 需 要 确 定 的 ,经 过 大 量 的 试 验 研究 ,对 在 标 准 路 面 上 的 滚 动 阻 力 系 数 已 有 确 切 的 数据 ,而 汽 车 的 风 阻 系 数 主 要 与 迎 风 面 积 和 汽 车 外 形有 关 ,通 过 有 关 资 料 即 可 确 定 。 计 算 生 成 的 道 路 阻力 数 据 曲 线 过 渡 圆 滑 ,比 实 际 测 量 生 成 的 滑 行 阻 力曲 线 可 信 度 要 高 。 采 用 计 算 法 来 代 替 道 路 阻 力 的 滑行 试 验 ,主 要 是 解 决 汽 车 排 放 试 验 的 道 路 阻 力 模 拟问 题 ,使 测 试 精 度 能 够 满 足 国 家 排 放 标 准 中 对 道 路阻 力 设 定 的 精 度 要 求 。312 底 盘 测 功 器 道 路 阻 力 标 定汽 车 道 路 阻 力 设 定 的 目 的 是 汽 车 在 转 鼓 试 验 台上 进 行 试 验 时 给 底 盘 测 功 器 提 供 随 车 速 变 化 的 阻 力值 。 由 于 试 验 系 统 有 内 阻 存 在 ,所 以 试 验 前 需 要 一个 标 定 过 程 ,使 汽 车 能 在 底 盘 测 功 器 上 再 现 实 际 道路 阻 力 情 况 。 底 盘 测 功 器 的 机 械 转 动 部 分 、 测 功 器的 内 阻 和 风 阻 、 飞 轮 、 转 鼓 表 面 与 实 际 路 面 不 同 等 因素 ,导 致 试 验 车 除 了 要 克 服 测 功 器 加 给 的 阻 力 外 ,还要 克 服 试 验 台 系 统 的 内 阻 。 因 此 测 功 器 的 实 际 加 载值 应 为 根 据 道 路 滑 行 试 验 得 到 的 阻 力 值 去 试验 台 系 统 带 来 的 阻 力 由 于 转 鼓 表 面 模 拟 实 际 的 平 直 路 面 ,测 功 器 相连 的 旋 转 件 就 带 来 了 附 加 的 阻 力 矩 ,也 就 是 试 验 系统 的 内 阻 。 如 何 确 定 试 验 系 统 的 内 阻 ,方 法 是 将 试验 车 放 置 到 转 鼓 试 验 台 上 做 滑 行 试 验 ,得 到 滑 行 数据 并 计 算 出 此 时 的 汽 车 行 驶 阻 力 。 滑 行 试 验 的 目 的是 检 测 出 在 各 车 速 下 的 测 功 器 和 汽 车 系 统 的 摩 擦 阻力 ,以 便 在 加 载 时 扣 除 。汽 车 在 滚 筒 上 运 行 时 受 到 的 阻 力 为 3 3)式 中 汽 车 在 滚 筒 上 受 到 的 总 阻 力 ; 测 功器 的 制 动 力 ; 底 盘 测 功 器 系 统 的 摩 擦 阻 力 ; 轮 在 滚 筒 上 的 滚 动 阻 力 ; 汽 车 传 动 系 的 摩擦 阻 力 。在 底 盘 测 功 器 上 模 拟 实 际 道 路 行 驶 阻 力 需满 足 条 件 得 到 公 式 4)测 功 器 应 加 给 汽 车 驱 动 轮 的 制 动 力 应 为 ( (5)在 实 际 应 用 中 , 值 是 无 法 计 算 得到 的 ,它 们 与 多 种 因 素 有 关 ,是 汽 车 基 准 质 量 、 车 速变 化 、 传 动 系 效 率 、 轮 胎 气 压 变 化 、 测 功 器 系 统 摩 擦阻 力 、 测 功 器 系 统 运 行 时 间 、 环 境 温 度 变 化 等 因 素 的函 数 ,但 是 可 以 通 过 汽 车 在 试 验 台 上 进 行 多 次 滑 行的 方 法 来 测 定 。设 :试 验 系 统 的 内 阻 为 被 测 车 辆 道 路 阻 力滑 行 数 据 为 (其 中 : 1 次 滑 行 前 ,将 入 到 道 路 阻 力 设 定 控 制器 中 ,在 汽 车 滑 行 过 程 中 用 此 数 据 控 制 测 功 器 负 载的 变 化 ,滑 行 结 束 后 得 到 在 转 鼓 上 汽 车 道 路 阻 力 的变 化 曲 线 由 于 试 验 系 统 有 内 阻 存 在 ,所 以 得 到 公 式 6)在 第 2 次 滑 行 之 前 ,道 路 阻 力 设 定 控 制 器 需 计算 测 功 器 此 时 应 加 的 负 载 2 7)以 测 功 器 负 载 的 滑 行 试 验 结 束 后 ,得 到 道路 阻 力 值 为 此 时 , 趋 近 于 国 标( 2001)中 规 定 在 带 有 电 惯 量 模 拟 的 测功 器 上 , 值 相 差 不 超 过 5 %即 可 用 拟 汽 车 道 路 阻 力 的 变 化 2 ,如 果 误 差 超 出 国 家 标 准中 的 规 定 ,则 需 再 次 进 行 滑 行 试 验 ,直 到 测 得 的 滑 行阻 力 很 好 地 趋 近 426 汽 车 工 程 2004 年 (第 26 卷 ) 第 5 期综 上 所 述 ,每 次 滑 行 时 加 到 测 功 器 上 的 模 拟 负载 为 2 8)式 中 i = 2 ,3 ,4 , , m ; m 为 车 辆 在 试 验 台 上 的 滑 行 次数 ; 滑 行 时 得 到 的 阻 力 值 ; n = 1 ,2 ,3 , , m - 1。4 标 定 精 度 的 分 析上 述 对 底 盘 测 功 器 道 路 阻 力 的 标 定 过 程 是 消 除试 验 系 统 内 阻 的 过 程 ,内 阻 得 到 自 动 补 偿 后 才 能 精确 地 模 拟 汽 车 实 际 行 驶 时 路 面 对 车 轮 的 阻 力 变 化 。为 了 消 除 温 度 对 试 验 系 统 内 阻 的 影 响 ,规 定 标 定 前对 试 验 台 预 热 20 右 ,以 保 证 每 次 滑 行 试 验 时内 阻 基 本 相 等 。 设 加 给 测 功 器 的 负 载 有 一 定 的 漂 移 , 在 第 1 次 滑 行 后 即 有 1 + ) + 9)加 载 偏 差 为 10)计 算 第 2 次 滑 行 时 测 功 器 的 加 载 值F1 = (1 - ) 11)再 次 滑 行 后 得 到 道 路 阻 力 为 F1 (1 + ) + (1 - 2) 12)加 载 偏 差 为 - 2 13)由 上 述 公 式 可 推 出 ,当 在 底 盘 测 功 器 上 进 行 了n 次 滑 行 后 ,其 加 载 偏 差 为 ( - 1) n - 1 ( n n - 1 (14)若 只 进 行 两 次 滑 行 试 验 ,假 定 013 n= 2、 = 011 ,则 - 0104 如 果 控 制 测 功 器加 载 的 漂 移 为 10 % ,经 过 两 次 滑 行 标 定 后 ,道 路 行驶 阻 力 在 底 盘 测 功 器 上 的 再 现 精 度 为 4 % ,能 够 满足 国 家 标 准 中 规 定 的 模 拟 精 度 要 求 。5 汽 车 滑 行 试 验 数 据 分 析在 实 际 应 用 中 ,汽 车 在 转 鼓 试 验 台 上 应 首 先 进行 滑 行 试 验 以 确 定 试 验 台 的 内 阻 。 按 照 上 述 汽 车 道路 阻 力 的 设 定 方 法 ,计 算 汽 车 在 平 直 路 面 上 的 道 路阻 力 值 。 例 如 :美 国 生 产 的 悍 马 越 野 车 ,整 备 质 量 为2903计 算 时 应 再 加 上 100道 路 滚 动 阻 力 系 数定 为 01012 ,考 虑 到 越 野 车 的 迎 风 面 积 与 形 状 ,风 阻系 数 定 为 014 ,得 到 的 道 路 阻 力 计 算 值 为 353151 + 1124 21115 (15)将 上 述 计 算 的 阻 力 值 输 入 到 道 路 阻 力 设 定 器中 ,按 照 汽 车 整 备 质 量 调 整 机 械 惯 量 飞 轮 的 数 量 ,设定 好 滑 行 的 预 热 时 间 和 起 始 车 速 ,经 过 两 次 滑 行 后得 到 测 功 器 应 加 的 负 荷 值 。 汽 车 道 路 阻 力 滑 行 试 验数 据 见 表 1。表 1 道 路 阻 力 滑 行 数 据 表车 速/ h - 1设 定 阻 力 器 负 荷 内 阻 010 010 01010 35913 22914 1291920 37619 22411 1521830 40611 23312 1721940 44711 25611 1901950 49916 29118 2071860 56319 34015 2231470 63919 40011 2391980 72716 47012 2571490 82619 55214 27416100 93810 64119 29611110 106015 74317 31618120 119418 85010 34418从 表 中 的 数 据 可 看 出 ,经 过 滑 行 试 验 后 ,道 路 阻力 的 设 定 值 分 为 两 部 分 :一 部 分 是 试 验 系 统 的 内 阻 ,滑 行 试 验 的 目 的 就 是 确 定 系 统 的 内 阻 。 在 设 定 值 中减 去 系 统 的 内 阻 ,才 能 用 测 功 器 加 载 的 负 荷 模 拟 实际 行 驶 时 的 道 路 阻 力 。汽 车 道 路 阻 力 随 车 速 的 变 化 规 律 如 图 1。1 为 实 际 道 路 阻 力 ;2 为 测 功 器 加 载 负 荷 ;3 为 试 验 系 统 内 阻图 1 汽 车 道 路 阻 力 随 车 速 的 变 化从 阻 力 变 化 曲 线 可 看 出 :测 功 器 加 载 负 荷 变 化是 非 线 性 的 ,要 求 测 功 器 的 控 制 系 统 响 应 要 快 ,能 够实 时 根 据 车 速 的 变 化 调 节 测 功 器 的 负 荷 。 电 力 测 功器 控 制 系 统 的 动 态 特 性 很 好 ,但 电 涡 流 测 功 器 的 磁滞 现 象 导 致 其 动 态 性 能 较 差 。 国 家 排 放 标 准 中 允 许电 涡 流 测 功 器 在 某 一 特 定 车 速 下 设 定 阻 力 ,将 阻 力 曲线 定 义 为 直 线 ,所 以 电 力 测 功 器 能 够 精 确 模 拟 道 路 阻力 ,用 于 新 车 排 放 型 式 认 证 试 验 。 而 电 涡 流 测 功 器 的模 拟 精 度 不 够 ,只 能 用 于 在 用 车 排 放 性 能 的 检 测 。(下 转 第 628 页 )5262004 年 (第 26 卷 ) 第 5 期 汽 车 工 程规 要 求 2003 年 4 月 1 日 起 车 辆 要 进 行 认 证 ,2004 年 7 月 1 日起 进 行 登 记 ;第 3 阶 段 法 规 要 求 2006 年 1 月 1 日 起 认 证 ,2007年 1 月 1 日 起 登 记 。 除 了 限 值 有 所 强 化 外 ,在 第 3 阶 段 法 规中 ,测 定 用 行 驶 工 况 也 有 所 修 订 。 此 外 ,第 3 阶 段 法 规 将 规 定排 放 控 制 耐 用 关 键 件 的 要 求 ,其 具 体 内 容 将 在 日 后 加 以 确 定 。(2) 整 车 型 式 认 证 ( 92/ 61/ 的 修 订 。 修 订 指 令(2002/ 24/ 于 2002 年 3 月 18 日 公 布 。 要 求 从 2003 年11 月 9 日 起 提 请 认 可 。 提 交 的 项 目 有 所 增 加 和 修 订 ,适 合证 书 ( 形 式 / 记 载 内 容 有 所 变 更 。(3)其 他 对 二 、 三 轮 车 功 率 兼 最 高 车 速 的 规 定 (95/ 1/ 修 订 指 令 (2002/ 41/ 于 2002 年 5 月 17 日 发 布 。要 求 从 2004 年 7 月 1 日 起 在 提 请 认 可 的 前 提 下 实 施 。此 外 ,参 加 欧 洲 二 轮 车 制 造 者 协 会 ) 的 各 公 司 ,作 为 对 摩 托 车 及 轻 便 摩 托 车 的 自 觉 认 同 ,将 所 谓 的 “ 白 昼 行驶 灯 ” 从 2002 年 起 投 入 欧 洲 市 场 。 2003 年 6 月 17 日 之 后 ,所 有 生 产 车 都 要 安 装 “ 白 昼 行 驶 灯 ” 。816 亚 洲(1)马 来 西 亚 欧 洲 排 放 控 制 第 1 阶 段 (欧 洲 / 97/ 24/ 法 规 采 用 方 案 至 今 无 进 展 。(2)泰 国 以 交 通 部 (L 为 中 心 就 安 全/ 环 保 标 准 24 项 ,分 3 个 阶 段 进 行 采 纳 的 问 题 正 在 研 究 中 。关 于 噪 声 方 面 ,由 环 保 部 提 出 采 用 日 本 法 规 的 提 案 ,排 放 控制 的 第 5 次 法 规 ,目 前 正 处 在 公 众 听 证 阶 段 ;110 下 车辆 于 2003 年 6 月 1 日 、 110 上 车 辆 于 2004 年 6 月 1 日起 开 始 执 行 新 法 规 。(3)台 湾 地 区 伴 随 着 加 入 噪 声 / 安 全 方 面 的 法规 以 部 分 基 础 ,正 在 制 订 中 。(4)印 度 印 度 汽 车 工 业 协 会 ( 出 了 安 全 法 规 的路 线 图 (,建 议 二 、 三 轮 车 采 用 27 项 及 3 项 ,而 相 应 部 、 厅 也 原 则 上 接 受 此 方 案 并 开 展 工 作 。(5)香 港 地 区 环 保 署 ( 原 则 上 从 2003 年 6 月 起实 施 排 放 控 制 的 产 确 认 ) ,现 正 与 日 本 各 公 司 进 行 协 调 。(6)中 国 (略 )(7)越 南 2002 年 6 月 20 日 政 府 发 布 了 执 行 二 轮 车 法规 的 决 定 。 之 后 又 公 布 了 27 项 标 准 及 认 证 制 度 的 通 告 ,从而 实 施 了 管 制 。 继 续 生 产 车 则 在 一 年 之 后 采 用 这 项 法 规 。(8)菲 律 宾 直 至 2000 年 末 ,采 用 的 是 怠 速 排 放 控 制 法规 ,但 从 2003 年 1 月 起 摩 托 车 采 用 40 - 01 ,轻 便 摩 托车 采 用 47 法 规 。 此 外 ,正 在 研 究 采 用 蒸 气 排 放 ( 题 。817 大 洋 洲澳 大 利 亚 为 了 取 代 00 噪 声 控 制 法 规 ,发 布了 :采 用 41 - 03 的 摩 托 车 和 63 - 01 的 轻 便 摩托 车 的 00 法 规 草 案 。 其 适 用 时 期 如 下 : 新 型 车2005 年 1 月 1 日 ,继 续 生 产 车 2006 年 1 月 1 日818 中 近 东伊 朗 决 定 采 用 新 的 排 放 控 制 法 规 。 法 规 内 容 为 1 ,将 于 2003 年 3 月 起 实 施 。(金 东 瀛 译 自 自 动 车 技 术 2003 年 第 8 期 )(上 接 第 604 页 )仰 角 加 速 度 都 得 到 很 大 的 衰 减 ;在 人 体 的 敏 感 频 域内 的 振 动 能 量 也 有 很 大 降 低 。 对 振 动 响 应 量 的 均 方根 值 分 析 ,证 实 了 这 种 模 糊 神 经 网 络 控 制 大 大 提 高了 汽 车 行 驶 平 顺 性 。 说 明 这 种 模 糊 神 经 网 络 模 型 参考 自 适 应 控 制 方 法 对 处 理 复 杂 的 半 主 动 悬 架 非 线 性问 题 具 有 良 好 的 适 应 性 。参 考 文 献1 M , on of