（载运工具运用工程专业论文）滑行法确定底盘测功机加载数值研究.pdf

摘要 目前，我国机动车燃油消耗量测量主要采用燃油流量计测量，这种测量方法存在的 问题较多，主要是检测设备安装不便，拆装油管会造成油管接头损坏或漏油，而且检测 方法存在安全隐患。另外大型车在油耗检测方面更没有相应的台试标准、法规制约，在 综合性能检测时，无法对大型车的油耗状况进行检测评价，达不到节能减排的效果。基 于上述原因，通过道路试验，研究汽车在底盘测功机上的加载数值，实现道路阻力再现， 对测定燃油消耗具有一定的实际意义和实用价值。 本文通过分析汽车在路面上的滑行情况，得到汽车在路面上滑行时的受力平衡方程 式，根据此平衡方程式建立了求解滑行阻力的数学模型，分离出了求解滚动阻力系数和 空气阻力系数的数学模型，对建立的数学模型进行了修正；并对影响滑行阻力的因素进 行了分析，在设计试验及数据处理时，尽量避免这些因素对结果的影响。 基于建立求解行驶阻力的数学模型，依据g b 厂r 1 2 5 3 4 一1 9 9 0 汽车道路试验方法通 则，设计了道路滑行试验规范：并依据g b l l 6 4 2 8 9 轻型汽车排放污染物测试方法， 确定了滑行试验数据接收准则，选取部分车辆进行了滑行试验，并对试验结果进行了详 细数据处理，为底盘测功机数值模拟加载提供了必要的依据。 在分析底盘测功机模拟原理基础上，确定了模拟道路行驶阻力的基本原则；分析了 大型车只能通过实际车辆滑行来确定加载值；通过车辆在底盘测功机上的滑行试验，对 加载过程中可能产生误差的因素进行了分析，并提出了简单有效的解决方法。以安凯客 车为例，根据分析对加载数值进行了计算。 关键词：滑行试验；行驶阻力；底盘测功机；模拟加载 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，v e h i c l ef h e lc o n s u m p t i o nm e a u s u r e sm a m l yb yt h e 血e lf l o w m e t c ri no u r c o u 蛐阱t h i sm e a s u r e m te x i s tm o r eq u e s t i o n s ，s u c h 勰d e t e c t i o ne q u i p m e i l tn o te 嬲yt o i n s t a l l ，e x i s t e n c eo fs e c u r i t yr i s k s a n o t h e r ，m e r ei sn oc o 盯e s p o n d i n gs t a l l d a r d ，r e g u l a t i o nt o r c s t r i c tf o r1 a 玛et 1 1 l c k si i l 血e lc o n s 啪p t i o n s om e r ei sn 0w a yt o c v a l u a t et l l em e l c 0 n s u l 】叩t i o no fl a 唱et m c k sa n dr e a c ht h ep u 印o s eo fe i l e r g y - s a v i i l g 觚de m i s s i o nr e d u c t i o n f o rt 1 1 e s er e a s o n s ，s n j d y i n go nt l l el o a dv a l u eo fc h 嬲s i se l y n 锄o m e t e rb y c o 嬲t d o w n t e s tt o a c l l i e v em er o a dr c s i s t 孤c eh a v es o m ep r a c t i c a ls i 印i f i c a n c e 锄d p r a c t i c a lv a l u e t 1 1 i s p 印e ro b t a i 璐t l l ev e h i c l e s f o r c eb a l 柚c ee q u a t i o nb y 觚a l y z i i l gc o a s t d o w n c o r l d i t i o no nt l l er o a d ，e s t a b l i s ht l l em a t l l e m a t i c a lm o d e ld b o u tc o 船t d o w nr e s i s t a l l c e ，s 印a r a t e t l l em a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt l l ec o e f j f i c i e n to fr o l l i n gr e s i s t 锄c ea n da i rr e s i s t 锄c ea i l d 锄e 1 1 dt h em a m e m a t i c a lm o d e l a l s oa n a l y z et h ef - a c t o r sm a te f j e 如c o a u s t d o 帅r e s i s t a n c ei n o r d e rt oa v o i dm ee f f e c t sr e s u l t e d 舶mt l l ef a c t o r sw h e i l d e s i 盟i n ge x p 耐m 朗t 锄dd i s p o s i n g d a t a b 硒e do nt h em a t h 锄a t i c a lm o d e lf o r t h ee s t a b l i s h n l e n to fs o l v i n go f 姗n i n gr e s i s t 锄c e ， d e s i 印o fm er o a dt e s tn o m sa c c o r d i n gt og b t 1 2 5 3 4 1 9 9 0 m o t o rv e h i c l e s g 肌e r a lr u l e s o fr o a dt e s tm e t l l o d f i a n di na c c o r d a n c ew i t hg b1 1 6 4 2 8 9 ”m e 弱嘶n gm e t h o df o rp o l l u t 锄t s 丘d m1 i 曲t d u t yv e h i c l em e a s u r i n gm e t h o df o re m i s s i o n so fc 埘l k c 嬲eg a s e s z i p v w l e m s r ” d e t e m i n et h et e s td a t at ob ec o r r e c to rn o t s e l e c ts o m ev e k c l e sh a v et h ec o 硒t d o 、v n t e s t 趾d d i s p o s em ed a t ao ft e s tr e s u l t si nd e t a i l p r o v i d e st l l en e c e s s a n ，b a s i sf o rm ec h a s s i s d ”锄o m e t e rs i m u l a t e dl o a d b ya i l a l y z i n gt h es i m u l a t i o np 订n c i p l eo fc h a l s s i sd y i l 锄o m e t e ri d e n t i f i e dm eb a s i c p 血c i p l e so fr e s i s t a n c e a n dg e tt h a tt h el a r g ev e l l i c l em a l 【es u r em el o a dv a l u eo n l yt h r o u 曲 a c t u a l c o a s t d o 、1 一t e s t t h r o u 曲c o a s t d o w n t e s to nc h a u s s i sd y l l 锄o m e t e r ，a n a l y z eo ft h e p o s s i b l ef a c t o r so fe 玎r o ri nt h el o a d i n gp r o c e s s ，a 1 1 dp r o p o s e das i m p l e 趾de 仃e c t i v es o l u t i o n 舢心队ib u s 嬲锄e x a m p l e ，c a l c u l a t ei to ft h e1 0 a dv a l u e sb a s e do nt h ea 1 1 a l v s i s k e yw o r d s ：s l i d i n gt e s t ；d r i v i n gr e s i s t a n c e ；c h a s s i sd y l l a m o m e t e r ；s i m u l a t e dl o a d i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 呷徽矽歹年 论文知识产权权属声明 6 月l 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丫铹哟啊。多年萌胡 导师签名： 2 应易 7 陈安大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车是现代科学技术的产物，它的出现大大方便了人们的日常生活。随着科学技 术的不断发展，汽车的结构不断完善，性能也不断提高。特别是随着电子技术在汽车 上的广泛应用，汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性得到大大改善，其使用性能 日益满足了人们的需要。但汽车在为人们造福的同时，也带来了能源消耗、大气污染、 噪声和交通安全等一系列问题。 1 1 国内外汽车检测技术发展 随汽车数量的急剧增加，由汽车引发的道路交通安全、能源消耗及排放污染等问 题引起了人们的广泛关注。影响交通安全的原因是多方面的，但汽车技术状况变坏而 引发的道路交通事故占相当大的比例，汽车燃油消耗及排放污染亦与汽车技术状况不 佳有直接关系。因此减少汽车对人类社会的危害，保持车辆良好的技术状况一直是车 辆使用部门的目标。汽车检测技术正是基于研究汽车技术状况变化规律，采用先进的 仪器设备与技术，在不解体的条件下，通过检测有关技术参数，迅速准确地反映整车 技术性能及各系统总成的技术状况，以便掌握它们的变化规律，发现并及时排除故障， 保持或恢复汽车良好的技术状况和使用性能。 1 1 1 国外汽车检测技术发展 汽车检测技术随汽车技术发展而进步，首先在西方国家开始发展，早期的汽车， 由于结构简单，汽车检测用人力可以胜任。但随着科学技术的发展，特别是电子技术 和传感器技术的发展，使得很多非电量的参数转化成电量进行测量，以前靠人工的方 法已经不能很好地发挥作用，这样必然促进了在用车检测技术的发展。2 0 世纪中期， 汽车检测技术开始逐步形成，这一时期，开发了以故障诊断、性能检测为主的单项检 测技术及检测设备；进入2 0 世纪6 0 年代，汽车检测技术开始往专业化、多功能方向发 展；2 0 世纪7 0 年代以后，计算机技术应用于汽车检测设备，使汽车检测向智能化方向 发展：8 0 年代，出现了集检测、操作、数据采集和打印、存储与显示等功能于一体的 系统软件，汽车检测技术走向自动化；从2 0 世纪9 0 年代起，汽车检测技术发展到车载 自诊断系统，尤其是1 9 9 6 年以后，许多美国企业生产、研究加强型的诊断系统，在很 大程度上提高了检测的速度。 一些先进国家的机动车检测站和检测线在2 0 世纪8 0 年代就已经建立，一些汽车企 1 第一章绪论 业内部也都建有汽车检测线，给交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本和提 高运输能力方面，带来了明显的社会效益和经济效益。总体来讲，目前发达国家的汽 车检测在管理上实现了“制度化”；在检测结果上实现了“标准化：在检测技术上 实现了“智能化、自动化”【l 】。 1 1 2 国内汽车检测技术发展 我国汽车检测技术经历了萌芽、发展和逐步完善的过程【2 1 。2 0 世纪6 0 年代我国开 始研究汽车检测技术，国家有关部门从国外引进了一些检测设备，相关的科研单位和 企业对检测设备也组织过调研，但汽车检测技术一直发展缓慢。进入2 0 世纪8 0 年代以 后，随着国民经济的发展，特别是汽车制造业和公路交通业的发展，我国机动车保有 量迅速增加。车辆增加必然带来一系列的社会问题，继而促进了汽车检测技术的发展。 2 0 世纪9 0 年代，全国开始迅速建设汽车综合性能检测站，与此同时，汽车的检测技术 和设备也得到了大力的发展。 为配合汽车检测工作，国内也发布实施了有关汽车检测的标准、规程。公安部和 交通部相继出台了一系列的法律、法规，从汽车安全性能和综合性能检测站到具体的 检测项目，都基本做到了有法可依。但是与发达国家相比，我国汽车检测技术发展仍 有较大的差距，特别是汽车燃油经济性检测由于没有不解体的检测系统，尽管标准规 定综合性能检测时要测油耗，但是由于要拆油管串接油耗计，破坏了汽车的燃油管路， 驾驶员反对；再加上安全问题，致使检测站均不进行燃油消耗量检测。另外大型车的 油耗检测方面更没有相应的台试标准、法规制约，在综合性能检测时，无法对大型车 的油耗状况进行检测评价，达不到节能减排的效果。 由于汽车是在各种不同环境条件下的道路上行驶，根据道路行驶状况评定汽车的 技术性能是最符合实际、最可靠、最基本的评定方法。但是道路试验受到道路条件、 风向、风速、等环境因素的影响，这些因素可控性差，还需要按规定条件选用或建造 专门的道路，使得入力、物力消耗比较大，且不安全。底盘测功机可以对汽车动力性、 燃油经济性、汽车排放污染物以及汽车的技术状况进行检测，并能克服道路试验的缺 点，还可以模拟道路行驶工况方便地对汽车进行加载，用以测量汽车的油耗和排放， 为制定相关标准提供方便；此外，它通过控制试验条件，使环境因素对检测的影响减 至最低，同时能进行符合实际的复杂工况循环试验，因而得到广泛的应用。下面就对 底盘测功机的结构进行简要的分析。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 底盘测功机结构分析 底盘测功机主要由滚筒装置、加载装置、飞轮装置、测力装置、测速装置、控制 指示装置装置组成，底盘测功机基本结构示意图如图1 1 所示。 l 、机架2 、测力杠杆3 、压力传感器4 、副滚筒5 、轴承筒6 、举升装置 7 、飞轮8 、离合器9 、联轴器1 0 、速度传感器1 l 、主滚筒1 2 、测力器 图1 1 汽车底盘测功机基本结构示意图 图1 2 底盘测功机测量示意图 1 、滚筒装置 滚筒用来模拟汽车行驶时的道路，代替路试时的路面。底盘测功机按照滚筒数量 可以分为单滚筒试验台和双滚筒试验台。单滚筒试验台滚筒直径大，多在1 2 0 0 m l l l 2 5 0 0 m m 之间。多采用硬质木料或钢板，空心结构。车轮支撑在单滚筒上转动时几乎 等同于在平路面上的滚动，试验精度高，试验台价格高，主要用于科学实验。双滚筒 试验台滚筒直径般在1 8 5 m m 5 0 0 m m 。多采用钢质材料，空心结构，并且主滚筒 表面一般涂有镍锣合金，以提高其表面的耐磨性。车轮支撑在两个滚筒上就有别于在 3 第一章绪论 道路上的滚动，虽然试验精度不是很高，但试验台价格也低。汽车进行综合性能检测 和维修检测时部门主要用双滚筒试验台。如图1 2 所示为底盘测功机测量示意图。这 种试验台具有安放定位方便、适用车型较多的优点。 2 、加载装置 在汽车检测线上所用的底盘测功机功率吸收装置的类型有：水力式、电涡流式、 电力式。由于一般水力式功率吸收装置的可控性较电涡流式差，电力测功机的成本较 高，因而国内所生产的汽车底盘测功机大多数采用电涡流式功率吸收装置。 ( 1 ) 水力测功器 水力测功器是利用水在测功器的转动部分与固定部分之间起联结作用而形成制 动力矩。调节水槽中的液面高度，可以获得不同的制动力矩。这种测功器在大功率测 量时性能稳定，造价较低，但精度不高。 ( 2 ) 电涡流测功器 电涡流测功机主要由定子和转子两部分组成。以电涡流功率吸收器为例”，汽车 驱动轮带动测功机滚筒及转子同步旋转，当励磁绕组中有电流通过时，转子所在闭合 磁路的磁通量发生变化，使转子表面的涡流环内产生电涡流，电涡流产生的磁场与励 磁磁场相互作用产生力矩，阻碍转子和滚筒的转动。这种就实现了测功机对汽车的加 载，或者说完成了对汽车路面行驶阻力的模拟。 ( 3 ) 电力测功器 电力测功机与一般电机主要的不同之处是定子外壳被支承在一对轴承上，并可以 绕轴线自由摆动。在定子外壳上固定一个力臂，它与测功机构连接，用以测定转矩。 被测动力机械的输出轴与电力测功机的转子连接在一起旋转，此时电枢绕组切割定子 绕组磁场的磁力线，在电枢绕组中产生感应电动势，即产生一个与转向相反的制动力 矩，电机作发电机运行，以达到测功的目的。相反，当电枢回路有电流通过时，在磁 场中会受到电磁力作用而产生一个与转向相同的驱动力矩，这时电机作电动机运行， 以达到反拖( 测量动力机械的摩擦功) 的目的。利用电力测功器可以很好的模拟汽车 的行驶阻力和惯性阻力，从而取消了测功机的飞轮机构，提高了测试精度。电力测功 器可分为直流式电力测功器和交流式电力测功器。 3 、飞轮装置 当模拟汽车加速或滑行时，利用飞轮装置来储存汽车行驶时的动能以实现对加 速、滑行的测试。由于车型不同，汽车的质量和车轮规格也不同。底盘测功机若要检 4 长安大学硕士学位论文 测不同车型的汽车，就必须按车型配备飞轮，这在机械上是难以做到的。为简化结构， 现代底盘测功机配备飞轮的基本原则是根据底盘测功机需要检测的各车型系列汽车 的质量范围及保证确定的检测精度所允许的最大模拟质量误差，配备尽可能少的飞 轮。根据汽车质量范围和最大模拟质量误差，确定不同转动惯量的飞轮数，并使各个 飞轮能组合成若干个惯量级，以模拟给定的质量范围内的各种车型汽车质量。 4 、测量装置 测量装置包括测力装置和测速装置，要求工作可靠、精确，即测量误差小，读数 稳定，并能迅速的适应被测值的变化。 测力装置用以测量测功机滚筒上的扭矩，经变换后可得出作用在驱动轮上的驱动 力；测速装置用以测量底盘测功机滚筒的转速，经运算后可得出相应的汽车行驶速度。 5 、测控系统 测控系统是计算机自动测量和控制( c o m p u t e ra u t o m a t e dm e 弱u r 锄e n ta n d c o i l 仃0 1 ，c a m a c ) 系统的简称。它是自动控制技术、计算机技术、微电子学和通讯 技术有机结合、综合发展的产物，是一门新兴的技术。它包括各种数据采集和处理系 统、自动测量系统、过程控制系统等。 汽车底盘测功机的测控系统就是通过计算机对底盘测功机进行控制，对汽车性能 进行检测，采集数据并处理分析，对汽车性能进行测试评估。其技术水平的高低，性 能的好坏，直接影响到整机的性能。 1 3 汽车滑行试验方法 运用底盘测功机进行动力性、经济性、排放性试验时，需要按实际道路行驶工况 进行加载。在行驶阻力的测试方法中，道路滑行法因其具有精度较高、重复性较好且 滑行过程不受驾驶员因素影响等优点被国际上广泛采用【4 1 。因此研究滑行法测量道路 行驶阻力的试验方法，控制测量的关键环节及影响因素，对获取准确的滑行数据，进 而在实验室模拟实际道路环境进行排放和燃油经济性的检测具有重要意义。 1 3 1 欧洲、日本、美国滑行方法介绍 试验条件对滑行试验结果有明显的影响。因此，欧洲、日本、美国试验方法中的 滑行法都规定了试验标准状态，道路试验条件应该满足滑行试验的规定。欧洲、美国 日本的滑行法介绍【5 ，6 1 见表1 1 。 5 第一章绪论 表1 1 欧洲、日本、美国滑行方法介绍 装 欧洲e c er 8 3 0 1日本t 剐魄s 2 3 4美国s a ej 1 2 6 3 项目 平直、足够长、坡度不大 干燥、平直的铺装路，备有 干燥、平直的水泥或者 道路沥青路、坡度不大于 于1 5 且恒定测量大气状态的装置 0 5 且恒定 实 气温、气 空气密度不偏离标准状态 标准状态下：2 0 ， 气温为一1 3 2 ， 验 压 ( 2 0 ，1 0 0k p a ) 时的 标准状态：2 0 ， 条 士7 5 1 0 1l ( p a ，无风 9 8k p a ，无风 件平均风速小于3 m s 。最大 平行于试车道方向的风速平均风速小于5 i i 以，最 风速小于5 m s ，侧向风分 风速平均值不超过5 i i 】s ，垂直方大风速小于5 6 n 以，侧 量小于2 n 以，测量处高出 向不超过2 i 眺向风分量小于2 2 以 路0 7m 测量设备车速计：测量误差小于车速计：士0 5 舢；计时器：车速计：士o 4 鼬吡； 及误差2 ；计时器：士o 1s 士o 1s 计时器：士o 1s 试验车质量应包括仪 试验车应加速至其基准质试验车辆的质量误差范围器等质量，车窗关闭， 试验车辆量，车窗关闭，试验前用 应在试验车质量的士5 0 k g试验前以平均8 0 k m i l 适当方法暖车以内，试验前充分暖车的车速暖车至少 3 蛐 1 确定各“试验车辆”； 2 车辆加速至试验车速 1 确定各“指定车速”： 1 滑行车速范围( 应包 v i + 1 0 i a n l l ，将变速器至 2 车辆以高于指定车速 括9 6 4 0 k m 1 1 ) ： 于空挡，测量从k + vv i + 5 鼬i l i l 的速度行驶，然 2 车辆加速到车速范 试验程序 后测量从v i + 5 k m l l 到 围上限+ 8 眺，开始 降到”一v 的时间 v i 5 舢的时间； 记录同时汽车脱档减 t ( v s 5 ； 3 在相反方向重复试验2 ： 速滑行至车速范围下 3 在相反方向重复试验2 ： 4 对于其它指定车速，重复 限： 3 在相反方向重复2 的 4 对于其它试验车速，重 上述试验2 ，3 试验 复上述试验2 ，3 试验次数各试验车至少重复四次各指定车速重复3 次至少重复试验5 次 滑行时间f 的统计精 各指定车速的三次往返滑 单个v ( t ) 滑行曲线与 数据接受准则行时间的最大值与最小值 相应分析曲线 度：p = 丝坐s 2 v ( ，最，t ) 均方差不超过 以 f 之比不超过1 1 o 4 k m 1 1 6 长安人学硕七学位论文 1 用w h i t e k d r s t 法分 析每次滑行曲线得出 1 按下式计算道路阻力： = 兀+ 五v 2 ： 各试验车速下的道路负荷 正= ( 形+ 形) ( 3 5 曩) 试验数据处理功率：2 用最小二乘法拟合( v f )2 对各次所得兀，厶 p = 肘y y 5 0 0 r 得出：f = 口+ 6 ，2 ；修正到 取平均值，并修正到标 标准状态：e = 口o + 6 0 ，2 准状态下： 3 计算8 8 至7 2k i n 压 的滑行时间 1 试验设备及误差与道路试验相同； 一般规定2 试验车辆与道路试验所用车辆是同一辆车； 3 试验前按道路试验相同方法预热汽车和底盘测功机 1 试验准备： 2 。求出测功机吸收功 率与车从8 8 龇滑行 1 试验准备： 1 试验准备： 到7 2 鼬的时间万t 底 2 按道路试验程序2 进行 2 求出系统总摩擦损失 的关系式： 盘 试验，用当量惯量i 代替 测 试验程序3 调整测功机制动力等于理 m 计算测功机吸收功率； 论行驶阻力与总摩擦损失 = 口舀一6 ； 功 3 调整制动力使吸收功率 之差3 根据道路滑行时间 机 与道路试验结果一致 阻 按上式计算只并设定 力 测功机阻力 设 1 用滑行法测量实际设定 定 阻力功率：1 用滑行法测量实际设定阻 力： 设定阻力 p = j y y ( 5 0 0 f ) ； 校核 2 设定阻力的精度随试验 f = ( 尺肜+ ) ( 3 5 3 f ) 2 车速而定：2 0 心n 1 1 为各校核车速下的设定行驶 士1 0 ，高于此速度时为阻力误差在理论值5 以内 士5 1 3 2 我国滑行试验中主要采用的方法 滑行试验可采用多种方法，试验要求测量的变量及测量准确度，随滑行试验方法 的不同而各不相同。主要的滑行试验方法有： 1 、低速滑行时问法 测定试验车通过设定长度路段的滑行时间，求得( 计算) 滑行阻力系数。 选定长度为1 0 0 m 的测量路段，将其分成长5 嘶的两段。 7， 第一章绪论 试选试验汽车的滑行初速度，确保试验汽车能以选定的滑行初速度，在2 0 s 士2 s 的 时间内空档滑行通过1 0 0 l n 测量路段。 测量汽车通过开始5 0 m 路段和整个l o o m 路段的滑行时间t l 和t 2 ，要求往返测量 至少5 次，取其均值，建立计算模型求解滑行阻力及滚动阻力系数和空气阻力系数。 2 、多车速滑行时间法 ， 测定试验车按规定车速滑行的行驶阻力，寻求行驶阻力与车速的模型。 分别测定试验车按各规定车速v i ( 2 0h 忱、3 0 h 汕、4 0h 1 l l 、5 0h 讹、6 0h 汕、 7 0l ( 1 l 讹、8 0k i i 讹、9 0 虹汕) 加5h l l l 开始滑行到规定车速v i 减5h 吡时的滑行时 间t i ，建立计算模型求解滑行阻力及滚动阻力系数和空气阻力系数。 3 、二次滑行法 通过测定从高速v 。l 滑行至v b l ( v 。l 一5 k i i 汕) 的滑行时间t 1 和从低速滑行至 v b 2 ( v a 2 5 h 讹) 的滑行时间t 2 ，估算滚动阻力系数( 厂) 和空气阻力系数( c d ) 。 从实际应用的工作量考虑，宜采用简便易行、测量准确度能满足检测规范需要的 滑行试验法。故本文确定不同车型滑行阻力及滚动阻力系数、空气阻力系数时，采用 多车速滑行时间法测定试验车按规定车速滑行的行驶阻力，寻求行驶阻力与车速的模 型。 1 4 本文研究的来源及意义 1 4 1 课题研究的来源 本研究是西部交通建设科技项目西部地区汽车维修企业维修质量控制关键技术 及评价体系研究子课题“道路运输车辆油耗检测规范研究”的一个分支，其项目标 号为：2 0 0 73 1 8 2 2 34 7 。 1 4 2 课题研究目的和意义 1 、课题研究的目的 汽车拥有量剧增，汽车所消耗的燃油在所有能耗系统中占的比重也在逐年增加。 我国每年消耗的石油中，绝大部分是作为汽车的燃料被消耗的，因此能源问题成为当 前我国的主要问题。 我国目前测量机动车燃油消耗量主要采用燃油流量计测量，即在发动机供油管路 串接传感器通过燃油流量计测定。这种测量方法存在的问题较多，主要是检测设备安 8 长安大学硕士学位论文 装不便，拆装油管会造成油管接头损坏或漏油，而且检测方法存在安全隐患。因此在 检测站均未执行。 基于上述原因，有必要研究一套不解体的车辆油耗量的检测方法，在汽车性能检 测站进行快速油耗测量；出台相应的国家标准对各类车型燃油消耗量加以控制，节省 燃油。 2 、本课题研究的意义 作为大型试验设备，汽车底盘测功机可以模拟汽车道路试验的各种工况，完成汽 车的经济性试验、动力性试验、排放性能评价与分析、可靠性试验以及与汽车传动系 统有关的专项试验。使用汽车底盘测功机完成汽车试验及各类型的质量检测与通常的 道路试验相比具有试验速度快、精度高、费用低、数据稳定、可比性好等优点【7 1 。 既然底盘测功机在汽车的排放性能及燃油经济性检测中得到了广泛的应用，并且 底盘测功机的设定结果直接决定了汽车运行负荷，而负荷对汽车的燃油经济性和排放 量有明显影响【酊。那么正确的在底盘测功机上模拟道路阻力就变得尤为重要。按照实 际滑行方法对底盘测功机进行加载设定，可以更为真实地反映车辆在实际道路上行驶 时所受的阻力，从而为油耗检测或其它性能检测，提供更加准确的依据。 1 。5 本课题的主要研究内容 本课题主要通过选择不同轮胎型号的汽车进行滑行试验，得到车辆的行驶阻力并 分离出不同轮胎型号相对于良好路面运行时的滚动阻力系数和空气阻力系数，为底盘 测功机加载提供依据。主要工作包括： ( 1 ) 查阅相关资料，了解发达国家的汽车检测技术发展现状，以及底盘测功机 设定方法； ( 2 ) 分析车辆在良好平直路面上的受力情况，建立求解滑行车辆行驶阻力的模 型，并建立分离滚动阻力系数和空气阻力系数的理论模型； ( 3 ) 确定滑行试验方法，选择技术状况良好的汽车进行滑行试验，并记录相关 试验数据，用已建立的理论模型求解相关的数据，为之后进行的底盘测功机加载提供 依据； ( 4 ) 寻找底盘测功机上阻力设定与汽车在良好平直路面上行驶时受力之问的关 系，确定底盘测功机加载依据； ( 5 ) 确定车辆在底盘测功机上的阻力设定值，并对其进行误差分析。 9 第二章滑行试验法确定行驶阻力模型建立 第二章滑行试验法确定行驶阻力模型建立 2 1 汽车在路面上行驶的受力分析 汽车在路面上行驶时，发动机需要提供足够大的驱动力来克服各种行驶阻力。根 据动力学的平衡关系建立汽车行驶平衡方程式为： e = f ( 2 1 ) 式中，c 为驱动力；f 为行驶阻力之和。 驱动力是发动机的转矩经传动系传递到驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、 空气阻力、加速阻力和坡度阻力，现在分别研究驱动力和这些行驶阻力。 2 1 1 汽车的驱动力 汽车发动机产生的转矩，经传动系传递到驱动轮上。此时，作用于驱动轮上的转 矩z 产生对地面的圆周力e ，地面对驱动轮的反作用力e ，即是驱动汽车的外力， 称为汽车的驱动力，其数值为： 鼻= 形 ( 2 2 ) 式中：z 为作用于驱动轮上的转矩；，为车轮滚动半径。 但作用于驱动轮上的转矩是由发动机产生的转矩经传动系传至驱动轮上的。若令 乙表示发动机输出转矩，表示变速器的传动比，乇表示主减速器的传动比，珊表 示传动系的机械效率，则： z = 乙名芘，打 ( 2 3 ) 对于装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的汽车，上式应计入相应的传动 比和机械效率。 因此驱动力可表示为： e ：z - f g f o 形 ( 2 4 ) 2 1 2 汽车的行驶阻力 汽车在水平路面上匀速行驶时，必须克服来自路面的滚动阻力和来自空气的空气 阻力；当汽车在坡道上匀速行驶时，还必须克服重力沿坡道方向的分力，称为坡道阻 l o 长安大学硕士学位论文 力；汽车加速行驶时，还要克服加速阻力。因此，汽车行驶的总阻力为： ，= 乃+ c + 巧+ c ( 2 5 ) 式中：为滚动阻力；e 为空气阻力；( 为坡度阻力；为加速阻力。 上述阻力中，滚动阻力和空气阻力是任何情况下都存在的，坡度阻力和加速阻力 仅仅在一定情况下才存在。 1 、滚动阻力 汽车上装用充气轮胎，行驶工况的滚动阻力，主要由轮胎变形的能量损失和路面 变形的能量损失两部分组成，不同路面因材质和路面粗糙度不同，对轮胎变形的影响 也不同。轮胎和支撑面的刚度决定了变形的特点。当轮胎在硬路面( 混凝土路、沥青 路) 上滚动时，轮胎的变形是主要的。此时，由于轮胎有内部摩擦产生弹性迟滞损失， 使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。此能量系消耗在轮胎各组成部分相互间的摩 擦及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后变为热能而消失在大气中。但车轮在松 软路面上滚动时，路面变形的能量损失，致使滚动阻力显著增大。 若进一步分析，便可知这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力距。当车轮 不滚动时，地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的；但当车轮滚动时，在法 线刀一刀前后相对应的点j 和j ( 图2 1 a ) 变形虽然相同，但由于弹性迟滞现象，处 于压缩过程的前部d 点的地面法向反作用力就会大于恢复过程的后部j 点的地面法 向反作用力，如图2 1 b 。这样，就使地面法向反作用力的分布前后并不对称，而使它 们的合力e 相对于法线力一刀向前移动了距离口( 图2 2 a ) ，它随弹性迟滞损失的增大 而变大。 一 ，辱锄 x一 丫7 1 磁翌：矽叮以i 一 a )b ) 图2 1弹性车轮在硬路面上的滚动 第二章滑行试验法确定行驶阻力模型建立 如果将法向反力e 平移至与通过车轮中心的垂线重合，则从动轮在硬路面上滚 动时的受力情况可以表示成图2 2 b 所示的形式，即滚动时有滚动阻力偶矩弓= c 口阻 碍车轮的滚动。 图2 2 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况 由图2 2 可知，要使从动轮在硬路面上等速滚动，必须在车轮中心加一推力c 。， 它与地面切向反作用力构成一力偶距来克服上述滚动阻力偶距。由平衡条件得： f p ，= t f 故得 驴孚= c 詈= 形詈= 町 ( 2 6 ) 式中e 与形大小相等；厂= 詈= 鲁，即滚动阻力系数，常见路面的滚动阻力系 数【9 1 见表2 1 。 表2 1 常见路面的滚动阻力系数 路面种类 新完工的水泥、沥青、石块硬路面0 0 0 8 旬0 15 良好的碎石路面、坑洼的沥青、水泥和石块路面 0 0 2 旬0 3 坑洼的碎石路面 o 0 3 0 0 4 良好的土路0 0 4 5 土路0 0 5 0 。1 5 沙路0 1 5 o 3 0 滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需之推力与车轮负荷之比，即单位汽 1 2 长安大学硕上学位论文 车重力所需之推力。这样，我们在分析汽车行驶阻力时，不必具体考虑车轮滚动时所 受到的滚动阻力偶矩，而只要知道滚动阻力系数求出滚动阻力就可以了，有利于问题 的简化，但是滚动阻力系数又受到很多因素的影响，将在下文中阐述。 2 、空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空气阻力 分为压力阻力与摩擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方 向上的分力，称为压力阻力；摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的 合力在行驶方向的分力。压力阻力又分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力 和诱导阻力。形状阻力是压力阻力的主要部分，它与车身主体形状有很大的关系；干 扰阻力是车身表面突起物( 如后视镜、门把、悬架导向杆、驱动轴等) 引起的阻力； 发动机冷却系、车身通风等所需空气流经车体内部时构成的阻力，为内循环阻力；诱 导阻力是空气升力在水平方向上的投影。一般车型中，空气阻力的内容和比例见表 2 2 【1 0 】。 表2 2 空气阻力的内容和比例 内容一般轿车 理想型赛车 形状阻力 5 8 7 0 干扰阻力 1 4 5 压力阻力 内循环阻力 1 2 5 诱导阻力7 o 表面摩擦阻力 9 2 0 在汽车行驶范围内，空气阻力的数值通常都表现为与气流相对速度的动压力 昙p 甜；成正比的形式，且车辆行驶时受到的空气阻力为【1 l 】：i p 甜；成正比的形式，且车辆行驶时受到的空气阻力为【1 l 】： e = 三c d 伽； ( 2 7 ) 式中：c d 为空气阻力系数：p 为空气密度；彳为迎风面积，即汽车行驶方向上 的投影面积；酢为相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度。 空气阻力的大小与c d 及彳值成正比。彳值受乘坐使用空间的限制，不易进一步 减小，所以降低c d 值是降低空气阻力的主要手段，c d 值的大小又受很多因素的影响， 1 3 第二章滑行试验法确定行驶阻力模型建立 将在下文中介绍。 3 、坡度阻力 当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道方向的分力表现为汽车坡道阻力，上坡时， 这分力表现为阻碍汽车行驶的力，而下坡时则会推动汽车行驶，表现为助力。即 互= g s i n a ( 2 8 ) 式中：g 为作用于汽车上的重力；a 为坡道与水平面的夹角。 道路坡道是以坡高与底长之比来表示的，即： f = 鱼：t a i l a ( 2 9 ) 式中：厅为坡高；s 为坡底长。 4 、加速阻力 汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力。汽车的 质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时不仅平移质量产生惯性力，旋转质量也 要产生惯性力偶矩。为计算方便，一般将旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯 性力，对于固定传动比的汽车，常以系数万作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋 转质量换算系数。故汽车加速时的阻力可记为： c = 万磅 ( 2 1 0 ) 式中：万为汽车旋转质量换算系数，万 1 ；聊为汽车质量；掣为汽车加速度。 万主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量及传动系的传动比有关。计算公式为： 渊+ 土弩+ 上垡墼( 2 ，卵 厂，竹， 式中：l 为车轮的转动惯量；，为飞轮的转动惯量1 2 1 。 2 1 3 汽车行驶方程式 根据上述分析的汽车驱动力和行驶阻力，可以得到汽车行驶方程式为： f l = f r + f w + f i + f j 即型竽= 盯c 。s a + 丢c d 彳g s i n a + 万m 尝 ( 2 加) 1 4 长安大学硕士学位论文 2 2 滑行试验法滑行阻力模型建立 2 2 1 建模思路及理论基础 由前述汽车在路面上行驶的受力分析及汽车滑行的运动工况可知，汽车在平直良 好的路面滑行时( 如图2 3 ) ，若忽略摩擦，则行驶阻力只有滚动阻力0 ，空气阻力e ， 加速阻力名；并且滑行过程中，发动机处于空挡、怠速状态，无有效功率输出，故 力平衡方程为： v i l _ _ - _ - _ _ _ _ - 一 勋 图2 3 汽车水平蹋向受力分析图 f f f w 弋f j = q 0 = q 厂= g ( 口+ 6 1 ，) = ，z o g ( 口+ 6 v ) e = 丢c d 伽； 弓= 砜老 式中：厂一滚动阻力系数； 口一滚动阻力系数中的常数项： 6 一滚动阻力系数中的一次项； 历一汽车惯性质量，忉= 万姆； m 。试验汽车总质量，k g ： 1 5 鼍位 ( 2 ，1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章滑行试验法确定行驶阻力模型建立 万一汽车旋转质量换算系数，一般载货汽车取1 0 ；6 ，轿车、轻型客车及客 车取1 0 5 ) ； g 一重力加速度，m 2 s ； c 旷空气阻力系数； 彳一汽车行驶方向的投影面积，m 2 ； p 一空气密度，s 2 肌4 ； “一相对速度，无风时即汽车的行驶速度( v ) ，州s 。 将式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 3 ) ，得到 一万去= 国+ 劬v + 鱼笋v 2 c 2 加， “= 詈6 = 譬c = 警测删 一宰：口“v “v 2 ( 2 1 8 ) 一面2 口+ 6 v + c v ( 2 1 8 ) 即汽车滑行中所受的行驶阻力可表示为： f = 妄“m y 2 ( 2 1 9 ) 2 2 2 模型的建立 通过滑行试验，利用相关的计算方法，对动力学方程( 2 1 7 ) 式进行数学变换， 求出v - _ t 关系，再进行非线性曲线拟合，可以求出滚动阻力系数和空气阻力系数， 或求出汽车行驶阻力与车速的关系等。 l 、计算模型一 试验时分别测定试验车各规定车速v i ( 1 0k n 汕、2 0l ( n 沛、3 0k i 吡、4 0k n 忱、 5 0l ( n 汕、6 0l ( i i 汕) 加5l ( i i 沛开始滑行到规定车速v i 减5k m 时的滑行时间及滑 行过程中，利用小速度间隔滑行的方法，求得行驶阻力和车速的关系模型比较适用。 试验时，试验车以车速h + v ，滑行至v 一y ，当y 较小时( y 5 5 砌) ，我们 可以认为这一行驶过程是匀减速运动，则有下式成立： + v = 一v + 口f t ( 2 2 0 ) 长安大学硕上学位论文 式中：h 一试验车速，胁s ； 口，一车速由唯+ v 减小到_ ，过程中的减速度，川s 2 ： 一车速由m + v 减小到一v 所经历的时间，5 ； 由式( 2 1 9 ) ，可得到 f = 聊以， ( 2 2 1 ) 0 = 聊以f ( 2 2 1 ) 整理( 2 2 0 ) 式后，代入( 2 2 1 ) 式得到 f ：俄丝( 2 2 2 ) ，：= ，行一 ( 2 2 2 ) 试验时，= 5 砌屈，则有 f = 2 7 8 翌( 2 2 3 ) 由此可见，只要测出滑行过程中车速由m + v 降至u 一，所经历的时间，即可 利用( 2 2 2 ) 式计算出各对应车速v 时的行驶阻力，即可得到一组对值i m ；参考文 献1 1 3 】的思路，利用最小二乘法拟合曲线表示为： 只= 口。+ 6 u + c 巧 ( 2 2 4 ) 求系数口、6 、c 。( 和式( 2 1 9 ) 中的系数，可以理解为近似相等，故直接表示 为口、6 、c ) 。 由最小二乘法的求解方法可以得到以下方程组： m + 6 _ + c 巧= f 口u + 6 谚+ c 订= _ l 即： l 口0 + 6 口+ c p = 口互 yf 一 v f f 0 鼻 ( 2 2 5