（车辆工程专业论文）新型汽车综合性能测试系统的开发研究.pdf

同济大学博士学位论文摘要 摘要 在大量收集资料进行综述分析和广泛调研的基础上，提出了多种技术方案，经 过仔细分析、反复论证和多次试验，并多次广泛听取有关各方面专家的意见和建议 后，确定了总体方案、完成了总体设计、并制定了相应的技术条件。 完成了汽车综合性能测试系统样机机械部分的设计及制造；计算机硬件的研 制；计算机软件的开发；计算机软硬件及机械部分的调试；样机性能检测。 汽车综合性能测试系统样机通过了交通部组织的专家鉴定，并获得国家实用新 型专利( z lo o21 5 5 4 86 ) 。 本研究表明：附加质量法可以用于汽车发动机、底盘等部分当量转动惯量的测 量，并且整个系统当量转动惯量的测量误差可以控制在2 以内；间接测量法在汽车 综合性能测试方面的应用是合理的、可行的。通过测量瞬时角速度，可以实现汽车 及其发动机的动力性和汽车制动性的快速测量。 开发出了专用的汽车综合性能测试系统软件，主要包括性能检测程序、自检标 定程序、系统检定程序、信息查询程序等；软件运行可靠、使用方便；采用模块化 编程，便于改造和升级。 研制成功的汽车综合性能测试仪可以检测汽车的动力性、制动性、车速、轮重、 轴重、车轮侧滑量等。 经过样机试制和检定，表明汽车综合性能测试仪方案设计合理、可行，标准化 程度高、工艺性好。通过多次测试、使用证明，总体设计良好、工作性能稳定可靠。 样机检测参数多、时间短、效率高。对有关汽车动力性、制动性和车速表的l o 余个参数进行全面检测，只需1 0 多分钟就能完成。检测精度高，该测试仪的转速测 量误差不大于o 2 ；轮重和轴重测量误差不大于1 ：侧滑量的测量误差不大于 0 1 5 m k m ；动力性参数和制动性参数的测量误差不大于5 。样机仅采用旋转编码器 作为传感器即可实现动力性参数、制动性参数的检测以及车速表的校验，既有利于 同济大学博士学位论文摘要 减小传感器产生的测量误差，又降低了成本。样机通过软件编程，实现汉字提示、 菜单管理，以及对电机、电磁离合器等部分的自动控制，简化了操作。硬件主机部 分采用工业控制计算机。在数字量输入、输出通道中均采用光电隔离电路，滤除强电 部分的各种干扰信号，使系统具抗干扰能力强、可在恶劣环境中连续工作。样机能 够快速测量出被测车不同速度下的发动机功率、机械效率、底盘输出功率、传动效 率等参数，打印输出相应的特性曲线。 研制成功的汽车综合性能测试仪，作为一种多功能汽车综合性能测试系统，占 地面积小、仅需l 2 名操作测试人员就能完成汽车安全性能检测线多数项目和汽车 综合性能检测线部分项目的检测，且具有相当高的精度，具有较高的经济效益和社 会效益。这不仅有助于交通部第1 3 号令的贯彻执行，而且对推动间接测量方法在汽 车检测方面的应用、提高我国的汽车检测水平将产生积极的影响。 关键词：汽车：性能；检测；测试仪；间接测量；分析：研究 同济大学博士学位论文摘要 i i i a bs t r a c t b a s i n go nal o to fi n v e s t i g a t i o na n da n a t o m i z a t i o n sa n dt e s t s ，t h ea u t h o rd e t e r m i n e s t h eb l u ep r i n t ，f i n i s h e st h ed e s i g no ft h em a i nf r a m ea n de s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n g t e c h n o l o g yc r i t e r i o n s b o t hd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h es a m p l e sm e c h a n i s m sp a n so ft h ei n t e g r a t i o n t e s t i n gs y s t e mf o ra u t o m o b i l e s a r ed o n e t h eh a r d w a r ei sm a n u f a c t u r e da n dt h e s o f t w a r e sa r ed e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e sa r ed e b u g g e d a n d t h ep e r f o r m a n c e so ft h es a m p l ea r et e s t e d t h es a m p l e si d e n t i f yo ft h ei n t e g r a t i o nt e s t i n gs y s t e mf o ra u t o m o b i l e si sd o n eb y t h ee x p e r t so ft h em i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n s a n dt h ei n t e g r a t i o nt e s t i n gs y s t e mf o r a u t o m o b i l e sh a sb e e nap a t e n t e d t h i ss t u d ys h o w s ：a d d i t i o n m a s sm e t h o dc a nb eu s e df o rm e a s u r i n go ft h em o m e n t o fi n e r t i ao fa na u t o m o b i l e e n g i n ea n dd r i v i n gs y s t e m ，a n dt h eu n c e r t a i n t y o f m e a s u r e m e n tr e s u l t si sw i t h i n2 t ot e s tt h ep e r f o r m a n c e so fa na u t o m o b i l e ，u s i n gt h e i n d i r e c tm e a s u r e m e n ti sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e b ym e a s u r i n gt h ei n s t a n t a n e o u sr o t a r y s p e e d ，b o t hp o w e rp e r f o r m a n c ea n db r a k ep e r f o r m a n c ec a n b et e s t e dr a p i d l y t h es p e c i a ls o f t w a r ef o rt h ei n t e g r a t i o nt e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d i ti sc o m p o s e d o ff o u rp a r t st h a ta r ep e r f o r m a n c em e a s u r i n gp r o g r a m ，d e m a r c a t i n gp r o g r a m ，e x a m i n i n g p r o g r a ma n di n f o r m a t i o ni n q u i r i n gp r o g r a m i ti s m o d u l a r i z e da n dc o n v e n i e n ta n d r e l i a b l e i tc a nb eu p g r a d e de a s i l y t h ei n t e g r a t i o nt e s t i n gs y s t e mc a nb eu s e dt om e a s u r em a n yo ft h ep e r f o r m a n c e so f a l la u t o m o b i l es u c ha s p o w e rp e r f o r m a n c e ，b r a k ep e r f o r m a n c e ，w h e e lw e i g h t ，a x l e w e i g h t ，s i d es l i pa n ds oo n 同济大学博士学位论文摘要 b ym a n u f a c t u r i n ga n de x a m i n i n go ft h es a m p l e ，i ti sp r o v e dt h a tt h eb l u ep r i n ti s r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e m o r e o v e ri ti sc o n v e n i e n tt om a k e al o to ft e s t sh a v es h o w n t h a tt h es a m p l ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e t h em e a s u r e m e n te f f i c i e n c yo ft h es a m p l ei ss oh i 曲t h a ti tc a l lm e a s u r e a u t o m o b i l e sp o w e rp e r f o r m a n c e ，b r a k ep e r f o r m a n c e ，w h e e lw e i g h t ，a x l ew e i g h t ，s i d e s l i pa n as oo nw i t h i naq u a r t e rh o u r t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h es a m p l ei ss oh i g h t h a tt h es p e e de r r o ri sw i t h i no 2 ，t h ew h e e lw e i g h te r r o ri sw i t h i n1 ，t h es i d es l i p e r r o ri sw i t h i n0 15 m k m ，t h ee r r o ro ft h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n db r a k ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r si s w i t h i n5 t h es a m p l em e a s u r e st h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n db r a k e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so n l yb yo n es e n s o r - - a n g l e s e n s o r a sar e s u l tb o t ht h e m e a s u r e m e n te r r o ra n dt h ec o s to ft h es a m p l ec a i lb er e d u c e d t h es a m p l ec a na u t o c o n t r o lt h em o t o r sa n dt h ec l u t c h e ss ot h a tt h eo p e r m i o no fi ti sv e r ye a s y t h eh a r d w a r e h a ss t r o n ga n t i - ja m m i n gp e r f o r m a n c ea n dc a nw o r kr e l i a b l yf o rl o n gt i m e t h es a m p l e c a na l s op r i n t o u tt h ec u r v e so fs o m ep o w e rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a sa ni n t e g r a t i o nt e s t i n gs y s t e mf o ra u t o m o b i l e s ，t h es a m p l eh a sm a n ym e r i t s f o r e x a m p l e ，i to c c u p i e ss m a l l e rp l a c ea n do n l yo n eo rt w op e o p l ec a nc o m p l e t ea l lt h e m e a s u r e m e n to p e r m i o n a n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ep r e c i s e t h eb e n e f i t so fi to n b o t he c o n o m ya n ds o c i e t ya r eu p p e r i tw i l lh e l pt ou s et h ei n d i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o d o na u t o m o b i l e s t e s t i n ga n di m p r o v et h e a u t o m o b i l ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yo fo u r c o u n t r y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ；p e r f o r m a n c e ；m e a s u r e m e n t ；t e s t i n gs y s t e m ；i n d i r e c t m e a s u r e m e n t ； a n a l y z e ；s t u d y 冯晋样：新型汽车综合性能测试系统的开发研究 第一章绪论帚一早瑁 了匕 1 1新型汽车综合性能测试系统开发研究的目的和意义 第1 页 新型汽车综合性能测试系统开发研究来源于交通部重点科技项目 “汽车综合性能测试系统的开发与研究 ( 9 5 0 50 13 8 ) 。 本研究目的在于研究、开发一种新型集成式多功能汽车综合性能测试系 统，以适应当前汽车工业迅猛发展的步伐，达到准确、迅速、安全地检测、 诊断和评价汽车性能的目的，满足汽车检测、汽车维修和汽车使用的需要。 该汽车综合性能测试系统应能在一个测试平台上对汽车的动力性、经济性、 制动力、车轮侧滑量等主要性能参数进行测试，研究其规律。要求该系统的 造价低廉、操作方便，适用于科研机构、大专院校、汽车运输企业、汽车维 修企业等使用。 本研究是运用先进的开发设计手段和分析手段，在借鉴国内外同类研究 成果的基础上，从全面地观察汽车发动机及底盘性能参数变化特点与规律出 发，综合分析汽车综合测试仪器设备的性能要求，研制一种新型汽车综合测 试系统。该系统采用无负荷测功法测得汽车的动力性、制动力等参数。根据 惯性加速的原理，被测系统的转动惯量的获得是关键，不仅由于车型繁多， 即便是同一车型，特别是在用汽车，由于每辆汽车的技术状况不一样、阻尼 不一样，所测得转动惯量也不一样，即便是轮胎的磨损和气压也对转动惯量 有影响。本研究采用附加质量法，通过滚筒系统、计算机测控技术，测出汽 车驱动轮所驱动的滚筒角速度、角加速度及被测车辆有关部分对滚筒轴线的 当量转动惯量，进而实现发动机功率及其机械效率、底盘功率及其机械效率、 汽车制动力及其制动协调时间等参数的综合检测。在此基础上附以汽车测滑 轴重仪，形成一套汽车综合测试设备。 本研究结合交通部重点科技项目“汽车综合性能测试系统的开发与研究” 过程，验证相应的理论研究成果在汽车综合性能测试技术上的应用，并进一 步完善优化，尽快使其不解体检测技术在检测项目、测试精度、检测速度、 检测手段和产品造价等方面都达到实用水平，使之商品化，满足社会的需求。 第2 页同济大学博士学位论文 该汽车综合测试设备的研制和推广，必将对提高我国汽车的研究、检测水平 和推动交通部1 3 号部令的贯彻执行产生积极的影响，有良好的经济效益 和社会效益。 1 2 汽车综合l 生能测试技术的发展概况 汽车工业的发展已有1 0 0 多年的历史了，而汽车检测技术是随着汽车工 业的迅速发展而发展起来的。在汽车的发展过程中，人们对汽车的动力性、 安全性、经济性、舒适性、操纵性等性能提出了越来越高的要求，需要检测 的项目越来越多、越来越细，从而推动着汽车性能检测技术的不断进步，籍 以及时检测，达到有针对性的及时调整、维护和修理汽车，消除隐患、维持 汽车技术性能的目的。 查阅国内外的相关文献n 叫8 1 ，汽车检测技术几十年来有了较大发展，取得 了很好成果，尤其是计算机技术的发展，不仅给汽车技术带来一场革命，也 给汽车性能检测技术带来一场革命。 1 2 1国外的汽车测试技术 单项测试技术阶段。自2 0 世纪5 0 年代一些工业发达国家开始发展了对 汽车进行故障诊断与性能调试为主的单项测试技术h9 1 ，该阶段主要表现为单 机人工操作的简单的检测、诊断设备。尽管这些检测、诊断设备的结构比较 简单，测试精度也不高，但毕竟从以往的人工经验性的检查跃迁为仪器设备 定量性的检测：从过去的现场或路试发展为相应的台架测试。例如：美国生 产的发动机分析仪、英国生产的发动机点火故障分析仪和平板式制动实验台 等等。 检测设备自动化阶段。自2 0 世纪6 0 年代后期，机、光、电一体化与计 算机技术的有机结合使汽车检测、诊断的仪器设备实现了单机自动化。随着 计算机技术的迅速发展，自2 0 世纪7 0 年代以来，又相继生产出了具备检测、 诊断、控制和数据采集、处理自动化的汽车测试仪器设备。例如：发动机分 析仪、汽车制动检测仪、汽车底盘测功机、四轮定位仪、前照灯检测仪等具 有全自动功能的汽车检测仪器设备。 检测设备智能化阶段。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机技术在汽车 检测领域中的应用进一步向深度和广度发展，逐步出现了集汽车检测，数据 采集、处理，实时控制以及打印、存储与显示测试结果等功能于一体的系统 软件，从工艺上把相应的单台检测仪器设备组合成功能较齐全的汽车检测线， 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究第3 页 使汽车检测线由手动、半自动，实现了全自动智能化。尤其是2 0 世纪9 0 年 代中后期以来，计算机网络技术在汽车检测技术的应用，进一步加速了汽车 检测技术的发展。这样不仅可以避免人为的判断错误，提高检测的精确性和 检测速度，而且可以把受检车辆的技术状况储存在计算机中，既可作为车辆 技术性能的档案资料备查，也可供研究汽车时的参考。例如：全自动汽车安 全检测线、汽车维修检测系统和全自动汽车综合性能检测线。 车载自诊断系统。现代汽车技术和计算机技术的快速发展，一些汽车已 将车载自诊断系统作为汽车的组成部分，利用安装在汽车上的传感器，将汽 车的某些性能参数、技术状况自动实时地以声、光、数字或图形的形式显示 出来，并可实现实时监控。例如：m i s a r 车载自诊断系统。 1 2 2国内的汽车测试技术的发展与现状 我国的汽车测试技术的研究与开发起步较晚，自2 0 世纪6 0 年代初开始 进行的汽车检测技术的研究，部分国外的汽车检测仪器设备也进入我国。为 了满足汽车维修的需要，由交通部相继组织研究开发了发动机气缸漏气量检 测仪、发动机点火正时灯、发动机综合检测仪、汽车制动实验台等检测仪器 设备。 进入2 0 世纪8 0 年代，我国国民经济发展促进了汽车工业和交通运输业 的崛起，全国的汽车保有量迅速增加，而汽车运行的安全性、经济性和排放 污染等已成为人们越来越关注的社会问题，进而促进了汽车检测技术的发展。 又相继研究开发了汽车侧滑实验台、汽车车速实验台、轴重( 轮重) 仪、前 照灯检测仪、汽车底盘测功机测仪器设备。 在单台汽车检测仪器设备的研究、开发、推广获得成功的基础上，交通 部从1 9 8 0 年开始有计划地将某些功能单一的单台汽车检测仪器设备组合成 功能较齐全的汽车检测线，根据所检测的内容不同可分为汽车安全检测线和 汽车综合性能检测线，并从标准和制度上规范了汽车检测技术及其管理办法， 进一步推动了汽车检测技术的发展。 到2 0 0 0 年底，我国的汽车检测仪器设备生产企业已达l0 0 0 余家，汽车 检测仪器设备有1 1 0 0 多个品种，2 8 0 0 多个型号；全国已建成的汽车检测站 ( 包括汽车综合性能检测站和单项性能检测站) 达3 0 0 0 余个，其中a 级站和 b 级站就达1 2 0 0 多家，a 级中心站6 家。2 0 多年来汽车检测技术及其仪器设 备的生产均有长足的进步和发展，有些已达到或接近国际先进水平。 目前国内外生产的汽车综合性能检测设备很多，但多数存在诸如功能比 第4 页 同济大学博士学位论文 较单一、造价较高等不足。若要实现汽车综合性能的检测，往往需要多台单 项或多项性能检测仪器设备组合建线( 站) 来完成，这就导致占地面积和建 筑面积大、设备投资高、工作效率低。随着汽车技术、计算机技术、控制理 论、电子技术和优化理论的发展，大量汽车综合性能检测设备相继问世，但 是，还仍然缺乏上述这种功能较全、性能价格比较高、操作比较方便的汽车 综合性能测试系统。 1 3 研究内容 我国的汽车工业正处于迅速崛起时期，汽车性能测试理论、汽车测试技 术也正处于高速发展阶段。当务之急是深入研究汽车综合性能测试系统的机 理，迅速掌握其设计思想和方法，尽快优化汽车综合性能测试系统，主动为 我国的国民经济发展服务。 本研究主要集中于测试理论和原理性模型方面的实验研究，在此基础上 研究开发一种汽车综合性能测试系统。通过理论的研究、系统的开发、结构 的设计、工艺的保证，精确地采集信号，由系统分析处理，获得测试结果， 并存储、显示，也可根据需要打印出来。 针对汽车综合性能测试技术的现状与发展趋势，本论文重点就以下几个 方面予以研究： 1 ) 附加质量法在汽车综合性能测试方面的应用； 2 ) 间接测量法在汽车综合性能测试方面的应用； 3 ) 系统软件的开发，该系统的软件主要包括性能检测程序、自检标定程 序、系统检定程序、信息查询程序等； 4 ) 汽车及发动机的角加速度、当量转动惯量及其测量方法； 5 ) 开发一种新型、集成式、多功能汽车综合性能测试仪，可测量汽车的 动力性、制动性、车速、轮重、轴重、车轮侧滑量等主要性能参数。 1 4 技术路线 本研究将在理论分析的基础上，进行汽车综合性能测试系统的研究、开 发、试制，并进行实验验证。 本研究采用的技术路线： 由于汽车综合测试系统的研究比较复杂，而将汽车所必测的诸多主要性 能参数集中在一个测试平台上就更为复杂了。要明确设计思想，对该系统进 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究第5 页 行总体设计，确定相应技术路线和实施方案。该汽车综合测试系统主要包括 滚筒测量系统、侧滑轴重测量系统、定位装置、驱动装置、制动装置和控制 处理装置等。 滚筒测量系统主要由滚筒、附加质量( 飞轮) 、离合器、驱动装置、锁止 机构和信号传感器及控制处理装置等组成。 本研究的关键是如何获得不同型号、不同技术状况的在用汽车的被测系 统的转动惯量。 该汽车综合测试系统首先利用附加质量法，通过减速测出滚筒系统、汽 车或发动机的转动惯量，然后再用加速法对汽车或发动机进行加速测功，获 得其瞬时功率。它与目前的无负荷测功相比的主要创新点在于能自身测得汽 车或发动机的转动惯量，然后再测得其瞬时角速度及角加速度，进而计算出 其瞬时功率，而不是某一转速范围内的均值，并可描绘出功率曲线。同理， 利用制动时的角减速度和已测得的转动惯量求得制动力矩，进而计算出汽车 相应的制动力值。 由于利用附加质量法，通过减速测出滚筒系统和某辆汽车( 或发动机) 的转动惯量，这是测试的基础数据，而且所测试的车辆状况各异。因此，必 须设立一套自检标定系统，可以对滚筒系统的转动惯量、阻力系数以及传感 器的输出进行标定，用以保证测试精度；可以自动检验并显示有关传感器、 执行元件的技术状态，根据自检结果自动判断出系统当前能够正常完成的测 试项目，为充分利用系统的测试能力、及时发现和排除系统存在的故障提供 方便。 车辆的侧滑和轴重是由侧滑轴重测量装置来完成的。它由侧滑轴重板、 联动机构、压力传感器和光栅式位移传感器等组成，用来向控制处理装置提 供压力信号和位移信号。 第6 页同济大学博士学位论文 第二章测量原理与系统建模 2 1测量原理 2 1 1测量基本原理 根据经典力学理论，作用于旋转物体上的合力矩等于物体的转动惯量与 其角加速度的乘积，如果物体的转动惯量已知，通过测得物体的角加速度就 可以计算出作用于该物体上的合力矩。依据上述基本原理，本系统采用附加 质量法，首先测得未知的汽车发动机及传动部分的当量转动惯量，再通过测 得加速过程或制动过程中滚筒的瞬时角加速度，求得瞬时加速力矩或制动力 矩，进而推求加速过程中的功率或制动过程中的制动力等参数，实现对汽车 动力性、制动性和发动机动力性的测试。 根据旋转物体惯性加速原理 m = i 占 2 1 m = ( 1 + l 口) n 2 - 2 式中m 为扭矩，n m ；i 为转动惯量，k g m 2 ；p 为角加速度，r a d s 2 ；厶 为附加质量转动惯量，k g m 2 ；岛为附加质量后的角加速度，r a d s 2 。 如果知道旋转物体的转动惯量，通过测量旋转物体的角加速度，即可求 得作用于旋转物体上的合力矩。同理，只要知道车轮和检验台滚筒等旋转部 分的转动惯量，通过测量滚筒在加速、自由减速和制动过程中的角加速度， 即可求得加速力矩、阻滞力矩、制动力矩，进而实现对汽车动力性能、制动 性能的检测。 2 1 2 滚筒系统基本结构 滚筒系统主要由滚筒、传感器、马达、电磁离合器、附加质量、测控系 统等组成。滚筒系统测试原理如图2 1 所示。 滚筒系统利用微机测控技术，借助于旋转编码器测量计算出滚筒的角速 度、角加速度及被测车辆有关部分对滚筒轴线的当量转动惯量等，进而实现 汽车的发动机功率和机械效率、底盘输出功率和机械效率、制动力、阻滞力、 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究 第7 页 制动协调时间等各种参数的综合检测和车速表的校验。测试结果由计算机屏 幕显示，并可以打印输出。 校验车速表时，将被测汽车驱动轮驶上滚筒，通过汽车发动机驱动滚筒 运转，测得两滚筒转速后根据滚筒直径，求得两滚筒外圆周的线速度，即得 到汽车驱动轮外圆周的线速度，与车速表指示值比较，实现对车速表的校验。 检测汽车动力性时，用被测车辆的发动机驱动滚筒加速到一定转速后， 用附加质量法( 测量运动系统转动惯量的一种方法，基本原理是，首先测 电磁 车轮 发动机 ) i 少 变速器 1 广 一 旋转编硬 d一 山 广 商 门1历7 7 ”l |i r 图2 - 1滚筒系统测试原理示意图 第8 页同济大学博士学位论文 的附加质量，再测量运动系统带附加质量后自由降速时的角加速度，根据带 附加质量前后，运动系统的角加速度和附加质量的转动惯量，可以求得运动 系统的转动惯量及运动系统自由减速时的阻滞力矩。) 测量计算出滚筒、驱动 轮、传动系统和发动机等部分对滚筒轴线的当量转动惯量，以及包含发动机 及不包含发动机时滚筒自由降速过程的角加速度，求得被测车辆发动机的机 械损失扭矩和底盘阻滞力矩，最后由被测车辆发动机驱动滚筒加速运转，测 量加速过程中滚筒转速及其变化量，求出发动机不同转速时的输出功率、机 械效率以及底盘输出功率、效率。 检测汽车制动性时，将被测车轮驶上滚筒，用马达或被测车辆的发动机 驱动滚筒及车轮加速到一定转速后，用附加质量法测量计算出滚筒及被测车 轮等部分对滚筒轴线的当量转动惯量，以及车轮等部分的阻滞力，然后再将 车轮和滚筒加速到一定转速后，让滚筒和车轮转入自由降速，实施制动， 通 过测量制动过程中滚筒的角速度及其变化量，根据有关公式和相应标准求出 制动过程中不同时刻制动力矩和制动力的大小，确定出制动协调时间和左右 轮制动力的不平衡性。 如何保证测试精度是该测试台研究中的关键技术问题。 2 1 3侧滑轴重系统测量原理 由侧滑轴重测试台实现侧滑和轴重测量。侧滑轴重测试台有左、右两组 侧滑称重板，分别通过4 个压力传感器，落座于侧滑轴重测试台的台架上， 两侧滑称重板间铰接联动。当车辆缓慢驶过测试台时，由压力传感器和位移 传感器分别检测出其车轮轮重及侧滑量。 2 2滚筒系统建模 按图2 1 所示的测试原理，据滚筒系统的测量原理，以附加惯量厶测试 转动惯量为基本数学模型进行系统建模。 2 2 1主要参数含义 下面各力矩平衡方程均是以滚筒为研究对象而得到的，各物理量是对滚 筒轴线的当量值。 舰为发动机指示扭矩，n m ； 讹为发动机机械损失扭矩，n m ； 必为发动机有效扭矩，n m ； 为底盘阻力矩( 含滚动阻力矩) ，n m ： 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究第9 页 为滚筒部分滚动阻力矩，n m ； 刀e 为发动机机械效率； e l ，晓分别为左右轮的角加速度，r a d s 2 ； l ，m f b 2 分别为左右轮的阻滞力矩，n m ； 尥o i ，尥0 2 分别为左右轮的制动力矩，n m ： 厶为附加转动惯量，k g m 2 ； 厶为单个滚筒的转动惯量，k g m 2 ； 厶为单轮当量转动惯量，k g m 2 ； 厶为传动系统转动惯量，k g m 2 ； 厶：发动机转动惯量，k g m 2 ； 刀詹为两滚筒的平均转速，r m i n ； 尺为滚筒半径，m 。 2 2 1 1动力性检测 1 ) 不带附加质量，由最低稳定车速急加速到最高车速附近，测得车速随 时间变化曲线，建立方程2 3 ；然后熄火，踩下离合器踏板，使滚筒、车轮自 由降速，测得降速曲线，建立方程2 4 。 m t m 和一m l b m m = ( 2 i r + 2 ib + l c + l 。墨塑、二争 一m a , - m , r = ( 2 i r + 2 厶+ 乞) 三u 笋 式中自o ，昆。与a i ，岔1 分别为急加速和自由减速时左、右车轮的角加速度。 2 ) 在滚筒上附加转动惯量后，重复上述过程，可建立方程2 - 5 、2 - 6 。 m j - 虬一m 乃一m 肛= ( 2 1 r + 2 1 a + l + l + 2 l ) 半 2 - 5 一m f b m 阻= ( 2 i r + 2 ib + i c + 2 1 j 墨竖二专曼生 式中自。，国。与反。，疡。分别为在滚筒上附加转动惯量后急加速和自由减速 时左、右车轮的角加速度。 由于滚筒滚动阻力矩坳只与滚筒质量、车轮轮荷和轴承滚动阻力系数 第1 0 页同济大学博士学位论文 大小有关，轴承滚动阻力系数可由系统本身测定，滚筒质量已知，车轮轮荷 可以键盘输入或者直接测得，所以滚筒滚动阻力矩坳可以确定。由于厶，靠 已知，占通过测量计算得到。联立方程2 3 2 6 可以解得： 底盘转动惯量 2 厶+ l = 2 l 生三_ ! 竺l 一一2 ，j r 2 7 发动机转动惯量 占i i + 占2 l 一占1 3 一占2 3 底盘阻力矩 l = 2 l 鱼三垒王_ 一一2 1 只一2 i b l 2 8 6 1 0 + o 2 0 q 2 一占2 2 一m ，r - ( 2 i r + 2 1 a 圳学 2 - 9 发动机有效扭矩 m 。= m j - m 弦= m p + m 肛+ ( 2 i r + 2 厶+ + l ) 鱼 鱼 2 1 0 驱动轮输出扭矩 发动机有效功率 驱动轮输出功率 底盘效率 m b = m e - m f l , e = 铬 兄= 器 仇= 等川。 3 ) 若要确定发动机的指示扭矩尬和机械效率啦，可增加如下试验：将 汽车加速到最高车速附近后熄火，不踩离合器，自由降速，可建立方程2 1 5 。 一m i , 一m 归一m 肛= ( 2 1 尺+ 2 厶+ l + l ) 华 2 1 5 求得 m y e = - i m 归埘肛+ 坐半( g i 5 + $ 2 5 ) i 2 啪 式中蜀s ，岔。分别为加速到最高车速附近后熄火，不踩离合器，自由降速时 左、右车轮的角加速度。 发动机指示扭矩 m t = 勉+ m r e 2 - 1 7 发动机指示功率 坨 b m 二 冬 厶 二 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究第1 1 页 发动机的机械效率 2 1 8 2 1 9 2 2 1 2制动性检测 1 ) 由发动机或电动机驱动，使滚筒达到设定转速后，自由降速，两滚筒 降速过程的力矩平衡方程如方程2 2 0 、2 2 1 所示。 - m y , i - m m 12 ( i r + 厶) 日o - m f 0 2 - m l m 2 ( i r + 厶) q o 2 ) 给滚筒增加附加质量后，重复1 ) 可得方程2 2 2 、2 2 3 。 - m f l , l - m z i = ( 厶+ 厶+ 厶) 日l - m f 0 2 - m m = ( 厶+ 厶+ 助晓i 3 ) 去掉附加质量后，在减速过程中踩制动，可得方程2 - 2 4 、2 2 5 。 一m 柚l m 归l m 肛l = ( i r + 厶) 占1 2 2 2 0 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 一m j 0 2 一m 乃2 一m m 2 = ( ，r + i b ) 占2 2 2 - 2 5 联立方程2 2 022 5 可解得 厶“= 兰= 兰 左右轮的阻滞力矩分别为 m 归l = 一m 尿i 一( ，凡+ 厶) q o 2 2 6 2 2 7 哿p奠；丝鸠 第1 2 页同济大学博士学位论文 肘p 2 = 一m 皿2 一( i r + i b ) 6 2 0 左右轮的制动力矩分别为 左右轮的阻滞力分别为 左右轮的制动力分别为 诋i = ( i b + i d ( e l o - e 1 2 ) m x 0 2 = ( 1 b + i d ( a z o - 6 2 2 ) 勘l = g 孵, l r = u 弦2 r f 如l = m 加i r f 如2 = m 工0 2 r 2 2 8 2 2 9 2 3 0 2 - 3 l 2 3 2 2 3 3 2 3 4 检测时，首先将被测车轮驶上滚筒，左右被测车轮分别位于左右滚筒上 面，非检测车轮位于地面上并可靠定位，然后输入或测量被测车轮的当量转 动惯量。用检验台的马达或被测车辆的发动机驱动滚筒及车轮加速到一定转 速后，使滚筒及车轮作自由减速运动。通过测量两滚筒自由降速过程中的减 速度，可以求得左右轮的阻滞力。然后再将车轮和滚筒加速到一定转速后， 让滚筒和车轮转入自由降速，实施制动，通过制动踏板开关测量制动协调时 间并通过旋转编码器测量制动过程中滚筒的角速度及其变化量，可以求出制 动过程中不同时刻制动力矩和制动力的大小。根据有关标准规定确定出制动 协调时间和左右轮制动力的不平衡性等。从开始踏下制动踏板至左右轮制动 力分别达到最大制动力的7 5 0 $ 时，对应的时间分别为左右轮的制动协调时间； 制动过程中左右轮制动力之差与左右轮制动力最大值中的大者之比的百分数 即为左右轮制动力的不平衡性。 2 2 2瞬时角速度测量原理 由2 1 2 3 4 式可知，要准确求得动力性和制动性参数，计算瞬时角加 速度是关键，俪f 瞬时角加速度占和瞬时角速度d 的关系如下式 d c o 占= d i 2 3 5 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究第1 3 页 当采样间隔，很小时，瞬时角加速度占约等于平均角加速度，即 缈 占 a t 2 , 3 6 由此可知，只要求得微小采样间隔r 内瞬时角速度的变化量a ，就可 算出瞬时角加速度占。 瞬时角速度测量过程如图2 2 所示刚，将一个2 0m h z 的晶体振荡器产生 的晶振脉冲送入1 6 位计数器，由计数器记录晶振产生的脉冲个数。利用旋转 编码器产生的角标信号将计数结果送入锁存器，后送入计算机。于是可得到 在两角标信号间隔内，晶振产生的脉冲个数，根据旋转编码器两角标信号之 间的角度大小、晶振频率和脉冲个数可以近似计算出瞬时角速度。 图2 2 瞬时角速度测量过程 数据 总线 瞬时角速度的计算参见图2 3 ，为了提高抗干扰性能，1 6 位计数器不清 零，连续计数，这样可以消除计数器清零时所占用的计数时间，提高测量精 度。设旋转编码器角标信号之间的角度为矽，所采集到的第f 个和第i + 1 个 角标信号对应的计数值m ，与m 州之差，即为第f 个和第i + 1 个角标信号之间 计数器所记录的晶振脉冲个数a m ，根据晶振频率f ( h z ) ，可得到第f 个和第 i + 1 个角标信号之间的时间间隔r f a t i - - - - j _ ，* y i - 2 3 7 由于f ，值较小，瞬时角速度就约等于缈角内的平均角速度 矽 国 r - & | 2 3 8 第1 4 页 同济大学博士学位论文 计数器计数值 厨j 厨。 厨，m 角标信号间 角标信号阆 角标信 咏冲数 氏m |月队i 的角度 妒矿 i 信号 ， i p i 隔时间 六t ，+ i 图2 - 3 瞬时角速度计算关系 2 2 3 瞬时角速度的计算 设转过一个间隔角度缈时计数器记录的晶振脉冲个数为所。，转过两个 间隔角度2 妒时，计数器记录的晶振脉冲个数为坍；( 见图2 4 ) ，于是两个 图2 - 4角度和时间关系 角度之间的平均角速度变化量及相应的时间分别为 、 【p 9 2 - 3 9 国= 国，一彩l = 一 a m ，一刀，f历l 垒竺2 二垒竺! + 垒堕 f ： ：垒堕 2 2 f 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究第1 5 页 在2 确度内角减速度的平均值为 即 厶9f 9f 占= 等= 等擎= 警a mc a m a m 一寺a m f m 2， 、 ，一。7 2 f 弘国m 厂c 去一击，2 砣 式2 3 9 2 4 2 中矽为旋转编码器角标信号之间的角度，r a d ：l ，甜2 分别 为前后两个缈转角内的平均角速度，r a d s ；a t 为l ，2 之间的时间间隔， s ；f 为晶振频率，h z ：6 3 历为转过2 a r , a 角度的平均角速度，r a d s ；f 为2 a c p 角度内的平均角加速度，r a d s 2 ；a m 。为转过9 角度时计数器记录的晶振脉冲 个数；a m 。为转过2 a ( p 角度时计数器记录的晶振脉冲个数。 当f 值很小时，占即可视为瞬时角加速度。 可见，只要测得滚筒转过的角度及对应时间，根据有关公式即可求得车 轮和滚筒的角速度及角加速度，进而实现汽车动力性、制动性检测和车速表 的校验。 第1 6 页 同济大学博士学位论文 第三章方案确定弟二早力杀例疋 汽车综合性能测试系统的测试原理确定以后，科学合理、便于实施的方 案成为该系统研究开发成功的关键。为了保证汽车综合性能测试系统实现汽 车的动力性、制动性，汽车的传动效率、车速、轴重( 轮重) 、侧滑量准确、 方便、集中的检测，全面地分析研究了已有的测试仪器设备和测试技术，确 定了汽车综合性能测试系统的实施方案。 3 1滚筒系统 滚筒系统是汽车综合性能测试系统的重要组成部分。汽车制动性能和底 盘测功的台试检验由于具有效率高、轮胎磨损小等优点而获得广泛应用。 目前，国内外生产的滚筒式汽车制动试验台，大多是双滚筒反力式，基 本组成如图3 1 所示。检测时每个被测车轮处于两滚筒上方，如图3 2 所示， 通过滚筒感知车轮对其的反作用力来判定汽车的制动性能。检测原理是：首 先由滚筒带动车轮转动，然后踩下制动踏板，由检验台传感器感知车轮对滚 筒的反作用力，并经处理后得出车轮的制动力。这种测量简单易行，但存在 图3 - i单轮双滚筒反力式制动试验台 1 电动机；2 减速器：3 传感器；4 滚筒装置； 5 链传动l6 - 指示装置：7 - 举升装置 冯晋祥：新型汽车综合性能测试系统的开发研究笫1 7 页 图3 - 2 单轮双滚筒试验台检测示意图 以下问题： 1 ) 由于检测过程中车轮会很快完全抱死，车轮和滚筒之间滑移量较大， 这不仅会造成轮胎局部磨损，而且由于经常出现轮胎脱离滚筒表面的“弹跳 现象而导致测试的不稳定； 2 ) 试验台所测车轮对滚筒的切向反作用力约等于车轮与滚筒之间的滑动 摩擦力，受其限制，不能反映车轮制动器产生的最大制动力； 3 ) 由于滚筒直径小，轮胎变形大，且被测车轮夹在两滚筒中间，与车轮 在实际路面上所受到的作用力有很大差异，使该测量方法误差较大。 对于平板式制动检验台，检测时汽车的状况虽然更接近实际情况，但由 于测试过程中汽车惯性作用，减小了后轮对检验台的压力，使后轮容易抱死， 导致后轮的检测结果往往不能很好地反映制动器的最大制动力，并由于车速 的差异等检测数据的重复性较滚筒式检验台差，机动车安全运行技术条件 ( g b 7 2 5 8 1 9 9 7 ) 规定必须测量的制动协调时间也难以实现。 而目前国内外生产的汽车底盘测功机，有双滚筒和单滚筒之分。双滚筒 式汽车底盘测功机的滚筒直径一般在1 5 0 4 0 0 m m 之间，检测时每个被测车轮 处于两滚筒上方，汽车在双滚筒测功机上测功时车轮承受的力如图3 3 所示。 第1 8 页同济大学博士学位论文 即 由图3 3 知 则滚动阻力损失功率为 图3 - 3车轮受力图 z ic o s + z 2c o s =