CLJD01-004@HLJITD60底盘测功机设计
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CLJD01-004@HLJITD60底盘测功机设计,机械毕业设计全套
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哈尔滨理工大学硕士学位论文汽车底盘测功机测控系统的研究姓名：张训申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：王旭东20090301nts哈尔滨理丁大学T学硕上学位论文汽车底盘测功机测控系统的研究摘要随着科学技术的发展，汽车结构不断完善，人们对汽车的性能更加关注。汽车本身是一个复杂的系统，在使用过程中，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，汽车技术状况可能不断恶化，需要定期进行检测。汽车底盘测功机是一种不解体检验汽车性能的检测设备，采用现代电测和计算机技术，模拟汽车在各种路面行驶阻力，使汽车的道路试验项目移至室内进行，减少室外环境变化对测试的影响，能够很好的改善试验人员的试验环境和提高测试精度。本文首先介绍了汽车底盘测功机的发展历史和研究现状，阐明了研究汽车底盘测功机测控系统的目的和意义，给出了汽车底盘测功机的结构和工作原理，在详细分析汽车道路上和底盘测功机上运行受力情况的基础上，建立了测功机电模拟模型。采用电模拟阻力加载装置，不仅省去了繁琐的惯性飞轮装置，简化了底盘测功机的结构，而且实现了惯性阻力的无级模拟。在系统硬件上，设计了转速转矩信号的采集电路和前端信号处理电路，提高了采集数据的准确性，保证系统的精度，并给出了励磁控制电路的设计与实现。在通讯上，设计CAN和USB互相转化的接口电路，不仅实现上下位机之间的通讯，而且还突破了传统底盘测功机上下位机通讯速率慢的瓶颈。在控制策略上，采用积分分离PID算法，实现转速、励磁电流和转矩、励磁电流的两个双闭环控制器，满足了汽车底盘测功机不同运行状况的需求。在软件上，采用模块化编程的思想，从而增强了程序的可移植性和灵活性。最后，构建了实验平台，对系统进行了实验研究，实验结果表明：系统能满足汽车性能测试的要求。关键词汽车底盘测功机；电模拟模型；励磁控制nts哈尔滨理工人学工学硕j：学位论文Research on Measurement and Control Sy stem ofAutomotive Chassis DynamometerAbstractWith the development of the technology,the structure of the automotive islmprowngand people now pay more attention on the vehicles performanceAutomobile is a complex system and its technology condition may become worseduring USe，especially with the increase of road haul and the extension of servicetime，SO the automotive needs periodical detectionAutomotive chassisdynamometer,testing equipment without disassembly,adopts technical ofmodern electrical measurement and computer to simulate all the drivingresistanceSo that the road test iterns can be tested indoor，and it will reduce theimpact of outdoor environmentIt can not only improve the testing environmentbut also increase the test precisionFirstly,this paper explains the aim and significance，also introduces thedevelopment history and previous achievements of the automotive chassisdynamometer,then，gives its structure and the principle of workOn the basis ofcontrasting the resistance of the car driving on road and on the chassisdynamometer,it puts forward the electric simulation modelThe advantage iSthat the flywheels are omitted，SO it amplifies the structure of chassisdynamometer and realize the continuous simulation of inertiaAs to the hardwareof system，the design of data acquisition circuit and signal processing circuit ofthe torque and rotation rate，enhances the gathering data accuracy，and assuresthe system testing precisionThe realization and design of excitation controlsystem is also presented in detailIn the way of communication，the design of theCAN and USB converse circuit not only realizes the communication betweenslave。computer and hostcomputer,but also breaks through the bottleneck ofcommunication speed in the automotive chassis dynamometerFor the contr01IInts哈尔滨理T人学工学硕上学位论文strategy of the system，the controlling algorithm called integral separation PID isapplied，achieves rotational speed，torque and excitation current double closed100p contr01As to the software of the system，the design idea and main flOWcharts are putted forwardThe portability and flexibility is increased by themodular programming of this softwareFinally,constructs the experiment table，and tests the systemThe experimental result indicates that the system can satisfythe request of automobile performance teatKeywords automotive chassis dynamometer,electric simulation model，excitation controllIInts哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽车底盘测功机测控系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：乏尺加) 日期：加了年涉月多日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书汽车底盘测功机测控系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在 年解密后适用授权书。不保密d。(请在以上相应方框内打)作者签名：导师签名：弛扣、仂钐 日期：)卯年够月多日日期：叩年垆月，日nts哈尔滨理工大学T学硕上学位论文11选题背景及意义第1章绪论汽车是现代社会最重要的发明之一，它的诞生改变了这个世界。由于汽车工业具有很强的产业关联度，因而汽车工业的发展程度一度被视为一个国家经济发展水平高低的重要标志。汽车作为一种代步工具也逐渐进入一般家庭，随之带来的驾驶员非职业化、车流密集化等因素对汽车的安全性能提出了更高的要求。汽车本身又是一个复杂的系统，在使用过程中，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，汽车技术状况不断恶化，出现动力性、经济性下降，排放污染物增加，使用的可靠性降低，故障率上升等现象，严重时汽车不能正常运行【1l。因此，一方面要从技术上入手，努力研究开发高性能、低污染的汽车，这是汽车研究、生产部门孜孜以求的目标；另一方面要加强对在用汽车的定期检测，以便及时维修调整，使汽车处于良好的技术状况，这就是汽车检测技术要解决的问题。近些年发展起来的汽车检测技术，就是以研究汽车技术状况变化规律为基础，合理制定检测规范、检测参数和检测标准。充分利用现代化检测手段，在汽车不解体的条件下迅速准确地检测汽车各机构、系统、零部件的技术状况和使用性能，查找故障或隐患所在，采取相应的预防措施，确保车辆在良好的技术状况下运行。汽车底盘测功机就是常用的检测汽车性能的设备，其测控系统的好坏直接影响对汽车的检测结果，所以对汽车底盘测功机测控系统的研究就显得十分的必要。因此，重视对汽车的检测设备和测控系统的创新研究，提高检测精度、可靠性与公正性，降低系统的制造和使用成本，是国内汽车检测行业孜孜努力的方向【铂l。12汽车底盘测功机发展历史国内外的汽车底盘测功机的发展由机械式到电子式，结构由复杂到简单的过程。在80年代以前，汽车检测设备主要以机械结构为主，如机械式测滑实验台，测力弹簧结构的制动实验台等。汽车底盘测功机也主要以机械模拟为主，即采用飞轮模拟汽车行驶时的平移质量和旋转质量的惯量阻力，只能检测nts哈尔滨理T大学T学硕上学位论文汽车在低速行驶状态下的参数，且精度很低。进入80年代，随着汽车机电一体化的发展，汽车检测设备也进入了机电一体化设计阶段【41。在传统结构的汽车检测设备的基础上，尽量减少机械传动环节，并采用反应速度快的高精度传感器，电子计算机与机械装置相结和的方法来设计汽车检测设备，为检测高速行驶中的汽车的真实性能提供了可能性。此阶段的汽车底盘测功机主要采用机械一电模拟方式，用飞轮模拟汽车惯性阻力，用电负荷模拟汽车的另一部分行驶阻力，大大提高了检测的精度。当时，德、日、美三国的很多公司纷纷投入大量的人力、物力开发研制机械一电模拟的汽车底盘测功机，并取得了很大成果。随着研究的不断深入，人们发现采用飞轮组来模拟汽车的惯性阻力是有级模拟。对于测定稳定工况下的汽车性能而言，在转鼓实验台上只要装有作为负荷的测功机就可以，而且希望旋转部分的惯性矩尽量小，以减少惯性对测量装置的影响；对于测定非稳定工况的汽车性能而言，为了模拟汽车重量的影响，实验台旋转质量的动能应与行驶汽车的动能相等。因此，必须采用惯性可调的飞轮，传动比可以改变的增速器或通过电力驱动的调节来改变实验台旋转质量的动能，以适应重量不同的各种车型的需要。这将使试验台结构变得复杂且增加制造成本【51。因此人们开始研制通用的转鼓实验台，即电力汽车底盘测功机。它利用电磁力及发电机结构提供测功机所需要的负载。一般电力测功机至少有两种工况：一是拖动工况，在这种工况下，测功机的测功器作电动机运行，实现发动机起动、冷磨合、测定摩擦功率；二是消耗工况，在这种工况下，测功机的测功器作为发电机运行，以电阻作为负载，吸收转子轴的输入功率。在消耗工况下，通过改变磁通量和改变负载电阻均可改变回路中的电流，这些都将改变汽车发动机的负载(即输出功率和扭矩)。电力测功机这种实验台没有飞轮装置，汽车的惯性力的模拟也是通过电信号来调节，实现无级模拟。通过设计良好的汽车底盘测功机测控系统使其能自动调节，并具有满意的动静态品质嗡7l。13国内外汽车底盘测功机研究现状汽车底盘测功机被广泛应用于工业发达国家的汽车制造、检测和维修业当中。德国申克公司生产的汽车底盘测功机，它自己带有的一套控制模式能实现数字控制和模拟控制转速、滑行等功能，可逼真地再现实际工况。还有德国的nts哈尔滨理工人学工学硕士学位论文马哈公司、美国的野马公司、CLAYTON公司、法国的TELMA公司、西班牙的FRENELSA公司等生产的底盘测功机在其各自的国家均得到广泛应用，并出口到世界其他国家。国内引进的大多是日本模拟电子式底盘测功机。1981年，天津公共汽车公司三厂和交通部科学研究院参考引进日本弥荣的CDM310型底盘测功机，研制出汽车性能试验台。1991年，交通部公路研究所和成都汽车保修机械厂制成DCG10A汽车底盘测功机，结束了我国不能生产底盘测功机的历史。华中科技大学开发了一种基于PC486微机并结合模拟调节器的直流电力底盘测功机，这种三轴六轮驱动直流电力底盘测功机(每轴带有两个直径O8 m的转鼓)，可实现单轴、双轴或三轴驱动。基本上可对各种中小吨位的汽车进行道路模拟实验。控制方式灵活，既可由转鼓在某种恒定速度下反拖汽车行驶，实现传动系统摩擦损失的测量研究，又可以对汽车在不同速度情况下的道路阻力进行模拟，施加给电机而完成汽车动力性及经济性的研究。TL-DCG60型底盘测功机是武汉汽车工业大学、华南理工大学和广东省南海市闯拓高科技有限公司联合开发的产品。该底盘测功机的加速性能采用了电模拟方式，由测量系统对汽车加速过程中的车速、加速度实现实时检测，并由计算机依据行驶阻力的理论公式控制电涡流机，实时生成各种行驶阻力，实现模拟加载。西安交通大学的交流底盘测功机的控制系统由一台工控机和一台ROCKWELL公司的PLC来协调整个控制功能。PLC主要实现各种逻辑切换控制功能，工控机主要用作道路阻力设定器的功能，实时计算得到当前应该给定的阻力大小并送至变频器。两台变频器分别用于控制冷却风机和测功机。DPC1底盘测功机采用全数字四象限运行的直流调速电机在检测设备和工控机控制下，再现道路行驶阻力，模拟匀速、变速、爬坡各种状况的道路阻力和惯性力作用；采用机械惯量和电惯量模补偿相结合的方法，实现无级差地模拟受试车的惯性作用；采用配有能耗制动单元的变频控制器，控制风速达到风速跟踪的要求。浙江大学设计采用基于CAN总线的摩托车底盘测功机系统，同时在硬件的设计方面采用CAN总线作为硬件系统的数据采集、参数控制以及传输总线。单片机的程序主要用C语言进行编写，这样有利于程序的移植和修改，同时应用模块化编程，使得程序的可读性强，修改和维护方便。上位机与下位机的通讯采用CAN转USB的接口，从而达到传递速度快、实时性好、连接方便的目的。上位机的控制软件则采用Delphi进行编写。采用电涡流机在检测设备nts哈尔滨理工人学_T学硕上学位论文和单片机的控制下再现道路行驶阻力，模拟匀速、变速、爬坡各种状况的道路阻力和惯性力作用；采用机械惯量模拟受试车的惯性作用，采用变频器控制风速，达到风速跟踪的要求【ol。14本文的主要研究内容1阐述发展汽车底盘测功机对我国汽车工业发展的重要意义，并介绍汽车底盘测功机的发展历程和国内外的发展现状；2详细介绍汽车底盘测功机的结构与工作原理，通过分析汽车在道路上运行和在测功机上运行所受阻力，建立了底盘测功机电模拟的数学模型：3设计汽车底盘测功机测控系统的硬件电路，包括对不同单元的原理图及PCB板设计，并将各个单元连接成完整的系统等。给出了信号的采集与控制电路，详细介绍了转速、转矩信号采集及前端处理的电路，及对电涡流机的励磁电流控制电路的设计；4分别介绍系统软件的主流程图、各单元子流程图和几种常用试验功能的子流程图，软件设计采用模块化设计思想，增强了程序的灵活性和可移植性，方便了系统后期的功能性扩展；5为了提高系统得可靠性和稳定性，本系统设计软硬件抗干扰并用的方法，互相补充，得到较理想的效果。nts哈尔滨理工人学工学硕L学位论文第2章汽车底盘测功机的结构及其工作原理21底盘测功机的结构汽车底盘测功机，又称转鼓试验台，是检测汽车的使用性能和技术状况的重要设备，既可以用于汽车科学试验，也可以用于维修生产。汽车底盘测功机按照转鼓的数量可分为单转鼓试验台和双转鼓试验台阴。单转鼓试验台转鼓直径大，车轮在其上转动时接近于在平路上的滚动。因此，试验精度高，但是加大滚筒直径会受到制造成本、安装占地面积的限制。另外，车轮在单滚筒上安放定位要求严格，而滚筒中心在垂直平面内的对中又较困难，故使用不方便。因此，单滚筒底盘测功机一般用于科研单位、大专院校和汽车制造部门。双转鼓试验台转鼓(又称滚筒)直径一般较小，车轮在两个滚筒上转动就有别于在道路上的滚动，因此降低了试验精度，价格也低。双转鼓试验台，主要用于汽车维修企业。本文只阐述双滚筒的汽车底盘测功机，其机械部分结构如图21所示。21功率吸收装置，2主滚筒，3副滚筒，4举升装置，5飞轮，6电磁离合器，7电刷，8速度传感器，9齿轮箱，10联轴器，11冷却水进口，12测力杠杆，13压力传感器，14轴承座，15传动带轮，16框架图2-1汽车底盘测功机机械结构Fig2-1 Mechnical structure of automotive chassis dynamometernts哈尔滨理工人学工学硕f：学位论文211功率吸收装置汽车在底盘测功机上试验时，汽车的行驶阻力是靠加载装置来模拟的，使车辆受力情况如同在道路上行驶时一样，用它可以吸收并测量发动机经传动系统传至驱动车轮的功率。底盘测功机上应用的加载装置有以下几种：1)水力测功机。这种测功器用水产生制动力矩。水在测功机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。当水槽的高度一定时，制动力矩随转子转速的改变而改变。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)电涡流测功机。电涡流测功机，简称电涡流机是利用电涡流效应产生制动力矩来起制动作用。制动力矩的大小可以通过控制励磁电流来调节，很容易实现自动控制。它的功率范围和转速范围都比较广，转速可达1000-2500rmin甚至更高，功率可达5000 kW，而且还具备低速时其制动功率大等优点。双滚筒测功机加载装置普遍采用电涡流机。3)电力测功机。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【111。表2-1几种常见测功机性能对比Table 21 Property contrast of common dynamometer转动 倒拖 冷却名称 结构 精度 节能效果 价格惯性 驱动 方式水力测功机 简单 一般 不能 小 不能 风冷 低廉电涡流测功机 简单 较高 不能 小 不能 水风冷 低廉电力测功机 复杂 较高 电同馈节能好 人 可以 水冷 高表2-1从各个方面对几种常见的测功机进行了对比。经过综合对比可见，水力测功机的可控性比较差；电力测功机具备较高的综合性能，但是成本过高；电涡流机具有测量精度高、振动小、结构简单、易于调控和测量的转速范围和功率范围大等优点。因此本文采用电涡流机来实现汽车道路行驶阻力的模nts哈尔滨理工人学工学硕+I：学位论文拟。电涡流机工作时会产生大量的热，常用水或空气作为介质把热量导出。据此，电涡流机分成水冷式和风冷式两类。水冷式电涡流机与风冷式相比，散热性能好，能测试较大的持续功率，且运转噪声小，但制造成本较风冷式的高，风冷式电涡流机虽然精度较水冷式小一些，但其是靠做成风扇状的转子散热，不同另外加冷却的装置，所以占地少，价格便宜，因此大多数汽车底盘测功机多采用风冷式电涡流机作为负载。212滚筒滚筒装置是测功机的基本组成件，其结构和性能的好坏，将直接影响测功机的测试精度。滚筒一般都是钢制空心结构。滚筒直径、表面状况、两滚筒的中心轴距是影响测功机性能的主要结构参数。1)滚筒直径。滚筒直径决定了车轮与滚筒的接触状况，从而导致了应用场合的不同。其代表性种类如表22所示。表2-2底盘测功机滚筒直径规格Table 2-2 Roller diameter specification of classis dynamometer序 滚筒直径 滚筒周长 滚筒转速 滚筒 备注列 (mm) (mm) (mh) 构成1 185 5809 3485 双滚 适用速度表试验2 2197 6899 414 双滚 克莱顿底盘测功机用3 2652 8327 50 双滚 装配线试验、耐久试验等4 3537 1 1111 667 双滚 适用速度表试验、汽车修配用5 370 1 1624 697 双滚 汽车循环排气分析用6 5305 1 6666 100 单滚 汽车循环耐久试验用7 1 0616 3 3333 200 单滚 轿车分析用、一般研究用8 1 5915 5 000 300 单滚 英里时标准用(300转=l英里)9 3 000 9 420 5652 单滚 轮胎试脸用直径大时，滚筒曲率半径大，车轮在滚筒上运转接近在道路上行驶的状况，滑转率小，滚动阻力小，测试精度高；滚筒直径小时，由于接触比压大，滑转率大，滚动阻力大，在高速下会使传递功率损失720。同时，车轮在小直径滚筒上滚动时会增加轮胎的摩擦功，长时间的高速运转会使胎面温度升高到临界值，导致轮胎早期损坏。 滚筒表面状况。滚筒表面状况应该是越接近路面状况越好，但实际上很难做到与路面一致。滚筒按表面状况不同，可分为平滑的、滚花的、带平行沟槽的、带十字槽的、带截油槽的、带涂复层的、带加载块、带加载起和带固nts哈尔滨理工大学T学硕。f：学位论文定罩壳。其中：平滑表面是目前应用最多的一种形式，主要用于一般性能试验、排气分析试验、耐久性试验等；滚花表面曾风行一时，但由于使用过程中打滑率为非恒定值，且在耐久试验中，轮胎磨损严重，故最近用得不多；带平行沟槽的表面，除底盘制动测功机外虽也有使用的实例，但由于使用过程中打滑率有变化，甚至还不如平滑表面好，所以最近不大采用；带截油槽的表面也几乎不采用了；带涂复层的，是在平滑滚筒表面涂复上一层摩擦材料，以使摩摩系数增大，最适用于制动试验；后三种即带加载块、带加载突起及带固定罩壳式多应用于振动试验及噪声试验。3)滚筒轴中心距。底盘测功机滚筒轴距应保证汽车在试验时，车轮在滚筒上具有最佳安置角，而不会发生向前或向后越出滚筒的现象。滚筒轴距通常是根据所服务车型轮胎直径而定，是不可调的。当滚筒轴距一定时，若汽车车轮直径过大，安置角过小，试验时就很不安全，车轮直径过小，就无法使用了。因此，一定规格的底盘测功机只适于一定范围内的车型，当前尚无既适于重型车和中型车又适于轻型车的底盘测功机【121。213测量装置测量装置包括测力装置、测速装置和控制与指示装置【131。1)测力装置。测力装置有机械式、液压式和电测式之分，其主要原理都是：电涡流测功器的定子通过摆动轴承支撑在轴承架上，可摆动的定子外壳伸出一杠杆臂。测功器的转子与定子间因制动而引起的转矩，由摆动的定子经一定臂长的杠杆传给测力装置。目前应用较多的是电测式测力装置，通过测力传感器，将力变成电信号，经处理后送给指示装置显示出来。2)测速装置。测速装置是为了测量汽车功率、加速试验、等速试验、滑行试验和燃料经济性试验时，用以测量汽车底盘测功机滚筒的转速，变换后可得出相应的汽车行驶速度。测速装置有磁电式、光电式和测速发电机。多采用光电式脉冲传感器，其安装在副滚筒一端，随滚筒一起转动，能将滚筒的转动变为脉冲信号，其测量误差可小于O5。3)控制与指示装置。底盘测功机的控制与指示装置常常制成柜式一体结构。如果测力装置和测速装置均为电测式，指示装置可直接显示驱动车轮的输出功率；测力装置为机械式时，指示装置仅能显示驱动车轮的驱动力，驱动轮输出功率需根据所测出的驱动力和试验车速换算才能得到。nts哈尔滨理T大学工学硕上学位论文214电磁离合器和飞轮飞轮用于模拟汽车在道路上行驶时的动能，常采用电磁离合器以实现与滚筒的自由接合。飞轮机构通常具有一组多个飞轮，其飞轮机构的转动惯量及其在各个飞轮上的分配应与所测车型进行加速能力试验和滑行能力试验的要求相适应【141。本系统采用电模拟的方法来实现汽车在行驶时的惯性阻力，所以取消了电磁离合器和飞轮机构。21-5举升装置为了方便汽车进出底盘测功机，在主、副滚筒间设有举升装置。举升装置由举升器和举升托板组成。气动式举升器又有汽缸式和气囊式两种，气囊式已经开始推广应用，其特点是结构简单、制造方便和成本低廉。216其它装置1)冷风装置。冷风装置的第一个作用是加强发动机散热。实验中，汽车并未行驶，因而缺少迎面风，致使发动机冷却系统的散热能力不足。特别是发动机处于长时间的大负荷试验工况时，发动机极易过热，必须在汽车前方面对散热器设置移动式冷风机；第二个作用是降低汽车驱动轮轮胎的工作温度，延长轮胎的使用寿命。长时间试验，容易使轮胎工作温度过高，所以在驱动桥两侧面对驱动轮也设置了移动式冷风机【151。约束装置。在试验中，为防止汽车在底盘测功机上移动而发生危险，所以设置了该装置。单滚筒测功机，需在汽车前后设置能拉紧汽车的钢索并在汽车被测车轮之外的车轮前后加装三角木以保证驱动轮在滚筒上准确定位。双滚筒测功机一般在汽车从动轮前后加装三角木，利用底盘测功机上的固定装置固定主动轮，就可保证试验顺利进行，即钢索和三角木均为纵向约束装置，测功机上的固定装置为横向约束装置。22汽车底盘测功机的工作原理221底盘测功机的工作原理滚筒相当于连续移动的路面，被测汽车的车轮在其上滚动，加载装置是用nts哈尔滨理工人学工学硕士学位论文以模拟汽车在道路上行驶时所受到的各种阻力，飞轮组是以其转动惯量模拟汽车加速、滑行等各种阻力。试验时汽车驱动轮置于滚筒上，带动滚筒旋转，如图22所示，与滚筒串接的加载装置用定子对其转子施加制动作用，进行加载，定子则受到大小相等、方向相反的力矩作用，此反力矩使定子绕其轴摆动并经一定长度的杆臂传给测力传感器测量装置便将测定的力矩及车轮相应的转速换算为驱动轮的转矩或输出功率。图2-2汽车底盘测功机工作原理Fig2-2 Working principle of automotive chassis dynamometer222电涡流机的工作原理电涡流机主要由定子和转子两部分组成，转子与测功机主动滚筒相连，在磁场中转动。定子内部沿圆周布置有励磁线圈和涡流环，转子的外圆上加工有或镶有均匀分布的齿槽，齿顶与涡流环间留有一定的空气隙。试验时，汽车驱动轮置于滚筒装置上，驱动滚筒旋转并经滚筒带动电涡流机的转子旋转。当定子上的励磁线圈没有电流通过时，转子不受制动力矩作用；而励磁线圈通以电流时，所产生磁场的磁力线通过转子、空气隙、涡流环和定子构成闭合磁路。磁通的大小与励磁线圈的匝数以及所通过的电流大小有关。由于通过齿顶和凹槽的磁通量不同，因而当转子在滚筒带动下旋转时，通过涡流环任一点的磁通量呈周期性变化而产生了涡电流，涡电流产生的磁场与励磁磁场相互作用，产生了与转子旋转方向相反的转矩，该转矩是转子转速和磁场电流的函数。由于转子与滚筒相连，就等于给滚筒施加了一个阻力，从而对滚筒起到了加载作用。然而，作用力和反作用力是成对出现的。对转子施加制动力矩的同时，定子受到与制动力矩大小相等但方向相反的力矩的作用，力图使可绕主轴摆动的定子顺着转子旋转方向摆动。在测功器定子上安装有一定长度的测力杠杆，并nts哈尔滨理工大学T学硕上学位论文在其端部下方安装有压力传感器，压力传感器受压力作用而产生与此成正比的电信号。显然，该压力与杠杆长度(压力传感器至测功器主轴的距离)之积便是定子(或转子)所受力矩的数值。在滚筒稳定旋转时，该力矩与驱动轮对滚筒的驱动力矩相等。据此，可求出车轮作用在滚筒(其半径为已知常数)上的驱动力的大小。223汽车底盘测功机功率测量原理汽车底盘输出功率是指汽车驱动轮的输出功率，是表征汽车传动系统总体技术状况的诊断参数。传动系统的技术状况，关系到整车的行驶操纵稳定性和安全性，同时还影响发动机的动力传递和燃油的消耗。因此，汽车底盘输出功率的检测是汽车检测的重点内容之一。汽车发动机驱动车轮带动滚筒旋转，滚筒与电涡流机的转子相连。设被测汽车驱动轮的输出功率为Pckw，汽车传动系损耗功率为P，kw，轮胎打滑损耗功率为,j kw，底盘测功机机械摩擦损失功率为风kw，滚筒上消耗的功率为Pe kw，则汽车驱动轮的输出功率为Pc=P，+Pj+Ps+魄，汽车传动系损耗功率竹可利用传动系的传动效率来估算；轮胎打滑损耗功率乃通过滚筒转速估算，滚筒转速可通过速度传感器测出；由于滚筒与电涡流机同轴紧密相连，可近似无机械损耗，即Ps=D；故电涡流机吸收的功率与滚筒上消耗的功率尸E相等【161，所以只要测出电涡流机吸收的功率就可以测出被测汽车驱动轮的输出功率P0。功率和转速转矩的关系为P=Tn9549，单位为kw。所以只要测出转矩和转速就可以得到要求的功率大小。设电涡流机的输入转矩为，滚筒的输出转矩为死，则有：=：re。电涡流机的转矩平衡方程为：一L+J警(2-1)式中：死为电磁转矩，单位为Nm；尉Q肋为惯性转矩，单位为Nm。如果滚筒以恒定角速度转动，则尉Qdr=0，此时稳态运行时的转矩平衡方程式为：珩死。由此可以看出，如果能求出或测出死，则可测得滚筒的转矩。再由电涡流机的原理，我们可知电涡流机的转矩与通过励磁线圈的电流成正比【171，即=七厶。因此可以得出这样一个结论：想要很好的测控转矩，对励磁电流厶的测控是关键。nts哈尔滨理工人学工学硕十学位论文23汽车底盘测功机的模拟原理汽车在道路上运行过程中存在着行驶阻力，用底盘测功机测试汽车性能和检测汽车的技术状况，就必须能模拟汽车在道路上行驶时所受的各种阻力。汽车行驶时内部阻力是因汽车传动系的损失所引起，其值在道路上和测功机上是一样的。汽车在道路上行驶的外部阻力就不同于在测功机上运转时的阻力。在测功机上运转只有驱动轮转动，所引起的外部阻力较在道路上行驶时少，在测功机上不存在汽车在道路上行驶时所受的空气阻力、爬坡阻力，以及从动轮的轴承摩擦、空气摩擦和滚动阻力【181。要解决汽车整车行驶阻力的模拟问题，这样才能用汽车底盘测功机测试汽车运行状况的动态性能。为此，汽车在运行过程中所受的空气阻力，非驱动轮的滚动阻力等，均采用控制加载装置来模拟。路面模拟是通过滚筒来实现的，即以滚筒的表面取代路面，滚筒的表面相对于汽车作旋转运动。在系留装置及车偃等安全措施保障下，通过控制系统可对加载装置及惯性模拟系统进行自动控制，以实现对车辆的动力性检测【1引。231汽车道路行驶阻力分析汽车在水平道路上行驶时必须克服来自地面的滚动阻力、空气阻力、加速阻力。另外在坡道上行驶时还必须克服重力沿坡道的分力，即坡度阻力。汽车在水平道路上行驶时汽车所受的行驶阻力如图23所示。上述阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。坡度阻力和加速阻力仅在一定行驶条件下存在【删。1)滚动阻力。滚动阻力是当车轮在路面上滚动时，由于汽车的轮胎具有弹性，将会连续地发生弹塑性变形，这种变形使其材料内部发生摩擦产生一部分阻力；当汽车在柔性路面上行驶时，不仅轮胎产生变形，而且路面也会产生变形，其接触面之间摩擦产生一部分阻力。此外，当汽车在不平整的路面上行驶时，由于轮胎的振动和撞击，也会引起功率的消耗，即产生一部分滚动阻力。总的滚动阻力可用下式表示为：乃一G厂(N) (2-2)式中：G为汽车重力；f为滚动阻力系数。滚动阻力系数由试验确定，其数值与路面种类、行驶速度、轮胎结构、材料、气压等有关。其中行驶速度影响较大，高速时厂迅速上升。nts哈尔滨理工人学工学硕士学位论文V卜_一G F|图2-3水平道路汽车行驶阻力受力分析Fig2-3 Resistance analysis of auto driving Oil road2)空气阻力。汽车在空气介质中行驶，汽车与空气间形成相对运动，由于迎面风压力、车前后的空气压力差以及空气质点与车身表面的摩擦等阻碍汽车前进，称为空气阻力。空气阻力由两大部分组成：一是作用在汽车外表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力，称为压力阻力；二是具有黏度的空气对汽车表面的摩擦作用产生的阻力，称为摩擦阻力。在汽车行驶速度范围内，根据空气动力学原理，空气阻力的数值由式(23)确定：Fw-等(2-3)式中：cD为空气阻力系数；么为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积；，为汽车与空气的相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度。由上式可知，空气阻力与空气阻力系数Co和迎风面积彳的乘积成正比，降低Q4值，特别是降低cD值，是降低空气阻力的主要手段。3)坡度阻力。汽车在纵坡度倾角为a的公路上行驶时，汽车重力G在平行于路面方向产生分力。当汽车上坡时，此分力与汽车前进方向相反而阻碍汽车行驶；下坡时，其分力与汽车前进方向相同而形成坡度阻力。其计算公式为：EGsin口一Gi(N) (24)式中：a为道路坡度角；f为坡度。由于我国交通部标准规定，级公路的坡度f=9，所以取代sina的误差不超过05。钔加速阻力。汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，nts哈尔滨理下大学T学硕f：学位论文称为加速阻力。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅要克服平移质量产生的惯性力，同时还要克服旋转质量产生的惯性力矩。为便于计算，一般将加速时旋转质量的惯性力矩转化为平移质量的惯性力矩，并以系数d作为计入旋转质量惯性力矩后的汽车质量换算系数，d主要与汽车飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。其值可通过式(25)进行计算， 6；1+与三单-2-2(25)，行r。，行 厂。式中：L为汽车车轮的转动惯量(为驱动轮转动惯量LJ和非驱动轮转动惯量如之和)；母为发动机飞轮的转动惯量；单位为kgm2；瑶为变速器速比；io为主减速器速比；彻为汽车传动系的机械效率；，为汽车车轮的滚动半径，单位为mo因而汽车加速时的阻力可写为：E。6一G_dv() (26)g aT式中：d为汽车旋转质量换算系数；g为重力加速度；dvdt为汽车行驶加速度。综上可得汽车在道路上行驶时所受到的综合行驶阻力为：F一毋+R+E+巧 (27)232汽车在底盘测功机上阻力分析汽车在底盘测功机上运行时，前轮被夹紧固定，仅驱动轮和滚筒做相对旋转运动，此时车辆相对滚筒是静止的，车速为零，而滚筒表面则取代了路面。因此，其所受阻力与在道路上运行时存在很大的区别。对于本文而言，当电涡流机不工作时，汽车在底盘测功机上运行时仅仅需要克服驱动轮与滚筒之间的滚动阻力、台架系统的机械摩擦阻力、滚筒等旋转部件产生的惯性力矩【21，趁1。当汽车在底盘测功机上运行时，假设满足非滑动条件，对驱动轮在滚筒上的情况进行受力分析，如图24所示。水平及垂直方向受力平衡方程为：f(互+E)cos口o+(乞一1)sinaoH=0 ，。、l(EE)sin+(2+N1)cosaoG=0 、 7式中：局、F2为前、后滚筒对车轮的切向反作用力；M、N2为前、后滚筒对车nts哈尔滨理T大学T学硕士学位论文轮的支承力；伉为被测汽车驱动轴落在滚筒上的载荷；日为车桥对车轮的作用力231。主滚(前滚 X?f厂v - I1I 夕 太N：厂磊髹心cj I! kz 滚筒滚筒)图驰车轮在滚筒上的受力分析Fig2-4 Resistance analysis of wheels on drums驱动轮在滚筒上受到的滚动阻力为：，一厂。(2+1)一厂。qcosao (29)式中：厂为车轮与滚筒间的滚动阻力系数；a口为车轮在滚筒式台架上的安置角。在测功器工作加载时，汽车在底盘测功机上运行时所需克服总的阻力为：f一B+q。+E+乞t (210)式中：R为底盘测功机模拟加载的力；R为底盘测功机内部总的机械阻力；助为汽车驱动轮与滚筒间的滚动阻力；E为底盘测功机滚筒及轴系旋转部件产生的惯性力，且E一惫尝，其中厶为测功机滚筒等旋转部件的转动惯量；尺为滚轮半径；毋为驱动轮、发动机飞轮旋转部件转动惯量折算到车轮的惯性力，且一f等乎隆233底盘测功机电模拟模型要在底盘测功机上模拟汽车道路行驶状况，首先，底盘测功机必须产生相当于车辆在道路上行驶时所呈现的、与车速成函数关系的行驶阻力，即模拟的nts哈尔滨理T大学T学硕I：学位论文行驶阻力与道路行驶阻力相等。此外，还希望能模拟汽车加速行驶时的惯性力。目前国内在用汽车动力性、经济性检测用底盘测功机，汽车惯量大多用飞轮组来模拟，存在结构复杂，体积庞大，特别是不能实现无级调整，模拟精度差等不足【2秘l。鉴于此，本文采用电模拟加载装置，不仅具有较高的测试精度，还大大降低了设备投资和使用成本。比较汽车在道路上和在底盘测功机上的行驶阻力分析式(27)与(210)，要想很好模拟汽车的行驶阻力，则将两式右边相等，如式(211)， 罗F一罗(2-11)即 ，+互+一最+匕+Bl+E+ (212)整理得：最一触+警+mgsin口+(肌+等毒)警一q协(213)式(213)为底盘测功机动力学基本模型方程。由上式可见，当汽车选定后，设风速与车速相等，E即为关于速度和加速度的方程。模型可简化为：乓一A+Bv+Cv2+伽一M。lMR)等+mg sina一 (2-14)式中：FR为电涡流机的驱动力，也即加载到汽车的模拟阻力；，为转鼓表面速度；么为恒定阻力系数(摩擦力)；曰为依赖于速度的阻力系数；C为依赖于速度平方的阻力系数(风阻)；m为整车基准质量；Mw2为汽车非驱动轮折算得到的旋转产生的等效平动质量；MR为滚筒旋转时折算得到的等效平动质量；口为坡度角；厶为测功机机械总摩擦阻力。由上式可知：对于一辆在汽车底盘测功机上作检测的汽车来说，测功机的电模拟加载力与汽车的速度和汽车的加速度有关，通过测得汽车的速度和加速度，根据要求设置需要的坡度角，然后由计算机进行电模拟力求和运算。按计算的加载阻力对电涡流机进行实时模拟加载控制，便可模拟道路上的滑行阻力的变化过程。由于同时模拟了惯性质量及行驶阻力，故从原理上能得到与路面上相同的测试结果。24本章小结本章首先给出了底盘测功机的结构及其工作原理。介绍了目前普遍使用的典型的汽车底盘测功机结构，并详细对比了几种常用的测功器。通过分析汽车nts一 。丝堡丝兰些型兰些兰一在汽车底盘测功机上运行时的功率消耗情况，为进一步设计控制电路提供理论依据。最后详细分析了汽车在道路上和在汽车底盘测功机上的受力情况，通过比较得出了底盘测功机电模拟的计算公式。nts哈尔滨理工人学T学硕十学位论文第3章底盘测功机测控系统的硬件设计31系统硬件整体设计系统的硬件电路对整个汽车底盘测功机测控系统来说是至关重要的。硬件电路的好坏直接影响到这个系统运行的稳定性，数据采集的精确性。硬件系统主要包括电源电路单元，数据采集单元、驱动控制单元与通讯单元。电源电路单位为整个系统提供电源，数据采集单元主要负责底盘测功机整个系统的数据采集和处理；驱动控制单元则是根据数据采集单元得到的数据以及上位机的控制要求进行判定和运算，然后控制电涡流机的励磁电流大小，最终实现对测功机的精确控制；通讯节点主要负责将上位机和下位机之间的数据进行转换和传输。整个系统分工明确，移植性和可扩展好，为后期的维护和保养提供了方便。系统的原理框图如图3-1所示。 到黼黟数据采集 卜单元 叫 副黼bn-_八 驱动控制塞V 单元ol上位机通讯单元-L图3-1控制系统原理框图Fig31 Principle diagram of control system32电源电路设计电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一，因为，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，因此，要使系统稳定而又可靠的运行，对电源电路的要求非常高。nts哈尔滨理T大学T学硕1：学位论文汽车底盘测功机要求在不同的地点使用，所以最好就是可以直接接入电网，在系统工作的各个阶段中，电网电压有波动，这就要求电源处理电路能可靠地克服电压波动带来的各种不利影响，提供稳定的电压。本文设计的电源电路如图32所示，为系统和传感器提供5 V、+12 V、12 V、+25 V的逻辑电压。l 独芦蝤 半7 ，。甲 千千bP宁手*l Gf芹。u一一一 1鼍一I3一 ：_+12v 一 a 叫U 一 一 =L1 nP u 一 一 一 =皿 订 3 一一 I 12V图 电源电路单元-供电系统的稳定性是关系到测控系统正常可靠工作的重要因素之一，本系统采用的电网噪声滤波电路如图33所示。交流电网噪声幅度大、随机性强、频率范围宽，特别是尖峰脉冲，它具有很陡的前沿，包含很高频率成分的噪声。电网噪声通过电源电路产生干扰使电子设备正常工作受到影响 。电网噪声滤波电路能有效地抑制电网噪声，增加电子设备的抗干扰性和可靠性。Llr r -一卜爿卜=C2IlIIIl-I_一 =C3图 交流电网滤波器图33所示是一对差模干扰和共模干扰均有抑制作用的交流电网滤波电路，其中L1、k、Cl为去除差模干扰回路，L8、C2、C3构成去除共模干扰回路，L1、k的铁芯应选择不易磁饱和的材料及特性优良的铁芯材料，电感一般取几几十 依据电流的不同)，c1使用陶瓷电容或聚脂薄膜电容，有足够的耐压值，容量一般取O。 ，耐压
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