汽车底盘测功机与第五轮仪.docx

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汽车底盘测功机与第五轮仪

汽车底盘测功机和第五轮仪

2.2.2汽车底盘测功机的构造

2.2.2.1道路模拟系统

（一）滚筒

（1）滚筒直径：

汽车底盘测功机所采用的路面模拟系统的滚筒一般是直径为φ180～400mm的钢滚筒，按其结构性是可分为两滚筒和四滚筒。

所谓两滚筒路面模拟系统由两根长滚筒组成，其特点是支承轴承，台架的机械损失少；所谓四滚筒路面模拟系统由四根短滚筒组成，它较两滚筒多了四个支承轴承和一个联轴器，在检测过程中，其损失较大。

（2）滚筒的表面状况：

滚筒的表面状况是指滚筒表面的加工方法和清洁程度（水、油和橡胶粉末的污染等）。

汽车在干燥滚筒上的驱动过程是一个摩擦过程，总摩擦力有若干分力组成，如：

F总＝F附着+F阻滞

式中：

F附着—接触面间的附着力；

F阻滞—轮胎在滚筒上滚动变形时，由于伸张作用能量的差别而消耗的能量，进而转化为阻止车轮滚动的作用力；

该两项分力取决于轮胎材料、结构和温度。

附着系数随速度增加而下降的原因较为复杂，一方面时由于滚筒圆周速度提高，橡胶块和滚筒之间的嵌合程度越来越差，在未达到平衡状态之前便产生了华东和振动；另一方面随着速度的提高，接触面的温度上升加快，很快在滚筒表面形成了一层橡胶膜，降低了附着系数。

（3）安置角：

所谓汽车车轮在滚筒上的安置角是指车轮和滚筒接触点的切线方向和水平方向的夹角，如图2-2车轮在滚筒上的受力分析。

图2-2制动台车轮受力示意图

安置角对滚动阻力的影响，根据图车轮在滚筒上匀速旋转时的受力分析，由力偶平衡定理：

其中滚动阻力矩：

所以车轮的滚动阻力为：

式中：

—车轮的滚动阻力；

f—滚动阻力系数；

故:

由上式可见，台架的滚动阻力系数随着安置角增大而增大。

试验过程对安置角的要求如下：

a.车轮带动装有惯性飞轮的滚筒以最大加速度加速时，不得驶出滚筒，以确定最小安置角；

b.当台架滚筒制动后，保证车辆仍可驶出滚筒，以确定最大安置角。

在装有惯性飞轮及吸收装置加载的条件下，汽车以最大加速度加速时，确保车轮不驶出滚筒，以确定其最小安置角。

最大驱动力

所满足的条件为：

由于安置角和滚筒直径、中心距以及轮胎尺寸有关，所以不同吨位级的汽车底盘测功机适应不同范围的轮胎尺寸。

（二）功率吸收装置（加载装置）

（1）底盘测功机功率吸收装置类型在汽车检测线所用的底盘测功机功率吸收装置的类型有：

电涡流式、水力式和电力式。

水力式功率吸收装置的可控性较电涡流式差，电力测功机的成本比较高，故一般采用电涡流式功率吸收装置。

（2）电涡流式功率吸收装置的基本结构分为水冷式和风冷式两种。

①水冷式电涡流功率吸收装置的基本结构如图2-3：

1-    励磁体2-涡流环3-端盖4-轴承5-测速传感器6-联轴器7-主轴8-滚动轴承9-进水软管10-进水口11-排水口12-线圈13-轴承架14-油面指示器15-油杯16-出水管17-感应子18-励磁绕组

图2-3水冷式电涡流功率吸收装置

其主要由转子（包括带齿状凹凸的感应子17、轴7）和定子（包括作为磁轭的铁芯1、涡流环2、励磁绕组18、端盖3）组成。

其特点是：

a.结构复杂、安装不便；

b.较风冷式测量精度高；

c.冷却效率高，适合持续运行工况使用；

d.冷却水温度一般不超过60℃，以防结垢、冷却水PH值按说明书规定执行。

风冷式电涡流功率吸收装置的基本结构如2-4图：

图2-4风冷式电涡流功率吸收装置

其主要由转子、定子、励磁线圈、支承轴承、冷却风扇叶片、力传感器等组成，其特点是：

a.结构简单，安装方便；

b.冷却效率低，不宜长时间运行，一般在高转速、大负荷下工作时间不宜超过x分钟；

c.冷却风扇在工作时消耗一定的功率，故应将此消耗的功率计入汽车底盘输出功率。

电涡流式功率吸收装置的工作原理如2-5图：

图2-5电涡流式功率吸收装置

当励磁线圈通以直流电时，在转子和铁芯间隙就有磁力线通过，此间隙的磁通分布在转子齿顶处的磁通密度最大，而通过齿槽处的磁通密度最小。

当转子以转速n旋转时，则在A处的磁通就减少。

由磁感应定理可知，此时在定子的涡流环内产生感生电动势，试图阻止磁通的减小，于是就有电涡流产生，电涡流方向用右手定则判断，如图⊗⊙所示。

同理，B处产生的电涡流如图中所示。

由图可见在齿顶处的电涡流方向为☞，因此用右手定则判定，此时定子受力，其方向如图所示。

而在齿槽处由于磁通很小，所以受力也很小。

因此总的受力F之方向如图所示，此力便和定子处外壳相连接的力臂引入称量机构便可进行力矩测量。

当测功机转子以转速n（r/min）转动，且给励磁线圈加一定的电流时，可摆动的定子外壳就产生一定的阻力矩T（NM），便得到吸收功率阻力矩P，

（三）惯性模拟装置

汽车在道路上行驶时汽车本身具有一定的惯性能，即汽车的动能；而汽车在底盘测功机上运行时车身静止不动，是车轮带动滚筒旋转，在汽车减速工况时，由于系统的惯量比较小，汽车很快停止运行，所以检测汽车的减速工况和加速工况时，汽车底盘测功机必须配备惯性模拟系统如图2-6所示。

图2-6惯性模拟系统

汽车在道路上平移动能：

底盘测功机运行时旋转元件具有动能：

式中：

m—汽车的质量；

v—汽车在道路上行驶的车速；

J—汽车底盘测功机台架旋转元件的转动惯量；

—汽车底盘测功机台架旋转元件的角速度。

在忽略汽车非驱动轮的旋转惯量的前提下，汽车底盘测功机台架为了模拟道路满足的条件为：

又因：

式中R—滚筒半径

可得：

汽车底盘测功机台架转动惯量是通过飞轮来实现的，目前由于对汽车台架的惯量没有制定相应的标准，因而国产底盘测功机所装配的惯性飞轮的个数不同，且飞轮惯量的大小也不同，飞轮的个数越多，则检测精度愈高。

下面简单介绍一种带有反拖装置的底盘测功机。

所谓反拖系统是采用反拖电机带动功率吸收装置、滚筒及车轮以及汽车传动系的一种装置，如图2-7所示，其基本结构由反拖电机、滚筒、车轮、扭矩仪（或电机悬浮测力装置）等组成。

1-变频电机2-扭矩议3-滚筒4-轮胎

图2-7带有反拖装置的底盘测功机

其特点是：

（1）可以方便检测汽车底盘测功机台架的机械损失；

（2）可以检测汽车传动系、主减速器、车轮和滚筒以及台架机械系统的阻力损失，但值得注意的是在检测过程中，主减速器、车轮和滚筒的正向拖动和反向拖动阻力和差异，目前尚未得到广泛使用。

2.2.2.2底盘测功机采集和控制系统

（一）车速信号采集

目前国内检测线用的汽车底盘测功机所采用的车速信号传感器可以分为以下几个类型。

（1）光电式车速信号传感器：

图2-8为直射式光电车速传感器的工作示意图，它由光源、带孔圆盘（光栅）和光敏管组成。

汽车车轮在光滚筒上滚动时，带动光栅以一定的转速旋转，光源连续发光，当光束通过光栅上的小孔时，光束照到光敏管上，使它产生相应的电脉冲信号。

此信号送入计数器即可得到被测轴的转速。

车速信号有两种，其一是单位时间计数（频率），其二是测脉宽（周期），两者菌可得到滚筒的转速信号，根据滚筒的半径及光栅盘上小孔的个数可得到车速信号。

（2）磁电式车速传感器：

图2-9为磁电式传感器工作示意图。

它由旋转齿轮和永久磁铁及感应线圈等组成。

汽车车轮在光滚筒上滚动时，带动齿轮以一定速度旋转，当磁电传感器对准齿顶时，磁电传感器感生电动势增强，同理，当磁电传感器对准齿槽时，磁电传感器感生电动势减弱，由于磁阻的变化，磁电传感器输出的电压信号为交变信号。

因信号较弱（一般在3mV左右），所以必须经过信号放大整形电路，将交变信号变为脉冲信号，送入CPU高速输入口（HSI），以获取车速信号。

1- 光仪2-圆盘3-光敏管

图2-8直射式光电车速传感器工作示意图

1- 销子2-绕组3-永久磁铁4-脉冲电压变换器

图2-9磁电式车速传感器工作示意图

（3）霍尔传感器：

图2-10为霍尔车速传感器工作示意图。

汽车在滚筒上滚动时，带动转盘旋转，当霍尔传感器（霍尔元件）对准永久磁铁时，磁场强度增强，产生霍尔效应，输出电压可达10mV，当霍尔传感器远离磁场时，输出电压降至0V，这样可得到脉冲信号，送入CPU高速输入口（HSI），通过检测脉冲频率或周期，变可得到车速信号。

1-充电齿轮2-霍尔传感器3-滚筒4-功率吸收装置

图2-10霍尔车速传感器工作示意图

 （4）测速电机：

图2-11为测速电机工作示意图，汽车车轮在滚筒上滚动时，带动测速电机旋转，测速电机产生的电压正比于滚筒转速，通过A/D采集可得到车速信号。

1-滚筒2-测速电机图

2-11车速电机工作示意图

（二）驱动力信号

汽车底盘测功机驱动力传感器可分为两种，其一是拉压传感器，安装入如图2-12a所示；其二是位移传感器，其安装图如图2-12b所示；它们一边连接功率吸收装置的外壳，另一边连接机体。

（a）拉压传感器安装图

（b）位移传感器安装图

图2-12驱动力传感器安装示意图

功率吸收装置在工作过程中，无论是水力式、电涡流式，还是电力式功率吸收装置，其外壳都是浮动的。

以电涡流式为例，当线圈通过一定的电流时，就产生一定的涡流强度。

对转子来说，电磁感应产生的力偶的作用方向和其转动的方向相反。

当传动器固定后，外壳上的力臂对传感器就有一定的拉力或压力（和安装的位置有关），拉压传感器在工作时，传感器受力产生应变，通过应变放大器可得到一定的输出电压，这样将力信号转变成电信号来处理，通过标定，可以得到传感器的受力数值。

（三）汽车底盘测功机控制系统

（1）点涡流式加载装置可控性好、结构简单、质量轻、便于安装，在底盘测功机中得到广泛的使用。

众所周知，汽车在行驶过程中存在滚动阻力、加速阻力和坡道阻力，其中加速阻力是通过惯性飞轮来模拟；通过台架模拟道路必须选用加载装置，要想控制它，就必须知道控制电压及电流。

电涡流式加载装置控制系统的框图如图2-13所示。

图2-13电涡流式加载装置控制系统框图

（2）汽车底盘测功机常见的位控信号有举升机升降控制或滚筒锁定控制、电磁阀控制、飞轮控制、车辆检测灯控制、手动或自动控制等信号，它们常常通过计算机或单片机I/O输出板（8155或8255等），再经过信号放大、驱动来实现。

2.2.2.3安全保障系统

安全保障系统包括左右档轮、系留装置、车偃、发动机和车轮冷风机，其作用如下：

（1）左右档轮的目的是防止汽车车轮在旋转过程中，在侧向风的作用力的作用下驶出滚筒，对前驱动车辆更应注意；

（2）系留装置是指地面上的固定盘和车辆相连，以防车辆高速行驶时，由于滚筒的卡死飞出滚筒；

（3）车偃的作用之一是防止车辆在运行过程中，车体前后移动，同时也达到和系留作用相同的功能；

（4）发动机和车轮冷却风机是防止车辆在运行过程中发动机和车轮过热。

2.2.2.4引导和举升及滚筒锁定系统

（一）引导系统

引导系统也称司机助手，其作用是引导驾驶员按提示进行操作。

提示的方法有两种，一种是显示牌，另一种是大屏幕显示装置。

（1）显示牌一般是和计算机的串行通讯口相连，当计算机对显示牌初始化后，便可对显示牌发送ASCII码和汉字，以提示驾驶员如何操作车辆及显示检测结果。

（2）大屏幕显示器通过AV转换盒和计算机相连，AV转换盒的目的是将计算机的数字信号转换成视频信号供电视机用，如图2-14所示。

1- 转轴2-开口销3-支架4-悬臂5-小转轴6-电视机吊架7-电视机座

图2-14大屏幕显示装置

（二）举升装置

升降系统的类型较多，底盘测功机常用类型有：

（1）气压式升降机如图2-15所示，它是由电磁阀、气动控制阀及双向气缸或橡胶气囊组成，在气压力的作用下，气缸中的活塞便可上下运动以实现升降目的。

1-车轮2-滚筒转速传感器3-举升器4-滚筒制动装置

图2-15气压式升降机

（2）液压式举升装置通常由磁阀、分配阀、液压举升缸等组成。

在液压作用下，举升缸活塞向上移动，实现举升目的。

（三）滚筒锁止系统

棘轮棘爪式锁止系统装置如图2-16所示，它由双向气缸、棘轮、棘爪、回位弹簧、杠杆及控制器组成，通过控制器控制压缩空气的通断，当某一方向通气后，空气推动气缸活塞运动控制棘爪和棘轮离合以达到锁止或放松的目的。

1-双向气缸2-拉杆3-链接销4-棘爪5-固定销6-回位弹簧7-滚筒8-棘轮

图2-16滚筒锁止系统示意图

2.2.3影响底盘测功机测试精度的因素

为了确定底盘测功机的试验精度，必须分析在汽车检测过程中影响汽车底盘输出功率测定值的因素。

2.2.3.1机械阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响

汽车底盘测功机的台架机械损失主要包括支承轴承、连轴器、升速器等，在车轮带动滚筒旋转过程中，由于摩擦力的存在竟消耗一定的功率，用倒拖方法可以测出不同车速下底盘测功机台架的机械阻力所消耗的功率（不含升速器的机械损耗），如图2-17所示。

图2-17底盘测功机台架机械阻力所消耗的功率和车速的关系

由于台架阻力消耗了汽车部分驱动力功率，在检测汽车底盘输出功率时，必须计入机械阻力所消耗的功率。

另外，有些底盘测功机在滚筒和功率吸收装置间安装有升速器，要求升速器外壳必须是浮动的，并安装拉压传感器以检测传动扭矩。

由于升速器的搅油损失和机械损失不仅和加注润滑油量的多少有关，而且还随温度的变化而变化，使台架机械损失难以测得，增大了检测误差。

2.2.3.2风冷式电涡流功率吸收装置的冷却风扇对汽车底盘输出功率测定值的影响

风冷式电涡流功率吸收装置采用冷却风扇励磁线圈进行散热，由于冷却风扇和转子为一体，当转子转动时，冷却风扇自身将消耗一定的驱动功率，且和转子速度的三次方成正比，因此，当底盘测功机安装有风冷式电涡流功率吸收装置时，必须给出风扇消耗功率和转子转速（或车速）的数学模型，以便计入底盘输出功率中。

2.2.3.3滚动阻力对汽车底盘输出功率测定值的影响分析

车轮滚动时，轮胎和路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支承路面的相对刚度确定了变形的特点。

当弹性轮胎在硬质的钢制光滚筒上滚动时，轮胎的变形是主要的，此时由于轮胎内部摩擦产生弹性迟滞损失，是轮胎变形时对它做的功不能全部收回，此能量消耗在轮胎各组成部分间摩擦及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最后转化成热能而消失在大气中。

这种损失即为弹性物质的迟滞损失。

因为滚动阻力系数和模拟道路面的滚筒种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，所以，对其影响因素分析是必要的，具体分析如下：

（一）刚制光滚筒对滚动阻力系数的影响

（1）若滚筒的半径r越大，在车轮滚动时轮胎的变形量就越小，也就是说弹性迟滞损失就小。

（2）在加工过程中滚筒的椭圆度、同轴度越小，轮胎在滚筒上的运转就越平稳，当车速一定时滚动阻力系数的波动范围就越小，故滚动阻力系数随滚筒加工精度的提高而减小。

（3）国内在用的底盘测功机滚筒表面有两种，一种是常见的光滚筒即表面为经处理的滚筒；另一种是滚筒表面喷涂有耐磨硬质合金。

前者由于滚筒表面较光滑，起附着系数约为0.5，汽车车轮在行走时，除滚动阻力外还有滑拖现象。

后者采用表面喷涂技术，将滚筒表面的附着系数提高到0.8左右，接近于一般路面的附着系数，则可避免滑拖现象。

（4）滚筒中心距L是指底盘测功机前后两排滚筒支承轴线之间的距离，随着滚筒中心矩的增加，汽车车轮的安置角随之增大，前后滚筒对车轮支承力也随之增大，这样将导致车辆在测功机台架上运行滚动阻力增大。

（二）轮胎气压对滚动阻力系数的影响

轮胎气压对滚动阻力系数影响很大，气压低时在硬质路面上轮胎变形大，滚动时迟滞损失增加，为了减少该项所引起的检测误差，要求早动力性检测前必须将轮胎气压充至标准气压。

2.2.5第五轮仪构造

在车辆道路试验时，为了测量车辆的行程速度，虽然可以利用车辆里程表和速度表，但这种方法不准确。

因为车辆驱动轮的滚动半径直接受着驱动力矩、地面对轮胎的切向反作用力、车轴载荷、轮胎气压及磨损程度等因素的影响。

此外，车用里程表和速度表本身精度也较低。

为了消除这些因素对测量精度的影响，故采用第五轮仪。

第五轮仪分接触式和非接触式两种，接触式第五轮仪，应较多的是单片机采控的五轮仪，如图2-18所示。

由第五轮仪、传感器、二次仪表（信号处理、记录、显示等）及安装机架等部分组成。

非接触式第五轮仪以计算机为核心部件，配以相应的I/O接口及外设，不需要路面接触或设置任何测量标志，采用光电相关滤波技术，安装在车上的光电路面探测器（简称光电头）照射路面，把路面图像变换为频率信号，用于汽车动力性、制动性和燃油经济性能的测试。

它主要由光电头、二次仪表（微处理器、键盘、LED显示器、微型打印机及接口等）及安装机架等组成，如图2-19所示。

图2-18接触第五轮仪

图2-19非接触式第五轮仪

（一）传感器部分

接触式第五轮仪传感器部分主要包括第五轮和安装在轮架上的磁电传感器和齿轮盘，如图2-20所示。

当第五轮转动时，由于磁电传感器磁场强度发生变化，致使传感器内线圈产生交变信号，通过整形电路，将连续的脉冲信号送入二次仪表，通过计数器，便可知行驶距离。

在测试过程中，通过检测脉冲周期，便可得出瞬时车速。

非接触式第五轮仪传感器主要由一个系统和电池组成，如图2-21所示。

光电探测器是由于路面图象的移动是光电池输入宽带随机信号，其主频和车速成正比关系，通过空间滤波器将和车速成正比的主频检出，送入二次仪表进行速度运算和距离计数。

图2-20接触式第五轮仪传感器

图2-21非接触式第五轮仪传感器

（二）记录部分

如图2-22所示，接触式第五轮仪由电感式行程传感器1发出汽车行程的信号，一般一个信号等于汽车行驶1cm行程。

石英晶体震荡器2发出时间信号，作为采样时标准控制门控3，由计数译码器计数，用数码管5显示一定时间间隔内汽车的行程，既该段时间中的平均速度。

时间间隔一般为36ms。

除可用数码管显示车速外，也能经过数模转换6，将数字变量的模拟量（电压）输至磁带记录仪，在加速性能试验中，即可由数字显示读得加速时间的数值，也能用磁带记录仪记录整个加速过程，试验完毕后，X-Y记录仪可直接得到加速行程曲线（如图2-23所示）。

图2-22第五轮仪的数字电子装置框图

图2-23加速行程曲线

二次仪表以计算机为核心，第五轮仪的记录通过仪表中的单片机来实现。

当选择完相应的功能键，并检查、设置传感器系数后按下开始键，在试验过程中即可打印试验过程，也可打印试验曲线。

        使用方法可见使用说明书。