中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.43 No.5May袁2017第 43 卷第 5 期2017 年 5 月

底盘测功机运转中内生摩擦阻力的补偿数模研究

欧阳爱国袁 卢晋夫袁 刘燕德袁 王均刚袁 毕鹏飞渊华东交通大学机电与车辆工程学院袁江西 南昌 330013冤

摘 要院为解决滚筒底盘测功机运转过程中因内生摩擦阻力损耗而使测功装置显示数值偏小的问题袁给其数值补偿

提供理论依据遥根据能量守恒原理袁通过二次加载滑行和无加载滑行等实验得到相关测试数据袁建立单滚筒底盘测功

机无车辆运转中内生摩擦阻力的数学模型袁 以 AVL Roadsim 48义单滚筒底盘测功机为试验机袁 实验测得其在速度

20袁40袁60袁80袁100km/h 下的内生摩擦阻力值与数学模型计算值的误差臆10.47%遥 研究表明院滚筒底盘测功机的内生

摩擦阻力可通过二次加载力值及二次加载和空载下的滑行距离获得袁 其内生摩擦阻力大小随速度的增大而增大袁常规速度下空气产生的摩擦阻力远小于其机械阻力遥关键词院底盘测功机曰内生摩擦阻力曰数学模型曰滑行测试

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2017冤05-0124-03

Research on mathematical model of compensation for internal frictionresistance of chassis dynamometer in operation

OUYANG Aiguo袁 LU Jinfu袁 LIU Yande袁 WANG Jungang袁 BI Pengfei渊School of Mechatronics and Vehicle Engineering袁East China Jiaotong University袁Nanchang 330013袁China冤

Abstract: In order to solve the problem that the display value on power testing device was smallbecause of the internal frictional resistance loss in the process of operation of a drum chassisdynamometer and provide theoretical basis for its value compensation. The mathematical model ofthe internal frictional resistance of a single -drum chassis dynamometer in the operation wasestablished through the test data obtained in the experiment method of the secondary load slidingand the no-load sliding and other related method according to the principle of conservation ofenergy. The experimental value of internal frictional resistance of a single -drum chassisdynamometer AVL Roadsim 48义 (test device) was obtained at the speed of 20袁 40袁 60袁 80袁100km∕h and the error between it and the calculating value of mathematical model was less thanor equal to 10.47% . The results show that the internal frictional resistance of a drum chassisdynamometer can be obtained by the secondary load value and the sliding distance undersecondary load and no -load袁 and the value of the internal frictional resistance increases withspeed袁 and the friction resistance produced by the air under conventional speed is far less thanits mechanical resistance.Keywords: chassis dynamometer曰 internal frictional resistance曰 mathematical model曰 slide test

收稿日期院2016-10-15曰收到修改稿日期院2016-12-08基金项目院国家自然科学基金项目渊51265015冤曰江西省自然科学基金项目渊20161BAB206153冤曰江西省研究生创新专项资金项目

渊YC2016原S255冤曰华东交通大学科研启动基金资助项目渊26441039冤作者简介院欧阳爱国渊1968-冤袁男袁江西南昌市人袁教授袁硕士生导师袁主要从事车辆性能检测和现代传感器测试技术遥

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.026

第 43 卷第 5 期

0 引 言底盘测功机是一种汽车底盘综合性能检测设

备袁主要由滚筒装置尧测功装置尧飞轮机构尧测速机

构尧控制与指示装置尧电动机及发电机等构成[1]袁其主

要功能是测试汽车的驱动轮输出功率尧加速性能尧滑行能力和传动系统的传动效率袁间接可测试发动机

功率尧汽车燃油经济性能和废气排放性能[2]遥底盘测功机运转测试过程中袁内部相对运动零

部件间会产生摩擦而消耗能量袁如滚筒自身转动部分

的损耗尧轴承摩擦和其他功率吸收装置的阻力等[3]袁其大小会随机器磨损变形而变化袁影响底盘测功机

的模拟加载袁使底盘测功机动力吸收装置的记录数

值不准确[4-5]袁如能将底盘测功机的内生摩擦阻力准

确计入以抵消摩擦阻力对试验结果的影响袁则能大

大提高底盘测功机的检测精度遥本文拟针对滚筒底盘测功机运转过程中因内生

摩擦阻力损耗而使测功装置显示数值偏小的问题袁根据能量守恒原理袁通过二次加载滑行法和无加载

滑行法等试验获得相关测试数据袁建立滚筒底盘测

功机的内生摩擦阻力数学模型袁并对其进行算例分

析和实验验证袁为底盘测功机运转过程中测功装置

的数据进行数值补偿提供理论依据遥1 底盘测功机转动中的摩阻分析1.1 底盘测功机的车辆检测精度分析

底盘测功机的车辆检测一般是在室内利用滚筒

模拟路面袁让汽车在滚筒上运行时所受到的阻力等

同于它在路面上行驶所受到的阻力袁从而达到试车

场的测试效果遥检测车辆时袁车辆在底盘测功机上所

受的阻力主要有院测功机的摩擦阻力尧测功机加载阻

力尧汽车传动系摩擦阻力尧车轮与滚筒间的滚滑阻力

及惯性阻力[6-7]遥 其中底盘测功机运转过程中本身的

摩擦阻力不可忽略袁其会加大底盘测功机的加载阻力袁造成被测车辆所受阻力大于在实际道路上的所受阻

力袁从而难以准确地模拟道路行驶工况袁影响车辆检

测的准确度遥1.2 摩擦阻力构成因素分析

底盘测功机运行时内部摩擦阻力的构成非常复

杂袁它主要包括滚筒自身转动时的阻力尧滚筒两侧轴

承产生的摩擦阻力尧联轴器摩擦阻力及电力测功机

在运行时自身的阻力等运动过程中形成的机械摩擦

阻力[8-9]遥机械摩阻大小随滚筒转速的增加而增大袁一般与速度呈线性关系袁其关系式为 F1=a+b淄曰另外袁在底盘测功机的运行过程中袁运动部件快速运转时也会

与空气产生摩擦而形成空气阻力袁由于测功过程中滚

筒运行速度快袁因此这一部分阻力也不可忽略袁其大

小可表示为 F2=k淄2袁即底盘测功机运转时的摩擦阻

力可被看成是机械阻力与空气阻力之和袁其与滚筒速

度的关系式[10]可表示为 F=A+B淄+C淄2遥 由于摩擦阻力

构成的复杂性袁要确定该关系式的系数 A尧B尧C袁单纯

从理论上推导是难以获得的袁需要通过理论与试验相

结合袁检测速度点的相关数据推导出摩擦阻力的数

学模型袁利用数据拟合方法袁得到底盘测功机实测过

程中其摩擦阻力造成损失的补偿关系遥2 内生摩擦阻力的数模构建

以单滚筒底盘测功机为例袁采用无加载滑行方

法 [11]确定单滚筒底盘测功机内生摩擦阻力袁无加载

滑行法是指不对单滚筒底盘测功机加载遥 在无车状

况下试验时袁让电机带动单滚筒底盘测功机加速至 淄1渊淄1 值应高于待测速度点 淄0冤袁通过单滚筒底盘测功

机上配置的飞轮装置进行动能储存袁然后切断电机动

力源袁让单滚筒底盘测功机在其内生摩擦阻力作用

下滑行袁当单滚筒底盘测功机减速至 淄2渊淄2 值应低于

待测速度点 淄0冤袁且保证 淄1尧淄2 满足关系式 12 渊淄1+淄2冤=淄0 时袁记录试验相关数据袁结束滑行袁根据滑行前后

能量守恒原理袁可得到以下数学模型院F淄0S淄0= 12 M渊淄12-淄22冤 渊1冤

式中院F淄0要要要单滚筒底盘测功机在待测速度 淄0 时的

内生摩擦阻力曰S淄0要要要单滚筒底盘测功机所有转动部件的总

转动惯量的当量质量在滑行中相当的平均滑

动距离曰M要要要单滚筒底盘测功机所有转动部件在滑

行过程中总转动惯量的当量质量遥式渊1冤中除了 M 为未知量袁其他 3 项 S淄0尧淄1尧淄2 均

可通过滑行实验得出袁即欲获得 F淄0袁须先求出 M遥 为

此袁本文采用对单滚筒底盘测功机进行二次加载滑行

的方法来获得 M遥二次加载滑行法是通过对底盘测功机进行两次

不同的加载袁让底盘测功机在没有车辆时滑行进行

的检测[12-13]遥 单滚筒底盘测功机第 1 次开始运行前袁先给它加载一个阻力值 F1袁然后让单滚筒底盘测功

机在加载力 F1 和内生摩擦阻力的共同作用下滑行袁选取其运行开始时的速度点 淄1 和结束时的速度点

淄2袁记录这段滑行的时间 t1 及滑行的距离 S1袁结束第

1 次加载运行曰然后进行第 2 次加载运行开始前袁先给单滚筒底盘测功机加载一个大小不同于 F1 的加

载力 F2袁然后让单滚筒底盘测功机在加载力 F2 和内

生摩擦阻力的共同作用下滑行袁并保证其开始时和结

欧阳爱国等院底盘测功机运转中内生摩擦阻力的补偿数模研究 125

中国测试 2017 年 5 月

束时的速度值与第 1 次运行时的一样袁仍然为 淄1 和淄2袁记录第 2 次加载滑行的时间 t2 及滑行的距离 S2遥由于速度 淄1 和 淄2 与 淄0 接近袁这 3 种速度运行时的单

滚筒底盘测功机产生的摩擦阻力可近似看成相等袁利用能量守恒原理可建立以下数学模型院

渊F1+F淄0冤S1= 12 M渊淄12-淄22冤 渊2冤渊F2+F淄0冤S2= 12 M渊淄12-淄22冤 渊3冤

式中院F1要要要第 1 次加载运行时单滚筒底盘测功机

的加载力曰F2要要要第 2 次加载运行时单滚筒底盘测功机

的加载力遥联解式渊2冤尧式渊3冤可得院

M=2 渊F2-F1冤S1S2渊S1-S2冤渊淄12-淄22冤 渊4冤将 M 代入式渊1冤即可求出单滚筒底盘测功机在

待测速度 淄0 时的内生摩擦阻力 F淄0遥F淄0= S1S2渊F2-F1冤

S淄0渊S1-S2冤 渊5冤3 算例分析

以 AVL 公司生产的型号为 AVL Roadsim 48义单滚筒底盘测功机为例袁选取测试速度点 淄0=110 km/h袁空车开动底盘测功机热机至热平衡状态袁 进行二次

加载滑行袁二次加载载荷分别为 100 N 和 200 N曰开始和结束测试时的速度分别为 淄1=120 km/h 和 淄2=100 km/h袁 二次加载滑行的测得时间分别为 39.03 s和 27.01 s曰二次加载滑行的测得距离分别为 1 691 m和 964m遥然后再让电机带动单滚筒底盘测功机进行

无车无加载滑行袁开始和结束测试的速度点同样分

别选为 淄1=120 km/h 和 淄2=100 km/h袁可测得无加载

滑行的滑行时间为 64.62 s袁 滑行距离为 5 967 m曰将上述测试数据代入 F淄0 表达式可得速度 淄0=110 km/h时单滚筒底盘测功机的内生摩擦阻力 F淄0=37.58 N遥按上述同样方法袁在空载滑行和二次加载 F1=100 N和 F2=200 N 下滑行袁其他速度点渊如 20袁40袁60袁80袁100 km/h冤的单滚筒底盘测功机内生摩擦阻力相关情

况见表 1遥

利用表中数据进行其多项式拟合袁可建立其曲

线表达式为

y=2.3伊10-9x4-4.4伊10-6x3+1.69伊10-3x2+6.5伊10-2x+1.94 渊6冤

式中院x要要要速度曰y要要要单滚筒底盘测功机内生摩擦阻力遥

由式渊6冤可知 x4 和 x3 的系数相对 x2 的系数来说

很小袁即速度的 3 次方和 4 次方对单滚筒底盘测功

机内生摩擦阻力影响很小袁因此单滚筒底盘测功机

的速度与其内生摩擦阻力的关系可近似看成为一条

抛物线关系袁其表达式为

y=1.69伊10-3x2+6.5伊10-2x+1.94 渊7冤式中 x2 的系数相对 x 项和常数项较小袁说明单滚筒

底盘测功机空气阻力的影响相对其机械阻力的影响

较小曰x 的系数相对常数项较小袁说明单滚筒底盘测

功机的机械阻力起点较高袁固有机械阻力较大遥4 试验验证

将 AVL 公司生产的型号为 AVL Roadsim 48义单滚筒底盘测功机的电涡流测功器与变速器之间的连

接装置断开袁由带动单滚筒底盘测功机空载运转的电

机直接驱动电涡流测功器运转袁选取验证速度区间

16耀128 km/h袁以 16 km/h 为速度间隔袁在每个速度点

测试时袁对电涡流测功器加载袁直至其运转速度稳定袁则所加载荷即为单滚筒底盘测功机在该速度点的内

生摩擦阻力值袁然后再至下一速度点袁按此方法获取

在各测试速度点的内生摩擦阻力值袁最后将获取的

结果与空车滑行数学模型计算得到的内生摩擦阻力

进行比较袁其结果如表 2遥

相对误差以试验验证得到的内生摩阻为标准计

算获得遥可以看出袁数模计算的单滚筒底盘测功机内

生摩阻与试验验证的相差较小袁变化规律一致袁单滚筒底盘测功机的速度为 淄0=80 km/h 时的内生摩

阻的相对误差最小袁说明本文所建立的单滚筒底盘

测功机内生摩擦阻力的数学模型基本能反映其实际

情况遥5 结束语

1冤在单滚筒底盘测功机上进行

淄0/渊km窑h-1冤

淄1原淄2/渊km窑h-1冤

S1/m S2/m S淄0/m F淄0/N100 110耀90 1 775 913 6 121 30.7180 90耀70 1 810 875 6 704 25. 2760 70耀50 1 720 792 7 155 20. 5240 50耀30 1 427 643 7 090 16. 5120 30耀10 631 347 5 742 13.43

表 1 不同速度点的内生摩擦阻力

淄0/渊km窑h-1冤

数模计算内生

摩擦阻力/N试验内生

摩擦阻力/N 相对误差/%100 30.71 33 6.9480 25.27 27 6.4160 20.52 22 6.7340 16.51 18 8.2820 13.43 12 -11.92

表 2 试验和数模计算的内生摩擦阻力比较

渊下转第 137 页冤

126

第 43 卷第 5 期

无车状态下的无加载滑行和二次加载滑行袁通过测

量无加载滑行的滑行距离 S淄0 及在两次加载 F1 和 F2下的滑行距离 S1 和 S2袁即可获得滚筒底盘测功机的

内生摩擦阻力 F淄0袁其数学关系模型为

F淄0= S1S2渊F2-F1冤S淄0渊S1-S2冤

2冤型号为 AVL Roadsim 48义单滚筒底盘测功机

的内生摩擦阻力 F淄0 与其速度之间存在抛物线关系袁其关系式可近似表达为

y=1.69伊10-3x2+6.5伊10-2x+1.943冤滚筒底盘测功机的内生摩擦阻力随速度的增

加而增大袁其中机械阻力比空气阻力对滚筒底盘测

功机的影响更大袁且机械阻力的起点较高遥参考文献

[1] 王晓东 . 底盘测功机模拟车辆道路行驶阻力加载力研

究[D]. 西安院长安大学袁2010.[2] 王娜. HYCG-10A 型底盘测功机测试性能改进[D].哈尔滨院

哈尔滨工程大学袁2007.[3] 龚志远袁刘志雄袁欧阳爱国袁等. 单滚筒底盘测功机寄生

摩擦阻力测量方法研究[J]. 中国测试袁2016袁42渊6冤院5-8.[4] 刘磊. 基于底盘测功机台架系统阻力测试方法研究[D].

长春院吉林大学袁2012.

[5] CHELI F袁 BRAGHIN F袁 BRUSAROSCO M袁 et al. Designand testing of an innovative measurement device foetyre-road contact forces[J]. Mechanical Systems andSignal Processing袁2011袁25渊6冤院1956-1972.

[6] 任礼行袁刘青. 轮胎滚动阻力测量与分析[J]. 汽车工程袁2000袁22渊2冤院13-16.

[7] GROVER P S. Modeling of rolling resistance test data[J].Powder Technology袁2011渊3冤院269-282.

[8] 田颖袁金振华袁聂圣芳.交流电力测功机控制系统的研究[J].汽车工程袁2014袁36渊1冤院125原128援

[9] 王建强袁戴建国袁高蔚.台试轮胎滚动阻力模型应用研究[J].农业机械学报袁2003袁34渊4冤院35-38.

[10] 张绍国袁高峰袁杭柏林袁等. 汽车轮胎滚动阻力试验机测试

方法分析[J]. 中国公路学报袁2012袁25渊1冤院146-151.[11] 欧阳爱国袁肖文龙袁陈齐平. 单滚筒底盘测功机对轮胎滚

动阻力测定的精准度研究[J]. 中国测试袁2015袁41渊8冤院13-16.

[12] 欧阳爱国袁毕朋飞袁肖文龙袁等. 轮胎滚动阻力精确测试方

法研究[J]. 中国测试袁2015袁41渊12冤院16-19.[13] 何建袁杨波. 汽车底盘测功机阻力设定及其典型问题分

析[J]. 轻型汽车技术袁2008,9渊3冤院20-22.渊编辑院李妮冤

渊上接第 126 页冤

[3] 冯文林袁刘青松袁张伟杰袁等. 黄绿色荧光粉 CaWO4院 Pr3+的发光性质与晶体场分析[J]. 光学学报袁2014袁34渊4冤院194-199.

[4] ZHU H M袁 LIN C C袁 LUO W Q袁 et al. Highly efficientnon -rare -earth red emitting phosphor for warm whitelight-emitting diodes[J]. Nature Communications袁2014渊5冤院4312-4322.

[5] 张伟杰袁冯文林袁程雪羚袁等. 新型黄绿色荧光粉 BaMoO4院Pr3+的制备与光致发光性质研究[J]. 光学学报袁2014袁34渊9冤院201-204.

[6] PARK W B袁 SINGH S P袁 SOHH S S. Discovery of aphosphor for light emitting diode applications and itsstructural determination袁 Ba 渊Si袁Al冤5 渊O袁N冤8院Eu2 +[J].Journal of the American Chemical Society袁2014袁136渊6冤院2363-2373.

[7] 灯用稀土三基色荧光粉院GB 14633-2010[S]. 北京院中国

质检出版社袁2010.[8] 陈宏. 荧光玻璃量子效率测量的关键技术研究[D]. 重庆院

重庆大学袁2014.[9] 胡运生袁庄卫东. 叶半导体发光二极管用荧光粉曳标准编

制说明[J]. 信息技术与标准化袁2009渊4冤院18-24.

[10] 付伟袁钱可元袁罗毅袁等. 白光 LED 荧光粉荧光外量子效

率的准确测量[J]. 半导体光电袁2011袁32渊5冤院640-645.[11] 李莉袁牟同升. 白光 LED 荧光粉的性能表征与测量[C]椅

海峡两岸第十七届照明科技与营销研讨会专题报告

暨论文集袁2009院113-118.[12] 董向坤. 白光 LED 用荧光玻璃的量子效率测量技术研

究[D]. 重庆院重庆大学袁2013.[13] MELLO J C袁 WITTMANN H F袁 FRIEND R H. An impr-

oved experimental determination of external photolumine-scence quantum efficiency[J]. Advanced Materials袁1997袁9渊3冤院230-232.

[14] 王尔镇. NBS 标准荧光粉量子效率的测定[J]. 光电技术袁2000袁41渊1冤院13-22.

[15] 肖华袁吕毅军袁高玉琳袁等. 基于积分球的蓝光 LED 荧光

粉测试系统[J]. 光电技术应用袁2013袁28渊4冤院21-25.[16] 游潘丽. Li2BaSiO4院Sm3+荧光粉的制备与性能研究[J]. 光学

学报袁2015袁35渊5冤院259-264.渊编辑院李妮冤

华有杰院白光 LED 荧光粉外量子效率检测技术研究 137