李亞飛 田晟
(華南理工大學(xué))
基于低速的測(cè)功數(shù)學(xué)模型建立與動(dòng)力性檢測(cè)
李亞飛 田晟
(華南理工大學(xué))
為獲得低速工況下的汽車動(dòng)力性檢測(cè)指標(biāo),完善發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際功率檢測(cè)理論模型,基于BY-CG-300底盤測(cè)功機(jī),以HG7153AB(VETC)型汽車為試驗(yàn)車輛進(jìn)行了整車動(dòng)力性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用最小二乘法求得試驗(yàn)車輛驅(qū)動(dòng)輪輸出功率曲線,并建立了轎車低速測(cè)功修正系數(shù)的數(shù)學(xué)模型,得到修正系數(shù)方程,由此提出了在較低測(cè)試速度下判斷汽車動(dòng)力性技術(shù)狀況的測(cè)試方法和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了轎車在低速下進(jìn)行動(dòng)力性檢測(cè)的目標(biāo)。
汽車動(dòng)力性是指汽車在良好路面行駛時(shí)能達(dá)到的最高車速、最大加速能力和最大爬坡度,動(dòng)力性的好壞直接影響到運(yùn)輸效率,是評(píng)價(jià)汽車技術(shù)性能的主要指標(biāo)之一。汽車動(dòng)力性的下降標(biāo)志著發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系和行駛系等技術(shù)狀況變差,或燃油供給系、點(diǎn)火系及燃燒過程不良,從而增加廢氣的排放,加大環(huán)境污染[1-2]。GB/T 18276—2000《汽車動(dòng)力性臺(tái)架試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)》、GB 18565—2001《營(yíng)運(yùn)車輛綜合性能要求和檢驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)文件明確規(guī)定營(yíng)運(yùn)車輛的動(dòng)力性必須達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)等級(jí)才能參與經(jīng)營(yíng)性運(yùn)輸業(yè)務(wù)。
汽車綜合性能檢測(cè)站按照GB 18565—2001中規(guī)定的檢驗(yàn)方法進(jìn)行動(dòng)力性檢測(cè),但動(dòng)力性檢測(cè)中較高的檢測(cè)車速不僅給檢測(cè)人員帶來危險(xiǎn)而不便于操作,而且較高的測(cè)試車速還導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果重復(fù)性差、精度低等問題。為此,本文在介紹轎車動(dòng)力性檢測(cè)與評(píng)價(jià)及動(dòng)力性檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上,探討了動(dòng)力性檢測(cè)參數(shù)與檢測(cè)工況的選擇,并基于BY-CG-300底盤測(cè)功機(jī)和HG7153AB(VETC)型汽車進(jìn)行了轎車動(dòng)力性試驗(yàn),根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了數(shù)學(xué)模型,為在較低車速下進(jìn)行轎車動(dòng)力性檢測(cè)提供參考。
2.1 轎車動(dòng)力性檢測(cè)工況和測(cè)試車速
2.1.1 檢測(cè)工況
GB/T 18276—2000規(guī)定可用底盤測(cè)功機(jī)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪輸出功率來評(píng)價(jià)整車動(dòng)力性,采用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩和額定功率時(shí)的工況作為檢測(cè)工況,即采用發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)額定扭矩轉(zhuǎn)速和額定功率轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的直接擋(無直接擋時(shí),傳動(dòng)比最接近于1的擋)車速構(gòu)成的工況作為檢測(cè)工況。然而GB 18565—2001規(guī)定轎車使用3擋以65 km/h車速進(jìn)行動(dòng)力性測(cè)試,而沒有采用直接擋時(shí)的額定功率工況和額定扭矩工況。這是因?yàn)檗I車直接擋時(shí)額定功率工況和額定扭矩工況對(duì)應(yīng)的車速過高。以別克凱越轎車的動(dòng)力性檢測(cè)為例,若以發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速4 000 r/min和額定功率轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)4擋(傳動(dòng)比最接近1)的工況作為檢測(cè)工況,因2種工況下對(duì)應(yīng)的車速分別為160 km/h和107 km/h,考慮到安全性和檢測(cè)設(shè)備的限制等,所以檢測(cè)站不能采用此工況進(jìn)行檢測(cè)。
2.1.2 檢測(cè)車速對(duì)動(dòng)力性檢測(cè)的影響
以3擋65 km/h車速作為檢測(cè)工況為例,較高的測(cè)試車速對(duì)動(dòng)力性檢測(cè)的影響如下:
a.測(cè)試車輛可能沖出檢測(cè)臺(tái),存在安全隱患。
b.試驗(yàn)開始時(shí),測(cè)試人員首先需要在低車速下調(diào)整車身姿態(tài),然后緩慢均勻地將車速提高到75 km/h以上,再緩慢降低至65 km/h,然后在全負(fù)荷下穩(wěn)定15 s并由測(cè)功機(jī)取樣,測(cè)試車速越高,所需要的試驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)。
c.動(dòng)力性檢測(cè)時(shí),汽車全負(fù)荷運(yùn)行并由底盤測(cè)功機(jī)加載將車速穩(wěn)定一定時(shí)間,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎工作條件惡劣,汽車動(dòng)力傳動(dòng)系磨損嚴(yán)重,底盤測(cè)功機(jī)的傳動(dòng)系和渦輪機(jī)也嚴(yán)重?fù)p耗。
d.隨著檢測(cè)車速的增加,傳動(dòng)系的摩擦損失等損耗功率增大[5]。
e.較高的測(cè)試車速下獲得的測(cè)試結(jié)果誤差較大。
底盤測(cè)功機(jī)在檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪輸出功率時(shí),在低速工況下測(cè)試結(jié)果的重現(xiàn)性較好,所以研究基于低速的測(cè)功數(shù)學(xué)模型與動(dòng)力性檢測(cè)可增加試驗(yàn)人員的安全保障,提高轎車動(dòng)力性檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。
2.2 轎車動(dòng)力性評(píng)價(jià)
驅(qū)動(dòng)輪輸出功率是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系工作過程的輸出參數(shù),其大小取決于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率和傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率。發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系技術(shù)狀況的微小變化會(huì)通過驅(qū)動(dòng)輪輸出功率的增加或減少表現(xiàn)出來,所以采用驅(qū)動(dòng)輪輸出功率作為汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有較強(qiáng)的直觀性和靈敏性,其采集容易,檢測(cè)誤差小,最適于作為動(dòng)力性檢測(cè)參數(shù)[3]。
不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下驅(qū)動(dòng)輪有不同的輸出功率,測(cè)試選擇的檢測(cè)工況應(yīng)具有通用性好、可比性強(qiáng)、易于檢測(cè)的特點(diǎn),并以該工況下的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率作為轎車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線圖可知,發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)能夠全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力情況,而且通過汽車使用手冊(cè)可查到發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率值和額定扭矩值及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速,因此選擇發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩和額定功率對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況作為動(dòng)力性檢測(cè)工況。因?yàn)檗I車額定功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車速過高,所以轎車只選用直接擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩轉(zhuǎn)速所構(gòu)成的工況作為檢測(cè)工況。
由于在用轎車車型多,對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩及轉(zhuǎn)速千差萬別,因此不能采用驅(qū)動(dòng)輪輸出功率的絕對(duì)值作為限值,而應(yīng)采用相對(duì)值,即采用額定扭矩工況下的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩功率的百分比ηVM作為評(píng)價(jià)轎車動(dòng)力性的限值。
ηVM計(jì)算式為:
式中,PVMO為驅(qū)動(dòng)輪輸出功率;PM為發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩功率。
轎車動(dòng)力性合格的條件為:
式中,ηMa為轎車在額定扭矩工況下ηVM的允許值,根據(jù)不同車輛其取值范圍為40%~45%。
底盤測(cè)功機(jī)作為轎車動(dòng)力性檢測(cè)設(shè)備,國(guó)家相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其有明確的要求和規(guī)范。
3.1 底盤測(cè)功機(jī)的結(jié)構(gòu)
汽車底盤測(cè)功機(jī)主要由滾筒、機(jī)械部件、功率吸收裝置(即測(cè)功裝置)、測(cè)量系統(tǒng)和附屬設(shè)備等幾部分組成,如圖1所示。
3.2 底盤測(cè)功機(jī)的工作原理
汽車底盤測(cè)功機(jī)采用電渦流測(cè)功器測(cè)試汽車的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力,同時(shí)計(jì)算出車速和驅(qū)動(dòng)輪的輸出功率。電渦流測(cè)功器主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成,其中定子是一個(gè)鋼制的機(jī)殼,在其圓周方向上裝有若干個(gè)勵(lì)磁線圈;轉(zhuǎn)子是一個(gè)鋼制圓盤(渦流盤),固定在轉(zhuǎn)軸上,可隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。定子與轉(zhuǎn)子之間以及轉(zhuǎn)子渦流盤與線圈鐵芯之間都只有很小的間隙,在線圈中通入直流電就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng),磁力線將經(jīng)過鐵芯、轉(zhuǎn)子盤以及定子外殼的一部分形成閉合回路。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)子盤將切割磁力線而感應(yīng)出很強(qiáng)的渦流,渦流與勵(lì)磁線圈磁場(chǎng)間相互作用,使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)受到一定阻力或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。汽車的驅(qū)動(dòng)輪要帶動(dòng)渦流測(cè)功器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),必須要克服渦流阻力而消耗能量。通過對(duì)勵(lì)磁線圈電流的調(diào)節(jié)改變磁場(chǎng)和渦流的強(qiáng)度,進(jìn)而改變驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)荷,因此利用底盤測(cè)功機(jī)能在不同工況下檢測(cè)出車速、驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力和輸出功率[4~5]。
4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)
試驗(yàn)所用測(cè)功機(jī)型號(hào)為BY-CG-300,其主要參數(shù)如表1所列。
表1 BY-CG-300底盤測(cè)功機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
BY-CG-300測(cè)功機(jī)的整車動(dòng)力性快速檢測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)由測(cè)功系統(tǒng)、反拖系統(tǒng)、慣性系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)組成。測(cè)功系統(tǒng)由測(cè)試滾筒、支撐滾筒、機(jī)械框架、加載裝置和測(cè)量系統(tǒng)等組成;反拖系統(tǒng)由反拖電機(jī)、力傳感器、前后滾筒速度傳感器、變頻調(diào)速器(控制反拖電機(jī)的啟動(dòng)及加速)等組成;慣性系統(tǒng)由各級(jí)飛輪、支撐裝置、電磁離合器、傳輸膠帶、聯(lián)軸器等組成;顯示系統(tǒng)由儀表、控制電路等組成。
4.2 試驗(yàn)條件
參照標(biāo)準(zhǔn)GBT 18276—2000,基于華工邦元有限公司開發(fā)的軟件環(huán)境,在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),相對(duì)濕度為63.7%,環(huán)境溫度為32.7℃,大氣壓力為100.5 kPa;發(fā)動(dòng)機(jī)水溫為85~90℃,測(cè)功擋位為3擋,節(jié)氣門全開。
試驗(yàn)用車型號(hào)為HG7153AB(VETC),其發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)15A1,試驗(yàn)車基本參數(shù)如表2所列。試驗(yàn)開始前底盤測(cè)功機(jī)與車輛預(yù)熱15~30 min。
表2 試驗(yàn)車技術(shù)參數(shù)
根據(jù)表2中相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩功率PM=143×4 800/9 549=71.9 kW。
試驗(yàn)步驟為:
a.調(diào)整車身姿態(tài)將車輛的驅(qū)動(dòng)輪置于測(cè)功機(jī)滾筒上,起動(dòng)車輛在低速下緩慢調(diào)整車輪位置,直到車輛能夠穩(wěn)定地在輪轂上運(yùn)行。
b.在車速為30~75 km/h內(nèi)設(shè)置10個(gè)檢測(cè)點(diǎn),分別測(cè)試驅(qū)動(dòng)輪輸出功率并打印試驗(yàn)數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。
表3 試驗(yàn)車動(dòng)力性檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)
5.1 轎車驅(qū)動(dòng)輪輸出功率計(jì)算
根據(jù)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用最小二乘法[6]進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合并繪制擬合曲線,如圖2所示。
經(jīng)擬合得到的轎車驅(qū)動(dòng)輪輸出功率Pe的計(jì)算式為:
由式(3)計(jì)算出的輸出功率與試驗(yàn)測(cè)量的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率之間的誤差見表4。由表4可知,相對(duì)誤差絕對(duì)值的均值為1.3%,最大相對(duì)誤差為3.76%(<5%),表明式(3)擬合效果很好,能反映整車輸出功率特性[7]。通過式(3)可計(jì)算出車速為65km/h(換算為m/s)時(shí)的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率為33.58 kW。
表4 驅(qū)動(dòng)輪輸出功率誤差計(jì)算結(jié)果
5.2 驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比擬合
根據(jù)計(jì)算得到各檢測(cè)點(diǎn)的百分比η′VM值(表5),利用最小二乘法對(duì)轎車驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合并繪制擬合曲線,如圖3所示。
經(jīng)擬合得到的η計(jì)算式為:
η=-0.020 8v3+0.893 1v2-9.279 6v+45.723 8(4)
根據(jù)式(4)計(jì)算的η值與試驗(yàn)測(cè)得的ηM值之間的誤差見表5。由表5可知,相對(duì)誤差絕對(duì)值的均值為1.3%,最大相對(duì)誤差為3.76%(<5%),說明式(4)擬合效果較好,能反映轎車驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率在任意車速下的比值與車速的關(guān)系。
表5 驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率百分比的誤差
根據(jù)式(4)得到車速為65 km/h時(shí)驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的比值為46.66%,GB 18565—2001規(guī)定的允許值為40%,因此該試驗(yàn)車的動(dòng)力性符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。
5.3 修正系數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立
按照GB 18565—2001的規(guī)定,汽車綜合性能檢測(cè)站需要檢測(cè)出試驗(yàn)車輛3擋車速為65 km/h時(shí)的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比,然后再將其與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值進(jìn)行比較。由前述可知,該測(cè)試車速下動(dòng)力性測(cè)試存在一定隱患,所以應(yīng)使用較低的測(cè)試車速進(jìn)行動(dòng)力性測(cè)試,但需利用修正公式將較低車速測(cè)得的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比修正到65 km/h對(duì)應(yīng)的百分比,再與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值進(jìn)行比較。
修正公式設(shè)為:
式中,η65為試驗(yàn)車輛在3擋65 km/h時(shí)的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比,η65=46.66%。
根據(jù)各試驗(yàn)速度點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比η,結(jié)合式(5)可計(jì)算出各測(cè)試速度點(diǎn)的修正系數(shù)k,如表6所列。
表6 修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果
根據(jù)表6中修正系數(shù),利用最小二乘法對(duì)修正系數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合并繪制擬合曲線,如圖4所示。
經(jīng)擬合得到的修正系數(shù)k計(jì)算式為:
k=0.010 5v2-0.437 1v+5.468 3(6)
根據(jù)式(6)計(jì)算得到的各測(cè)試車速點(diǎn)修正系數(shù)k′與根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的修正系數(shù)k之間的誤差如表7所列??芍鄬?duì)誤差絕對(duì)值的平均值為0.8%,最大相對(duì)誤差為1.63%(<5%),表明式(6)具有很好的擬合效果,能反映修正系數(shù)與車速的關(guān)系。
表7 修正系數(shù)誤差計(jì)算結(jié)果
實(shí)際進(jìn)行轎車動(dòng)力性能檢測(cè)時(shí),先在較低車速(如30~40 km/h)下測(cè)得驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比η測(cè),然后利用式(6)計(jì)算得到較低測(cè)試車速v對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)kv,再將其修正到65 km/h工況對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比η修(式(7)),將η修與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值進(jìn)行比較,從而判定轎車動(dòng)力性的狀況。
本文針對(duì)汽車動(dòng)力性的重要性和轎車高速測(cè)功存在的缺點(diǎn),以HG7153AB(VETC)型汽車作為試驗(yàn)車輛進(jìn)行了動(dòng)力性試驗(yàn),在驗(yàn)證了該試驗(yàn)車輛動(dòng)力性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了修正公式,利用修正公式可對(duì)較低車速(如30~40 km/h)下測(cè)得的驅(qū)動(dòng)輪輸出功率與額定扭矩功率的百分比進(jìn)行修正,然后與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值進(jìn)行比較判定轎車動(dòng)力性狀況,從而實(shí)現(xiàn)了在較低車速下進(jìn)行轎車動(dòng)力性測(cè)試的目的,避免了高速測(cè)功存在的重復(fù)性差、精度低和高危險(xiǎn)性等缺點(diǎn)。
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(責(zé)任編輯文楫)
修改稿收到日期為2013年12月9日。
第六屆國(guó)際汽車變速器及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研討會(huì)即將在京召開
由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)和中汽翰思管理咨詢公司聯(lián)合舉辦的第六屆國(guó)際汽車變速器和驅(qū)動(dòng)技術(shù)研討會(huì)(TMC2014)將于4月22~23日在北京召開。本屆研討會(huì)針對(duì)上述國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問題,精選40個(gè)演講和論文宣讀,包括上汽、長(zhǎng)安、北汽、長(zhǎng)城、比亞迪、華晨、豐田、日產(chǎn)、采埃孚、舍弗勒、加特可、格特拉克、吉孚動(dòng)力、艾爾維等。戰(zhàn)略方面的題目包括中國(guó)燃油經(jīng)濟(jì)性要求對(duì)DCT技術(shù)的影響、下一代DCT技術(shù)、CVT的提升空間及在中國(guó)的明天、適合不同車型級(jí)別的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化等。技術(shù)方面的分專題報(bào)告包括混合動(dòng)力變速器和驅(qū)動(dòng)、變速器控制及與整車匹配、功能安全管理、NVH優(yōu)化、MT換擋性能改善、最新的零部件和工藝、潤(rùn)滑技術(shù)等。同時(shí)將有50多家國(guó)內(nèi)外公司展示最新產(chǎn)品、技術(shù)和服務(wù)。預(yù)計(jì)參會(huì)代表人數(shù)將達(dá)到600多位。
Establishment of Mathematical Model and Dynamic Property Test Based on Low-speed Conditions
Li Yafei,Tian Sheng
(South China University of Technology)
To obtain vehicle low-speed dynamic property test index and perfect engine real power test theoretical model,vehicle modeled HG7153AB(VETC)is chosen for vehicle dynamic property test based on BY-CG-300 chassis dynamometer.According to the test data,the driving wheel output power curve has been obtained by using the least square method,and a correction factor mathematical model has been established for low-speed vehicle dynamic property test.The correction factor equation is obtained,therefore a test method and relevant mathematical model to evaluate vehicle dynamic property conditions in low test speed is proposed,and vehicle low-speed dynamic property objective has been achieved.
Passenger car,Low-speed conditions,Dynamic property,Mathematical model
轎車低速工況動(dòng)力性數(shù)學(xué)模型
U467.1+3
:A
:1000-3703(2014)03-0040-05