申方 郭朋彥 張寧 邵方閣 劉子川

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

一種新型測功機(jī)
——輪轂測功機(jī)

申方 郭朋彥 張寧 邵方閣 劉子川

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

近年來，隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車測試行業(yè)逐漸向細(xì)化領(lǐng)域發(fā)展?；诖?，介紹一種國內(nèi)尚未出現(xiàn)的新型輪轂測功機(jī)，對其工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的研究，并對其優(yōu)劣勢進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪轂測功機(jī)具有成本低、便于移動的明顯優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用前景。

輪轂測功機(jī)；工作原理；結(jié)構(gòu)；優(yōu)劣勢

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車作為方便快捷的交通工具日益受到人們的青睞。汽車需求量的增加，促進(jìn)了我國汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。自2009年以來，我國的汽車產(chǎn)銷量連續(xù)7a居世界首位，截至2015年底，我國機(jī)動車保有量達(dá)2.79億輛，僅次于美國，居世界第二。汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使大量的資本、人力、物力向這個行業(yè)集聚，眾多高校、科研院所、企事業(yè)單位開始從事汽車方面的研究與開發(fā)。性能測試是汽車產(chǎn)品開發(fā)所必須經(jīng)歷的階段，而測功機(jī)是汽車測試的重要設(shè)備。

1 測功機(jī)概述

按照測試對象不同，測功機(jī)主要有發(fā)動機(jī)/動力總成臺架測功機(jī)和底盤測功機(jī)兩大類，前者主要對動力總成進(jìn)行測試，后者主要對整車進(jìn)行測試。發(fā)動機(jī)/動力總成臺架測功機(jī)主要對發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)，或發(fā)動機(jī)-變速箱、驅(qū)動電機(jī)-變速箱、發(fā)動機(jī)-驅(qū)動電機(jī)-變速箱混合動力總成等在臺架上進(jìn)行測試。底盤測功機(jī)一般安裝于地下或地面底座上，可分為雙滾筒和單滾筒式，測試時，采用駕駛或其他方式將車輛驅(qū)動輪置于滾筒上，將車輛固定后發(fā)動汽車，通過油門踏板、制動踏板實(shí)現(xiàn)車輛加減速行駛，此時車輛驅(qū)動輪通過摩擦帶動滾筒轉(zhuǎn)動，通過測試滾筒的轉(zhuǎn)速、扭矩即可測得待測車輛的車速、扭矩、功率等。

底盤測功機(jī)可實(shí)現(xiàn)對整車性能的測試，但是，底盤測功機(jī)因滾筒安裝于地下或地面鐵質(zhì)底座上。所以，造價高，一次性投入大，且不能移動。這使得研發(fā)經(jīng)費(fèi)較少的高校、科研院所和企業(yè)難于開展整車研發(fā)與測試工作。近年來，國外出現(xiàn)一種新型測功機(jī)——輪轂測功機(jī)，使用這種測功機(jī)測試車輛時將車輛驅(qū)動輪的左右車輪拆下來，通過法蘭盤直接將驅(qū)動軸連接到左右測功單元上，這種測功機(jī)擺脫了傳統(tǒng)底盤測功機(jī)必須固定安裝的局限，可隨時移動，靈活地改變車輛測試地點(diǎn)，且價格便宜。因便于移動，使用者可通過租賃等方式實(shí)現(xiàn)自己的測試，非常適合經(jīng)費(fèi)較少的高校、科研院所及企業(yè)從事整車性能測試。目前，國內(nèi)還沒有這種測功機(jī)。本文介紹這種新型交流電力輪轂測功機(jī)，對其工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并對其優(yōu)劣勢進(jìn)行分析。

2 測功機(jī)的分類

按測試原理，測功機(jī)一般可分為水力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)和電力測功機(jī)［1］。早期主要以水力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)為主，這兩種測功機(jī)在測試過程中，不僅要將被測試設(shè)備輸出的所有能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，而且還需要額外的冷卻散熱設(shè)備。這兩種測功機(jī)還無法實(shí)現(xiàn)倒拖原動機(jī)方面的測試，所以這兩種測功機(jī)的適用場合比較局限。

近年來，隨著電工電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，電力測功機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。與水力測功機(jī)和電渦流測功機(jī)相比，電力測功機(jī)可以作為電動機(jī)倒拖原動機(jī)，并且在測功狀態(tài)下獲得的能量能夠回饋到電網(wǎng)。通常，電力測功機(jī)又分為直流電力和交流電力測功機(jī)［3］。早期，由于直流電力測功機(jī)調(diào)速性能好及成熟的控制技術(shù)，電力測功機(jī)以直流電力測功機(jī)為主。但是，直流電力測功機(jī)存在換向、設(shè)備復(fù)雜等問題。隨著變頻控制技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的日益成熟，交流電力測功機(jī)得到了迅速的發(fā)展。

3 輪轂測功機(jī)的原理

輪轂測功機(jī)一般采用交流電力形式，所以輪轂測功機(jī)的原理和交流電力測功機(jī)的原理相同。如果用P表示原動機(jī)輸出的有效功率（kW），T表示輸出軸上的有效轉(zhuǎn)矩（Nm），n表示轉(zhuǎn)速（r/min），則三者之間的關(guān)系為：

由式（1）可知，通過測定某工況下被測原動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n，即可得到該工況下相應(yīng)的有效功率P。

交流電力測功機(jī)作為原動機(jī)負(fù)載測功運(yùn)行時實(shí)際上是一個發(fā)電機(jī)，其吸收被測原動機(jī)發(fā)出的功率，將原動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，上傳電網(wǎng)，或直接消耗掉。通過控制測功電機(jī)的阻力來改變原動機(jī)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，通過測量測功電機(jī)的轉(zhuǎn)速和軸上的轉(zhuǎn)矩來間接測量原動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。當(dāng)測功電機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行時，可拖動原動機(jī)以測定其機(jī)械損失。

4 輪轂測功機(jī)的結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上分，輪轂測功機(jī)主要由測功機(jī)主體、連接線束、控制器、上位機(jī)操作臺等組成，如圖1所示。單軸輪轂測功機(jī)主體由左右2個測功模塊（分別為主、副模塊）組成，測試時將待測車輛驅(qū)動軸的左右車輪卸掉，然后通過法蘭盤將驅(qū)動軸直接連到到輪轂測功機(jī)測功模塊上，連接相應(yīng)的線束和控制器，在上位機(jī)軟件上進(jìn)行相應(yīng)的配置即可進(jìn)行整車性能測試。

圖1 輪轂測功機(jī)系統(tǒng)組成圖

從功能上分，汽車輪轂測功機(jī)通常由加載裝置、測量裝置、測控系統(tǒng)及其他輔助裝置組成。

4.1 加載裝置

由于被測試車輛在交流電力輪轂測功機(jī)上所受的各種阻力和與汽車在實(shí)際道路上行駛時受的阻力和不相等，為了準(zhǔn)確地在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬出被測試車輛在實(shí)際道路的行駛情況，就需要給被測試車輛提供相應(yīng)的阻力來彌補(bǔ)兩者的阻力差，提供阻力差的這部分裝置被稱為加載裝置。交流電力測功機(jī)一般是通過改變產(chǎn)生磁場的電流大小來調(diào)節(jié)負(fù)載阻力。

表1是幾種測功機(jī)加載裝置性能對比，由表1可知，交流電力輪轂測功機(jī)采用的電力測功機(jī)加載裝置具有較好的性能。

表1 幾種測功器加載器對比

4.2 測量裝置

測量裝置主要包括測力裝置和測轉(zhuǎn)速裝置，是輪轂測功機(jī)的基本組件。測力裝置測量定子外殼所受的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)一定的變換后可以計(jì)算出驅(qū)動軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。測力裝置的精度主要取決于測力傳感器的精度和測力系統(tǒng)的精度。輪轂測功機(jī)使用的測力傳感器一般分為拉壓傳感器和位移傳感器2種類型，他們一端連接功率吸收裝置的外殼，另外一端連接機(jī)體。圖2、3分別為拉壓傳感器、位移傳感器安裝圖。

測速裝置通過測量輪轂測功機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，經(jīng)相應(yīng)的計(jì)算可獲得被測試車輛的行駛車速。測速裝置通常由轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集處理電路等組成。轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號進(jìn)行傳輸，常用的轉(zhuǎn)速傳感器主要有磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器等。

圖2 拉壓傳感器安裝圖

圖3 位移傳感器安裝圖

4.3 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)是輪轂測功機(jī)的控制核心，其完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理，進(jìn)而對被測試車輛的性能進(jìn)行評估。交流電力輪轂測功機(jī)對被測試設(shè)備進(jìn)行加載時，通過電機(jī)變頻控制器向交流電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速、扭矩等控制信號；測量時，通過傳感器采集轉(zhuǎn)速及扭矩等參數(shù)，并把這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，這些信號傳輸?shù)綔y功機(jī)控制器經(jīng)過處理后，一路輸送到上位機(jī)中進(jìn)行顯示（見圖4），另外一路經(jīng)一定的算法整理成控制信號反饋給交流電機(jī)控制器，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖4 輪轂測功機(jī)上位機(jī)軟件界面

4.4 輔助裝置

輔助裝置包括連接法蘭盤、旋轉(zhuǎn)腳輪、止輪塊、冷卻風(fēng)扇、配件包和附加測試所需附件等。

用于連接待測試車輛驅(qū)動軸和輪轂測功機(jī)的法蘭盤根據(jù)不同車型而有不同的規(guī)格，如圖5中所示法蘭盤包含4mm×100mm、4mm×108mm、4mm×114.3mm，5mm× 100mm、5mm×114.3mm、5mm×120mm，5mm×110mm、5mm×112mm、5mm×130mm等幾種車輪螺栓布置模式。

圖5 輪轂測功機(jī)連接法蘭盤

由于輪轂測功機(jī)比較重，所以為了方便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)移動輪轂測功機(jī)，輪轂測功機(jī)模塊下面安裝有輪子，以調(diào)整位置和方向，同時在外框架上設(shè)計(jì)出扶手，以便推拉。汽車輪轂測功機(jī)在測試時，一般還需要用于防止汽車前后移動的約束裝置（如止輪塊），用于發(fā)動機(jī)艙冷卻的冷卻裝置，拆卸驅(qū)動輪時所需的扳手、千斤頂，用于失效保護(hù)的枕木等。

如果要實(shí)現(xiàn)排放和經(jīng)濟(jì)性測試，還需要配置氣體分析儀、發(fā)動機(jī)溫度傳感器和油耗儀等附件。

5 輪轂測功機(jī)的優(yōu)劣勢分析

5.1 輪轂測功機(jī)的優(yōu)勢

輪轂測功機(jī)是一種重要的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)整車性能測試設(shè)備，與底盤測功機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要捆扎（以固定車輛）；不存在車輪滑移問題；沒有輪胎阻力的損失；優(yōu)秀的重復(fù)性；不需要坑道或底座，價格便宜；便于移動；適合整車動力系統(tǒng)開發(fā)等。

輪轂測功機(jī)擺脫了傳統(tǒng)測功機(jī)必須固定安裝的局限，其可隨時移動，靈活地改變車輛測試地點(diǎn)；只要一塊15～20m2甚至更小的空間就可以安裝輪轂測功機(jī)系統(tǒng)來測試車輛，以完成動力系統(tǒng)測試、調(diào)校、排放測試、整車工況檢測等。設(shè)備擁有者可以出租輪轂測功機(jī)而獲得收益，從而降低設(shè)備成本；設(shè)備使用者可通過租賃方式實(shí)現(xiàn)自己的測試，從而降低研發(fā)費(fèi)用。

使用輪轂測功機(jī)，不僅可以對車輛的整車動力性進(jìn)行測試，而且配套使用氣體分析儀、發(fā)動機(jī)溫度傳感器和油耗儀等設(shè)備時，還可以測試汽車在各種工況下的尾氣排放指標(biāo)、發(fā)動機(jī)溫度、油耗等。正是由于輪轂測功機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來輪轂測功機(jī)已在國外汽車科研院所的科學(xué)試驗(yàn)及汽車維修領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

5.2 輪轂測功機(jī)的劣勢

相比于底盤測功機(jī)，輪轂測功機(jī)的單次測試安裝、拆卸時間較長。輪轂測功機(jī)獲得的是中間功率，不是車輪上的輸出功率，只能對整車性能進(jìn)行近似評估，而且輪轂測功機(jī)的測試結(jié)果不能和其他底盤測功機(jī)測試結(jié)果進(jìn)行對比。針對不同的汽車型號可能需要不同輪轂適配器（連接法蘭），而底盤測功機(jī)可以測試大多數(shù)汽車。

6 結(jié)語

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車測試行業(yè)逐漸向細(xì)化領(lǐng)域發(fā)展，輪轂測功機(jī)正是汽車測試行業(yè)向細(xì)化領(lǐng)域發(fā)展的重要設(shè)備，本文介紹了這種新型輪轂測功機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，并對其優(yōu)劣勢進(jìn)行了分析。相較于傳統(tǒng)底盤測功機(jī)，這類測功機(jī)具有成本低、便于移動的明顯優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］葉曉，金振華，高大威，等.測功機(jī)動態(tài)負(fù)載模擬算法［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（10）：1492-1497.

A New Type of Dynamometer——Axle-Hub Dynamometer

Shen Fang Guo Pengyan Zhang Ning Shao Fangge Liu Zichuan
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

In recent years,with the rapid development of the automotive industry,the automotive testing industry has gradually developed to more narrow branches field.Based on this,a new type dynamometer(Axle-Hub Dynamome?ter)was introduced,which has not yet appeared in China.And its structure and working principle were introduced, the superiority and inferiority of Axle-Hub Dynamometer were analyzed.The results show that the Axle-Hub Dyna?mometer has the advantages of cost and movability,and will have a good application prospects in China.

Axle-Hub Dynamometer；working principle；structure；superiority and inferiority

TM933.3

：A

：1003-5168（2017）01-0074-03

2016-12-21

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助計(jì)劃（13A460693）；華北水利水電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助（HSCX2014112）。

申方（1989-），男，碩士，研究方向：車輛、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)及測試。