劉元鵬

（交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

基于轉(zhuǎn)矩達標法的汽油車輛動力性臺架檢測方法

劉元鵬

（交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

為解決汽車驅(qū)動輪輸出功率動力性檢測的不足，采用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩達標法，使用汽車底盤測功機，通過功率吸收裝置加載檢測驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速，并與發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩車速相比較，可有效評價營運車輛的動力性衰退程度。以汽油車輛為例，分析汽車底盤測功系統(tǒng)的加載力、驅(qū)動力、系統(tǒng)阻力及計算模型，提出額定轉(zhuǎn)矩車速與驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速的檢測方法。通過試驗誤差分析表明，檢測數(shù)據(jù)的重復性好，恒力控制準確度高，動力性評價準確。

汽車工程；汽油車輛；底盤測功系統(tǒng)；額定轉(zhuǎn)矩車速；加載力；驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速

為解決上述動力性檢測的不足，本文提出了動力性檢測的轉(zhuǎn)矩達標法，即比較發(fā)動機自身的實際動力性與額定動力性，用其轉(zhuǎn)矩衰退允許值的穩(wěn)定車速來評價車輛動力性的技術狀況，適用于汽車綜合性能檢測站對營運汽油車輛的動力性評定。

1 檢測原理

1.1 驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速

基于轉(zhuǎn)矩達標法的汽車動力性臺架檢測是以驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速為檢測計量參數(shù)，規(guī)定汽車發(fā)動機動力性衰退的允許限值（達標轉(zhuǎn)矩)，達到并超過該限值，動力性即合格，否則動力性不合格。

對汽油發(fā)動機車輛，標明轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時，需滿足：

式中：M——發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩，N·m；

Mm——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩，N·m；

η——發(fā)動機動力性衰退允許值，稱為發(fā)動機

轉(zhuǎn)矩達標比值系數(shù)，即發(fā)動機實際轉(zhuǎn)矩與額定

轉(zhuǎn)矩之比（由營運車輛技術標準予以限制)，ηMm

即為達標轉(zhuǎn)矩。

臺架檢測時，汽油車輛在變速器某一擋位下，發(fā)動機的任意轉(zhuǎn)速都對應一個確切的驅(qū)動輪輪邊線速度。由于發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（nm)和發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩（Mm)在發(fā)動機銘牌上標明，nm所對應的車速即為額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm)。因此，在測功機臺架空載條件下，可通過速度標定法測定額定轉(zhuǎn)矩車速。

臺架檢測時，發(fā)動機達標轉(zhuǎn)矩換算在對應車輛變速器擋位的底盤測功機滾筒輪邊車速和驅(qū)動輪當量驅(qū)動力滿足關系式[1]為

式中：Vm——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速對應的車速，即額定轉(zhuǎn)矩車速，km/h；

nm——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速，r/min；

r——驅(qū)動車輪半徑，m；

ig——變速器的傳動比；

i0——主減速器的傳動比；

Fm——發(fā)動機達標轉(zhuǎn)矩換算在驅(qū)動車輪上的

當量驅(qū)動力，N。

通過式（2)和式（3)換算，即：

在驅(qū)動輪的當量驅(qū)動力（Fm)與測試系統(tǒng)當量阻力相平衡時，通過底盤測功機加載檢測到驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速（Vw)，即在額定轉(zhuǎn)矩工況下的驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定線速度。

當Vw≥Vm時，實測轉(zhuǎn)矩≥ηMm，汽車動力性達標。

當 Vw＜Vm時，實測轉(zhuǎn)矩＜ηMm，動力性不達標。

綜上所述，基于轉(zhuǎn)矩達標法的汽車動力性臺架檢測以驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速（Vw)為指標進行評價。

1.2 加載力模型

達標法的汽車動力性臺架檢測存在許多相關力。其中，有些力作用在被測車輛的驅(qū)動輪上，而有些力則作用在發(fā)動機上，為便于車輪驅(qū)動力與系統(tǒng)阻力的平衡計算，將發(fā)動機驅(qū)動力與系統(tǒng)各阻力統(tǒng)一換算在驅(qū)動輪表面，分別定義為發(fā)動機當量驅(qū)動力和相應當量阻力。

臺架檢測時，發(fā)動機動力傳遞過程中的阻力：

發(fā)動機→發(fā)動機附件阻力→傳動系阻力→車輪滾動阻力→測功機臺架內(nèi)阻，見圖1。發(fā)動機需要克服這些阻力將力傳遞到驅(qū)動輪，完成做功過程。

圖1 臺架檢測系統(tǒng)中的阻力示意圖

研究表明，同一車輛的發(fā)動機，在不同的速度點，產(chǎn)生的當量驅(qū)動力隨著速度的增加而逐漸降低，降低的拐點在Vm點。底盤測功機加載檢測驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速（Vw)時，車輛驅(qū)動輪表面上的驅(qū)動力與檢測系統(tǒng)的阻力應達到力平衡[1]，即：

式中：Fm——在額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm)發(fā)動機達標轉(zhuǎn)矩換算在驅(qū)動輪表面的當量驅(qū)動力，N；

FM——檢測環(huán)境下功率吸收裝置在滾筒表面上的加載力，N；

Ftc——底盤測功機臺架內(nèi)阻，N；

Fc——驅(qū)動輪車輪滾動阻力，N；

Ff——在額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm)發(fā)動機附件消耗轉(zhuǎn)矩換算在驅(qū)動輪上的阻力，N；

Ft——車輛傳動系允許阻力，N。

1.3 底盤測功系統(tǒng)

用于轉(zhuǎn)矩達標法動力性檢驗的底盤測功機除滿足交通行業(yè)標準JT/T 445——2008《汽車底盤測功機》[2]外，還應符合以下要求[3]。

1)底盤測功機應能根據(jù)檢測環(huán)境溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)計算校正系數(shù)，且能根據(jù)登錄車輛參數(shù)和信息，計算功率吸收裝置的加載力并進行恒力加載。

2)底盤測功機的靜態(tài)力示值誤差為±1.0%，恒力控制誤差為±20N，車速示值誤差為±0.2km/h或±1.0%。

3)底盤測功機應能顯示功率吸收裝置的瞬時加載力和曲線以及瞬時車速和曲線，并能通過外部顯示設備提示操作過程。

4)標注底盤測功機臺架轉(zhuǎn)動件的基本慣量。

5)底盤測功機滾筒上母線應保持水平，各滾筒兩端點間的高度差應不大于±5mm。

2 檢測方法

2.1 檢測額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm）

底盤測功機不加載的條件下，起動被檢車輛發(fā)動機，逐步加速，選擇變速器第3擋位，采用加速踏板控制車速，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速nm時，測取此時驅(qū)動輪輪邊線速度為額定轉(zhuǎn)矩車速Vm。當Vm＞80 km/h時，應降低1個擋位，重新測取額定轉(zhuǎn)矩車速Vm。有些營運汽油車輛額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速nm＞4 000 r/min時，為降低檢測時的車速，按nm=4000r/min 測取 Vm。

2.2 檢測驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速（Vw）

檢測驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速應在加載檢測環(huán)境下進行，通過底盤測功機功率吸收裝置進行恒力加載。

2.2.1 加載力（FM)的計算

在加載檢測環(huán)境下的功率吸收裝置加載力（FM)，按式（5)換算為下式計算：

1)驅(qū)動輪表面的當量驅(qū)動力（Fm)的計算

在檢測狀態(tài)下被檢車輛及測功機系統(tǒng)阻力平衡后，驅(qū)動車輪達到穩(wěn)定車速，在額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm)下，F(xiàn)m按下式計算：

式中：Mm——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)矩，N·m；

αa——汽油發(fā)動機動力性校正系數(shù)。

2)底盤測功機臺架內(nèi)阻（Ftc)的計算

底盤測功機臺架內(nèi)阻（Ftc)主要由風冷式電渦流機風阻、軸承阻力以及加工制造和裝配誤差產(chǎn)生的阻力構成，作用在驅(qū)動輪表面上。營運汽油車輛總質(zhì)量一般在3.5t以下，底盤行駛系多為二軸結構。經(jīng)試驗研究，對于二軸四滾筒式臺架內(nèi)阻（Ftc)推薦值為110N；若測功機具有反拖裝置時，也可采用反拖法定期測量測功機在50km/h時的臺架內(nèi)阻。

3)驅(qū)動輪車輪滾動阻力（Fc)的計算[4]

汽車動力性臺架檢測時，被測車輛驅(qū)動輪與測功機滾筒間存在滾動阻力，該力作用在驅(qū)動輪表面上，每一個車速點的滾動阻力與驅(qū)動軸軸質(zhì)量成正比，F(xiàn)c按下式計算：

式中：fc——臺架滾動阻力系數(shù)，在額定轉(zhuǎn)矩車速Vm≥70 km/h 時，fc取 2f；Vm＜70 km/h 時，fc取1.5f。f是汽車在水平硬路面上行駛的滾動阻力系數(shù)，子午線輪胎f取0.006，斜交輪胎f取0.010；

GR——驅(qū)動軸空載質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，取g=9.81m/s2。

4)發(fā)動機附件消耗阻力（Ff)的計算

發(fā)動機的附件阻力不僅包含了其自身附件阻力，也包含了排氣制動閥、制動用的壓氣泵、空調(diào)用的冷氣泵、動力轉(zhuǎn)向用的液壓泵等車輛附件阻力，并作用在發(fā)動機上。在額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm)下，發(fā)動機附件消耗換算在驅(qū)動輪上的阻力（Ff)按下式計算：

式中fm為Vm車速點的發(fā)動機附件消耗轉(zhuǎn)矩系數(shù)，fm取0.06。

5)車輛傳動系允許阻力（Ft)的計算

汽車動力性臺架檢測時，影響評價結果還包括傳動系的技術狀況[5-6]。因此，規(guī)定傳動系允許阻力有利于在保證發(fā)動機動力傳遞的同時，也保證車輛驅(qū)動輪的動力性。

經(jīng)試驗表明，汽車傳動系一對圓柱齒輪副的傳動效率約為0.98，汽油車變速器一般不超過6個（含6個)前進擋位，傳動效率約為0.95，萬向節(jié)和傳動軸的傳動效率約為0.98，單級主減速器的傳動效率約為0.96，雙級主減速器的傳動效率約為0.92。由于動力性檢測規(guī)定為直接擋，沒有通過齒輪傳動的變速器傳動效率最高約為0.97。

統(tǒng)計營運汽油車變速器與主減速器的匹配結構型式，計算車輛傳動系效率ηT為

傳動系阻力系數(shù)為（1-ηT)=1-0.8746≈0.13?？紤]到允許在用車傳動系技術狀況的下降，故設定（1-ηT)≈0.18。

因此，車輛傳動系允許阻力（Ft)換算到驅(qū)動輪表面上，按下式計算：

2.2.2 汽油發(fā)動機動力性校正系數(shù)（αa)的計算

一般情況下，汽車發(fā)動機動力性（功率、轉(zhuǎn)矩)是在標準環(huán)境狀態(tài)下標定的，即：大氣壓P0=100 kPa；相對濕度φ0=30%；標準環(huán)境溫度T0=298 K（25℃)；干空氣壓PS0=99kPa。

汽車在使用條件下，發(fā)動機動力性（功率、轉(zhuǎn)矩)會隨環(huán)境狀態(tài)的大氣壓、溫度、濕度的不同而發(fā)生改變，動力性檢測需要根據(jù)環(huán)境條件對檢測結果進行標準環(huán)境狀態(tài)下的數(shù)據(jù)校正。

汽油發(fā)動機校正系數(shù)αa按下式[7]計算：

式中：PS0——標準環(huán)境狀態(tài)下干空氣壓，99kPa；

T——檢測環(huán)境狀態(tài)下的環(huán)境溫度，K；

T0——標準環(huán)境狀態(tài)溫度，298K。

Ps——檢測環(huán)境狀態(tài)下的干空氣壓，kPa。

按下式計算：

式中：P——檢測環(huán)境狀態(tài)下的大氣壓，kPa；

φ——檢測環(huán)境狀態(tài)下的相對濕度，%；

Psw——檢測環(huán)境狀態(tài)下的飽和蒸氣壓，kPa。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

踩下加速踏板使車速超過Vm，底盤測功機逐步進行恒力加載至FM（±20 N)范圍內(nèi)并穩(wěn)定3s后，開始測取被檢車輛車速，當3s內(nèi)的車速值變化不超過±0.5km/h時，該車速即為驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速Vw，檢測結束。

檢測結束后存儲以下被檢車輛相關參數(shù)及中間數(shù)據(jù)：η、Mm、Vm、Vw、nm、Fm、FM、Ftc、Fc、Ff、Ft、αa以及檢測環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力，作為車輛檢測檔案（電子檔案)的內(nèi)容。

3 試驗誤差分析

選擇試驗車輛，額定轉(zhuǎn)矩142N·m，額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速3500r/min。檢測環(huán)境溫度8℃，濕度86.0%，大氣壓101.6kPa，αa=0.95。取轉(zhuǎn)矩達標比值系數(shù)η=0.75，變速器為2擋，進行6次動力性檢測Vm、Vw，試驗檢測結果見表1。

根據(jù)表中動力性檢測結果和檢測過程數(shù)據(jù)分析：

1)Fm、FM中間數(shù)據(jù)重復性較好，額定轉(zhuǎn)矩車速（Vm)的測量計算值穩(wěn)定，誤差主要由額定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速讀數(shù)誤差（±0.2%)、額定轉(zhuǎn)矩下車速測量誤差（±1.2%)和測功機系統(tǒng)誤差累計所造成，說明測功機產(chǎn)品質(zhì)量與控制系統(tǒng)直接影響檢測結果。

2)測功系統(tǒng)的恒力控制方式（±1.0%示值誤差)，保障了驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速（Vw)的穩(wěn)定。

表1 η=0.75時達標值的動力性檢測結果

3)分析比較發(fā)動機外特性曲線，在額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（3 500±300)r/min范圍內(nèi)變化，轉(zhuǎn)矩值變化較?。?0.625%)，說明車速誤差對檢測的準確性影響很小。

4 結束語

本文研究表明轉(zhuǎn)矩達標法對營運汽油車輛提供了快捷、安全的動力性檢測臺架檢測方法，具有良好的可操作性，并得到以下結論：

1)在額定轉(zhuǎn)矩點準確檢測車輛的實際額定轉(zhuǎn)矩車速，既控制了力也控制了車速，提高了動力性檢測結果的準確性，適用車型廣。

2)控制和檢測準確度較高。底盤測功機采用恒力控制，發(fā)動機能自動適應恒力，實現(xiàn)了定量控制，提高了系統(tǒng)慣量對加載的響應性能，使發(fā)動機動力與系統(tǒng)阻力快速達到平衡的穩(wěn)定車速，減小動態(tài)慣性誤差，提高了測試準確度。

3)動力性校正準確、簡便。轉(zhuǎn)矩達標法動力性檢測既保證了車輛驅(qū)動輪的動力性，也兼顧了發(fā)動機的動力性，可動態(tài)設置不同的達標轉(zhuǎn)矩比值系數(shù)，進行動力性技術等級評定等檢測。

[1] 仝曉平，劉元鵬.道路運輸車輛綜合性能檢驗與技術等級評定[M].北京：人民交通出版社，2016：100-121.

[2]汽車底盤測功機：JT/T 445-2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]測功裝置檢定規(guī)程：JJG 653-2003[S].北京：中國計量出版社，2003.

[4]張學利，何勇.汽車動力性檢測中的滾動阻力[J].公路交通科技，2000（5)：93-95，106.

[5]任有，許洪國，李顯生，等.汽車底盤測功機慣性系統(tǒng)開發(fā)研究[J].公路交通科技，2002，19（3)：141-143.

[6] 許洪國.汽車運用工程[M].北京：人民交通出版社，2014：21-29.

[7]汽車動力性臺架試驗方法和評價指標：GB/T 18276-2000[S].北京：中國標準出版社，2000.

Rack detection method for power performance of gasoline vehicles based on principle of torque standard

LIU Yuanpeng
（Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China)

Motor torque standard was adopted to solve the defects of output power performance detection for driving wheel of vehicles.By using chassis dynamometer of vehicles and power absorption device， driving wheel steady speed was loaded and detected.Besides， by comparing with rated torque speed of motor，power recession degree of vehicles in operation could be effectively evaluated.For example （gasoline vehicles)， the loading force， driving force， system resistance and calculation model of the automobile chassis dynamometer system were researched and analyzed，and the method for detecting the rated torque speed and driving wheel steady speed was presented.The test error analysis shows the good repeatability of detection data，the high precision of the control of constant power，and the high accuracy of dynamic performance evaluation.

vehicle engineering； gasoline vehicle； chassis dynamometer system； rated torque speed；loading force；driving wheel steady speed

A

1674-5124（2017）10-0014-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.003

0 引 言

汽車運輸效率的高低主要取決于汽車的動力性，動力性衰退是汽車技術狀況變差的主要征兆，主要表現(xiàn)形式為額定功率或額定轉(zhuǎn)矩下降。因此，動力性檢測是營運車輛技術等級評定的重要項目之一。傳統(tǒng)方法是采用汽車底盤測功機臺架檢測驅(qū)動輪輸出功率的指標來評價，在實際檢測中由于發(fā)動機處于滿負荷運行，對應轉(zhuǎn)速及車速較高，導致臺架過加載工況下檢測，車輛驅(qū)動輪與滾筒表面也會產(chǎn)生較大的滑移，難以準確評價汽車動力性，也易損壞車輛，帶來安全隱患；檢測過程中，滿負荷過加載檢測時間長，會加劇功率吸收裝置（電渦流機)的熱衰減，甚至無法正常連續(xù)檢測。

2017-03-23；

2017-05-18

國家道路交通安全科技行動計劃（2009BAG13A04)

劉元鵬（1963-)，男，吉林通化市人，副研究員，主要從事營運車輛技術管理與檢測研究。

（編輯：李妮）