王明塔

（天津科達(dá)動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司，天津 300072）

0 引言

中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)是指兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓直接安裝在電機(jī)軸頭兩端的轉(zhuǎn)鼓底盤測(cè)功機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的底盤測(cè)功機(jī)比傳統(tǒng)直線型底盤測(cè)功機(jī)（電機(jī)放在一側(cè)，兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓放在一側(cè)，電機(jī)與轉(zhuǎn)鼓通過聯(lián)軸器聯(lián)接成一體）結(jié)構(gòu)緊湊，需要地坑尺寸更小，軸承數(shù)量少測(cè)量精度高。并且在設(shè)計(jì)中可以把測(cè)力機(jī)構(gòu)，力的標(biāo)定系統(tǒng)放在測(cè)功機(jī)頂部，使設(shè)備的安裝維護(hù)都非常方便，是目前汽車性能檢測(cè)領(lǐng)域比較流行的底盤測(cè)功機(jī)。

1 中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)的誤差分析及修正

中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子以及電機(jī)定子在電機(jī)發(fā)電過程和電動(dòng)過程中電機(jī)勻速運(yùn)行時(shí)的受力如圖2所示。

圖1 中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)子及電機(jī)定子在電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行時(shí)受力圖

圖中符號(hào)的含義：Me—軸扭矩－測(cè)功機(jī)軸上的扭矩（N·m）。發(fā)電運(yùn)行時(shí)是測(cè)功機(jī)軸上（轉(zhuǎn)鼓上）的制動(dòng)力矩。電動(dòng)運(yùn)行時(shí)是測(cè)功機(jī)軸上（轉(zhuǎn)鼓上）的驅(qū)動(dòng)力矩；Mc—電磁力矩 （N·m）；Mzm—轉(zhuǎn)子軸承摩擦阻力矩 （N·m）；Mdm—定子軸承的摩擦阻力矩（N·m）；Mtm—鐵損等損失（N·m），硅鋼片中磁滯渦流損耗等；Mzf1—電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩（N·m）；Mzf2—轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件風(fēng)阻力矩（N·m）；Mdf1—電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)流攪動(dòng)對(duì)定子的驅(qū)動(dòng)力矩（N·m）；Mdf2—電機(jī)冷卻風(fēng)對(duì)定子的驅(qū)動(dòng)力矩（N·m）；Mf：測(cè)功機(jī)測(cè)力機(jī)構(gòu)的約束力矩（N·m）（測(cè)功機(jī)指示值）。

1.1 發(fā)電運(yùn)行

轉(zhuǎn)子的平衡關(guān)系式為：

定子的平衡關(guān)系式為：

由于冷卻風(fēng)對(duì)定子的附加力矩Mdf2是一個(gè)常數(shù)，所以可以在標(biāo)定時(shí)開風(fēng)機(jī)標(biāo)定測(cè)功機(jī)的零點(diǎn)就可以消除風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)的影響。則式（2）就可以改寫為：

式（1）-式（3）有：

令：ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1

我們稱ΔM為風(fēng)阻附加阻力則：

即中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)鼓制動(dòng)扭矩Me等于測(cè)功機(jī)指示值Mf和定子軸承阻力Mdm之和再加上風(fēng)阻附加阻力ΔM。

1.2 電動(dòng)運(yùn)行

轉(zhuǎn)子的平衡關(guān)系式為：

定子的平衡關(guān)系式為：

標(biāo)定時(shí)開冷卻風(fēng)機(jī)標(biāo)定測(cè)功機(jī)的零點(diǎn)消除冷卻風(fēng)阻Mdf2的影響。則式（7）改寫為：

將式（8）代入式（6）中

令ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1則有：

即中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)軸輸出扭矩Me等于測(cè)功機(jī)指示值Mf和定子軸承阻力Mdm之和再減去風(fēng)阻附加阻力ΔM。

1.3 中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量值的修正

為了得到測(cè)功機(jī)軸上準(zhǔn)確的制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)扭矩必須對(duì)測(cè)量指示值進(jìn)行修正。下面分別分析各項(xiàng)影響因素和修正方法。

1.3.1 測(cè)功機(jī)冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩Mdf2。

測(cè)功機(jī)冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩是由于冷卻空氣沖擊定子外殼產(chǎn)生的附加扭矩。減少測(cè)功機(jī)冷卻風(fēng)產(chǎn)生的附加扭矩和修正方法為：

（1）設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)道盡量沿電機(jī)定子外殼的軸線方向，使附加扭矩盡量小。

（2）Mdf2與測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷無關(guān)，僅與冷卻風(fēng)量有關(guān)，所以冷卻風(fēng)附加扭矩Mdf2基本上是常數(shù)，所以可以標(biāo)定時(shí)開風(fēng)機(jī)設(shè)定測(cè)功機(jī)零點(diǎn)來修正。

1.3.2 定子軸承摩擦阻力Mdm的修正

定子軸承的摩擦阻力Mdm與軸承徑向載荷有關(guān)。而軸承的徑向載荷主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的總重量，測(cè)功機(jī)的負(fù)荷，兩個(gè)軸承的同軸度，以及測(cè)功機(jī)軸與被測(cè)機(jī)械軸的同軸度有關(guān)。所以要準(zhǔn)確的計(jì)算和測(cè)量是很困難的。

對(duì)于一般測(cè)功機(jī)而言只要設(shè)計(jì)合理，加工精度和安裝精度能夠保證，定子軸承的阻力相對(duì)來說很小，可以忽略不計(jì)。而對(duì)于中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)定子軸承的徑向負(fù)荷除了電機(jī)重力以及測(cè)力傳感器引起的徑向負(fù)荷外還有兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓的重力，壓在轉(zhuǎn)鼓上試驗(yàn)用車輛的重力，以及沿轉(zhuǎn)鼓表面切線方向的制動(dòng)力都會(huì)增加定子軸承的徑向負(fù)荷。初步估算在最大車重，最大制動(dòng)力時(shí)定子軸承的摩擦阻力高達(dá)70多N.m。折合到轉(zhuǎn)鼓輪表面相當(dāng)于120N的阻力。所以必須采用適當(dāng)?shù)拇胧┬拚?/p>

圖3是消除定子軸承摩擦阻力的一種方法。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電機(jī)每端定子是用一個(gè)軸承支撐，測(cè)量時(shí)定子軸承不旋轉(zhuǎn)，只是在很小的范圍內(nèi)擺動(dòng)。而改進(jìn)結(jié)構(gòu)電機(jī)每端的定子是用雙軸承支撐，并且兩個(gè)軸承中間加裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)套。旋轉(zhuǎn)套在電機(jī)鏈子的帶動(dòng)下慢速旋轉(zhuǎn)。并且為了避免牽引力信號(hào)偏移，定子兩端驅(qū)動(dòng)鏈子的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣就保證了驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)摩擦相互抵消。通過改進(jìn)把克服一個(gè)軸承的靜摩擦變?yōu)榭朔蓚€(gè)軸承的動(dòng)摩擦。這樣可以使定子軸承的摩擦阻力趨近于零。很好的消除了定子軸承摩擦阻力對(duì)測(cè)量的影響，并有效的消除了測(cè)量中測(cè)量滯后的現(xiàn)象。

圖3 消除定子軸承摩擦阻力的一種方法

1.3.3 風(fēng)阻附加阻力ΔM的修正

其中：Mzf1：電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩（N·m）；Mzf2：轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件風(fēng)阻力矩（N·m）；Mdf1：電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)流攪動(dòng)對(duì)定子的驅(qū)動(dòng)力矩（N·m）。

一般電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子在一個(gè)密閉的空間，所以可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起空氣動(dòng)能全部傳給定子外殼?？諝鈱?duì)轉(zhuǎn)子的阻力Mzf1和空氣對(duì)定子的驅(qū)動(dòng)力Mdf1相等。即Mzf1≈Mdf1。一般的測(cè)功機(jī)輸出軸上沒有轉(zhuǎn)鼓等大的旋轉(zhuǎn)件，可認(rèn)為Mzf2→0。所以一般測(cè)功機(jī)可以近似認(rèn)為ΔM=0。而對(duì)于中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓等旋轉(zhuǎn)件攪動(dòng)空氣的阻力無法傳遞到測(cè)功機(jī)定子外殼，所以此阻力測(cè)力機(jī)構(gòu)測(cè)量不出來，故必須進(jìn)行修正。修正方法如下：

從式 （10）可知測(cè)功機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)有Me=Mf+Mdm-ΔM。當(dāng)測(cè)功機(jī)軸上無輸出時(shí)，也就是中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓上不放車，測(cè)功機(jī)空轉(zhuǎn)。則Me=0。式（10）可寫為ΔM=Mf+Mdm。如前所述Mdm→0則有ΔM=Mf。即底盤測(cè)功機(jī)電動(dòng)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)功機(jī)指示值Mf即為該轉(zhuǎn)速測(cè)功機(jī)的風(fēng)阻附加值ΔM。改變測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以測(cè)出不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)阻附加值。最后擬合出ΔM=f（n）的關(guān)系方程，便可以對(duì)風(fēng)阻附加值ΔM進(jìn)行修正。

2 結(jié)束語

中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，軸承數(shù)量少，占用地坑面積小的特點(diǎn)。通過對(duì)影響中置式測(cè)功機(jī)系統(tǒng)各個(gè)因素的修正就可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩。當(dāng)測(cè)功機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動(dòng)力矩Me等于測(cè)功機(jī)的指示值Mf減去風(fēng)阻附加阻力ΔM，即Me=Mf-ΔM。當(dāng)測(cè)功機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)鼓的制動(dòng)力矩Me等于測(cè)功機(jī)指示值加上風(fēng)阻附加阻力ΔM，即Me=Mf+ΔM。通過對(duì)影響因素的修正，使中置式汽車底盤測(cè)功機(jī)的測(cè)量更加準(zhǔn)確。