ACD系列摩托車電慣量交流底盤測功機研究

方 華 李曙光

（中國兵器裝備集團摩托車檢測技術研究所 西安）

一、前言

當前，我國已經成為世界摩托車生產大國，年摩托車生產總量穩居世界第一，但仍不是生產強國，其中最大的弱點就是缺乏產品開發能力，各生產廠家的產品同質化相當嚴重，只能通過價格戰來爭奪有限的市場資源。近年來，越來越多的生產廠家意識到了技術創新和推出新產品的重要性，自建技術研發中心，需要引進或開發先進的摩托車實驗設備。

摩托車底盤測功機是應用現代電測和計算機技術，利用摩托車在路面行駛中與道路的相對運動關系，將摩托車道路行駛工況(如:道路阻力狀況、行駛慣性等)有效、等量地轉移到摩托車底盤測功機上，即摩托車底盤測功機仿真模擬各項行駛阻力，使摩托車整車的道路試驗項目以及應用工況法測量摩托車排氣污染物排放量等試驗移至室內進行的專用測試設備。摩托車產品的研發和國家質量監督機構的檢測，都需要底盤測功機作為檢測手段來具體實現。

二、底盤側動機基本原理

底盤測功機的主要作用是對摩托車運行中的慣量進行誤差范圍內的模擬，其中在技術手段上主要利用了電、氣離合器切換飛輪手動或自動組合，摩托車運動中質量慣量和轉動慣量的模擬是通過以慣性飛輪轉動慣量模擬實現，只有慣量等效才能確保最后的模擬效果可行。模擬慣量明確后，應該進一步明確摩托車運行中所受的阻力影響，包括爬坡阻力、從動輪滾動阻力、空氣阻力等，這一系列阻力的模擬是通過功率吸收加載裝置完成。另外，路面模擬需要的是一種相對運動裝置，在實際測試中摩托車不可能前行，那么必須由與摩托車相接觸的滾筒進行模擬，以實現車輪與路面相對滾動的效果。加持裝置控制方式可采取手動或自動控制，通過控制系統，驅動慣性模擬系統并指揮加載裝置運行，最終達到對摩托車的全面檢測，主要包括以下項目：爬坡性能、驅動輪輸出功率、校驗車速表、滑行性能、耗油性能、校驗里程表、最低穩定車速、動力性能（加速與減速）等（圖1）。

圖1 底盤測功機系統簡圖

底盤測功機的主要作用是對摩托車運行中的慣量進行誤差范圍內的模擬，其中在技術手段上主要利用了電、氣離合器切換飛輪手動或自動組合，摩托車運動中質量慣量和轉動慣量的模擬是通過以慣性飛輪轉動慣量模擬實現，只有慣量等效才能確保最后的模擬效果可行。模擬慣量明確后，應該進一步明確摩托車運行中所受的阻力影響，包括爬坡阻力、從動輪滾動阻力、空氣阻力等，這一系列阻力的模擬是通過功率吸收加載裝置完成。另外，路面模擬需要的是一種相對運動裝置，在實際測試中摩托車不可能前行，那么必須由與摩托車相接觸的滾筒進行模擬，以實現車輪與路面相對滾動的效果。加持裝置控制方式可采取手動或自動控制，通過控制系統，驅動慣性模擬系統并指揮加載裝置運行，最終達到對摩托車的全面檢測，主要包括以下項目：爬坡性能、驅動輪輸出功率、校驗車速表、滑行性能、耗油性能、校驗里程表、最低穩定車速、動力性能（加速與減速）等。

三、動力模型建立及關鍵問題的解決

經典的車輛理論已經把車輛在道路行駛的力學關系分析得十分詳盡，尤其是摩檢所袁宏勛老師早在20世紀80年代，對車輛在底盤測功機上的運行力學關系進行過周密的數學力學分析，推導出路試與臺試的等效關系并推出了車輛在底盤測功機上運行的力學方程式。但是在本次系統的研發過程中，仍存在一個問題需要確認解決，就是電慣量的模擬問題，即在底盤測功機有機械飛輪組的前提下，加速阻力全部由機械慣性力來提供，測功機的電器系統不涉及加速阻力，但是目前在研制電慣量模擬交流測功機的過程中需要用測功機轉矩來模擬飛輪的機械慣性，同時車輛還要受到測功機轉子、轉轂等機械慣性力的作用，作者在分析各種受力的基礎上建立了動力數學模型。

1.高速、高分辨率的速度測量方法

由于采用電慣量來代替機械飛輪組，要求道路阻力設定器實時測量轉鼓的速度，以此來計算出瞬時加速度、加速阻力，從而控制變頻器、測功機向受試車輛提供加速阻力。如果速度測量分辨率低，則加速度的分辨率和精度也就會低，如果速度測量的周期長，會使系統響應變慢，阻力施加變得滯后，從而會導致同一車輛路試和臺式的成績出現不一致。經過計算分析，定出速度測量周期≤20 ms，分辨率優于0.01 km/h。

一般情況下，速度測量有兩種方式，即T法與M法。T法求頻率是通過測量兩個脈沖間的時間間隔，將其利用周期頻率公式換算得到。由于在測量時間時可能存在半個或一個時間單位的誤差測量，因此當周期小時，用此方法測量帶來的誤差顯得過大，故對于周期長的低速情況使用T法比較合適。M法求頻率是通過測量單位時間內的脈沖個數直接得到頻率大小，在測量單位時間段內脈沖數時可能出現首尾各半個脈沖的測量誤差問題，因此會造成單位時間內測得的脈沖數存在一個或兩個誤差，如果周期長，脈沖數少，出現這樣的誤差將會給測量結果帶來很大影響，故對于周期短的高速情況使用M法比較合適。

如果用M法測量速度，M法測量周期50 ms，分辨率達到0.117 km/h。如果使用T法，測量周期和轉速成反比，不固定，給加速度計算帶來不便。為了解決速度的高速、高精度測量問題，經過查閱資料，找到了M/T法的方式，該方法綜合了M法和T法的優點。通過計算，測速分辨率達到0.01 km/h，測量周期達到10 ms，從而滿足了阻力設定器的要求。

2.道路阻力設定器滑行修正加速度的算法

為了準確修正滑行試驗中對各個點的速度值修正，首先，通過查閱標準ISO 11486《兩輪摩托車燃油消耗量用滑行法設定底盤測功機》，得出阻力計算公式（1）。

通過公式（1）編輯算法，測得的速度值有較大的波動，記錄各個時間點采集的速度值，得到的不是一個理想的二維曲線，而是一族曲線。

通過以下方法對系統進行檢查，首先用信號發生器給出穩定的標準頻率信號作為輸入，測得速度值非常穩定準確。但是，用測功機上的光電編碼器的信號進行輸入，測功機升速到高速后突然斷電，讓測功機進行無動力滑行，然后連續測速，結果測得的速度值波動范圍達到0.2～0.3 km/h。經過分析，判斷為所用的光電編碼器精度不高、輸出的脈沖信號間隔不均勻所致。通過更換高精度光電編碼器，同時對算法進行改進，對滑行過程中的連續測速值進行滑動分段，然后對每一個小段數據用最小二乘法進行擬合，擬合出一小段曲線，其斜率就是所需要的加速度。經過試驗驗證，該方法對于滑行修正和加速度測量效果很好。

四、試驗驗證

準備好試驗樣車，打開恒溫恒濕控制系統使環境條件趨于一致。并按照規定的預熱時間和要求對兩臺設備進行了預熱，道路阻力統一設定為EU3，連接好各信號傳感器線纜，做好試驗準備。按照國家相關標準分別進行了最高車速、滑行距離、爬陡坡、起步加速、超越加速等實驗，相關數據和試驗結果如表1～表5所示。

表1 最高車速試驗結果

表2 滑行距離試驗結果

表3 爬陡坡比對試驗結果

表4 起步加速比對試驗結果表4

表5 超越加速比對試驗結果

實驗結果采用常規的偏差分析方法進行計算，式（2）。

式中 y1——標準值

y2——ACD底盤測功機的測量結果

1.最高車速試驗結果（表1）

2.滑行距離試驗結果（表2）

3.爬陡坡比對試驗結果（表3）

4.起步加速比對試驗結果（表4）

5.超越加速比對試驗結果（表5）

五、結束語

通過室內臺架模擬摩托車性能試驗研究，綜合考慮了使用摩托車底盤測功機檢測汽車動力性、經濟性、排放等功能，研制了ACD系列摩托車用底盤測功機，適應車輛檢測需求，提高了檢測的準確性。實際試驗研究結果表明，該項目的研制為完善國家和摩托車行業性能檢測標準，為統一、規范測功機產品質量提供了技術基礎，能有效指導測功機產品設計、生產、使用和產品檢驗工作。