一種新型測功機
——輪轂測功機

申方 郭朋彥 張寧 邵方閣 劉子川

（華北水利水電大學，河南鄭州 450045）

一種新型測功機
——輪轂測功機

申方 郭朋彥 張寧 邵方閣 劉子川

（華北水利水電大學，河南鄭州 450045）

近年來，隨著汽車行業的飛速發展，汽車測試行業逐漸向細化領域發展。基于此，介紹一種國內尚未出現的新型輪轂測功機，對其工作原理和結構進行詳細的研究，并對其優劣勢進行分析。結果發現，輪轂測功機具有成本低、便于移動的明顯優勢，具有較好的應用前景。

輪轂測功機；工作原理；結構；優劣勢

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，促進了我國汽車產業的迅速發展。自2009年以來，我國的汽車產銷量連續7a居世界首位，截至2015年底，我國機動車保有量達2.79億輛，僅次于美國，居世界第二。汽車產業的迅速發展使大量的資本、人力、物力向這個行業集聚，眾多高校、科研院所、企事業單位開始從事汽車方面的研究與開發。性能測試是汽車產品開發所必須經歷的階段，而測功機是汽車測試的重要設備。

1 測功機概述

按照測試對象不同，測功機主要有發動機/動力總成臺架測功機和底盤測功機兩大類，前者主要對動力總成進行測試，后者主要對整車進行測試。發動機/動力總成臺架測功機主要對發動機、驅動電機，或發動機-變速箱、驅動電機-變速箱、發動機-驅動電機-變速箱混合動力總成等在臺架上進行測試。底盤測功機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動輪置于滾筒上，將車輛固定后發動汽車，通過油門踏板、制動踏板實現車輛加減速行駛，此時車輛驅動輪通過摩擦帶動滾筒轉動，通過測試滾筒的轉速、扭矩即可測得待測車輛的車速、扭矩、功率等。

底盤測功機可實現對整車性能的測試，但是，底盤測功機因滾筒安裝于地下或地面鐵質底座上。所以，造價高，一次性投入大，且不能移動。這使得研發經費較少的高校、科研院所和企業難于開展整車研發與測試工作。近年來，國外出現一種新型測功機——輪轂測功機，使用這種測功機測試車輛時將車輛驅動輪的左右車輪拆下來，通過法蘭盤直接將驅動軸連接到左右測功單元上，這種測功機擺脫了傳統底盤測功機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，且價格便宜。因便于移動，使用者可通過租賃等方式實現自己的測試，非常適合經費較少的高校、科研院所及企業從事整車性能測試。目前，國內還沒有這種測功機。本文介紹這種新型交流電力輪轂測功機，對其工作原理和結構進行研究,并對其優劣勢進行分析。

2 測功機的分類

按測試原理，測功機一般可分為水力測功機、電渦流測功機和電力測功機［1］。早期主要以水力測功機和電渦流測功機為主，這兩種測功機在測試過程中，不僅要將被測試設備輸出的所有能量轉化為熱能消耗掉，而且還需要額外的冷卻散熱設備。這兩種測功機還無法實現倒拖原動機方面的測試，所以這兩種測功機的適用場合比較局限。

近年來，隨著電工電子技術、微機技術、控制技術的發展與應用，電力測功機得到了廣泛的應用。與水力測功機和電渦流測功機相比，電力測功機可以作為電動機倒拖原動機，并且在測功狀態下獲得的能量能夠回饋到電網。通常，電力測功機又分為直流電力和交流電力測功機［3］。早期，由于直流電力測功機調速性能好及成熟的控制技術，電力測功機以直流電力測功機為主。但是，直流電力測功機存在換向、設備復雜等問題。隨著變頻控制技術中的直接轉矩控制技術的日益成熟，交流電力測功機得到了迅速的發展。

3 輪轂測功機的原理

輪轂測功機一般采用交流電力形式，所以輪轂測功機的原理和交流電力測功機的原理相同。如果用P表示原動機輸出的有效功率（kW），T表示輸出軸上的有效轉矩（Nm），n表示轉速（r/min），則三者之間的關系為：

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

交流電力測功機作為原動機負載測功運行時實際上是一個發電機，其吸收被測原動機發出的功率，將原動機輸出的機械能轉變成電能，上傳電網，或直接消耗掉。通過控制測功電機的阻力來改變原動機的負荷及轉速，通過測量測功電機的轉速和軸上的轉矩來間接測量原動機的輸出轉矩和功率。當測功電機作電動機運行時，可拖動原動機以測定其機械損失。

4 輪轂測功機的結構

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

圖1 輪轂測功機系統組成圖

從功能上分，汽車輪轂測功機通常由加載裝置、測量裝置、測控系統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上所受的各種阻力和與汽車在實際道路上行駛時受的阻力和不相等，為了準確地在實驗室內模擬出被測試車輛在實際道路的行駛情況，就需要給被測試車輛提供相應的阻力來彌補兩者的阻力差，提供阻力差的這部分裝置被稱為加載裝置。交流電力測功機一般是通過改變產生磁場的電流大小來調節負載阻力。

表1是幾種測功機加載裝置性能對比，由表1可知，交流電力輪轂測功機采用的電力測功機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速裝置，是輪轂測功機的基本組件。測力裝置測量定子外殼所受的轉矩，經一定的變換后可以計算出驅動軸上的輸出轉矩。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的精度。輪轂測功機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轉子轉速，經相應的計算可獲得被測試車輛的行駛車速。測速裝置通常由轉速傳感器、數據采集處理電路等組成。轉速傳感器將轉子轉速信號轉化為脈沖信號進行傳輸，常用的轉速傳感器主要有磁電式轉速傳感器、光電式轉速傳感器和霍爾式轉速傳感器等。

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

測控系統是輪轂測功機的控制核心，其完成數據的采集、分析與處理，進而對被測試車輛的性能進行評估。交流電力輪轂測功機對被測試設備進行加載時，通過電機變頻控制器向交流電機發送轉速、扭矩等控制信號；測量時，通過傳感器采集轉速及扭矩等參數，并把這些參數轉化為電信號，這些信號傳輸到測功機控制器經過處理后，一路輸送到上位機中進行顯示（見圖4），另外一路經一定的算法整理成控制信號反饋給交流電機控制器，從而實現整個系統的閉環控制。

圖4 輪轂測功機上位機軟件界面

4.4 輔助裝置

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

用于連接待測試車輛驅動軸和輪轂測功機的法蘭盤根據不同車型而有不同的規格，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 輪轂測功機連接法蘭盤

由于輪轂測功機比較重，所以為了方便在實驗室內移動輪轂測功機，輪轂測功機模塊下面安裝有輪子，以調整位置和方向，同時在外框架上設計出扶手，以便推拉。汽車輪轂測功機在測試時，一般還需要用于防止汽車前后移動的約束裝置（如止輪塊），用于發動機艙冷卻的冷卻裝置，拆卸驅動輪時所需的扳手、千斤頂，用于失效保護的枕木等。

如果要實現排放和經濟性測試，還需要配置氣體分析儀、發動機溫度傳感器和油耗儀等附件。

5 輪轂測功機的優劣勢分析

5.1 輪轂測功機的優勢

輪轂測功機是一種重要的實驗室內整車性能測試設備，與底盤測功機相比具有以下優點：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；優秀的重復性；不需要坑道或底座，價格便宜；便于移動；適合整車動力系統開發等。

輪轂測功機擺脫了傳統測功機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；只要一塊15～20m2甚至更小的空間就可以安裝輪轂測功機系統來測試車輛，以完成動力系統測試、調校、排放測試、整車工況檢測等。設備擁有者可以出租輪轂測功機而獲得收益，從而降低設備成本；設備使用者可通過租賃方式實現自己的測試，從而降低研發費用。

使用輪轂測功機，不僅可以對車輛的整車動力性進行測試，而且配套使用氣體分析儀、發動機溫度傳感器和油耗儀等設備時，還可以測試汽車在各種工況下的尾氣排放指標、發動機溫度、油耗等。正是由于輪轂測功機的諸多優點，近年來輪轂測功機已在國外汽車科研院所的科學試驗及汽車維修領域得到了廣泛的應用。

5.2 輪轂測功機的劣勢

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

6 結語

隨著汽車行業的飛速發展，汽車測試行業逐漸向細化領域發展，輪轂測功機正是汽車測試行業向細化領域發展的重要設備，本文介紹了這種新型輪轂測功機的工作原理和結構，并對其優劣勢進行了分析。相較于傳統底盤測功機，這類測功機具有成本低、便于移動的明顯優勢，具有較好的應用前景。

［1］葉曉，金振華，高大威，等.測功機動態負載模擬算法［J］.清華大學學報（自然科學版），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

河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃（13A460693）；華北水利水電大學大學生創新計劃項目資助（HSCX2014112）。

申方（1989-），男，碩士，研究方向：車輛、發動機設計及測試。