四驅汽車底盤測功機用滑行時間測試儀的研發與應用

呂慶斌?劉嘉靖?鄔洋?郭鸞

摘要：針對四驅汽車底盤測功機在實際使用過程中，進行速度同步性校準和滑行時間檢測的需求，并且考慮到計量部門進行設備檢測時，對四驅汽車底盤測功機前后轉鼓同時進行計量的實際需要，研發了一種四驅汽車底盤測功機用滑行時間測試儀。實驗表明，該測試儀不僅可以有效地測量滑行時間等參數，還可以實現多通道同步測量，來完成前后轉鼓速度同步性等參數的測量。

關鍵詞：四驅汽車底盤測功機 速度同步性校準 滑行時間 多通道同步測量

Abstract： A sliding time tester of for four-wheel drive （4WD） vehicle chassis dynamometer is developed， considering the test demand of speed synchronization calibration， sliding time and the calibration of front and rear drum for the metrology department at the same time. Experiments show that the tester not only can effectively measure parameters such as sliding time， also can realize multi-channel synchronous measurement， to complete the measurement of front and rear drum speed synchronization parameters.

Key words： 4WD vehicle chassis dynamometer， speed synchronization calibration， sliding time， multi-channel synchronous measurement

0 引言

底盤測功機，又稱轉鼓試驗臺，是一種室內機動車檢測設備。汽車底盤測功機通過滾筒模擬路面，計算出道路模擬方程，并用加載裝置進行加載模擬，實現對汽車各種工況的準確模擬。汽車在道路上行駛時，汽車相對于靜止的路面做縱向運動，在底盤測功機上是以轉鼓的表面來取代路面，這時轉鼓的表面相對于靜止的汽車作旋轉運動。試驗時，使用汽車底盤測功機模擬汽車的行駛阻力（與一定的計算機技術與數據處理方法相結合），使汽車受力狀況如同在道路上行駛，從而可以在不解體整車狀態下檢測汽車動力性、多工況排放指標、燃油指標等各項性能指標。同時能方便地進行汽車的加載調試和診斷汽車在負載條件下出現的故障等。由于汽車底盤測功機在試驗時能通過控制試驗條件，使周圍環境影響減至最小，同時通過功率吸收加載裝置來模擬道路行駛阻力，控制行駛狀況，故能進行符合實際的復雜循環試驗，因而得到汽車制造廠、機動車檢測站、維修站和4S店的廣泛應用。

底盤測功機分為兩類：單滾筒底盤測功機和雙滾筒底盤測功機。近年來因電子計算機技術的高度發展，為數據的采集、處理及試驗數據分析提供了有效的手段，同時為模擬道路狀態準備了條件，加速了底盤測功機的發展，加之各類專用軟件的開發和應用，使汽車底盤測功機得到了廣泛的推廣。

由于底盤測功機的重要作用，長期以來，國內外的學者及研究機構均對其展開了研究與探討。如：王建強、何鳳江等人[1]通過研究驅動狀態和反拖狀態下的受力分析，在雙滾筒底盤測功機上利用反拖法求出了汽車在驅動狀態下的滾阻，但是由于反拖時并未考慮到傳動系產生的阻力從而導致了測試精度也不是很高。過學迅、李玉民[2]等系統地探討了轉鼓試驗臺的模擬原理，但是由于所研究的底盤測功機為國外20世紀80年代的產品，使得其測試精度不是很高。華東交通大學肖文龍[3]以單滾筒底盤測功機為研究對象，利用相關的數學模型和試驗進行了研究，以測試底盤測功機的加載阻力。劉志雄對底盤測功機系統誤差產生的原因進行了分析[4]，提出了對誤差進行校正的方法，旨在提高底盤測功機的測試精度，以期為同類產品的研究與開發提供參考。長安大學王曉東[5]提出了一種具有較高精確度的用底盤測功機模擬被測車輛道路行駛阻力的加載力計算方法。武漢理工大學劉偉[6]借鑒和吸收了以往先進的研究成果，開發和研究了針對電動汽車的室內測試設備汽車底盤測功機的相關技術。胡博[7]設計了一種基于總線的汽車底盤測功機測控系統。系統按功能劃分為數據采集節點、控制節點和通信節點，并由轉接口電路實現上下位機之間的通信。基于總線進行設計，使整個系統分工明確，有利于系統的擴展和網絡化。畢朋飛[8]以AVL Roadsim型48英寸 （1英寸=25.4毫米）單滾筒底盤測功機為試驗平臺，以江鈴寶典 2007款為試驗車輛，采用正向加載試驗和反拖試驗相結合的方法，在免拆卸狀態下檢測出汽車傳動系統的功率和發動機輸出功率，從而準確地計算出汽車的傳動效率。張訓[9]在詳細分析汽車道路上和底盤測功機上運行受力情況的基礎上， 采用電模擬阻力加載裝置建立了測功機電模擬模型。吉林大學王文揚[10]設計了由PC機和I/O板、A/D板組成的底盤測功機測控系統。前述對汽車測功機的研究主要集中在對測功機本身機構進行優化，對其測量系統的改進開展的研究工作相對較少。并且研究對象也多是用于單軸車輛動力性等測試的測功機。

基于目前傳統底盤測功機中存在的上述問題，本文提出并研發了一種四輪汽車底盤測功機用滑行時間測試儀。該底盤測功機用滑行時間測試儀通過讀取接觸式轉速采集裝置中編碼器的脈沖信號周期測量測功機滾筒表面線速度，再用高精確度的溫補晶振計時來記錄滑行時間，從而對汽車底盤測功機系統性能做校準。并且本滑行測試儀還可以進行多通道測量，有效提高計量效率。該裝置主要包括機械部分和電氣信息采集部分，將在本文接下來的章節進行詳細的介紹。

1 滑行時間測試儀設計與研發

1.1 機械部分設計原理

機械部分采用的是接觸式轉速采集裝置，該裝置主要有尼龍計量輪、編碼器、鋁合金拐臂、鋁合金連桿、鋁合金調整絲桿、阻尼器、拉簧、磁力座和鎖緊把手等組成，如圖1所示。

圖1 測速滾輪裝置示意圖

為提升轉速采集裝置整體的可攜帶便利性、可操作性，同時又不降低各項使用性能。采集裝置主體使用高強度鋁合金，選用該種鋁合金材料可以在保證機械強度的同時最大程度地降低該裝置的重量，方便攜帶。加工完成后對鋁合金工件進行表面工藝處理以提高耐用性和美觀度。直接與滾筒等接觸的尼龍計量輪，綜合考慮其耐磨性、耐腐蝕性，以及合理的加工工藝性，選用黑色尼龍棒整體一次加工而成，充分保證尼龍計量輪加工時對同軸度、平面度、表面粗糙度等要求。由于汽車底盤測功機在工作過程中轉速較高，并且受到裝配、加工等因素的影響，底盤測功機的滾筒在工作過程中會產生振動。為了最大程度減小計量輪旋轉時的震動對系統造成的影響，在整個測試儀機械裝置設計中加入了彈性、阻尼系統。磁力座連接桿采用滾花工藝可有效防止連接桿和滾輪臂的滑移旋轉，起到了固定連接桿和滾輪臂的作用，限制兩者在其他運動方向上的自由度。緊固卡機構可支持人工緊固，在該過程中無需借助其他工具，可以方便快捷地對各連接部件起到固定的作用。然后將直徑130mm的耐磨材料的硬質橡膠滾輪與汽車底盤測功機相切接觸，通過支撐座的彈性壓力來和滾輪表面緊密貼合旋轉來測量滾輪轉度。最后利用編碼器經過電氣信號采集系統計算輸出滾筒表面的線速度，再用高精確度的溫補晶振計時來記錄滑行時間，從而對汽車底盤測功機測量過程中的滑行時間進行測量與讀取。

1.2 電氣部分設計原理

所研發的四驅汽車底盤測功機用滑行時間測試儀的電氣部分硬件主要包括以下組成元器件：（1）編碼器；（2）AC633板卡；（3）Linux開發板imx283A板卡；（4）7寸（1寸=33.3mm）彩色觸控液晶顯示器等。Linux開發板負責人機界面顯示、檢測項目流程控制、數據處理顯示、數據上傳等功能。7寸電容屏，主要提供人機交互界面，可供觸摸操作。使用過程中位于接觸式采集裝置上的編碼器主要完成對尼龍車輪的車速的采集。編碼器采集完車速信號之后，AC633板卡主要是通過軟件對編碼器采集的車速信號進行處理，在軟件中主要速度采集使用定時周期采集編碼器脈沖數量，可以計算出頻率，然后每次頻率都緩存到一個數組中，數組緩存50個，在這50個頻率中去掉最大值、最小值后取平均值得到當前頻率，頻率與速度的關系為：

式中：

vi——掃頻信號發生器設定輸出的標準速度值，km/h；

fi——掃頻信號發生器設定輸出頻率值，kHz；

N——編碼器每轉的脈沖數；

D——速度采樣器轉動輪的直徑，mm。

根據上述公式計算得出頻率每變化1kHz，速度相應的變化0.68014933km/h。在軟件中滑行時間是在20ms頻率計算中斷函數里面判斷頻率是否到達開始計時頻率，如果開始就啟動定時計時器計時，判斷到達計時結束頻率點，就停止計時，在開始和結束計時的點利用二次擬合的方法進行修正，最終得到精確的滑行時間。最后，將處理好的車速和滑行時間數通過linux平臺在7寸彩色觸控液晶顯示器上進行顯示和設定相關的參數。所研發的四驅汽車底盤測功機用滑行時間測試儀車速采集采用雙通道同步采樣硬件，雙通道的車速信號在經過車速板單片機處理后由主控板通過串口查詢實時數據。通過單片機高速、并行地對兩通道數據同時采樣，核心板同時對兩通道數據做采樣、分析、處理，來完成雙通道同步測量的功能。

除此之外，該設備對車速進行高精度測量，選用直徑130mm的滾輪裝置貼合被測臺體滾筒，滾輪裝置采用高精度編碼器，優化計數法主要通過單片機對車速脈沖信號輸入做硬件自動捕獲計數，并通過對定時器功能寄存器配置使能輸入信號毛刺濾波，并且硬件毛刺濾波不影響車速響應時間和采樣周期，較好地避免了滾輪裝置和滾筒間的震動或電磁干擾引起的輸入信號毛刺波動。

2 實驗分析與驗證

根據本文所研發的四驅汽車底盤測功機用滑行時間測試儀基本原理和測量方法，對該測試儀的具體應用進行了實驗測試。

該實驗測試主要針對車速和滑行時間進行測量，在尼龍車輪直徑和編碼器脈沖數不變的情況下，通過改變掃頻信號發生器設定輸出頻率值，對車速進行測量，測量記錄如表1所示。

根據車速記錄表可以看出，在不同掃頻信號發生器設定輸出頻率值的情況下，該測試儀所測車速均能很好地與理論車速吻合。

設置不同的掃頻時間，對滑行時間進行測量計算，測量記錄如表2所示。

通過滑行時間記錄表可以看出，利用該測試儀測得的實際滑行時間與理論計算滑行時間基本一致，誤差均在1ms以內。并且設置的掃頻時間越長，該儀器的測量精度越高。

3 滑行時間測試儀的應用

利用本文研發的滑行時間測試儀，開展了北京市科技計劃課題（課題編號：Z161100003016002）：國產質監計量科學儀器驗證與綜合評價能力研發培育，進一步驗證了該設備的功能和技術指標達到了較高的技術水平。

因此，高精度雙通道同步測量的檢測線綜合計量儀可以有效提高計量效率，并提高計量精度，可以滿足更多的計量項目，將會更廣泛應用于汽車制造廠、機動車檢測站、維修站和4S店。

4 結語

本文重點闡述了一款四驅汽車底盤測功機用滑行時間測試儀的工作原理與應用，該測試儀通過讀取接觸式轉速采集裝置中編碼器的脈沖信號周期測量測功機滾筒表面線速度，再用高精確度的溫補晶振計時來記錄滑行時間。實驗表明該測試儀在測量滑行時間上具有較高的精度，并在機動車檢測行業具有更廣闊的應用前景。

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