四驱汽车底盘测功机用滑行时间测试仪的研发与应用

吕庆斌?刘嘉靖?邬洋?郭鸾

摘要：针对四驱汽车底盘测功机在实际使用过程中，进行速度同步性校准和滑行时间检测的需求，并且考虑到计量部门进行设备检测时，对四驱汽车底盘测功機前后转鼓同时进行计量的实际需要，研发了一种四驱汽车底盘测功机用滑行时间测试仪。实验表明，该测试仪不仅可以有效地测量滑行时间等参数，还可以实现多通道同步测量，来完成前后转鼓速度同步性等参数的测量。

关键词：四驱汽车底盘测功机 速度同步性校准 滑行时间 多通道同步测量

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

底盘测功机，又称转鼓试验台，是一种室内机动车检测设备。汽车底盘测功机通过滚筒模拟路面，计算出道路模拟方程，并用加载装置进行加载模拟，实现对汽车各种工况的准确模拟。汽车在道路上行驶时，汽车相对于静止的路面做纵向运动，在底盘测功机上是以转鼓的表面来取代路面，这时转鼓的表面相对于静止的汽车作旋转运动。试验时，使用汽车底盘测功机模拟汽车的行驶阻力（与一定的计算机技术与数据处理方法相结合），使汽车受力状况如同在道路上行驶，从而可以在不解体整车状态下检测汽车动力性、多工况排放指标、燃油指标等各项性能指标。同时能方便地进行汽车的加载调试和诊断汽车在负载条件下出现的故障等。由于汽车底盘测功机在试验时能通过控制试验条件，使周围环境影响减至最小，同时通过功率吸收加载装置来模拟道路行驶阻力，控制行驶状况，故能进行符合实际的复杂循环试验，因而得到汽车制造厂、机动车检测站、维修站和4S店的广泛应用。

底盘测功机分为两类：单滚筒底盘测功机和双滚筒底盘测功机。近年来因电子计算机技术的高度发展，为数据的采集、处理及试验数据分析提供了有效的手段，同时为模拟道路状态准备了条件，加速了底盘测功机的发展，加之各类专用软件的开发和应用，使汽车底盘测功机得到了广泛的推广。

由于底盘测功机的重要作用，长期以来，国内外的学者及研究机构均对其展开了研究与探讨。如：王建强、何凤江等人[1]通过研究驱动状态和反拖状态下的受力分析，在双滚筒底盘测功机上利用反拖法求出了汽车在驱动状态下的滚阻，但是由于反拖时并未考虑到传动系产生的阻力从而导致了测试精度也不是很高。过学迅、李玉民[2]等系统地探讨了转鼓试验台的模拟原理，但是由于所研究的底盘测功机为国外20世纪80年代的产品，使得其测试精度不是很高。华东交通大学肖文龙[3]以单滚筒底盘测功机为研究对象，利用相关的数学模型和试验进行了研究，以测试底盘测功机的加载阻力。刘志雄对底盘测功机系统误差产生的原因进行了分析[4]，提出了对误差进行校正的方法，旨在提高底盘测功机的测试精度，以期为同类产品的研究与开发提供参考。长安大学王晓东[5]提出了一种具有较高精确度的用底盘测功机模拟被测车辆道路行驶阻力的加载力计算方法。武汉理工大学刘伟[6]借鉴和吸收了以往先进的研究成果，开发和研究了针对电动汽车的室内测试设备汽车底盘测功机的相关技术。胡博[7]设计了一种基于总线的汽车底盘测功机测控系统。系统按功能划分为数据采集节点、控制节点和通信节点，并由转接口电路实现上下位机之间的通信。基于总线进行设计，使整个系统分工明确，有利于系统的扩展和网络化。毕朋飞[8]以AVL Roadsim型48英寸 （1英寸=25.4毫米）单滚筒底盘测功机为试验平台，以江铃宝典 2007款为试验车辆，采用正向加载试验和反拖试验相结合的方法，在免拆卸状态下检测出汽车传动系统的功率和发动机输出功率，从而准确地计算出汽车的传动效率。张训[9]在详细分析汽车道路上和底盘测功机上运行受力情况的基础上， 采用电模拟阻力加载装置建立了测功机电模拟模型。吉林大学王文扬[10]设计了由PC机和I/O板、A/D板组成的底盘测功机测控系统。前述对汽车测功机的研究主要集中在对测功机本身机构进行优化，对其测量系统的改进开展的研究工作相对较少。并且研究对象也多是用于单轴车辆动力性等测试的测功机。

基于目前传统底盘测功机中存在的上述问题，本文提出并研发了一种四轮汽车底盘测功机用滑行时间测试仪。该底盘测功机用滑行时间测试仪通过读取接触式转速采集装置中编码器的脉冲信号周期测量测功机滚筒表面线速度，再用高精确度的温补晶振计时来记录滑行时间，从而对汽车底盘测功机系统性能做校准。并且本滑行测试仪还可以进行多通道测量，有效提高计量效率。该装置主要包括机械部分和电气信息采集部分，将在本文接下来的章节进行详细的介绍。

1 滑行时间测试仪设计与研发

1.1 机械部分设计原理

机械部分采用的是接触式转速采集装置，该装置主要有尼龙计量轮、编码器、铝合金拐臂、鋁合金连杆、铝合金调整丝杆、阻尼器、拉簧、磁力座和锁紧把手等组成，如图1所示。

图1 测速滚轮装置示意图

为提升转速采集装置整体的可携带便利性、可操作性，同时又不降低各项使用性能。采集装置主体使用高强度铝合金，选用该种铝合金材料可以在保证机械强度的同时最大程度地降低该装置的重量，方便携带。加工完成后对铝合金工件进行表面工艺处理以提高耐用性和美观度。直接与滚筒等接触的尼龙计量轮，综合考虑其耐磨性、耐腐蚀性，以及合理的加工工艺性，选用黑色尼龙棒整体一次加工而成，充分保证尼龙计量轮加工时对同轴度、平面度、表面粗糙度等要求。由于汽车底盘测功机在工作过程中转速较高，并且受到装配、加工等因素的影响，底盘测功机的滚筒在工作过程中会产生振动。为了最大程度减小计量轮旋转时的震动对系统造成的影响，在整个测试仪机械装置设计中加入了弹性、阻尼系统。磁力座连接杆采用滚花工艺可有效防止连接杆和滚轮臂的滑移旋转，起到了固定连接杆和滚轮臂的作用，限制两者在其他运动方向上的自由度。紧固卡机构可支持人工紧固，在该过程中无需借助其他工具，可以方便快捷地对各连接部件起到固定的作用。然后将直径130mm的耐磨材料的硬质橡胶滚轮与汽车底盘测功机相切接触，通过支撑座的弹性压力来和滚轮表面紧密贴合旋转来测量滚轮转度。最后利用编码器经过电气信号采集系统计算输出滚筒表面的线速度，再用高精确度的温补晶振计时来记录滑行时间，从而对汽车底盘测功机测量过程中的滑行时间进行测量与读取。

1.2 电气部分设计原理

所研发的四驱汽车底盘测功机用滑行时间测试仪的电气部分硬件主要包括以下组成元器件：（1）编码器；（2）AC633板卡；（3）Linux开发板imx283A板卡；（4）7寸（1寸=33.3mm）彩色触控液晶显示器等。Linux开发板负责人机界面显示、检测项目流程控制、数据处理显示、数据上传等功能。7寸电容屏，主要提供人机交互界面，可供触摸操作。使用过程中位于接触式采集装置上的编码器主要完成对尼龙车轮的车速的采集。编码器采集完车速信号之后，AC633板卡主要是通过软件对编码器采集的车速信号进行处理，在软件中主要速度采集使用定时周期采集编码器脉冲数量，可以计算出频率，然后每次频率都缓存到一个数组中，数组缓存50个，在这50个频率中去掉最大值、最小值后取平均值得到当前频率，频率与速度的关系为：

式中：

vi——扫频信号发生器设定输出的标准速度值，km/h；

fi——扫频信号发生器设定输出频率值，kHz；

N——编码器每转的脉冲数；

D——速度采样器转动轮的直径，mm。

根据上述公式计算得出频率每变化1kHz，速度相应的变化0.68014933km/h。在软件中滑行时间是在20ms频率计算中断函数里面判断频率是否到达开始计时频率，如果开始就启动定时计时器计时，判断到达计时结束频率点，就停止计时，在开始和结束计时的点利用二次拟合的方法进行修正，最终得到精确的滑行时间。最后，将处理好的车速和滑行时间数通过linux平台在7寸彩色触控液晶显示器上进行显示和设定相关的参数。所研发的四驱汽车底盘测功机用滑行时间测试仪车速采集采用双通道同步采样硬件，双通道的车速信号在经过车速板单片机处理后由主控板通过串口查询实时数据。通过单片机高速、并行地对两通道数据同时采样，核心板同时对两通道数据做采样、分析、处理，来完成双通道同步测量的功能。

除此之外，该设备对车速进行高精度测量，选用直径130mm的滚轮装置贴合被测台体滚筒，滚轮装置采用高精度编码器，优化计数法主要通过单片机对车速脉冲信号输入做硬件自动捕获计数，并通过对定时器功能寄存器配置使能输入信号毛刺滤波，并且硬件毛刺滤波不影响车速响应时间和采样周期，较好地避免了滚轮装置和滚筒间的震动或电磁干扰引起的输入信号毛刺波动。

2 实验分析与验证

根据本文所研发的四驱汽车底盘测功机用滑行时间测试仪基本原理和测量方法，对该测试仪的具体应用进行了实验测试。

该实验测试主要针对车速和滑行时间进行测量，在尼龙车轮直径和编码器脉冲数不变的情况下，通过改变扫频信号发生器设定输出频率值，对车速进行测量，测量记录如表1所示。

根据车速记录表可以看出，在不同扫频信号发生器设定输出频率值的情况下，该测试仪所测车速均能很好地与理论车速吻合。

设置不同的扫频时间，对滑行时间进行测量计算，测量记录如表2所示。

通过滑行时间记录表可以看出，利用该测试仪测得的实际滑行时间与理论计算滑行时间基本一致，误差均在1ms以内。并且设置的扫频时间越长，该仪器的测量精度越高。

3 滑行时间测试仪的应用

利用本文研发的滑行时间测试仪，开展了北京市科技计划课题（课题编号：Z161100003016002）：国产质监计量科学仪器验证与综合评价能力研发培育，进一步验证了该设备的功能和技术指标达到了较高的技术水平。

因此，高精度双通道同步测量的检测线综合计量仪可以有效提高计量效率，并提高计量精度，可以满足更多的计量项目，将会更广泛应用于汽车制造厂、机动车检测站、维修站和4S店。

4 结语

本文重点阐述了一款四驱汽车底盘测功机用滑行时间测试仪的工作原理与应用，该测试仪通过读取接触式转速采集装置中编码器的脉冲信号周期测量测功机滚筒表面线速度，再用高精确度的温补晶振计时来记录滑行时间。实验表明该测试仪在测量滑行时间上具有较高的精度，并在机动车检测行业具有更广阔的应用前景。

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