中置式汽车底盘测功机的误差分析

王明塔

（天津科达动力测控技术有限公司，天津 300072）

0 引言

中置式汽车底盘测功机是指两个转鼓直接安装在电机轴头两端的转鼓底盘测功机。这种结构的底盘测功机比传统直线型底盘测功机（电机放在一侧，两个转鼓放在一侧，电机与转鼓通过联轴器联接成一体）结构紧凑，需要地坑尺寸更小，轴承数量少测量精度高。并且在设计中可以把测力机构，力的标定系统放在测功机顶部，使设备的安装维护都非常方便，是目前汽车性能检测领域比较流行的底盘测功机。

1 中置式汽车底盘测功机的误差分析及修正

中置式汽车底盘测功机结构示意图如图1所示。电机转子以及电机定子在电机发电过程和电动过程中电机匀速运行时的受力如图2所示。

图1 中置式汽车底盘测功机结构示意图

图2 电机转子及电机定子在电机电动运行和发电运行时受力图

图中符号的含义：Me—轴扭矩－测功机轴上的扭矩（N·m）。发电运行时是测功机轴上（转鼓上）的制动力矩。电动运行时是测功机轴上（转鼓上）的驱动力矩；Mc—电磁力矩 （N·m）；Mzm—转子轴承摩擦阻力矩 （N·m）；Mdm—定子轴承的摩擦阻力矩（N·m）；Mtm—铁损等损失（N·m），硅钢片中磁滞涡流损耗等；Mzf1—电机转子旋转风阻力矩（N·m）；Mzf2—转鼓等旋转件风阻力矩（N·m）；Mdf1—电机转子旋转引起风流搅动对定子的驱动力矩（N·m）；Mdf2—电机冷却风对定子的驱动力矩（N·m）；Mf：测功机测力机构的约束力矩（N·m）（测功机指示值）。

1.1 发电运行

转子的平衡关系式为：

定子的平衡关系式为：

由于冷却风对定子的附加力矩Mdf2是一个常数，所以可以在标定时开风机标定测功机的零点就可以消除风机冷却风的影响。则式（2）就可以改写为：

式（1）-式（3）有：

令：ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1

我们称ΔM为风阻附加阻力则：

即中置式汽车底盘测功机发电运行时转鼓制动扭矩Me等于测功机指示值Mf和定子轴承阻力Mdm之和再加上风阻附加阻力ΔM。

1.2 电动运行

转子的平衡关系式为：

定子的平衡关系式为：

标定时开冷却风机标定测功机的零点消除冷却风阻Mdf2的影响。则式（7）改写为：

将式（8）代入式（6）中

令ΔM=Mzf1+Mzf2-Mdf1则有：

即中置式汽车底盘测功机电动运行时电机轴输出扭矩Me等于测功机指示值Mf和定子轴承阻力Mdm之和再减去风阻附加阻力ΔM。

1.3 中置式汽车底盘测功机测量值的修正

为了得到测功机轴上准确的制动和驱动扭矩必须对测量指示值进行修正。下面分别分析各项影响因素和修正方法。

1.3.1 测功机冷却风产生的附加扭矩Mdf2。

测功机冷却风产生的附加扭矩是由于冷却空气冲击定子外壳产生的附加扭矩。减少测功机冷却风产生的附加扭矩和修正方法为：

（1）设计冷却风道尽量沿电机定子外壳的轴线方向，使附加扭矩尽量小。

（2）Mdf2与测功机转速及负荷无关，仅与冷却风量有关，所以冷却风附加扭矩Mdf2基本上是常数，所以可以标定时开风机设定测功机零点来修正。

1.3.2 定子轴承摩擦阻力Mdm的修正

定子轴承的摩擦阻力Mdm与轴承径向载荷有关。而轴承的径向载荷主要取决于电机转子和定子的总重量，测功机的负荷，两个轴承的同轴度，以及测功机轴与被测机械轴的同轴度有关。所以要准确的计算和测量是很困难的。

对于一般测功机而言只要设计合理，加工精度和安装精度能够保证，定子轴承的阻力相对来说很小，可以忽略不计。而对于中置式汽车底盘测功机定子轴承的径向负荷除了电机重力以及测力传感器引起的径向负荷外还有两个转鼓的重力，压在转鼓上试验用车辆的重力，以及沿转鼓表面切线方向的制动力都会增加定子轴承的径向负荷。初步估算在最大车重，最大制动力时定子轴承的摩擦阻力高达70多N.m。折合到转鼓轮表面相当于120N的阻力。所以必须采用适当的措施修正。

图3是消除定子轴承摩擦阻力的一种方法。传统结构中电机每端定子是用一个轴承支撑，测量时定子轴承不旋转，只是在很小的范围内摆动。而改进结构电机每端的定子是用双轴承支撑，并且两个轴承中间加装一个旋转套。旋转套在电机链子的带动下慢速旋转。并且为了避免牵引力信号偏移，定子两端驱动链子的电机旋转方向相反，这样就保证了驱动中产生的动摩擦相互抵消。通过改进把克服一个轴承的静摩擦变为克服两个轴承的动摩擦。这样可以使定子轴承的摩擦阻力趋近于零。很好的消除了定子轴承摩擦阻力对测量的影响，并有效的消除了测量中测量滞后的现象。

图3 消除定子轴承摩擦阻力的一种方法

1.3.3 风阻附加阻力ΔM的修正

其中：Mzf1：电机转子旋转风阻力矩（N·m）；Mzf2：转鼓等旋转件风阻力矩（N·m）；Mdf1：电机转子旋转引起风流搅动对定子的驱动力矩（N·m）。

一般电机转子和定子在一个密闭的空间，所以可以认为转子旋转引起空气动能全部传给定子外壳。空气对转子的阻力Mzf1和空气对定子的驱动力Mdf1相等。即Mzf1≈Mdf1。一般的测功机输出轴上没有转鼓等大的旋转件，可认为Mzf2→0。所以一般测功机可以近似认为ΔM=0。而对于中置式汽车底盘测功机转鼓等旋转件搅动空气的阻力无法传递到测功机定子外壳，所以此阻力测力机构测量不出来，故必须进行修正。修正方法如下：

从式 （10）可知测功机电动运行时有Me=Mf+Mdm-ΔM。当测功机轴上无输出时，也就是中置式汽车底盘测功机转鼓上不放车，测功机空转。则Me=0。式（10）可写为ΔM=Mf+Mdm。如前所述Mdm→0则有ΔM=Mf。即底盘测功机电动匀速运转时测功机指示值Mf即为该转速测功机的风阻附加值ΔM。改变测功机的转速就可以测出不同转速下风阻附加值。最后拟合出ΔM=f（n）的关系方程，便可以对风阻附加值ΔM进行修正。

2 结束语

中置式汽车底盘测功机由于具有结构紧凑，轴承数量少，占用地坑面积小的特点。通过对影响中置式测功机系统各个因素的修正就可以准确得到转鼓的驱动力矩或制动力矩。当测功机电动运行时转鼓的驱动力矩Me等于测功机的指示值Mf减去风阻附加阻力ΔM，即Me=Mf-ΔM。当测功机发电运行时转鼓的制动力矩Me等于测功机指示值加上风阻附加阻力ΔM，即Me=Mf+ΔM。通过对影响因素的修正，使中置式汽车底盘测功机的测量更加准确。