汽车行驶阻力在底盘测试功机上的实现及其计算机模拟分析

刘振岗

摘 要：在节能减排专项行动不断深入的过程中，汽车行业中对于不同车辆油量消耗的标准也在不断推出，从而要求简便的检测燃油消耗量的方式创新传统方式，此种方式称为碳平衡法为了有效提高碳平衡法对油耗检测的精准性，就要提高碳平衡法的检测精度，并且还要通过底盘测功机能够实现汽车行驶阻力模拟。为了能够使汽车行驶阻力在底盘测试功机数据更加精准，就要通过各种计算方式实现。本文选择简单并且具有较高检测精度的方式实现，最后通过计算机实现汽车行驶阻力的模拟。

关键词：汽车行驶阻力；底盘测试功机；实验；计算机模拟

汽车底盘测功机指的是在室内对汽车行驶工况阻力进行模拟的设备，并且实现汽车驱动轮输出功率、自动变速特征及油耗量指标的测试，其还是汽车在负载检测及调整的加载装置。为了能够有效实现汽车道路行驶工况的模拟，就要通过测功机，将汽车在道路中运行时候的阻力进行展示，模拟的方式主要包括飞轮模拟及点模拟，尤其是电涡流底盘测功机，只要对励磁电流大小进行改变，就能够实现主动滚筒阻力矩的变化，为计算机对汽车行驶工况阻力的模拟提供了多种可能及便捷[1]。

1 汽车行驶阻力

汽车在水平道路中等速行驶的过程中，要克服地面道路的滚动阻力、空气阻力。滚动阻力表示为Ff，空气阻力表示为Fw。在汽车上坡的时候，还要克服坡度阻力，表示为Fi，汽车在加速的时候，还要克服加速阻力，表示为Fj。所以汽车在形式过程中受到的阻力总和为：

∑F=Ff+Fi+Fw+Fj

1.1 滚动阻力

Ff=Gf

G表示汽车总重力；f表示滚动阻力系数，汽车的轮胎、橡胶、帘线都影响着滚动阻力系数。

1.2 空气阻力：

Fw=（CDA/21.15）v2

CD表示空气阻力系数，A表示迎风面积，B表示汽车前轮距，H表示汽车高度，v表示汽车行驶速度。汽车在直线行驶过程中的空气作用力为空气阻力，空气阻力主要包括摩擦阻力及压力阻力[3]。

1.3 坡度阻力

汽车在上坡行驶过程中，汽车重力的坡道分离为汽车坡地阻力，表示为：

Ff=Gsinα

α表示坡度角。

1.4 加速阻力

汽车在行驶过程中存在等速运动惯性力，要想汽车加速，就要克服此惯性力——加速阻力。汽车质量主要包括旋转质量及平移质量，在汽车加速过程中，平移质量产生了惯性力，旋转质量产生了惯性力偶矩，一般会将其转为平移质量惯性力[2]。

Fi=δm（du/dt）

δ表示汽车旋转质量换算系数，m表示汽车质量，du/dt表示行驶加速度。

2 底盘测功装置

2.1 测功装置

此底盘测功机的主要内容包括传递型交流异步电机和变频装置，其主要结构详见图1：

通过图1可以看出来，整流器通过变压器隔离之后，使用电网吸收并且朝着电网实现有功功率的反馈，并且保持单位功率因数。在发电的时候，测功机系统异步电机朝着电网回馈电能。如果处于电动状态，异步电机会通过电网吸收电能，从而使能量能够双向的流动。

2.2 装置结构

底盘测功机由联轴节、转鼓、支撑装置及传动轴组成，其主要目的就是保证转鼓表面和试验车辆驱动轮的附着力较大，能够将车辆输出功率传送到测功器中。因为使用电功率传递型测功机，可以通过电惯量模拟实现机械结构的简化。

2.3 传感器

汽车底盘测功机的数据采集系统主要包括数据采集板、速度传感器、光电隔离脉冲技术板及扭矩传感器等部件，其主要作用是实现转股转速等信号的实时采集，之后将信号通过一定的格式朝着PLC实时控制系统传递，从而成为闭环反馈控制。为了能够将实验室中的信号进行整合，比如加速度、车速等，成为集成化信号采集平台，可以通过计算机软件开发信号采集界面，从而实现底盘测功机信号采集功能的完善。

3 汽车行驶阻力在底盘测试功机的实现

底盘测功机具备惯性载荷模拟装置，比如电气方式及机械方式，也就是和道路载荷相同的模拟方式及汽车惯性载荷的模拟。

3.1 计算惯性阻力

汽车在行驶过程中需要克服的惯性阻力主要包括：

Fj=m（dv/dt）+（（K1J1/r21）（dv/dt））+（（K2J2/r22）（dv/dt））+（（K3J3/r31）（dv/dt））

汽车在测功机转鼓中进行模拟行驶的过程中，需要克服的惯性阻力主要包括：

Ftj=（（K1J1/r21）（dv/dt））+（（K3J3/r21）（dv/dt））+（（J/r23）（dv/dt））+Fm

其中Fj表示汽车行驶惯性阻力，m表示测功机载荷模拟阻力，Ftj表示汽车在测功机中的惯性阻力，dv/dt表示汽车加速度。

为了能够满足模拟需求，就要实现车辆惯性载荷的模拟，使Fj=Ftj，得到Fm：

Fm=m（dv/dt）+（（K2J2/r22）（dv/dt））+（（J/r23）（dv/dt））

也就是得到測功机设置的模拟惯性载荷[6]。

3.2 电气模拟设置

通过电气的方式对载荷进行模拟，只要通过单元对每时刻车轮线加速度进行检测，根据以上公式计算加速度的阻力，就能够对等值阻力进行控制，将Fm公式转换为换做转速为控制量的载荷为：

Fm=（（πr3m/30）（dn/dt））+（（K2J2πr3/30r22）（dn/dt））-（（πJ/30r3）（dn/dt））

3.3 机械模拟设置

使用机械模拟的方式实现惯性载荷的模拟，模拟装置在车轮表面的加速阻力为：

Ftm=（i2ηJm/r23）（dn/dt）

其中Jm表示测功机惯性载荷模拟装置转动惯量，i表示测试机惯性载荷模拟装置和滚筒的比，η表示测功机载荷模拟装置和滚筒的传动效率。

通过对分轮机构离合的调节，能够创造出不同转动惯量，使其能够和不同质量汽车相互匹配，从而实现汽车载荷及阻力的模拟。

4 汽车行驶阻力模拟

选择IBM386兼容机，12位模入/模出接口板及光电隔离开关量输入/输出卡，计算机系统的结构，其中包括转速、扭矩等输入模拟量。

4.1 恒扭矩控制

使扭矩设置的值及实际测试的值进行对比，两者对比之后的差值通过PID进行调节，根据选择的控制方式实现涡流制动器励磁电流的自动调节，对测功机扭矩进行修改，使其能够和设定值相等，从而达到需求控制特点[3]。

假如通过测功机对汽车在某个速度时候的汽车驱动车轮输出功率进行测量，那么可以使用恒转速的控制方式。底盘测功机的最高速度相对的电压是10v，通过计算得出这个时候的电压为10v1/vmax，这个时候的实际的电压值和设定的电压值对比，两者得到的差值通过PID进行调节，使底盘测控机转速能够和设置的转速相等，在速度稳定的时候设置车速，那这个时候的功率就是在这个速度时候的汽车驱动轮的输出功率。

4.2 模拟阻力

（1）等速油耗量阻力的模拟

假如要对某个速度时候油耗量进行测量，这个时候因为汽车在等速行驶的状况下，那么汽车行驶的阻力为：

F=G2f+（CDAVa2/21.15）（N）

使用恒扭矩的控制方式，之后通过励磁电流的变化实现测功机扭矩的增加，所以，在测功机加载扭矩表示为：

Mc=Z（G1f+（CDAVa2/21.15））n（N*m）

其中n表示底盘测功机传动效率，因为测功机最大扭矩电压为10v，那么使电压Uc表示为：

Uc=（10Mc/Amax）（V）

将扭矩电压设定值Uc和实际测量的值进行对比，对比之后的差值通过PID进行调节，根据相应的控制方式对涡流制动器励磁电流进行调节，从而实现测功机扭矩的改变，使其能够和设定的值相等。通过实际测到的距离和耗油量计算等速油耗量，公式为：

F=G2f+（CDAVa2/21.15）+（（G/g）+Jw2-Jc）（dVa/dt）（N）

g表示重力加速度，Jc表示底盘测功机滚筒与电涡流测功机转子动惯量，Jw2表示汽车惯量，dVa/dt表示行驶加速度。

4.3 加速性能阻力的模拟

在时下加速性能测试的时候，阻力的计算公式如上式，使用恒扭矩控制的方式，定时对车速进行检测，并且对加速度和应该施加的阻力进行计算，如果在某个时间中扭矩没有发生变化，只要选择这个时间间隔，就能够模拟汽车在加速行驶过程中的阻力。

5 结语

车辆在平直道路中匀速直线形式过程中受到的阻力主要包括空气阻力及滚动阻力。不同车型在行驶过程中受到的阻力都是不同的，也就是行驶阻力和车速对应的车速具有不同的关系，所以就要将策划车辆的阻力方程在底盘测功机中设置，使测功机能够通过在某时刻车速计算出相应的阻力，从而实现汽车形式阻力模拟的目的，也为模拟测试提供了基础。汽车底盘测功机中具备计算机控制及检测功能，能够对汽车惯性质量进行模拟，并且实现阻力的模拟，实现数据的自动采集、处理及输出，能够满足汽车在线检测及不同品种车辆的检测线的應用需求。

参考文献：

[1]杜磊，董小瑞.汽车底盘测功机的模拟原理分析研究[J].河北农机，2014（4）：54-55.

[2]高萌，刘子铭.汽车底盘测功行驶阻力模拟系统的研究[J].车辆与动力技术，2012（4）：16-19.

[3]冀建新，解文杰.运用汽车底盘测功机检测车辆动力性研究[J].城市建设理论研究：电子版，2014（16）.