CN110646223B - 车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统，包括挂车和底盘测功机；所述底盘测功机包括测功机滚筒、转速扭矩传感器、测功机传动系统、模拟阻力加载电机、信号采集处理系统和控制系统；所述测功机滚筒、转速扭矩传感器、测功机传动系统和模拟阻力加载电机依次连接；所述信号采集处理系统接收所述转速扭矩传感器的信号，并发送给所述控制系统，所述控制系统将信号发送给所述模拟阻力加载电机；所述挂车包括依次连接得车轮、车辆底盘传动系统和发动机；所述发动机带动所述车辆底盘传动系统使得所述车轮驶过所述测功机滚筒。本发明为车辆驱动轮输出功率的精确免拆快速检测以及测功机精确模拟车辆道路行驶阻力提供了更为精准的数据。

Description

车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统

技术领域

本发明属于车辆驱动轮瞬时输出功率测量领域，具体涉及一种车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统。

背景技术

传统车辆的行驶性能测试是通过道路行驶试验，建立道路行驶阻力模型进行分析研究，这种方法主要受到气压、温度、湿度等外界环境因素的影响，导致检测过程比较复杂。底盘测功机作为一种针对车辆整车综合性能的测试平台，已广泛应用到了车辆整车动力性、制动性、经济燃油性、排放性等方面。底盘测功机主要由滚筒、模拟阻力加载装置、转速与扭矩测量装置、控制与显示装置组成。在车辆动力性能测试过程中，驱动轮输出功率是衡量车辆动力性能的一项重要指标。运用底盘测功机对车辆的驱动轮输出功率进行测试的传统方法是，车辆驱动轮置于滚筒上，车辆启动后，发动机输出扭矩经过车辆传动系统后至驱动轮，由驱动轮通过带动测功机滚筒转动及测功机传动装置转动，测功用电机产生的涡电流在测功装置转子上产生与驱动转矩方向相反的制动力矩，其大小与驱动轮对滚筒的驱动转矩相等，通过检测其电磁转矩即可获得其驱动轮对滚筒的驱动转矩，再乘以滚筒转速即可得到驱动轮的输出功率。

在上述测量方法中，由于存在车辆轮胎与测功机滚筒之间的摩擦损耗、测功机传动系统自身的摩擦损耗，所测功率并未包括测试过程中驱动轮与滚筒间滚动阻力损失功耗及滚筒底盘测功机内部的摩擦功耗，因此其测功装置显示的功率数值并不能真实地反映车辆驱动功率的大小。针对滚筒底盘测功机测功装置显示的功率数值不能真实反映汽车驱动功率大小的问题，许多学者进行了相关的研究。A.IRIMESCU,L.MIHON and G.

Automotive Transmission efficiency measurement using a chassis dynamometer[J].International Journal of Automotive Technology,2011,12(4):555-559,建立了车辆传动系统数学模型，提出了一种针对车辆匀速行驶工况下，驱动轮输出功率以及发动机输出功率的测量方法。赵玮，王强，敬奇锋，王林.基于AT89S52的车轮瞬时功率测量方法研究[J].仪表技术与传感器.2011,(8):73-76,提出工程机械车轮瞬时功率的一种新方法，对滚筒转速、扭矩以及转角加速度进行测量，降低了力矩不平衡对测量精度的影响，克服了以往只在滚筒与车轮相对平衡状态下测量的限制性，提高了在不平衡条件下功率等参数测量的准确性。卢晋夫，欧阳爱国，刘燕德，王均刚.室内精确检测车辆驱动轮输出功率的数学模型[J].机械设计与研究.2017，33(8)：146-149,提出了采用无加载滑行对底盘测功机进行空载反拖，测量底盘测功机自身损耗功率测试，后采用二次加载滑行法反拖车辆，建立滚筒底盘测功机滚筒与汽车驱动轮间摩擦阻力的数学模型，为底盘测功机的检测数值能更精确地反映车辆动力性能的实际情况奠定理论基础。赵玮，王强，何晓晖.基于测功机的工程机械底盘动力性能实验误差分析与方法研究[J].中国测试，2019,45(5):151-156,提出一种反拖模拟挂车测量测功机自身损耗功率的方法，测量结果用于对底盘损耗功率进行修正，减小了测功机自身损耗功率对底盘动力性能测量精度的影响。欧阳爱国，卢晋夫，刘燕德，黄均刚.底盘测功机滚筒与汽车驱动轮间摩擦阻力的数模研究[J].组合机床与自动化加工技术.2017,8(8):1-5,提出了分别采用无加载滑行法与二次加载滑行法，测量车辆在底盘测功机上滑行的相关数据，采用能量守恒定律，建立基于单滚筒底盘测功机的汽车驱动轮输出功率的数学模型，可为汽车输出功率的精准免拆快速检测奠定理论基础。

在加载滑行测试实验中，测功机自身摩擦阻力矩以及车轮与滚筒的滚动阻力矩随滚筒速度变化而变化，因此二次加载滑行与无加载滑行是一个变加速运动过程，加速度随着滚筒的转速逐渐减小，而传统测试过程将这一阻力矩看作恒定的力矩，在某一速度区间内将变加速过程视为匀变速过程；在采用反拖车辆的方法对测功机传动系统转动惯量测试过程中，所测转动惯量值包含了车辆传动系统等效至测功机滚筒的转动惯量，降低了驱动轮输出功率数学模型的精度；在测量驱动轮输出功率的过程中，传统的测试方法将车辆至于平衡状态，忽略了滚筒角加速度带来的惯性矩给驱动轮输出功率测试带来的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统，能够精确免拆快速检测车辆驱动轮输出功率。

本发明提供了如下的技术方案：提供一种车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统，包括挂车和底盘测功机；所述底盘测功机包括测功机滚筒、转速扭矩传感器、测功机传动系统、模拟阻力加载电机、信号采集处理系统和控制系统；所述测功机滚筒、转速扭矩传感器、测功机传动系统和模拟阻力加载电机依次连接；所述信号采集处理系统接收所述转速扭矩传感器的信号，并发送给所述控制系统，所述控制系统将信号发送给所述模拟阻力加载电机；所述挂车包括依次连接得车轮、车辆底盘传动系统和发动机；所述发动机带动所述车辆底盘传动系统使得所述车轮驶过所述测功机滚筒。

进一步地，所述挂车，通过搭载不同质量的重物满足不同质量的车型；通过调节重物的位置来模拟不同车型的重心位置。

进一步地，运用所述底盘测功机反拖与被车测量等质量且等重心位置的挂车至车速达到达到v，其中v大于待测速度v₀，通过底盘测功机将挂车行驶时的动能储存下来，然后给实验挂车加载一个阻力扭矩T₁，挂车在阻力矩T₁、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩Tf_c以及测功机传动系统阻力矩T_rc的共同作用下滑行，采集测功机滚筒的转速ω₀＝v₀/r以及该转速度时刻的转角加速度α₁，结束第一次反拖挂车的滑行实验；

进一步地，进行第二次滑行，由底盘测功机给实验车辆加载一个不同于T₁的加载阻力矩T₂，采集测功机滚筒的转速ω₀＝v₀/r以及该转速度时刻的转角加速度α₂，运用角动量定理建立数学模型：

式中，α₁—第一次加载滑行中滚筒角速度ω₀时刻的角加速度，α₂—第二次加载滑行中滚筒角速度ω₀的角加速度。测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量J如式(2)，同时计算出ω₀时刻车轮与滚筒之间的滚动摩擦阻力矩与测功机传动系统阻力矩之和T_fc+T_rc如式(3)，

进一步地，对车辆驱动轮瞬时输出功率的测量，可以根据式(4)

P_P＝(T_fc+Tr_c+T_l+Jα)·ω (4)

与式(2)获得车辆驱动轮瞬时输出功率及输出扭矩如式(5)

式中，T_s—传感器示数扭矩值，为测功机加载阻力矩、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc之和。

进一步地，式(4)的获得方法如下：

在车辆变速行驶工况下测量任意时刻车辆驱动轮输出功率，由于车轮与滚筒具有一定的角加速度，车辆驱动轮对测功机滚筒的驱动力矩与滚筒阻力矩不平衡，根据达朗贝尔原理，系统增加一个反向惯性转矩后，达到平衡状态，此时力矩方程为：

T_D-(T_rc+T_l)＝T_P-(T_fc+T_rc+T_l)＝Jα (6)

式中，J为底盘测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量，α为测功机滚筒的角加速度，Jα为惯性力矩，则车辆驱动轮输出至滚筒的驱动力功率用式(4)表示，

P_P＝(T_fc+T_rc+T_l+Jα)·ω (4)。

本发明的有益效果是：通过分析车辆在测功机上的变速行驶过程中滚筒所受的力矩，建立车辆变速行驶过程中的驱动轮瞬时功率测试的数学模型；考虑到测功机内部摩擦损耗以及车轮与滚筒的滚动损耗，通过安装在测功机滚筒连接轴上的传感器，对滚筒转速、扭矩以及角加速度等状态变量进行测试；在二次加载滑行过程中，采用反拖与被测实验车辆等质量的挂车的方法，测量测功机内部摩擦阻力矩与车辆与滚筒之间的滚动阻力矩，对测功机等效转动惯量进行测试；在此基础上提出一种基于车辆变速行驶工况下的车辆驱动轮瞬时功率测量方法，通过数学模型计算获得的车辆驱动轮瞬时输出功率，能够精确免拆快速检测车辆驱动轮输出功率并为测功机精确模拟车辆道路行驶阻力提供了理论基础。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是平衡状态下测功机滚筒受力分析图；

图2是非平衡状态下测功机滚筒受力分析图；

图3是磁电式转速扭矩传感器工作原理示意图，其中1磁钢、2线圈、3信号齿轮、4弹性轴；

图4是底盘测功机系统示意图；

图5是信号采集处理系统示意图；

图6是不同车速下的驱动轮输出转矩图；

图7是驱动轮输出功率计算模型相对误差示意图。

具体实施方式

如图1-7所示，车辆驱动轮输出功率影响因素分析：

车辆在道路上行驶，车辆发动机的输出功率可以表示为

P_t＝P_r+P_f+P_w+P_i+P_j (21)

式中：P_t—车辆发动机输出功率；P_r—车辆传动系统阻力损耗功率；P_f—车辆驱动轮滚动阻力损失功率；P_w—车辆行驶空气阻力损耗功率；P_i—坡度阻力损失功率；P_j—加速度阻力损耗功率。

而当车辆在室内测功试验平台上进行动力性能测试时，为了模拟车辆路面行驶受到的加速度阻力、空气阻力以及坡度阻力等，采用测功电机作为加载阻力装置模拟车辆行驶的真实状况。当车辆在底盘测功机滚筒上进行测试过程中，车辆发动机输出功率可以表示为

P_t＝P_r+P_fc+P_rc+P_s (22)

式中：P_fc—车辆轮胎与测功机滚筒滚动阻力损耗功率；P_rc—底盘测功机自身损耗功率；P_s—测功机吸收功率。

将式(1)变为P_t-P_r＝P_fc+P_rc+P_s，得

P_P＝P_fc+P_rc+P_s (23)

式中：P_P＝P_t-P_r，为车辆驱动轮输出功率。通过式(3)可知，车辆驱动轮输出功率除了测功机吸收功率外，还包括车辆驱动轮与测功机滚筒的滚动阻力损耗功率以及测功机自身传动系统损耗功率。

传统的测量方式是通过测功机吸收滚筒的动能转换为电能来对驱动轮输出功率进行测试。本发明通过在测功机滚筒连接轴上安装转速扭矩传感器，测量滚筒运动的相关变量来进行驱动轮输出功率的测量。在车辆匀速行驶工况下，测量车辆驱动轮输出功率采用力矩平衡法，采用传感器对滚筒扭矩与转速进行测量，再通过扭矩与转速的乘积计算驱动轮输出功率，在力矩平衡状态对测功机滚筒进行受力分析，可以获得力矩平衡方程如式(4)所示。

T_D＝T_P-T_fc＝T_rc+T_l (24)

式中：T_D—测功机滚筒受到车辆驱动轮的驱动力矩，T_P是驱动轮实际输出力矩，T_fc—车轮与滚筒之间的滚动摩擦阻力矩，T_rc—测功机传动系统阻力矩，T_l—测功机加载电机对滚筒的加载阻力矩T_l，其受力分析图1所示。

由于此时底盘测功机滚筒转速与车轮转速达到平衡状态，都处于匀速转动状态，且车轮与滚筒之间不发生相对滑动，则此时驱动轮输出功率为

P_P＝T_P·ω＝(T_rc+T_l+T_fc)·ω (25)

式中，P_P为车辆驱动轮输出功率，ω为滚筒转速。

当车辆处于变速行驶状态时，力矩平衡法将无法适用。在车辆变速行驶工况下测量任意时刻车辆驱动轮输出功率，由于车轮与滚筒具有一定的角加速度，车辆驱动轮对测功机滚筒的驱动力矩与滚筒阻力矩不平衡，根据达朗贝尔原理，系统增加一个反向惯性转矩后，达到平衡状态，此时力矩方程为：

TD-(T_rc+T_l)＝TP-(T_fc+T_rc+T_l)＝Jα (26)

式中，J为底盘测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量，α为测功机滚筒的角加速度，Jα为惯性力矩，底盘测功机滚筒受力分析图如图2所示，则车辆驱动轮输出至滚筒的驱动力功率用式(4)表示。

P_P＝(T_fc+T_rc+T_l+Jα)·ω (4)

驱动轮瞬时输出功率相关变量的测量方法。

滚筒转速与转矩测量方法。

通过式(4)发现，在车辆非匀速行驶工况下，车辆驱动轮的输出的瞬时功率与滚筒受到的阻力矩T_fc+T_rc+T_l、还与滚筒转速ω、滚筒的角加速度α以及底盘测功机底盘测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量J有关，由于底盘测功机结构复杂，除滚筒及其连接轴以外，还有齿轮变速箱以及模拟阻力加载电机，导致其等效至滚筒处转动惯量很大。因此当滚筒处于非平衡状态时，底盘驱动力矩与滚筒阻力矩相差较大，因此必须考虑滚筒角加速度的影响。

滚筒转速ω可以通过磁电式转速扭矩传感器获得，基本原理如图2，它通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号。

这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比。转轴转速较低，采用周期法测量信号脉冲周期。在m个转速脉冲信号周期t内，对具有恒定的频率晶振脉冲周期为t₀标准时钟脉冲信号进行计数获得n，计算出转速脉冲信号周期，再经过计算获得转速ω。

式中，t为转速脉冲周期，t₀为标准标准时钟脉冲信号周期。

两组交流电信号的相位差与未加载时的相位差的变化量与轴传递的扭矩成正比，两组交流电信号经过处理可以精确得到扭矩。当传感器两端施加一定的扭矩时，弹性轴产生弹性形变，根据材料力学的知识，轴的变形度与作用在轴两端的扭矩的大小成正比，当弹性轴不受扭矩时，初始相位角为π，当弹性轴受到扭矩变化时，两个齿轮发生相对转角位移，针对于每一个轮齿的相对转角变化量为φ，引起转角变化的转矩为车轮与滚筒之间的滚动摩擦阻力矩T_fc、测功机传动系统阻力矩T_rc以及测功机加载电机对滚筒的加载阻力矩T_l之和，即T_fc+T_rc+T_l＝T_s，为传感器显示扭矩，则φ可以表示为

式中，φ为两个线圈产生的感应电动势的相位差的变化，L为传感器弹性轴的工作长度，G为弹性轴的弹性模量，J_s弹性轴转动惯量，k为信号齿轮齿数，以上参数均匀传感器本身结构性质有关，均为已知量。

滚筒转动角加速度测量方法：

滚筒角加速度的测量方法是:已知传感器信号齿轮的齿数k，每两个相邻齿之间的角度之差为θ＝2π/k，设第i到第i+1齿之间所用时间为Δt_i，在时间Δt_i段内滚筒的平均转速为ω_i＝θ/Δt_i，第i+1到第i+2齿之间所用时间为Δt_i+1，在Δt_i+1时间段内滚筒的平均转速为ω_i+1＝θ/Δt_i+1，滚筒在此期间的平均角加速度为

表示为，由于Δt_i时刻非常短，可以将

看作是车辆在Δt_i的加速度α_i。

底盘测功机传动系统转动惯量及驱动轮瞬时输出功率的测量方法：

在测功机运行的过程中，底盘测功机传动系转动惯量测量值的准确性，是准确模拟车辆行驶阻力的关键。传统的二次加载滑行法是通过对底盘测功机分别进行两次不同的加载阻力矩，根据能量守恒定律，测量车辆传动系统与测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量，以及底盘测功机与车辆传动系统摩擦阻力。

传统的测试过程为：

(1)首先进行无加载滑行[12]，测量反拖实验车辆在v₀速度行驶条件下所受的阻力矩，将实验车辆在单滚筒底盘测功机上加速至v₁，v₁略高于待测速度点v₀，通过测功机将实验车辆行驶时的动能储存下来，然后切断实验车辆动力源，让车辆在轮胎滚滑阻力和测功机传动系统阻力的共同作用下滑行，待实验车辆滑行至v₂，v₂略低于待测速度v₀，记录车辆滑行距离

其中v₁、v₂与v₀满足v₀＝(v₁+v₂)/2，根据车辆在单滚筒上滑行过程中能量守恒原理，可得数学模型

式中，

—待测速度v₀时，实验车辆的传动系统的摩擦阻力矩T_r、驱动轮与滚筒间的滚动阻力T_fc、底盘测功机自身内部阻力矩T_rc之和，

—车辆在底盘测功机滚筒上从v₁滑动至v₂所滑动的路程，r为测功机滚筒半径，θ为车辆在底盘测功机滚筒上从v₁滑动至v₂所转动的角度，J₁为被测车辆传动系统以及底盘测功机上所有转动部件等效至测功机滚筒连接轴的转动惯量之和。

(2)实验车辆在底盘测功机滚筒上运行，加速至v₁，此时滚筒转速为ω₁，然后切断车辆动力系统，同时通过测功电机给实验车辆加载阻力矩T₁，此时车辆在加载阻力矩T₁、车辆传动系统的摩擦阻力矩T_r、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc的共同作用下滑行，待车辆滑行至速度v₂时，此时滚筒转速为ω₂，记录滑行距离s₁，结束第一次滑行。

(3)第二次滑行过程中，由测功机给实验车辆加载一个不同于T₁的加载阻力矩T₂，同时保证滑行过程中的初速度v₁与末速度v₂与第一次加载滑行过程保持一样，记录滑行距离s2。

(4)由于速度v₁、v₂与v₀基本接近，三种速度运行时单滚筒底盘测功机产生的摩擦阻力可近似看成相等，利用动能定理建立数学模型

式中，T₁—第一次加载滑行是测功机对滚筒的加载阻力矩，T₂—第二次加载滑行是测功机对滚筒的加载阻力矩，θ₁为加载力矩为T₁情况下，车辆在底盘测功机滚筒上从v₁滑动至v₂所转动的角度，θ₂为加载力矩为T₂情况下，车辆在底盘测功机滚筒上从v₁滑动至v₂所转动的角度，通过方程组可以获得；

在传统的二次加载滑行法测试过程中，由于反拖滑行的是实际车辆，

中包含了实验车辆的传动系统阻力矩，需要减去一个车辆传动系统等效至滚筒连接轴处的摩擦阻力矩，卢晋夫，欧阳爱国，刘燕德，王均刚.室内精确检测车辆驱动轮输出功率的数学模型[J].机械设计与研究.2017，33(8)：146-149，采用一种经验公式的计算方法，将发动机输出功率的15％算作车辆传动系统损耗功率，根据二次加载滑行法所测变脸建立驱动轮输出功率模型，

式中，α＝15％，(1-α)为车辆底盘传动系统的传动效率。

根据该模型计算车辆行驶在v₀时刻的驱动轮输出力矩T_P为，

采用上述传统的二次加载滑行法进行测试，一是由于对实验车辆进行反拖加载滑行，所测得转动惯量J₁包含车辆传动系统等效至滚筒处的转动惯量，并不是底盘测功机系统的转动惯量，也无法准确排除车辆传动系统损耗功率对测量结果的影响；二是由于传统的二次加载滑行方法测试过程中将三种速度运行时单滚筒底盘测功机产生的摩擦阻力可近似看成相等，未考虑滚筒转速的变化引起的测功机传动系统摩擦力矩的变化；三是由于仅考虑滚筒在平衡状态下的力矩平衡，而实际加载滑行过程是变速过程，没有考虑滚筒轴的惯性力矩，以上原因导致模型以及测量结果不够准确。

为了有效排除车辆传动系统转动惯量对测功机传动系统等效转动惯量测量的影响，提出采用一种反拖模拟挂车的二次加载滑行测量方法。

改进的测试过程为：

(1)首先制作一个通用型的可调节轴距的挂车如图3所示，在该挂车上搭载不同质量的重物满足不同质量的车型，同时可以调节重物的位置来模拟不同车型的重心位置，挂车的作用实际是为了更准确的测量测功机的等效转动惯量，同时避免了车辆传动系统摩擦力矩对驱动轮输出功率测量的影响。

(2)运用底盘测功机反拖与被车测量等质量且等重心位置的挂车至车速达到达到v，其中v大于待测速度v₀，通过底盘测功机将挂车行驶时的动能储存下来，然后给实验挂车加载一个阻力扭矩T₁，挂车在阻力矩T₁、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc的共同作用下滑行，采集测功机滚筒的转速ω₀＝v₀/r以及该转速度时刻的转角加速度α₁，结束第一次反拖挂车的滑行实验。

(3)进行第2次滑行，由底盘测功机给实验车辆加载一个不同于T₁的加载阻力矩T₂，采集测功机滚筒的转速ω₀＝v₀/r以及该转速度时刻的转角加速度α₂，运用角动量定理建立数学模型。

式中，α₁—第一次加载滑行中滚筒角速度ω₀时刻的角加速度，α₂—第二次加载滑行中滚筒角速度ω₀的角加速度。测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量J如式(14)，同时计算出ω₀时刻车轮与滚筒之间的滚动摩擦阻力矩与测功机传动系统阻力矩之和T_fc+T_rc如式(15)，

(4)对车辆驱动轮瞬时输出功率的测量，可以根据式(4)与式(14)获得车辆驱动轮瞬时输出功率及输出扭矩如式(16)

式中，T_s—传感器示数扭矩值，为测功机加载阻力矩、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc之和。

驱动轮瞬时输出功率测量系统构建：

以单滚筒底盘测功机为测试平台，以异步电力测功机作为车辆的道路模拟阻力加载装置，可以满足车辆底盘输出功率测量以及反拖的一体化。将转速扭矩传感器安置在测功机滚筒的连接轴上，再与测功机传动系统连接，可以通过传感器直接对测功机滚筒的转速、扭矩以及角加速度测量，测量信号处理后传输至测功机控制系统，通过本发明提出的数学模型计算获得车辆驱动轮瞬时输出功率以及输出扭矩；同时将输出扭矩作为车辆道路行驶模拟阻力矩加载至电机上，为模拟车辆道路行驶工况提供必要数据，其系统结构示意图如图4所示。

传感器及信号采集与处理系统以STM32为核心，转速扭矩传感器中的信号齿轮随着滚筒的旋转发出两路近似正弦波的电压信号，两路信号经过滤波、放大与整形电路，转换为与信号齿轮同频率且占空比为50％的两路方波信号，其中一路信号方波信号作为输入信号传输至STM32进行转速测量；两路信号经过双稳态触发器(选用74LS74)获得相位差脉冲信号，传输至STM32进行滚筒扭矩测量；根据式(7)，对于角加速度的测量，连续测量Δt_i，设置计数器为上升沿触发计数，利用单片机捕获并记录方波信号的上升沿获得Δt_i，不断测量并记录Δt_i的值，不需要CPU进行额外操作就可以将跳变时刻记录，节省中断处理时间，为连续测量方波信号脉冲宽度创造条件。续不断地捕获输入转速信号的上跳变，可以获得转速信号的每个方波周期。根据任意两个相邻时刻方波脉冲宽度，可以通过单片机根据式(29)计算出两个相邻时间段内的平均角加速度，信号采集处理系统如图5所示，STM32将采集获得的转速、扭矩、角加速度信号通过串口通信MAX232传输至工控机。

实验结果分析与验证：采用AVL公司生产的型号AVL Road-sim 48″的单滚筒底盘测功机对江铃宝典柴油驱动车辆进行底盘驱动轮输出功率测试，测功机滚筒半径r＝0.61m。采用本发明提出的测量方法，首先对对模拟宝典车辆的挂车进行反拖加载滑行，加载阻力矩值分别为T₁＝100N·m与T₂＝50N·m，设置v0＝100km/h、v₀＝80km/h、v₀＝60km/h三个待测速度点，采用改进的二次加载滑行法，分别对两种加载阻力情况下的测功机滚筒角加速度α₁与α₂进行五次测试，分别取平均值记做

与

根据式(2)计算底盘测功机传动系统转动惯量，结果如表1所示。

表1改进的二次加载滑行实验数据及由其得到的底盘测功机等效转动惯量

通过滑行实验采集数据以及本发明提出的数学模型对底盘测功机传动系统等效至滚筒转动惯量进行计算，获得的转动惯量求平均值为J＝458.7kg·m²，根据江铃公司提供的官方数据[14]，AVL Road-sim48测功机当量质量为1178kg，由于实验过程中实际是模拟挂车的滑行，需要再加一个车辆轮胎的等效至滚筒处的转动惯量，根据计算获得测功机底盘传动系统与江铃宝典汽车轮胎全重量等效至滚筒处的转动惯量为454.2kg·m²，测量误差为1％，考虑到轮胎气压以及行驶过程中的变形等因素，驱动轮输出功率实验模型采用二次加载滑行数据计算所得等效转动惯量值。

对车辆加速行驶过程中的驱动轮瞬时输出功率进行测试，在80km/h—100km/h行驶速度区间内平均设置5个待测速度点，通过安置在滚筒连接轴上的传感器测量滚筒转速ω、传感器示数扭矩T_s以及滚筒转角加速度α，通过式(5)计算驱动轮瞬时输出功率P_P及输出驱动力矩，其测量数据与模型计算值如表2所示。

表2不同速度点测试变量及其按数模计算出的驱动轮瞬时输出功率

为了进行实验数据对比分析，分别采用计算模型及车辆道路实验两种方法获得的驱动轮输出力矩模型，与本发明所用方法所得驱动轮瞬时输出扭矩做对比分析，其中道路滑行实验数据来自江铃公司提供的官方数据，驱动轮输出功率为道路行驶阻力乘以车速的计算结果。

表3不同模型获得的驱动轮输出功率及扭矩数据比较

表3中，运用传统二次加载滑行方法建立的数学模型计算出的驱动轮输出扭矩为T_P′，驱动轮输出功率为P′_P；车辆道路行驶阻力矩为T_road，通过车辆道路滑行实验获得的驱动轮输出功率为P_road，两种模型在不同车速下的驱动轮输出力矩以及道路行驶阻力矩如图3所示。

根据图6分析，在80km/h—100km/h的行驶速度区间内，随着车速的增大，车辆驱动轮输出力矩逐渐增大，驱动轮输出功率也逐渐增大；采用本发明提出的实验方法与数学模型获得的驱动轮输出力矩更加接近道路行驶阻力模型，在测功机模拟车辆道路行驶过程中，能够更加有效的模拟道路行驶阻力；同时所得驱动轮输出功率也更加接近道路行驶工况，测试结果精度更高。

为了进一步分析模型精度，以道路行驶阻力矩为基准，将传统的方法与本发明方法中获得的驱动轮输出力矩与道路行驶阻力矩做比较，获得两种模型相对与道路行驶模型的驱动轮输出功率相对误差，其结果如图4所示。

根据图7分析，在80km/h—100km/h的行驶速度区间内，采用模型获得的驱动轮输出扭矩为T_P′与车辆道路行驶阻力矩为T_road的相对误差，在车速为100km/h时，误差最大为4.2％，车速80km/h时，误差最小为2.2％，测量误差受到车辆行驶速度的影响，随着车速的增大，测量误差也逐渐增大；采用本发明的模型获得的驱动轮输出扭矩为T_P与车辆道路行驶阻力矩为T_road的相对误差远小于传统方法，相对误差最大为0.63％，本发明建立的驱动轮输出功率的数学模型基本能反映其道路行驶实际情况，且相对误差不受车辆行驶速度的影响。

综上，针对传统测试系统中，运用底盘测功机对车辆驱动轮瞬时输出功率测量精度不足的问题，构建了关于测功机滚筒转速、转矩、角加速度等变量的测量系统。在此基础上，建立了车辆驱动轮瞬时输出功率模型，研究了一种车辆驱动轮瞬时功率的测量系统。

(1)提出一种采用二次加载滑行法对模拟挂车进行反拖滑行测试的系统，通过测试滚筒转速、角加速度以及转矩等与滚筒运动相关变量的实验数据，准确计算获得底盘测功机等效转动惯量,有效避免了传统测试方法中车辆底盘传动系统对测量结果的影响，克服了传统方法中采用经验公式计算驱动轮输出功率带来的误差，运用此方法获得的测功机等效转动测量结果与官方数据误差仅为1％，证明了方法的有效性，为驱动轮瞬时输出力矩的精确测量提供了准确参数值。

(2)通过分析车辆在测功机滚筒上行驶的受力情况，根据角动量守恒定律，建立了车辆驱动轮瞬时输出功率的数学模型，通过对模型及变量进行分析，较传统的模型，模型中所有原始数据均来自与传感器的直接测量，克服了在传统方法中测功机内部阻力矩作为恒力建模给测量结果带来误差的缺点，计算过程简便；在80km/h—100km/h的行驶速度区间内，进行车辆驱动轮输出力矩测试实验中，相对误差最大为0.63％，有效降低了传统的模型误差2.2％—4.2％，模型获得的驱动轮输出力矩更加接近车辆道路实验中的驱动轮输出力矩，为测功机精确模拟车辆道路行驶阻力提供了准确的数据。

(3)以车辆道路行驶实验驱动轮输出功率为基准，本发明建立的数学模型获得的驱动轮输出功率，不受车辆行驶速度的影响，克服了传统模型中随着车速的增大，计算误差也逐渐增大的缺点，测量结果的精度不受车辆行驶速度的影响。通过本模型计算获得的功率值，能够更加准确反映驱动轮的瞬时功率值，且测量精度较传统方法有很大提高，为车辆驱动轮输出功率的精确免拆快速检测提供了理论基础。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统，其特征在于，包括挂车和底盘测功机；

所述底盘测功机包括测功机滚筒、转速扭矩传感器、测功机传动系统、模拟阻力加载电机、信号采集处理系统和控制系统；所述测功机滚筒、转速扭矩传感器、测功机传动系统和模拟阻力加载电机依次连接；所述信号采集处理系统接收所述转速扭矩传感器的信号，并发送给所述控制系统，所述控制系统将信号发送给所述模拟阻力加载电机；

所述挂车包括依次连接的 车轮、车辆底盘传动系统和发动机；所述发动机带动所述车辆底盘传动系统使得所述车轮驶过所述测功机滚筒；

所述挂车，通过搭载不同质量的重物满足不同质量的车型；通过调节重物的位置来模拟不同车型的重心位置；

运用所述底盘测功机反拖与实验车辆等质量且等重心位置的挂车至车速达到v，其中v大于待测速度v₀，通过底盘测功机将挂车行驶时的动能储存下来，然后给实验挂车加载一个阻力矩T₁，挂车在阻力矩T₁、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc的共同作用下滑行，采集测功机的滚筒转速ω₀＝v₀/r以及该转速度时刻的角加速度α₁，结束第一次反拖挂车的滑行实验，即进行第一次滑行；

进行第二次滑行，由所述底盘测功机给实验车辆加载一个不同于T₁的加载阻力矩T₂，采集测功机的滚筒转速ω₀＝v₀/r以及该转速度时刻的角加速度α₂，运用角动量定理建立数学模型：

式(1)中，α₁—第一次加载滑行中滚筒转速ω₀时刻的角加速度，α₂—第二次加载滑行中滚筒转速ω₀的角加速度；测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量J如式(2)，同时计算出ω₀时刻车轮与滚筒之间的滚动摩擦阻力矩与测功机传动系统阻力矩之和T_fc+T_rc如式(3)，

式(3)中，T_s—传感器示数扭矩值，为测功机加载阻力矩、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc之和；

对车辆驱动轮瞬时输出功率的测量，可以根据式(4)

P_P＝(T_fc+T_rc+T_l+Jα)·ω (4)

式中，ω为滚筒转速、α滚筒的角加速度；

与式(2)获得车辆驱动轮瞬时输出功率及输出扭矩如式(5)

式中，T_s—传感器示数扭矩值，为测功机加载阻力矩、滚筒与车轮之间的滚动摩擦阻力矩T_fc以及测功机传动系统阻力矩T_rc之和。

2.根据权利要求1所述的车辆驱动轮瞬时输出功率的测量系统，其特征在于，式(4)的获得方法如下：

在车辆变速行驶工况下测量任意时刻车辆驱动轮输出功率，由于车轮与滚筒具有一定的角加速度，车辆驱动轮对测功机滚筒的驱动力矩与滚筒阻力矩不平衡，根据达朗贝尔原理，系统增加一个反向惯性转矩后，达到平衡状态，此时力矩方程为：

T_D-(T_rc+T_l)＝T_P-(T_fc+T_rc+T_l)＝Jα (6)

式中，T_D—测功机滚筒受到车辆驱动轮的驱动力矩，T_P是驱动轮实际输出力矩，J为底盘测功机传动系统等效至滚筒处的转动惯量，α为测功机滚筒的角加速度，Jα为惯性力矩，则车辆驱动轮输出至滚筒的驱动力功率用式(4)表示，

P_P＝(T_fc+T_rc+T_l+Jα)·ω (4)。

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