CN1168965C - 汽车行驶工况驱动功率值测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种汽车行驶工况驱动功率值测试系统及其测试方法，系统由转速传感器、带红外发射的传动轴转矩值测量装置、红外接收装置及数据处理装置、传输管线、蓄电池等共同安装连接构成，其主要位置关系：转速传感器装汽车变速器输出轴处变速器箱体上；带红外发射的传动轴转矩值测量装置固装在动力传动轴上，动力传动轴前端与变速器的输出轴连接，其末端与汽车驱动桥连接；红外接收装置安装在车架或车身底板上，并通过管线与数据处理装置相连接，数据处理装置安装于车厢内并通过管线与转速传感器相连接通。测试方法的关键是同时测试汽车行驶时动力传动轴上的转矩值T和其转速值n来计算汽车的驱动功率值。本发明设备投资少、测试操作方便、测试费用少、随车在道路试验时进行测试、测试结果真实可靠、测试结果准确、重复性好。

Description

汽车行驶工况驱动功率值测试系统及其测试方法

(一)技术领域：

本发明是汽车行驶工况驱动功率值测试系统及其测试方法，属车辆性能测试技术设备。

(二)背景技术：

现有对汽车驱动功率值的测试系统，是一种安装在室内的汽车底盘测功机。在汽车底盘测功机上测试汽车的驱动功率值，是以汽车底盘测功机的滚筒代替路面，用被测试汽车的驱动车轮驱动滚筒旋转，而滚筒是与涡流制动器串联的，由试验人员通过控制柜操作涡流制动器对滚筒施加旋转阻力矩，被测试汽车的驱动车轮驱动底盘测功机的滚筒旋转时，必须克服滚筒上的旋转阻力矩，根据功率平衡原理，汽车驱动车轮驱动底盘测功机的滚筒以某一转速旋转时，此时滚筒上的旋转阻力矩乘滚筒的转速所得出的功率值即是被测试汽车驱动车轮上此时的驱动功率值。以上现有测试汽车驱动功率值的方法，是在室内的底盘测功机上模拟行驶工况的行驶阻力，让汽车驱动车轮来驱动滚筒旋转，无法做到对汽车行驶工况所消耗的驱动功率值的测试。因此，实际上是被测试汽车的驱动功率是否能平衡涡流制动器此时加到汽车底盘测功机滚筒上设定的行驶阻力功率值。这种模拟测试，存在测试操作不方便、测量结果不真实、不准确、重复性差、测试设备投资大等的缺点和问题。

即使在底盘测功机上重现道路行驶工况时汽车的油门开度和行驶车速，进行汽车某行驶工况驱动功率值的模拟测试，由于汽车在道路上行驶时，汽车发动机的冷却水温度和发动机润滑部位的机油温度、机油粘度等因素与汽车在实验室内发动机运转时的上述因素存在不可避免的随机差异。因此，在室内汽车底盘测功机上重现汽车行驶工况测出的驱动功率值，与汽车实际行驶工况的驱动功率值误差很大，且其误差是不可修正的。

(三)发明内容：

本发明的目的就是为了克服和解决现有汽车行驶工况驱动功率值的测试采用在汽车底盘测功机上进行模拟测试，存在操作不方便、测量结果不真实、不准确、测试设备投资大等的缺点和问题，提供一种测试操作方便、测试费用少，无需进行模拟测试，测量结果真实、测试结果准确、重复性好、设备投资少等诸多优点的汽车行驶工况驱动功率值测试系统及其测试方法，以促进车辆性能测试技术的发展。

本发明是通过下述技术方案来实现的：一般汽车的动力传动系统及本发明的汽车行驶工况驱动功率值测试系统的结构构成示意图如图1所示，其动力传动轴转矩值信号红外发射、红外接收及数据处理装置电路方框图如图2所示，其动力传动轴转矩值信号红外发射、红外接收及数据处理装置电路原理图如图3所示。一般汽车车型的动力传动是，由汽车动力装置如发动机1(图1所示)发出动力，经汽车离合器或液力变扭器2、汽车变速器3、带万向节的汽车动力传动轴总成6、带主减速器、差速器及半轴的汽车驱动桥总成8传到汽车驱动车轮9，由驱动车轮9作用于路面一个力。路面反作用一个驱动力给驱动车轮，驱动汽车行驶。

本汽车行驶工况驱动功率值测试系统由转速传感器4、设置在动力传动轴总成6上带红外发射转矩值信号的传动轴转矩测量装置7、带红外接收专用管及其支架的转矩值信号红外接收装置10、传输管线11、14、汽车蓄电池12、数据处理装置13共同安装连接构成，其相互位置及其连接关系为：转速传感器4装于汽车变速器箱3的输出轴处变速箱壳体上，带红外发射转矩值信号的传动轴转矩测量装置7装在汽车动力传动轴6上，带红外接收专用管及支架的红外接收装置10安装在车架或车身底板5上，红外接收装置10通过管线11与数据处理装置13相连接并通过管线11传输红外接收装置10接收到的转矩值信号给数据处理装置13，汽车蓄电池12安装在车身底板5上并通过电源线与需供电的装置相连通，数据处理装置13安放在车厢内并通过管线14与转速传感器4相连接通，以传输转速电脉冲信号给数据装置13；其动力传动轴转矩值信号红外发射电路由应变片电桥电路、信号放大器、A/D转换器、转矩信号发送处理电路、转矩值信号调制发射电路共同电气连接构成。其相互连接关系为：信号放大器通过应变片电桥电路输出信号线、信号放大输出线分别与应变片电桥电路、A/D转换器相电气连接，转矩值信号发送处理电路通过A/D转换信号输出线、转矩值信号发送处理信号输出线分别与A/D转换器、转矩值信号调制发射电路共同电气连接；其红外接收及数据处理电路由红外接收电路、转速传感器、红外接收处理用单片机电路共同电气连接构成，其相互连接关系为：红外接收处理用单片机电路分别通过红外接收信号线、转速传感器输出信号线、红外接收处理用单片机输出信号线分别与红外接收电路、转速传感器、红外接收处理用单片机相电气连接；红外接收电路通过接收转矩值信号调制发射信号与转矩值信号调制发射电路相连通。其中：应变片电桥电路由粘贴在动力传动轴6外圆表面的R21～R24电阻应变片共同电气连接构成；信号放大器由R14、R15及IC1共同电气连接构成；A/D转换器由C3、R3、C9、C11、R16、C12及IC2共同电气连接构成；转矩信号发送处理电路由IC3单片机构成；转矩信号调制发射电路由R6、R10、R13、R17、R18、C13～C15、T3、T4、RW1、D2、LD2及IC3共同电气连接构成；红外接收电路由IC5、R20、C27共同电气连接构成；转速传感器可选用SGQ-13B型；红外接收处理用单片机电路由IC7单片机、IC8、C21、C23～C26共同电气连接构成；

汽车行驶工况驱动功率值的测试方法：依据旋转的动力传动轴传递动力功率的计算式计算：

P＝Tω＝T.2πn/60(w)                 (1)

即：P＝T.n/9549.3(Kw)                (2)

式中：P——动力传动轴旋转传递的功率值，

      T——动力传动轴旋转传递的转矩值(N.m)

      ω——动力传动轴旋转角速度

      n——动力传动轴旋转转速(rpm)其关键是同时测量汽车在任一行驶工况下其动力传动轴上的转矩值和动力传动轴的转速值，则可测试计算出经过传动轴的驱动功率值。本汽车行驶工况驱动功率值的测试系统安装在汽车动力传动系中，随汽车在道路试验行驶时，对汽车行驶工况的驱动功率值进行测试；犹如动力气压表或动力液压表在动力系统中可测出任一时刻动力系统中的气压或液压值一样，本发明是在汽车动力传动系统中，串上一个动力传动轴转矩值测量装置，将汽车行驶过程中任何试验时刻所须克服的行驶阻力矩值在动力传动轴上测量出来，同时将被测转矩值的动力传动轴的转速也由转速传感器进行采样变为电脉冲信号，与转矩值信号一同被送到驱动功率值测试系统的数据处理装置计算出汽车行驶工况的驱动功率值；由上述可见，本发明是在汽车行驶过程中对汽车的驱动功率值进行直接测量，而且是在进行道路试验过程中测得的；汽车行驶过程的行驶阻力由4部分组成：车轮与路面间的滚动阻力，行驶路面的坡度阻力，汽车加、减速时的惯性阻力和汽车行驶时与大气相对运动产生的空气阻力；这4部分阻力中，滚动阻力与车辆参数。特别是轮胎参数值、车速、路面材质状况等因素关系复杂；行驶路面的坡度阻力可在测得路面坡度后计算出其值；惯性阻力由汽车平移质量与汽车旋转质量两大部分的惯量计算转换而得，也比较复杂；空气阻力则由汽车形状阻力，干扰阻力，内循环阻力，诱导阻力和摩擦阻力等组成。在室内的底盘测功机上模拟的行驶阻力与汽车实际行驶工况的行驶阻力误差很大且其误差是不可修正的，按本发明在汽车行驶过程中随车进行汽车驱动功率值的测量，则可真实准确测试出汽车在实际行驶工况时的驱动功率值。

其具体测试操作步骤：(1)在试验车的动力传动轴外圆表面上粘贴4个电阻应变片共同电气连接构成电桥电路；(2)将由电桥电路输出信号放大器、A/D转换器、转矩信号发送处理电路、转矩值信号调制发射电路及由干电池组成的电源共同电气连接构成的传动轴转矩测量装置电路板安装在用轻金属(如铝合金)制造的传动轴转矩测量装置外壳内，并将用轻金属(如铝合金)制造的传动轴转矩测量装置外壳通过螺丝固装在汽车动力传动轴上；(3)将被测试汽车变速器输出轴处箱体上的转速传感器引出的转速电脉冲信号输出线，与数据处理装置的输入端相连，若被测试汽车的变速器输出轴处箱体上的转速传感器输出的不是电脉冲信号，可在其旋转机件芯轴前串联一个能产生转速电脉冲信号的转速传感；(4)将带传动轴转矩测量装置的动力传动轴换为汽车上平时使用的动力传动轴，装在汽车上；(5)将转矩值信号红外接收装置安装在车架或车厢底板5上能接收到传动轴上传动轴转矩测量装置红外发射出来的转矩值信号的合适位置，并将红外接收装置的信号输出线与数据处理装置的输入端相连，转矩值红外接收装置由汽车上的蓄电池12供电；(6)将数据处理装置13安置在被测试汽车的车厢内方便试验人员操作的合适位置，数据处理装置13由汽车上的蓄电池12供电；(7)汽车行驶工况驱动功率值测试系统在试验车上安装准备一切就绪后，关闭红外接收装置10和数据处理装置13的电源开关，试验员启动测试装置的测试程序，在数据处理装置13的显示屏上即可显示传动轴上传递的瞬时转矩值、转速值和传动轴上的汽车驱动功率值，并储存起来，待调取研究用。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：(1)现有技术只能模拟汽车行驶工况进行测量，测量结果不真实，模拟测量不方便，测量结果误差大，不准确，重复性差，而用本发明测量系统是在汽车道路试验行驶工况中直接进行测量，测量结果真实、测量结果准确、重复性好；(2)从功率测试设备的成本来比较，现有精度较高的汽车底盘测功机需人民币几百万元，而且从外国买进，而本发明则是对不同车型配置一个传动轴转矩测量装置，本发明的系统测量装置，成本不超过5万元人民币，由同一传动轴改型的不同车型，可以通用本发明的一个系统测量装置，有了随车使用的本系统，以本发明人的发明专利技术(发明专利号：ZL 97104627.1)用道路试验测试汽车的空气阻力系数值，与现有技术用风洞试验测试汽车的空气阻力系数值，进行一次测试需要人民币20～30万元相比较，本发明随车使用的本系统会有良好的经济效益；(3)前述汽车行驶工况的滚动阻力值影响因素关系极为复杂，有了本发明的系统，可在道路行驶试验中测出任一特定车况、路况、车速下的汽车行驶滚动阻力值；这对于高速行驶的汽车轮胎的匹配研究，提供了一种便利的测试手段。特定车况、路况、车速下的汽车轮胎的良好匹配，可减少因轮胎导致高速行车交通事故的发生，会产生良好的社会效益和经济效益：(4)本发明特别解决了在传动轴外表面粘贴的应变片连线组成电桥电路的稳定性、重复性问题。并解决了高速旋转的汽车传动轴上转矩值信号的红外发射，红外接收数据不丢失的问题。经对样件的测试标定，测量结果重复性误差很小，测试转矩值的测试精度误差在5％以内；对于传动轴上的转矩值信号无接触传输的问题，本发明的系统由于采用红外编码发射与接收技术，得以较好的解决。经汽车以每小时100多公里的速度在高等级路面行驶及在试验台架上汽车以每小时120多公里的速度传动轴高速旋转时的测试，测试的结果表明，本发明的汽车传动轴上的转矩值信号采用红外编码发射、红外接收方案，可确保转矩值信号数据不丢失，测试数据重复性好。

(四)附图说明：

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是一般汽车动力传动路径示意及汽车行驶工况驱动功率值测试系统的结构构成和在汽车上的安装示意图；图2是其红外发射、红外接收及数据处理装置电路方框图；图3是其红外发射、红外接收及数据处理装置的电路原理图；图4是驱动功率测试数据微机处理程序流程方框图。图中：1是汽车动力装置，2是汽车离合器或液力变矩器，3是汽车变速器，4是转速传感器，5是车架或车身底板，6是带万向节的汽车动力传动轴总成，7是带红外发射装置的传动轴转矩测量装置，8是带主减速器、差速器及半轴的汽车驱动桥总成，9是汽车驱动车轮，10是带红外接收专用管及支架的红外接收装置，11、14均是传输管线，12是汽车蓄电池，13是包括驱动功率显示、存储的数据处理装置。

(五)具体实施方式：

发明人认为实现本发明的优选方式可为如下：(1)首先按图2、图3所示分别绘制红外发射、红外接收及数据处理印刷电路板，然后筛选元器件安装红外发射电路板、红外接收及数据处理电路板，例如：IC1可选AD621，IC2可选TLC1549，IC3可选8051，IC4可选7555，IC5可选PIC-12043，IC6可选ZSG5568，IC7可选8052，IC8可选MAX232，IC9可选MC7805，IC10可选MC7805；(2)可选用轻金属(如铝合金)制造红外发射装置外壳，用工程塑料或金属薄板制造红外接收装置外壳、数据处理装置外壳，然后把装配并试调好的电路板分别固装于相应的外壳内；(3)按图4所示，编制软件程序并输进单片机贮存；(4)按图2、3所示并按上面说明书所述的连接关系进行电气连接，并进行带红外发射装置的传动轴转矩测量装置静态动态标定调试；(5)按图1所示，发明人采用LZ1010VH型面包车来做试验车，采用该车型原装件汽车动力装置1、汽车离合器2、汽车变速器3、汽车动力传动轴总成6、带主减速器、差速器及半轴的汽车驱动桥总成8、汽车驱动车轮9、汽车蓄电池12等；带红外发射装置的传动轴转矩测量装置7、带红外接收专用管及支架的红外接收装置10、数据处理装置13均采用上述发明人研制成的装置；管线11、14可采用工程塑料管或金属管及电缆信号线；然后按图1所示并按上面说明书所述的位置连接关系进行安装连接，连接时可用螺钉固定，便能较好地实施本发明系统；然后按上面说明书所述的方法步骤进行操作便能较好地实施本发明，方便容易地测得汽车任何行驶工况的驱动功率值。

在实施本发明过程中应说明下述几个方面：汽车行驶工况驱动功率值测试系统，由汽车动力传动轴上的转矩值测量带转矩值信号发射装置，传动轴转速测量装置，转矩值红外信号接收装置和驱动功率值数据处理装置，蓄电池5部分组成。①带转矩值信号发射的汽车动力传动轴转矩测量装置，由一个电桥电路、电源、信号处理电路、红外发射装置、固定壳体几部分组成。其中电桥电路由4片电阻应变片粘贴在动力传动轴的外圆表面连线组成，电源由干电池组成，电源向电桥电路输入电压，电桥电路输出的电压则与传动轴上所传递的转矩值成一一对应关系称转矩值信号，转矩值信号经信号处理电路放大、转换、调制等处理后，由若干个串联的红外发射管将转矩值信号向外发射离开高速旋转的传动轴。干电池电源和信号处理电路以及红外发射装置均被紧固安置在一个壳体内，该壳体被紧固在传动轴上与传动轴一同进行过动不平衡检查，与传动轴同步旋转；②转矩值红外信号接收装置由一个红外接收管及其支架组成，被固定在传动轴周围附近的汽车车架上，可不间断地接收到传动轴转矩测量装置发射出来的转矩值红外信号。转矩值红外信号接收装置接收到的转矩值信号，通过管线传输到驱动功率值数据处理装置；③传动轴转速测量装置由一个转速传感器和管线组成。串联安装在与传动轴串联的汽车变速器输出轴的转速传感器上，或从变速器输出轴的转速传感器上直接取得传动轴转速值的电脉冲信号，转速测量装置测得的转速值电脉冲信号经管线输送到驱动功率值数据处理装置；④汽车驱动功率值数据处理装置，由汽车蓄电池供电，具有对红外接收器经管线传输来的转矩值信号进行转换和处理，对转速传感器经管线传输来的转速值电脉冲信号进行处理以及编程采样计算驱动功率值，存储运算结果并显示驱动功率值及与其相对应的汽车车速以及传动轴转矩值等功能；⑤测传动轴旋转速度值的原理是测与传动轴串联的汽车变速器输出轴的转速值，通过转速传感器的电脉冲信号与转速值的关系来测量的。

Claims (4)

1、一种汽车行驶工况驱动功率值测试系统，其特征在于：它由转速传感器(4)、设置在动力传动轴总成(6)上带红外发射转矩值信号的传动轴转矩测量装置(7)、带红外接收专用管及其支架的转矩值信号红外接收装置(10)、传输管线(11)、(14)、汽车蓄电池(12)、数据处理装置(13)共同安装连接构成，其相互位置及其连接关系为：转速传感器(4)装于汽车变速箱(3)的输出轴处变速箱壳体上，带红外发射转矩值信号的传动轴转矩测量装置(7)装在汽车动力传动轴(6)上，带红外接收专用管及支架的红外接收装置(10)安装在车架或车身底板(5)上，红外接收装置(10)通过管线(11)与数据处理装置(13)相连接并通过管线(11)传输红外接收装置(10)接收到的转矩值信号给数据处理装置(13)，汽车蓄电池(12)安装在车身底板(5)上并通过电源线与需供电的装置相连通，数据处理装置(13)安放在车厢内并通过管线(14)与转速传感器(4)相连接通，以传输转速电脉冲信号给数据装置(13)。

2、按权利要求1所述的一种汽车行驶工况驱动功率值测试系统，其特征在于所述动力传动轴转矩测量装置的红外发射装置电路由应变片电桥电路、信号放大器、A/D转换器、转矩信号发送处理电路、转矩值信号调制发射电路共同电气连接构成.其相互连接关系为：信号放大器通过应变片电桥电路输出信号线、信号放大输出线分别与应变片电桥电路、A/D转换器相电气连接，转矩值信号发送处理电路通过A/D转换信号输出线、转矩值信号发送处理信号输出线分别与A/D转换器、转矩值信号调制发射电路共同电气连接。

3、按权利要求1所述的一种汽车行驶工况驱动功率值测试系统，其特征在于所述的红外接收及数据处理电路由红外接收电路、转速传感器、红外接收处理用单片机电路共同电气连接构成，其相互连接关系为：红外接收处理用单片机电路分别通过红外接收信号线、转速传感器输出信号线、红外接收处理用单片机输出信号线分别与红外接收电路、转速传感器、红外接收处理用单片机相电气连接；红外接收电路通过接收转矩值信号调制发射信号与转矩值信号调制发射电路相连通。

4、一种汽车行驶工况驱动功率值测试方法，其特征是：将如权利要求1所述的汽车行驶工况驱动功率值测试系统安装在汽车上，按如下步骤测试：

第一步  通过安装在汽车动力传动轴上的传动轴转矩测量装置，对汽车动力传动轴在汽车行驶过程中所传递的瞬时转矩值进行测量采样；同时，通过安装于变速箱壳体上的转速传感器对汽车动力传动轴的瞬时转速值进行测量采样；

第二步  将所述瞬时转矩值转换成电脉冲信号，通过红外发射传送，由红外接收装置通过管线将接收到的瞬时转矩值测量信号传送到数据处理装置中；同时，转速传感器通过管线将瞬时转速值电脉冲测量信号传送到数据处理装置中，然后按照下列方式得到汽车动力传动轴旋转传递的功率值；

P＝Tω＝T×2πn/60(w)                      (1)

即：P＝T×n/9549.3(Kw)                     (2)

式中：P——动力传动轴旋转传递的功率值，T——动力传动轴旋转传递的转矩值(N×m)，ω——动力传动轴旋转角速度(rad/min)，n——动力传动轴旋转转速(r.p.m)；

第三步  在数据处理装置的显示屏上显示汽车动力传动轴上传递的瞬时转矩值、转速值和传动轴上的汽车驱动功率值，并储存。

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