摘 要：为解决汽车驱动轮输出功率动力性检测的不足，采用发动机转矩达标法，使用汽车底盘测功机，通过功率吸收装置加载检测驱动轮轮边稳定车速，并与发动机额定转矩车速相比较，可有效评价营运车辆的动力性衰退程度。以汽油车辆为例，分析汽车底盘测功系统的加载力、驱动力、系统阻力及计算模型，提出额定转矩车速与驱动轮轮边稳定车速的检测方法。通过试验误差分析表明，检测数据的重复性好，恒力控制准确度高，动力性评价准确。
关键词：汽车工程；汽油车辆；底盘测功系统；额定转矩车速；加载力；驱动轮轮边稳定车速
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）10-0014-04
Abstract： Motor torque standard was adopted to solve the defects of output power performance detection for driving wheel of vehicles. By using chassis dynamometer of vehicles and power absorption device， driving wheel steady speed was loaded and detected. Besides， by comparing with rated torque speed of motor， power recession degree of vehicles in operation could be effectively evaluated. For example（gasoline vehicles）， the loading force， driving force， system resistance and calculation model of the automobile chassis dynamometer system were researched and analyzed， and the method for detecting the rated torque speed and driving wheel steady speed was presented. The test error analysis shows the good repeatability of detection data， the high precision of the control of constant power， and the high accuracy of dynamic performance evaluation.
Keywords： vehicle engineering； gasoline vehicle； chassis dynamometer system； rated torque speed； loading force； driving wheel steady speed
0 引 言
汽车运输效率的高低主要取决于汽车的动力性，动力性衰退是汽车技术状况变差的主要征兆，主要表现形式为额定功率或额定转矩下降。因此，动力性检测是营运车辆技术等级评定的重要项目之一。传统方法是采用汽车底盘测功机台架检测驱动轮输出功率的指标来评价，在实际检测中由于发动机处于满负荷运行，对应转速及车速较高，导致台架过加載工况下检测，车辆驱动轮与滚筒表面也会产生较大的滑移，难以准确评价汽车动力性，也易损坏车辆，带来安全隐患；检测过程中，满负荷过加载检测时间长，会加剧功率吸收装置（电涡流机）的热衰减，甚至无法正常连续检测。
为解决上述动力性检测的不足，本文提出了动力性检测的转矩达标法，即比较发动机自身的实际动力性与额定动力性，用其转矩衰退允许值的稳定车速来评价车辆动力性的技术状况，适用于汽车综合性能检测站对营运汽油车辆的动力性评定。
1 检测原理
1.1 驱动轮轮边稳定车速
基于转矩达标法的汽车动力性台架检测是以驱动轮轮边稳定车速为检测计量参数，规定汽车发动机动力性衰退的允许限值（达标转矩），达到并超过该限值，动力性即合格，否则动力性不合格。
对汽油发动机车辆，标明转矩为额定转矩时，需满足：
M≥ηMm（1）
式中：M——发动机实际转矩，N·m；
Mm——发动机额定转矩，N·m；
η——发动机动力性衰退允许值，称为发动机转矩达标比值系数，即发动机实际转矩与额定转矩之比（由营运车辆技术标准予以限制），ηMm即为达标转矩。
台架检测时，汽油车辆在变速器某一挡位下，发动机的任意转速都对应一个确切的驱动轮轮边线速度。由于发动机额定转矩转速（nm）和发动机额定转矩（Mm）在发动机铭牌上标明，nm所对应的车速即为额定转矩车速（Vm）。因此，在测功机台架空载条件下，可通过速度标定法测定额定转矩车速。
台架检测时，发动机达标转矩换算在对应车辆变速器挡位的底盘测功机滚筒轮边车速和驱动轮当量驱动力满足关系式[1]为
Vm=0.377×nm×r/（ig×i0）（2）
Fm=η×Mm×（ig×i0）/r（3）
式中：Vm——发动机额定转矩转速对应的车速，即额定转矩车速，km/h；
nm——发动机额定转矩时的转速，r/min；
r——驱动车轮半径，m；
ig——变速器的传动比；
i0——主减速器的传动比；
Fm——发动机达标转矩换算在驱动车轮上的当量驱动力，N。
通过式（2）和式（3）换算，即：
ηMm=Fm×Vm/0.377×nm（4）
在驱动轮的当量驱动力（Fm）与测试系统当量阻力相平衡时，通过底盘测功机加载检测到驱动轮轮边稳定车速（Vw），即在额定转矩工况下的驱动轮轮边稳定线速度。
当Vw≥Vm时，实测转矩≥ηMm，汽车动力性达标。
当Vw 综上所述，基于转矩达标法的汽车动力性台架检测以驱动轮轮边稳定车速（Vw）为指标进行评价。 1.2 加载力模型 达标法的汽车动力性台架检测存在许多相关力。其中，有些力作用在被测车辆的驱动轮上，而有些力则作用在发动机上，为便于车轮驱动力与系统阻力的平衡计算，将发动机驱动力与系统各阻力统一换算在驱动轮表面，分别定义为发动机当量驱动力和相应当量阻力。 台架检测时，发动机动力传递过程中的阻力： 发动机→发动机附件阻力→传动系阻力→车轮滚动阻力→测功机台架内阻，见图1。发动机需要克服这些阻力将力传递到驱动轮，完成做功过程。 研究表明，同一车辆的发动机，在不同的速度点，产生的当量驱动力随着速度的增加而逐渐降低，降低的拐点在Vm点。底盘测功机加载检测驱动轮轮边稳定车速（Vw）时，车辆驱动轮表面上的驱动力与检测系统的阻力应达到力平衡[1]，即： Fm=FM+Ftc+Fc+Ff+Ft（5） 式中：Fm——在额定转矩车速（Vm）发动机达标转矩换算在驱动轮表面的当量驱动力，N； FM——检测环境下功率吸收装置在滚筒表面上的加载力，N； Ftc——底盘测功机台架内阻，N； Fc——驱动轮车轮滚动阻力，N； Ff——在额定转矩车速（Vm）发动机附件消耗转矩换算在驱动轮上的阻力，N； Ft——车辆传动系允许阻力，N。 1.3 底盘测功系统 用于转矩达标法动力性检验的底盘测功机除满足交通行业标准JT/T 445——2008《汽车底盘测功机》[2]外，还应符合以下要求[3]。 1）底盘测功机应能根据检测环境温度、湿度、大气压等参数计算校正系数，且能根据登录车辆参数和信息，计算功率吸收装置的加载力并进行恒力加载。 2）底盘测功机的静态力示值误差为±1.0%，恒力控制误差为±20 N，车速示值误差为±0.2 km/h或±1.0%。 3）底盘测功机应能显示功率吸收装置的瞬时加载力和曲线以及瞬时车速和曲线，并能通过外部显示设备提示操作过程。 4）标注底盘测功机台架转动件的基本惯量。 5）底盘测功机滚筒上母线应保持水平，各滚筒两端点间的高度差应不大于±5 mm。 2 检测方法 2.1 检测额定转矩车速（Vm） 底盘测功机不加载的条件下，起动被检车辆发动机，逐步加速，选择变速器第3挡位，采用加速踏板控制车速，当发动机转速稳定在发动机额定转矩转速nm时，测取此时驱动轮轮边线速度为额定转矩车速Vm。当Vm>80 km/h时，应降低1个挡位，重新测取额定转矩车速Vm。有些营运汽油车辆额定转矩转速nm>4 000 r/min时，为降低检测时的车速，按nm=4 000 r/min测取Vm。 2.2 检测驱动轮轮边稳定车速（Vw） 检测驱动轮轮边稳定车速应在加载检测环境下进行，通过底盘测功机功率吸收装置进行恒力加载。 2.2.1 加载力（FM）的计算 在加载检测环境下的功率吸收装置加载力（FM），按式（5）换算为下式计算： FM=Fm-Ftc-Fc-Ff-Ft（6） 1）驱动轮表面的当量驱动力（Fm）的计算 在检测状态下被检车辆及测功机系统阻力平衡后，驱动车轮达到稳定车速，在额定转矩车速（Vm）下，Fm按下式计算： 式中：Mm——发动机额定转矩，N·m； αa——汽油发动机动力性校正系数。 2）底盘测功机台架内阻（Ftc）的计算 底盘测功机台架内阻（Ftc）主要由风冷式电涡流机风阻、轴承阻力以及加工制造和装配误差产生的阻力构成，作用在驱动轮表面上。营运汽油车辆总质量一般在3.5 t以下，底盘行驶系多为二轴结构。经试验研究，对于二轴四滚筒式台架内阻（Ftc）推荐值为110 N；若测功机具有反拖装置时，也可采用反拖法定期测量测功机在50 km/h时的台架内阻。 3）驱动轮车轮滚动阻力（Fc）的计算[4] 汽车动力性台架检测时，被测车辆驱动轮与测功机滚筒间存在滚动阻力，该力作用在驱动轮表面上，每一个车速点的滚动阻力与驱动轴轴质量成正比，Fc按下式计算： Fc=fc·GR·g（8） 式中：fc——台架滚动阻力系数，在额定转矩车速Vm≥70 km/h时，fc取2f；Vm<70 km/h时，fc取1.5f。f是汽车在水平硬路面上行驶的滚动阻力系数，子午线轮胎f取0.006，斜交轮胎f取0.010； GR——驱动轴空载质量，kg； g——重力加速度，取g=9.81 m/s2。 4）发动机附件消耗阻力（Ff）的计算 发动机的附件阻力不仅包含了其自身附件阻力，也包含了排气制动阀、制动用的压气泵、空调用的冷气泵、动力转向用的液压泵等车辆附件阻力，并作用在发动机上。在额定转矩车速（Vm）下，发动机附件消耗换算在驱动轮上的阻力（Ff）按下式计算： 式中fm为Vm车速点的发动机附件消耗轉矩系数，fm取0.06。 5）车辆传动系允许阻力（Ft）的计算 汽车动力性台架检测时，影响评价结果还包括传动系的技术状况[5-6]。因此，规定传动系允许阻力有利于在保证发动机动力传递的同时，也保证车辆驱动轮的动力性。
经试验表明，汽车传动系一对圆柱齿轮副的传动效率约为0.98，汽油车变速器一般不超过6个（含6个）前进挡位，传动效率约为0.95，万向节和传动轴的传动效率约为0.98，单级主减速器的传动效率约为0.96，双级主减速器的传动效率约为0.92。由于动力性检测规定为直接挡，没有通过齿轮传动的变速器传动效率最高约为0.97。
统计营运汽油车变速器与主减速器的匹配结构型式，计算车辆传动系效率ηT为
ηT=0.97×0.98×0.92=0.874 6
传动系阻力系数为（1-ηT）=1-0.874 6≈0.13。考虑到允许在用车传动系技术状况的下降，故设定（1-ηT）≈0.18。
因此，车辆传动系允许阻力（Ft）换算到驱动轮表面上，按下式计算：
Ft=0.18×（Fm-Ff）（10）
2.2.2 汽油发动机动力性校正系数（αa）的计算
一般情况下，汽车发动机动力性（功率、转矩）是在标准环境状态下标定的，即：大气压P0=100 kPa；相对湿度φ0=30%；标准环境温度T0=298 K（25 ℃）；干空气压PS0=99 kPa。
汽车在使用条件下，发动机动力性（功率、转矩）会随环境状态的大气压、温度、湿度的不同而发生改变，动力性检测需要根据环境条件对检测结果进行标准环境状态下的数据校正。
汽油发动机校正系数αa按下式[7]计算：
2.2.3 数据采集及处理
踩下加速踏板使车速超过Vm，底盘测功机逐步进行恒力加载至FM（±20 N）范围内并稳定3 s后，开始测取被检车辆车速，当3 s内的车速值变化不超过±0.5 km/h时，该车速即为驱动轮轮边稳定车速Vw，检测结束。
检测结束后存储以下被检车辆相关参数及中间数据：η、Mm、Vm、Vw、nm、Fm、FM、Ftc、Fc、Ff、Ft、αa以及检测环境温度、相对湿度、大气压力，作为车辆检测档案（电子档案）的内容。
3 试验误差分析
选择试验车辆，额定转矩142 N·m，额定转矩转速3 500 r/min。检测环境温度8 ℃，湿度86.0%，大气压101.6 kPa，αa=0.95。取转矩达标比值系数η=0.75，变速器为2挡，进行6次动力性检测Vm、Vw，试验检测结果见表1。
根据表中动力性检测结果和检测过程数据分析：
1）Fm、FM中间数据重复性较好，额定转矩车速（Vm）的测量计算值稳定，误差主要由额定转矩下转速读数误差（±0.2%）、额定转矩下车速测量误差（±1.2%）和测功机系统误差累计所造成，说明测功机产品质量与控制系统直接影响检测结果。
2）测功系统的恒力控制方式（±1.0%示值误差），保障了驱动轮轮边稳定车速（Vw）的稳定。
3）分析比较发动机外特性曲线，在额定转矩转速（3 500±300）r/min范围内变化，转矩值变化较小（-0.625%），说明车速误差对检测的准确性影响很小。
4 结束语
本文研究表明转矩达标法对营运汽油车辆提供了快捷、安全的动力性检测台架检测方法，具有良好的可操作性，并得到以下结论：
1）在额定转矩点准确检测车辆的实际额定转矩车速，既控制了力也控制了车速，提高了动力性检测结果的准确性，适用车型广。
2）控制和检测准确度较高。底盘测功机采用恒力控制，发动机能自动适应恒力，实现了定量控制，提高了系统惯量对加载的响应性能，使发动机动力与系统阻力快速达到平衡的稳定车速，减小动态惯性误差，提高了测试准确度。
3）动力性校正准确、简便。转矩达标法动力性检测既保证了车辆驱动轮的动力性，也兼顾了发动机的动力性，可动态设置不同的达标转矩比值系数，进行动力性技术等级评定等检测。
參考文献
[1] 仝晓平，刘元鹏. 道路运输车辆综合性能检验与技术等级评定[M]. 北京：人民交通出版社，2016：100-121.
[2] 汽车底盘测功机：JT/T 445-2008[S]. 北京：人民交通出版社，2008.
[3] 测功装置检定规程：JJG 653-2003[S]. 北京：中国计量出版社，2003.
[4] 张学利，何勇. 汽车动力性检测中的滚动阻力[J]. 公路交通科技，2000（5）：93-95，106.
[5] 任有，许洪国，李显生，等. 汽车底盘测功机惯性系统开发研究[J]. 公路交通科技，2002，19（3）：141-143.
[6] 许洪国. 汽车运用工程[M]. 北京：人民交通出版社，2014：21-29.
[7] 汽车动力性台架试验方法和评价指标：GB/T 18276-2000[S]. 北京：中国标准出版社，2000.
（编辑：李妮）