汽车底盘测功机结构详解

汽车底盘测功机结构详解

汽车底盘测功机是一种用于模拟汽车在道路上行驶时所受各种阻力的测试设备，主要由道路模拟系统、信号采集与控制系统、安全保障系统及引导系统等构成。

道路模拟系统

底盘测功机的道路模拟系统主要包括滚筒、功率吸收装置和惯量模拟装置。其中，滚筒相当于连续的路面，被测汽车的车轮在其上滚动，模拟汽车在道路上的运动。滚筒按表面状况不同，可分为平滑的、滚花的、带平行沟槽的、带十字槽的、带截油槽的、带涂复层的、带加载块、带加载起和带固定罩壳等，可根据使用情况适当选择，尽量使轮胎与滚筒间的附着力接近于道路行驶的实际情况。

图1 侧置电机道路模拟系统

图2 中置电机道路模拟系统

图3 双滚筒侧置电机底盘测功机

功率吸收装置

功率吸收装置用于在底盘测功机上模拟汽车在道路运行中所受的空气阻力、非驱动轮的滚动阻力及爬坡阻力，以及轮胎在底盘测功机上的滚动阻力与在道路上的差别等。功率吸收装置的类型有水力式、电涡流式和电力式，相应的底盘测功机称为水力底盘测功机、电涡流底盘测功机和电力底盘测功机。

水力式功率吸收装置

水力式功率吸收装置是利用水对旋转的转子形成的摩擦力矩来吸收并传递动力机械输出功率的装置。水力式功率吸收装置的主体为水力制动器，它由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支撑，因而可以自由摆动；制动器的转子被封闭在外壳内，其间充有水。测功机工作时，动力机械带动制动器的转子同步旋转，搅动制动器外壳中的水。由于转子旋转产生的离心力及转子凹坑的作用，水在外壳与转子凹坑之间产生强烈的水涡流，它给外壳产生转动力矩，使动力机械的转矩由转子传给外壳，装在外壳上的动力臂跟随转动一定的角度，从而将力矩传给与制动臂相连拉压传感器，通过数显装置即可显示其制动力矩的大小。而动力机械的输出功率则通过水分子间的相互摩擦转变成热能，随外壳中水的流动被带走。

电涡流式功率吸收装置

电涡流测功机主要由旋转部分（感应盘）、摆动部分（电枢和励磁部分）和测力部分组成。励磁绕组通电后，产生一个闭合磁通。当感应盘（齿状）旋转时，气隙磁密随之发生周期性变化，从而感应出涡流，由于“涡流”和磁场的耦合作用，在转子上产生制动力矩，而在电枢体上则产生与动力机械输出力矩相同的转矩，由装在电枢体上的拉压传感器检测出来。

电力式功率吸收装置

电力式功率吸收装置分直流式和交流式。交流式电力测功机是目前市面上最先进的加载测功设备，尤其在中小功率以及微小功率的动力机械加载测功试验中，可以兼顾各动力机械的低速及高速加载测功试验，相对其它类型测功加载设备而言，在性能、可靠性、维护难易程度等方面都有比较明显的优势。

直流电力式功率吸收装置

直流电力式功率吸收装置由直流电机、测力计和转速传感器组成。直流电机的定子由独立的轴承座支承，它可以在一定的角度范围内自由摆动。机壳上带有测力臂，它与测力计配合，可以检测定子所受到的转矩。根据直流电机原理，电机的电磁转矩同时施加于定子和转子。定子所受到的转矩与转子所受到的转矩大小相等，方向相反，所以施加于转子上的转矩可以从定子上量测。转矩与测速发电机测得的转速之积即轴功率，这就是测功机名称的由来。运行中轴承、电刷和风致摩擦等引起的机械转矩，会使定子和转子所受的转矩不完全相等，测量时应考虑。

直流电力式测功机可作为直流发电机运行，作为被测动力机械的负载，其控制原理是将直流电机发出的直流电经直流调速系统逆变为交流电上网，并通过直流调速系统调节直流电机的馈电电流来调整被测动力机械的转速和扭矩；也可以作直流电动机运行，实现对被测动力机械的拖动。

交流电力式功率吸收装置

交流电力式测功机的测功原理与直流电力式测功机相同，区别在于其使用交流电机。作为被测动力机械的负载时，交流电机作为交流发电机使用，其控制原理是将交流电机发出的交流电经变频器逆变为直流电然后再逆变为交流电上网，并通过交流变频调速系统调节交流电机的上网电流来控制被测动力机械的转速和扭矩；同样，交流电力式测功机也可以作交流电动机使用，实现对被测动力机械的拖动。

不同功率吸收装置间的主要区别

交流电力式测功机是利用交流变频电机作为负载电机，通过矢量工程变频装置调节负载并进行能量回馈。交流电力式测功机使用交流电源，交流电机的原理相对复杂，调速复杂，但其结构相对简单，制造费用低，比直流电机便于维护。近年来随着矢量变频技术的发展，已经实现用变频电机模拟直流电机，使得交流电力式测功机得到了广泛应用。

直流电力式测功机是利用直流发电机作为负载，通过直流调速系统调节负载并进行能量回馈。直流电力式测功机的直流电机使用直流电源，其原理相对简单，具有良好的启动特性和调速特性，但存在直流换向问题，需要碳刷，结构复杂，不便于维护，且制造费用高。

水力式、电涡流式测功机的基本原理是将被测动力机械产生的机械能转化为热能由水冷却后把热量带走，被测动力机械发出的能量不能回收，转换过程亦需消耗能量。而电力式测功机却可以把被测动力机械产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，供其他设备使用。

水力测功机只能单向加载，低速时加载性能变差；不能作为反拖设备，在做发动机机械效率试验时需要另配拖动设备。

电涡流式测功机可以双向加载，但在低速时加载性能比水力测功机还差，也不能作为反拖设备。

电力式测功机可以实现双向加载，在转速为零时依然可以提供足够的加载能力，电力式测功机可以作为动力源倒拖被测动力机械。

水力式测功机的加载反应时间基本上在秒级，电力测功机的加载反应时间为毫秒级。

惯量模拟装置

汽车在道路上行驶时，汽车质量平移产生的惯量对车辆的加减速运行的巨大阻力或动力，但在底盘测功机上进行试验时，只有车轮、传动轴等部件进行旋转运动，而汽车质量并未产生位移，因此需要在底盘测功机上安装惯量模拟装置来模拟汽车质量平移产生的惯量。

惯量模拟装置有两种型式，一种使用相同惯量的机械飞轮模拟，另一种为电惯量模拟。

使用机械飞轮模拟惯量的底盘测功机，需要安装一组与底盘测功机滚筒相连的机械飞轮，采用电磁离合器切换飞轮的组合，可在允许的误差范围内满足汽车的惯量模拟。

使用电惯量模拟的底盘测功机，不需要额外添加装置，只需在使用调速系统调节馈电电流以调整被测动力机械的转速和扭矩时，根据牛顿第二定律增加一个与汽车平移质量和加速度相关的馈电电流。

测控系统

底盘测功机的测控系统就是通过计算机对底盘测功机进行控制，对汽车底盘等进行检测，采集数据并处理及分析，对汽车性能进行测试评估。底盘测功机测控系统是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通讯技术有机结合，主要包括数据采集和处理单元、驱动控制单元、通讯单元和安全警示单元等。其中数据采集和处理单元负责整个系统的数据采集和运算处理；驱动控制单元根据数据采集和处理单元得到的数据以及上位机的控制要求进行判定和运算，控制功率吸收装置的运行，实现对测功机的精确控制；通讯单元负责将上位机和下位机之间的数据进行转换和传输；当系统运转出现故障时，根据故障的紧急程度，由安全警示单元控制测功机停止工作，或当出现意外事故时由人工控制系统强制停机。