专利名称：汽车轮边功率特性快速测试方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车轮边功率特性测试方法，具体的是一种基于底盘测功机对汽车轮边功率特性进行快速测试以获取汽车轮边功率特性的一种方法。
背景技术：
目前，使用底盘测功机进行快速测试汽车轮边功率特性的技术状况为零。
进行汽车动力性能测试和柴油车加载减速工况烟度排放测试时，获取汽车轮边功率特性是最重要的测试项目。汽车轮边功率特性指当发动机节气门开度一定时，发动机输出功率经传动系某一档位传至车轮的功率与车辆行驶速度的关系，由于汽车具有多个档位，各档传动比和传动效率都不相同，因而同一汽车在相同发动机节气门开度时，不同档位的轮边功率与行驶速度的关系也不相同。
采用底盘测功机测试车辆轮边功率特性主要有两种调节方式速度调节方式和力矩调节方式。速度调节方式是通过设定测功机转鼓的速度，当车辆驱动轮施加在转鼓上的驱动力矩发生变化时，底盘测功机自动调节加载力矩，使底盘测功机的阻力矩同轮边驱动力矩平衡，保证转鼓速度不变，从而保证车辆速度不变，此时轮边功率同底盘测功机阻功率相等。对测功机转鼓设定不同速度可使车速稳定在不同速度下，从而得到车辆不同速度点的车辆轮边功率。力矩调节方式是通过设定测功机的阻力矩，当车辆轮边驱动力矩大于底盘测功机阻力矩时，车辆带动转鼓加速转动直到车辆驱动力矩同底盘测功机阻力矩平衡，当车辆轮边驱动力矩小于底盘测功机阻力矩时，底盘测功机转鼓迫使车速不断降低直到轮边驱动力矩同底盘测功机阻力矩平衡，平衡后的轮边功率同底盘测功机阻功率相等。改变底盘测功机阻力矩可使车辆稳定在不同车速，得到不同速度点的车辆轮边功率。
上述两种方式都是通过使车辆同底盘测功机达到相对平衡来获得车辆轮边功率的，如附图1所示为平衡时底盘测功机转鼓受力图，当作用于底盘测功机转鼓上的车辆轮边驱动力矩和底盘测功机转鼓上的阻力矩平衡时，车轮同底盘测功机转鼓处于相对平衡状态，即底盘测功机转鼓处于匀速转动状态。以底盘测功机转鼓为研究对象，设转鼓以转速ω匀速转动，车轮转动速度同转鼓速度大小相等，可以得到力矩平衡方程Tw＝Tp(1)式中，Tw为车轮对转鼓的驱动力矩，Nm；Tp为底盘测功机转鼓的阻力矩，Nm。
车辆轮边功率与测功机吸收功率相等，即Pw＝Tw×ω＝Tp×ω (2)式中，Pw为车辆轮边功率，kW；Tw和Tp的意义和式(1)一样，ω为转鼓转动角速度，rad/s。
因此可以对底盘测功机施加不同的阻力矩，使汽车同底盘测功机转鼓在不同速度下达到平衡，通过测取底盘测功机的吸收功率获得汽车的轮边功率特性。
汽车的轮边功率特性要测试汽车在多个发动机节气门开度和各个档位状态下一系列行驶速度和汽车轮边功率的关系，为此在固定的节气门开度和固定的档位下，要改变汽车的行驶速度，并使汽车的速度稳定后，测取底盘测功机的吸收功率，这样才能得到汽车在该速度下轮边功率的准确值，若底盘测功机转鼓的转速不稳定，转鼓还在作变速运动，必然存在一个角加速度 和惯性矩 如附图2所示，此时测取底盘测功机的吸收功率值，就得不到汽车在该速度下轮边功率的准确值，轮边功率测试就失去意义。汽车的速度改变后，底盘测功机的转鼓速度要跟着改变，为使得汽车同底盘测功机转鼓处于相对平衡状态，底盘测功机转鼓速度稳定需要很长的时间，由此需要采用较长的扫描周期，使得整个测试过程时间过长。目前，国内外进行汽车轮边功率特性测试时，此过程持续时间普遍较长，严重影响了汽车轮边功率特性测试效率，特别在进行汽车高档和发动机处于满负荷状态下轮边功率特性测试时，速度稳定时间较长，测试持续时间较长，发动机的热负荷很大，发动机机体温度很高，会造成发动机冷却液飞溅，对发动机的使用寿命有很大影响，汽车传动系统满负荷高速运转，润滑油温度很高而变稀，影响传动零件的润滑效果，对汽车传动系的使用寿命有很大影响，车轮在底盘测功机转鼓上运行时，轮胎弹性变形比在路面上运行时要大的多，车轮周而复始的在转鼓上运转，轮胎只和底盘测功机转鼓的有限表面相接触，车轮较长时间的高速运转，由轮胎迟滞变形产生的热量不能及时散发出去，会使轮胎产生过热，胎面橡胶脱落，会在较大程度上降低轮胎使用寿命，严重时会造成爆胎，发生测试事故，同时测试时汽车会产生剧烈颠簸，甚至驶出底盘测功机，降低了测试的安全性。由于发动机、传动系、轮胎工作不正常，所获取汽车轮边功率特性也不尽准确。国内外迄今为止，为解决功率扫描持续时间过长而造成的发动机和轮胎过热及传动系工作不正常的问题所采用的技术是发现发动机或轮胎过热后，迅速松开油门踏板，关闭发动机，冷却风机使发动机和轮胎强制冷却，待发动机和轮胎冷却到一定程度后，再继续进行测试，由此整个测试过程花费很长时间，而且这种方法对柴油车加载减速工况烟度排放测试也是不可行的，因此快速测试汽车轮边功率特性是很重要的。

发明内容
在一定发动机节气门开度和一定档位下，完成汽车的一个速度点的轮边功率测试后，进行下一个速度点的轮边功率测试时，汽车从当前速度改变到下一个速度点后，在底盘测功机的转鼓速度跟着改变但还不稳定的情况下，即转鼓还以角加速度 作变速运动时，测取底盘测功机的吸收功率值，得到一个该速度下不准确的轮边功率值，对此不准确的轮边功率值进行修正，获得准确的轮边功率值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是按照一定的测试过程获取汽车轮边功率特性，具体测试过程是通过油门踏板限位装置把车辆油门踏板行程限定在不同位置得到不同的发动机节气门开度，对底盘测功机采用力矩调节方式，施加一较小恒力矩载荷，选择好某一档位，使汽车在底盘测功机上加速运行，油门踏板逐渐踩到限定位置，当车速稳定在发动机最高转速对应车速时，记录下此时底盘测功机的阻功率和对应车速，此车速为进行该节气门开度下轮边功率特性测试时该档位所能达到的车辆最大行驶速度。选择不同档位，依次获取各油门开度下各档最大行驶速度νmax和对应的小负荷阻功率Ps，如附图3(a)所示。
选择好汽车某一档位，对底盘测功机应用力矩调节方式，设定与上面获得车辆最大行驶速度相同的恒力矩值，油门逐渐下踩到限定的位置，汽车逐渐加速，汽车所受到底盘测功机的阻功率是一与车速成线性关系的小负荷阻功率，如附图3(a)所示，当车速达到最大行驶速度后，车辆轮边功率同小负荷阻功率Ps平衡，车速稳定。
车速稳定3秒后，开始进行轮边功率特性测试，采样周期为500ms，在每个采样周期都对底盘测功机施加相等递增量的力矩载荷，力矩增量根据发动机额定功率大小而定，通过采集底盘测功机的吸收功率得到该档位和该节气门开度下车辆不同速度时未经修正的轮边功率Pw曲线，如附图3(b)所示。随着载荷的增加车速不断降低，当车速降低到8km/h后，停止档位和该节气门开度下轮边功率特性测试。
为缩短轮边功率特性测试时间，采用较短的500ms采样周期，由于采样时间较短，底盘测功机力矩载荷增加时，车辆在底盘测功机上不能完全达到相对平衡状态，转鼓具有一定角加速度 因此必须对附图1的力矩平衡方程进行修正。如附图2所示，设测功机转鼓具有角加速度 该工况下，力矩和功率平衡方程为Tw=Tp+Iω.----(3)]]>Pw＝Tpω (4)Pw=(Tp+Iω.)ω----(5)]]>式(3)～式(5)中，I为测功机转动部件等效至转鼓处的转动惯量，kgm2； 为转鼓角加速度，rad/s2，Tw为车轮对转鼓的实际驱动力矩，Nm；Tp为底盘测功机转鼓的阻力矩，Nm；Pw为未经修正的轮边功率，W；Pw为经修正的轮边功率，W；ω的意义和式(2)一样。
由于底盘测功机的等效转动惯量很大，当转鼓具有一定的角加速度时，力矩平衡方程式(3)和功率平衡方程式(5)中第二项的值较大。测量得到的转鼓角速度是离散值，用角速度的差分代替力矩平衡方程式(3)和功率平衡方程式(5)中的导数项，如式(6)所示。考虑到测量数据难免受到噪声干扰，取差分后会放大误差，采用递推最小二乘法对采集的角速度数据进行拟合，通过对拟合后的多项式求导得到不同转鼓角速度时的导数准确值，把采集到的底盘测功机吸收功率同修正项相加得到修正后的轮边功率准确值Pw。
ω.n=dωdt=ωn-ωn-1dt≈ωn-ωn-1Δt----(6)]]>式中， 为当前时刻转鼓角加速度，rad/s2；ωn为当前时刻转鼓角速度，rad/s；ωn-1为前一时刻转鼓角速度，rad/s；Δt为采样周期，ms。
当测量数据受到噪声干扰时，测量的当前转鼓角速度值可表示为ωn＝ωn+Δωn(7)式中，ωn为带有噪声干扰的转鼓角速度的测试值，rad/s；ωn为准确的角速度值，rad/s；Δωn为噪声项，rad/s。
将ωn代入式(6)得到
ω.n=dωdt=ωn-ωn-1dt≈ωn+Δωn-ωn-1Δt=ωn-ωn-1Δt+ΔωnΔt----(8)]]>式中各参数的意义和式(6)与式(7)相同。
由式(8)中的第二项 可知，当采样周期Δt较小时，很小的角速度采样误差Δωn都会带来较大的角速度微分误差。为此对采集到的角速度值用递推最小二乘法进行三次多项式进行拟合，拟合后的三次多项式如式(9)所示。
ω(t)＝a3t3+a2t2+a1t+a0(9)式中，a3、a2、a1、a0为时间t的三次、二次、一次、常数项系数。
对已采集到的数据组(tn、ωn)、(tn-1、ωn-1)…(t1、ω1)，则有ω1＝a3t13+a2t12+a1t1+a0ωn-1=a3tn-13+a2tn-12+a1tn-1+a0----(10)]]>ωn=a3tn3+a2tn2+a1tn+a0]]>把式(10)写成矩阵形式θn＝Tn·An(11)式中，θn=ω1...ωn]]>为采集点数为n时的角速度矩阵；Tn=t13t12t11............tn3tn2tn1]]>为采集点数为n时的时间矩阵；An=a3a2a1a0]]>为采集点数为n时的拟合多项式系数矩阵。
采用最小二乘法拟合时，有An=(TnT·Tn)-1·TnT·θn----(12)]]>为了实时在线拟合，即如果采集到n个点时多项式系数矩阵为An，则采集第n+1个点后应能快速计算拟合多项式系数矩阵An+1，并避免计算时间矩阵的逆矩阵，采用递推最小二乘法进行角速度拟合，令Pn=(TnT·Tn)-1----(13)]]>
an+1=tn+13tn+12tn+11----(14)]]>则An＝Pn·TT·θn(15)递推算法如式(16)和(17)所示。
Pn+1=Pn-Pn·an+1·an+1T·Pn1+an+1T·Pn·an+1----(16)]]>An+1=An+Pn+1·an+1·(ωn+1-an+1T·An)----(17)]]>式中，An+1为采集n+1个点后的拟合多项式的系数矩阵。
得到拟合多项式后，对该多项式求导得到不同转鼓角速度的导数，即ω.(t)=3a3t2+2a2t+a1----(18)]]>据此，可把采集到的底盘测功机吸收功率同修正项相加得到修正后的轮边功率准确值Pw。
本发明的特征是采用底盘测功机进行车辆轮边功率特性测试，通过限定油门踏板位置得到节气门不同开度，对底盘测功机施加小恒力矩负荷，把油门踏板踩到限定位置，获得车辆在不同档位和不同油门开度时的最大行驶速度；应用底盘测功机力矩调节方式，逐步施加递增力矩负荷，从最大行驶速度开始，测试车辆轮边功率特性；可以得到同一档位不同节气门开度的轮边功率特性曲线，也可以得到同一节气门开度不同档位的轮边功率特性曲线；采样周期短，采用递推最小二乘法对原始采样数据进行实时拟合得到比较准确的转鼓角速度微分值，根据底盘测功机等效转动惯量和转鼓角速度的微分之积对使测轮边功率进行修正，在提高测试速度的同时保证了车辆轮边功率特性测试的准确性。
本发明的有益效果是为解决汽车轮边功率特性测试时间过长的问题，本发明提供了一种全新的车辆轮边功率特性快速测试的新方法，该方法测试时间很短，可把原车辆轮边功率特性测试时间缩短十分之九以上，轮边功率测试准确，测试平均相对误差只有1％，操作简便，易于实现；测试时，发动机、传动系和车轮工作稳定，消除了原方法测试时发动机、传动系和车轮过热问题，对汽车动力性能测试和柴油车加载减速工况烟度排放测试具有重要的实际意义。


图1为平衡时底盘测功机转鼓受力图。
图2为未平衡时底盘测功机转鼓受力图。
图3为确定各档在固定油门开度时最大车速和获取未经修正的车辆轮边功率特性曲线示意图。
图4为车辆轮边功率特性测试流程框图。
图5为节气门开度30％，Jetta GTX轿车一档轮边功率特性曲线。
图6为节气门开度30％，Jetta GTX轿车三档轮边功率特性曲线。
图7为节气门开度30％，Jetta GTX轿车四档轮边功率特性曲线。
图8为节气门开度100％，Jetta GTX轿车一档轮边功率特性曲线。
图9为节气门开度100％，Jetta GTX轿车三档轮边功率特性曲线。
图10为节气门开度100％，Jetta GTX轿车四档轮边功率特性曲线。
图11为车辆轮边功率特性测试计算机控制软件界面。
图中1.修正前车辆轮边功率的不准确值Pw′，kW，2.修正后车辆轮边功率的准确值Pw，kW，3.采用长时间测试方法获得的车辆轮边功率的准确值，kW，4.菜单区，5.图形显示区，6.测试监测区，7.实验设置区，8.图形工具区，9.状态栏，Tw为车轮对转鼓的驱动力矩，Nm，Tp为底盘测功机转鼓的阻力矩，Nm，ω为转鼓转速，rad/s， 为转鼓角加速度，rad/s2，I为底盘测功机转动部件等效至转鼓处的转动惯量，kgm2，Ps为确定各档各油门开度下最大车速和开始车辆轮边功率特性测试前对底盘测功机施加的小负荷阻功率，kW，νmax为设定油门开度和档位时车辆最大行驶速度，km/h。
具体实施例方式
实施例1在附图4中，进行车辆轮边功率特性测试时，先调整油门踏板限位装置限定油门踏板的最大行程，即确定节气门的最大开度。对测功机施加小恒力矩载荷，车辆在底盘测功机上加速行驶，油门逐渐踩到限定位置并固定档位，获得该节气门开度下轮边功率测试时该档位所能达到的车辆最大行驶速度νmax和对应的底盘测功机载荷Ps。选择不同档位，依次获取在此油门开度下各档最大行驶速度和底盘测功机载荷。
选定进行轮边功率特性测试的档位，对底盘测功机设定与获取各档位最大行驶速度相同的恒力矩载荷，车辆逐步换档至预先选择的档位，如果选择的是一档，则不需要换档，踩下油门踏板达到限定位置，保持不动，此时节气门开度将保持不变，转鼓速度上升到最高速度νmax，车辆轮边功率值和设定的底盘测功机载荷Ps平衡，转鼓速度保持不变，稳定3秒钟，开始进行该档位该节气门开度下车辆轮边功率特性测试。采样周期为500ms，每采样周期都对测功机施加一个力矩增量，力矩增量的大小依据车型而定，对于中低档轿车，力矩增量可取100Nm。随着底盘测功机力矩的增加，车速不断降低，可以得到同一节气门开度下不同车速点的底盘测功机吸收功率，车速下降到8km/h时，停止轮边功率测试过程，获取未经修正的轮边功率特性曲线。考虑惯性功率的影响，对车辆轮边功率特性曲线修正，得到准确的车辆轮边功率特性曲线，记录数据并打印曲线。选择新的档位，测试同一节气门开度下不同档位的轮边功率，所有档位测试完毕后调整油门踏板限位装置测试另一节气门开度对应的轮边功率特性曲线。
实施例2如附图5、附图6和附图7所示为Jetta GTX轿车在节气门开度为30％时一档、三档和四档的轮边功率特性曲线，曲线1为采样周期500ms，未修正前的轮边功率特性曲线，曲线2为采样周期为500ms，修正后的轮边功率特性曲线，曲线3为采样周期为5s，即车速充分稳定后的轮边功率特性曲线。以采样周期5s测试结果作为准确值，可以看到采样周期为500ms时，修正前的测试结果随着档位不同和车速不同与准确值的偏差也不同，档位越高，车速越高，偏差越大，但修正后的结果不受档位和车速的影响，同准确值符合较好，说明修正后的结果是可信的。表1、表2和表3为各档修正前后轮边功率的误差对比。本例充分体现了采用本发明的方法在保证测试结果准确可信的前提下，大大缩短了测试时间，具有实用价值。
表1 节气门开度为30％时一档轮边功率测试误差对比

表1 节气门开度为30％时一档轮边功率测试误差对比(续)

表2 节气门开度为30％时三档轮边功率测试误差对比

表3 节气门开度为30％时四档轮边功率测试误差对比

实施例3如附图8、附图9和附图10所示为Jetta GTX轿车在节气门开度为100％时一档、三档和四档的轮边功率特性曲线，曲线1为采样周期500ms，未修正前的轮边功率特性曲线，曲线2为采样周期为500ms，修正后的轮边功率特性曲线，曲线3为采样周期为5s，即车速充分稳定后的轮边功率特性曲线。以采样周期5s测试结果作为准确值，则可以看到采样周期500ms时，修正前的测试结果随着档位不同和车速不同与准确值的偏差也不同，档位越高，车速越高，偏差越大，但修正后的结果不受档位和车速的影响，同准确值符合较好，说明修正后的结果是可信的。表4、表5和表6为各档修正前后轮边功率的误差对比。本例充分体现了采用本发明的方法在保证测试结果准确可信的前提下，大大缩短了测试时间，具有实用价值。
表4 节气门开度为100％时一档轮边功率测试误差对比

表5 节气门开度为100％时三档轮边功率测试误差对比

表5 节气门开度为100％时三档轮边功率测试误差对比(续)

表6 节气门开度为100％时四档轮边功率测试误差对比

表6 节气门开度为100％时四档轮边功率测试误差对比(续)

实施例4如图11所示为进行Jetta GTX轿车轮边功率特性测试的程序界面，测试时使用MAHA ASM-P底盘测功机。测试界面主要由六部分组成菜单区，图形显示区，测试监测区，实验设置区，图形工具区，状态栏。
菜单区包括主菜单，工具，窗口，后处理四项。
图形显示区实时显示扫描得到的轮边功率特性曲线。
测试监测区根据在窗口菜单中的不同设置可显示当前采集点数，发动机转速，轮边功率数值，测功机力矩载荷数值。
实验设置区包括对实验过程进行设置的一些工具，如设置扫描起止车速，读取寄生功率系数、升降举升器。
图形工具区包括对图形显示区显示的曲线进行简单处理的一些实用工具，如缩放，保存数据。
状态栏显示当前测试系统的状态，包括测功机状态，举升器状态、测试时间。
测试界面布置美观、合理，操作方便。
权利要求
1.一种汽车轮边功率特性快速测试方法，其特征在于完成汽车的一个速度点的轮边功率测试后，进行下一个速度点的功率测试时，汽车从当前速度改变到下一个速度点后，在底盘测功机的转鼓速度跟着改变但还不稳定的情况下，即转鼓还以一定的角加速度作变速运动时，测取底盘测功机的吸收功率值，得到一个该速度下不准确的轮边功率值，对此不准确的轮边功率值进行修正，获得准确的轮边功率值。
2.如权利要求1所述的汽车轮边功率特性快速测试方法，通过油门踏板限位装置将车辆油门踏板行程限定在不同位置，得到不同的发动机节气门开度，对底盘测功机采用力矩调节方式，施加一较小恒力矩载荷，选择好某一档位，油门踏板逐渐踩到限定位置，当车速稳定在发动机最高转速对应车速时，记录下此时底盘测功机的阻功率和对应车速，此车速为进行该节气门开度下轮边功率特性测试时该档位所能达到的车辆最大行驶速度，选择不同档位，依次获取各油门开度下各档最大行驶速度和对应的小负荷阻功率。
3.如权利要求1所述的汽车轮边功率特性快速测试方法，选择好汽车某一档位，对底盘测功机设定与获得车辆最大行驶速度相同的恒力矩值，油门逐渐下踩到限定的位置，汽车逐渐加速，汽车所受到底盘测功机的阻功率是一与车速成线性关系的小负荷阻功率，当车速达到最大行驶速度后，车速稳定。
4.如权利要求1所述的汽车轮边功率特性快速测试方法，当车辆在最大车速时稳定3秒后，开始进行轮边功率特性测试，采样周期为500ms，在每个采样周期都对底盘测功机施加相等递增量的力矩载荷，载荷增量根据发动机额定功率大小而定，通过采集底盘测功机的吸收功率得到该节气门开度下车辆不同速度时未经修正的轮边功率；随着载荷的增加车速不断降低，当车速降低到8km/h后，停止轮边功率测试。
5.如权利要求1所述的汽车轮边功率特性快速测试方法，底盘测功机的等效转动惯量很大，当转鼓具有一定的角加速度时，其惯性力矩值及其产生的惯性功率值较大，在未经修正轮边功率测试值中加上惯性功率值，即可获得轮边功率的准确值。
6.如权利要求1所述的汽车轮边功率特性快速测试方法，测量得到转鼓角速度是离散值，测量数据难免受到噪声干扰，用角速度的差分代替惯性力矩和惯性功率的导数项，取差分后会放大误差，采用递推最小二乘法对采集的角速度数据进行拟合，通过对拟合后的多项式求导，得到不同转鼓角速度的准确导数值，以得到修正后的轮边功率准确值，在保证车辆轮边功率测试精度的同时，缩短了测试时间。
全文摘要
一种汽车轮边功率特性快速测试方法，按照一定的测试过程使用底盘测功机测试汽车轮边功率特性，在底盘测功机的转鼓速度跟随车轮改变但还不稳定的情况下，即转鼓还以一定角加速度作变速运动时，测取底盘测功机的吸收功率值，得到一个该速度下不准确的轮边功率值，对此不准确的轮边功率值进行修正，获得准确的轮边功率值；本发明解决了传统汽车轮边功率特性测试时间过长的问题，对汽车动力性能测试和柴油车加载减速工况烟度排放测试具有重要的实际意义。
文档编号G01L5/13GK1488925SQ03146200
公开日2004年4月14日 申请日期2003年7月29日 优先权日2003年7月29日
发明者刘昭度, 马岳峰, 齐志权, 崔海峰, 姚圣卓, 张景波 申请人:北京理工大学