汽車底盤測功機測控系統(tǒng)研究

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聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）摘 要隨著科學技術的發(fā)展，汽車結構不斷完善，汽車性能不斷提高。也就是說，現(xiàn)代汽車性能是為了滿足使用者日益提高的要求，不斷地被改進而且日趨完善的。汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和大功率成為主要追求目標，制動防抱死裝置（ABS） 、四輪轉(zhuǎn)向、微處理機（MCPU）被廣泛采用?？傊瑢Νh(huán)境的污染越來越小，燃油經(jīng)濟性越來越好，安全性越來越高是汽車發(fā)展的趨勢。人們對汽車性能的要求的不斷提高，一方面促進了傳統(tǒng)的汽車技術與現(xiàn)代的電子技術的結合，使汽車的經(jīng)濟技術指標在最近幾十年有了大幅度的提高；另一方面，它促進汽車綜合性能（如排放、油耗、加速、制動、平順性和可靠性）現(xiàn)代檢測技術的發(fā)展和廣泛應用，大大提高了汽車新產(chǎn)品的開發(fā)速度和出廠產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力。檢測技術作為現(xiàn)代制造技術的重要組成部分。隨著電子技術和機械加工工業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)檢測方法的基礎上，逐步發(fā)展成現(xiàn)代汽車診斷與檢測技術。汽車檢測通常指使用現(xiàn)代檢測技術和設備，結合計算機、自動控制等高新技術來檢測汽車技術狀況。它是以工程數(shù)學、故障物理、可靠性理論、電子學和電子技術、信息控制理論等為基礎的一門綜合性應用科學。汽車檢測對于保證交通安全、加強環(huán)境保護，提高運輸能力和降低生產(chǎn)成本都具有重要意義。因此選擇汽車性能檢測作為研究課題是很有現(xiàn)實意義的。本文主要研究內(nèi)容是汽車底盤測功機測控系統(tǒng)的研究。介紹了汽車底盤測功機的發(fā)展現(xiàn)狀、基本構造、電模擬原理，重點以電渦流測功器為例介紹了測控系統(tǒng)，并簡單介紹了其它的測功機。關鍵詞：汽車底盤測功機；測控系統(tǒng)；電渦流測功器 聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）iAbstractThe structure of auto is consummated gradually and performance of auto is enhanced gradually along with technology development.That is to say,Today the performance of auto is to meet users’increasingly elevated require.It also is mended to gets to be perfect gradually.The main object about auto which is pursued by people is the security,stability,comfort and high-power.ABS,four cycle turning,MCPU are adopted in auto.In a word,the development trend about auto is that pollution to environmental is less and less;fuel is consumed more economical;security is better and better.On the one hand,the require to auto which is enhanced gradually promotes traditional auto technique to integrate moder electron technique.And the economy-technique-standard about auto has been improved greatly in the last several decade.On the other hand,it promotes modernsynthesis performance testing technique to develop and apply abroad.So exploiture speed about new auto is faster and control ability about new auto is advanced.Testing technique is the important part of modern manufacture technique.It bases on traditional testing methods and develops to modern auto diagnosis and testing technique along with electron technique and machining technique development.Auto testing is to test auto status using modern testing technique and equipment and combining computer,autocontrol technique.It’s a synthesis application science based on engineering math,fault physics,dependability theory, electron and information control theory,etc.Auto testing technique has an important meaning to traffic security,protecting environment,advancing transport ability and reducing production cost.So there is a realistic meaning to select auto performance testing as research task.This article main research content is the motor car chassis measurement of power machine observation system's researchIntroduced the motor car chassis measurement of power's machine development present situation, the fundamental construction, the electrical analogy principle, key introduced take the electricity turbulent flow 聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）iidynamometer as the example the observation system, and introduced other measurements of power machine simply.Key words: Motor car chassis measurement of power machine;Observation system ;Electricity turbulent flow dynamometer聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）目 錄前 言 11.緒 論 .11.1 汽車底盤測功機概述 11.2 底盤測功機的發(fā)展現(xiàn)狀 31.3 課題的研究意義 51.4 研究內(nèi)容 52.汽車底盤測功機基本構造與電模擬原理 .52.1 轉(zhuǎn)鼓與機械傳動系統(tǒng) 62.2 直流電力測功機與電氣系統(tǒng) 62.3 測功機測控系統(tǒng) 72.3.1 工控機與數(shù)據(jù)采集卡的選擇 72.3.2 信號輸入及輸出通道 72.4 加載方案 82.5 加載裝置 92.5.1 液力測功器 92.5.2 電力測功器 92.5.3 電渦流測功器 92.6 測量裝置 92.7 電模擬原理 .103.電渦流測功機 103.1 結構和工作原理 .103.2 電渦流測功機的外特性曲線 .113.3 電渦流測功機作為能量吸收裝置的幾個應用技術問題 .113.3.1 吸收功率確定及增速措施 .113.3.2 吸收功率控制 .123.3.3 水冷卻及其水溫超溫保護 .12聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）I4.其他測功機 134.1 水力測功機 .134.2 直流測功機 .134.3 交流測功機 .13結 論 .14參考文獻 15致 謝 .16聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）0汽車底盤測功機測控系統(tǒng)研究前 言隨著科學技術的發(fā)展，汽車結構不斷完善，汽車性能不斷提高。也就是說，現(xiàn)代汽車性能是為了滿足使用者日益提高的要求，不斷地被改進而且日趨完善的。早期的汽車是在馬車的基礎上發(fā)展起來的，在類似馬車的底盤上裝上動力裝置便構成汽車。早期的汽車能夠行駛，可以取代馬車，便使眾人為之震驚。隨著時間的推移，人們對汽車性能的要求越來越高，20 世紀 70 年代以前，功率大、車速高是人們追求的主要目標；70 年代以后，由于兩次世界性石油危機的出現(xiàn)，低油耗、低公害受到了世界各國的普遍重視。為了適應全球各地在燃油經(jīng)濟性和尾氣排放等方面日益嚴格的標準，迫使汽車廠商不得不巨額投資以提高產(chǎn)品性能。電動和燃油混合動力型汽車、燃料電池汽車等多種動力技術將日趨普及，這些尖端技術可望在將來減少或消除汽車尾氣排放及其對環(huán)境的污染。80 年代，汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和大功率成為主要追求目標，制動防抱死裝置（ABS）、四輪轉(zhuǎn)向、微處理機（MCPU）被廣泛采用。總之，對環(huán)境的污染越來越小，燃油經(jīng)濟性越來越好，安全性越來越高是汽車發(fā)展的趨勢。測試汽車整車的行駛性能，往往采用試車場試驗或?qū)嶋H道路行駛試驗，這兩種試驗方法需要的財力和人力均較多，且重復性差，易受環(huán)境因素的干擾。除此之外，還可以在室內(nèi)條件下通過底盤測功機測定。在道路上行駛時是汽車相對于靜止的路面作縱向運動，在底盤測功機上是以轉(zhuǎn)鼓的表面來取代路面，這時是轉(zhuǎn)鼓的表面相對于靜止的汽車作旋轉(zhuǎn)運動。試驗時，使用汽車底盤測功機模擬汽車的行駛阻力（與一定的計算機技術與數(shù)據(jù)處理方法相結合），可以測試發(fā)動機功率、汽車加速性能以及爬坡性能，能解決發(fā)動機與車輛的合理匹配問題，并且可以進行油耗試驗。1.緒 論1.1 汽車底盤測功機概述聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）1隨著科學技術的發(fā)展，汽車結構不斷完善，汽車性能不斷提高。也就是說，現(xiàn)代汽車性能是為了滿足使用者日益提高的要求，不斷地被改進而且日趨完善的。早期的汽車是在馬車的基礎上發(fā)展起來的。在類似馬車的底盤上裝上動力裝置便構成汽車。早期的汽車能夠行駛，可以取代馬車，便使眾人為之震驚。隨著時間的推移，人們對汽車性能的要求越來越高，20 世紀 70 年代以前，功率大、車速高是人們追求的主要目標；70 年代以后，由于兩次世界性石油危機的出現(xiàn)，低油耗、低公害受到了世界各國的普遍重視。為了適應全球各地在燃油經(jīng)濟性和尾氣排放等方面日益嚴格的標準，迫使汽車廠商不得不巨額投資以提高產(chǎn)品性能。電動和燃油混合動力型汽車、燃料電池汽車等多種動力技術將日趨普及，這些尖端技術可望在將來減少或消除汽車尾氣排放及其對環(huán)境的污染，80 年代，汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和大功率成為主要追求目標，制動防抱死裝置（ABS）、四輪轉(zhuǎn)向、微處理機（MCPU）被廣泛采用?？傊?，對環(huán)境的污染越來越小，燃油經(jīng)濟性越來越好，安全性越來越高是汽車發(fā)展的趨勢。人們對汽車性能的要求的不斷提高，一方面促進了傳統(tǒng)的汽車技術與現(xiàn)代電子技術的結合，使汽車的經(jīng)濟技術指標在最近幾十年有了大幅度的提高；另一方面，它促進汽車綜合性能（如排放、油耗、加速、制動、平順性和可靠性）現(xiàn)代測試技術的發(fā)展和廣泛應用，大大提高了汽車新產(chǎn)品的開發(fā)速度和出廠產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力。汽車的好壞是通過具體的性能和性能指標來加以評價的。汽車行駛性能，是指汽車在驅(qū)動力作用下，克服各種阻力前進的能力，一般包括最高車速、性能和爬坡能力等。這些性能的好壞主要受發(fā)動機功率和傳動系性能的支配（因而行駛性能又稱動力性能），同時也受到空氣阻力影響，還需克服傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系、制動系等各相關部分的摩擦損失及輪胎損失。測試汽車整車的行駛性能，往往采用試車場試驗或?qū)嶋H道路行駛試驗，這兩種試驗方法需要的財力和人力均較多，且重復性差，易受環(huán)境因素的干擾。除此之外，還可以在室內(nèi)條件下通過底盤測功機測定。在道路上行駛時是汽車相對于靜止的路面作縱向運動，在底盤測功機上是以轉(zhuǎn)鼓的表面來取代路面，這時是轉(zhuǎn)鼓的表面相對于靜止的汽車作旋轉(zhuǎn)運動。試驗時，使用汽車底盤測功機模擬汽車的行駛阻力（與一定的計算機技術與數(shù)據(jù)處理方法相結合），可以測試發(fā)動機功率、汽車加速性能以及爬坡性能，能解決發(fā)動機與車輛的合理匹配問題，并且可聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）2以進行油耗試驗。測功機主要有單轉(zhuǎn)鼓式和雙轉(zhuǎn)鼓式兩種。如圖 1 所示為單轉(zhuǎn)鼓式測功機，其轉(zhuǎn)鼓直徑越大，車輪在轉(zhuǎn)鼓上就越像在平路上滾動。但加大轉(zhuǎn)鼓的直徑，測功機的制造和安裝費用將顯著增加，所以一般鼓徑均在 1500 毫米以上而不超過2000～2500 毫米。單轉(zhuǎn)鼓測功機對試驗車輛的安放定位要求較嚴，車輪與轉(zhuǎn)鼓的對中比較困難，但其試驗精度比較高，故主要用于汽車制造和科研單位。圖 1 單轉(zhuǎn)鼓式測功機圖 2 雙轉(zhuǎn)鼓式測功機圖 2 所示為雙轉(zhuǎn)鼓式測功機，其轉(zhuǎn)鼓直徑比單轉(zhuǎn)鼓測功機的轉(zhuǎn)鼓直徑要小得多，一般在 185～400 毫米范圍內(nèi)，隨試驗的車速而定。轉(zhuǎn)鼓的曲率半徑小，輪胎和轉(zhuǎn)鼓的接觸情況就和在道路上的受壓情況不一樣，故試驗精度較低。但這樣的試驗臺對試驗車的安放要求不高，使用方便，而且成本低，適合保修企業(yè)在進行汽車技術狀況檢查和故障診斷時使用。1.2 底盤測功機的發(fā)展現(xiàn)狀在 80 年代以前，汽車檢測設備主要以機械結構為主，如：機械式側滑實驗臺、測力彈簧結構的制動實驗臺等，而汽車底盤測功機也主要以機械模擬為主，即采用飛輪模擬汽車行駛時的平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣量阻力，它們只能檢測汽聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）3車在低速行駛狀態(tài)下的參數(shù)，且精度很低。顯然，傳統(tǒng)結構設計的汽車檢測設備是不能滿足要求的。進入 80 年代，隨著汽車機電一體化的發(fā)展，汽車檢測設備也進入了機電一體化設計階段。電子技術能獲得廣泛應用的原因，主要是電子控制系統(tǒng)的功能自由度大、精度高、工作穩(wěn)定，利用這些優(yōu)點和汽車檢測設備相結合便能去開發(fā)研制新一代高精度的汽車檢測設備。在傳統(tǒng)結構的汽車檢測設備的基礎上，我們盡量減少機械傳動環(huán)節(jié)，并采用反應速度快的高精度傳感器，電子計算機與機械裝置相結和的方法來設計汽車檢測設備，為檢測高速行駛中的汽車的真實性能提供了可能性。以汽車底盤測功機為例，此階段的汽車底盤測功機主要是采用接線-電模擬方式，用飛輪模擬汽車慣性阻力，用電負荷模擬汽車的另一部分行駛阻力，大大提高了檢測的精度。當時，德、日、美三國的很多公司紛紛投入大量的人力、物力開發(fā)研制機械-電模擬的汽車底盤測功機，并取得了很大成果。如德國 schenck 公司生產(chǎn)的單、雙鼓底盤測功機，日本 MEIDESHA 公司生產(chǎn)的單鼓底盤測功機，美國 CLAYTON 公司 ECE-50 型雙鼓底盤測功機和美國Burke 生產(chǎn)的 48 寸單鼓底盤測功機。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)采用飛輪組來模擬汽車的慣性阻力是有級模擬。對于測定穩(wěn)定工況下的汽車性能而言，在轉(zhuǎn)鼓實驗臺上只要裝有作為負荷的測功機就可以，而且希望旋轉(zhuǎn)部分的慣性矩盡量小，以減少慣性對測量裝置的影響；對于測定非穩(wěn)定工況的汽車性能而言，為了模擬汽車重量的影響，則實驗臺旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的動能應與行駛汽車的動能相等。因此，必須采用慣性可調(diào)的飛輪，傳動比可以改變的增速器或通過電力驅(qū)動的調(diào)節(jié)來改變實驗臺旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的動能，以適應重量不同的各種車型的需要。慣性飛輪可以直接安裝在轉(zhuǎn)鼓軸上或通過增速器連接。在后一種情況下，飛輪可以大大縮小，因為飛輪所能儲存的動能是與傳動比平方成正比，但增添增速器將增加實驗臺的成本。此外，有些實驗臺，為了擴大量程，往往裝有幾個慣量不同的飛輪，這些飛輪都可以利用離合器與轉(zhuǎn)鼓連接，以便根據(jù)汽車的重量來選擇負荷，但其結構復雜而且制造成本高。因此人們開始研制通用的轉(zhuǎn)鼓實驗臺，即電力汽車底盤測功機，它利用電磁力及發(fā)電機結構提供測功機所需要的載荷。我們知道，發(fā)電機和電動機的原理是可逆的，所以一般電力測功機至少有兩種工況：一是拖動工況，在這種工況下，測功機的測功器作電動機運行，實現(xiàn)發(fā)動機起動、冷磨合、測定摩擦功率；二是消耗工況，在這種工況下，測功機的測功器作為發(fā)電機運行，以電阻作為負載，吸收轉(zhuǎn)子軸的輸入功率。在消耗工況下，通過改變磁通量和改變聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）4負載電阻均可改變回路中的電流，這些都將改變汽車發(fā)動機的負載（即輸出功率和扭矩）。電力測功機這種實驗臺沒有飛輪裝置，汽車的慣性力的模擬也是通過電信號來調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無級模擬。通過對測功機控制系統(tǒng)的良好設計，使其能自動調(diào)節(jié)并具有滿意的動靜態(tài)品質(zhì)。1.3 課題的研究意義可以預見，在將來的幾十年中，我國將成為一個汽車大國，人均汽車占有量和汽總量都將是一個很大的數(shù)字，這就要求在汽車檢測方面也要有相對完善和精確的檢測器，汽車底盤測功機由于其自身的優(yōu)點而成為汽車試驗研究、產(chǎn)品開發(fā)與制造、修質(zhì)量評定以及環(huán)保排放檢測等必需的大型檢測設備。根據(jù)交通部關于汽車維修設備置的規(guī)定，一類維修企業(yè)及 A 級綜合性能檢測站均必須配置汽車底盤測功機，上汽車制造廠、技術開發(fā)中心、環(huán)保排放檢測站等在內(nèi)，中國在未來5-10 年汽車底盤測功機的需求量大致在 2-3 萬臺。市場總額接近 48-72 萬億元（僅按國產(chǎn)設備價 24 萬元/臺計），這是一個不可忽視的巨大商機。而國內(nèi)迄今尚無廠家可以生產(chǎn)汽車工業(yè)使用的汽車底盤測功機，唯有依賴進口，絕大多數(shù)是從德國申克（Schenck）司、美國?？耍˙oke）公司和日本小野測器株式會社等引進的，設備價格均達數(shù)百萬元以上。由此可見，對汽車底盤測功機的研究和進一步發(fā)展有利于我國汽車工業(yè)發(fā)展，尤其對環(huán)境的保護起到極大的監(jiān)督和推動作用。此外，研制發(fā)展國產(chǎn)汽車底盤測功機，還會給國家節(jié)省大量外匯。1.4 研究內(nèi)容本文參考了許多研究汽車底盤測功機的專家學者的有關文章，介紹了汽車底盤測功機的國內(nèi)外發(fā)展概況、基本構造以及電模擬工作原理，重點介紹了電渦流測功器的測控原理。其他測功器如水力測功機、直流測功機、交流測功機等因為一些固有的缺點難以應應用。電渦流測功器主要由制動器、測力機構和測速裝置等幾部分組成，具有控制簡單，精確度高等優(yōu)點。2.汽車底盤測功機基本構造與電模擬原理汽車底盤測功機可以在室內(nèi)模擬汽車在道路上行駛時的各種工況，可以完成汽車的動力性試驗、可靠性試驗、經(jīng)濟性試驗、排放性能評估與分析及與汽車傳動系統(tǒng)有關的專項試驗。其基本結構主要包括轉(zhuǎn)鼓及機械系統(tǒng)、直流電力測功及聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）5電氣系統(tǒng)、信號采集及處理系統(tǒng)、工控機測控系統(tǒng)和冷卻及輔助系統(tǒng)等。圖 3 汽車底盤測功機基本結構2.1 轉(zhuǎn)鼓與機械傳動系統(tǒng)汽車底盤測功機轉(zhuǎn)鼓及機械部分機械布置型式采用 T 型布置，主要由轉(zhuǎn)鼓、圖 4 測功機機械布置型式升速器、聯(lián)軸器及支撐裝置組成，其作用是保證試驗車輛的驅(qū)動輪與轉(zhuǎn)鼓表面有足夠的附著力，使試驗車輛驅(qū)動橋輸出的功率傳遞給直流測功機。進行汽車的各項性能試驗時，汽車驅(qū)動輪在轉(zhuǎn)鼓上滾動，由轉(zhuǎn)鼓將動力傳遞給傳動系統(tǒng)，汽車發(fā)出的能量最后被測功發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能消耗掉。轉(zhuǎn)鼓相當于汽車的行駛路面，其設計周長為 C=5m，經(jīng)測量直徑為 Φ =1591.5mm。為了提高轉(zhuǎn)鼓與汽車輪胎的附著力，防止輪胎打滑，對轉(zhuǎn)鼓的表面進行了熱噴涂處理，使之附著系數(shù)達到 0.95 以上。由于 T 型布置所需安裝空間的寬度較小，結構緊湊，且可以選用現(xiàn)成的汽車傳動系部分零件作為升速器。具有多個傳動比，可以實現(xiàn)多種汽車在不同車速下與測功機具有很好的匹，即一臺測功機可以測試多種型號汽車的性能。2.2 直流電力測功機與電氣系統(tǒng)直流電力測功機及電氣系統(tǒng)能平穩(wěn)地吸收傳動系傳出的功率，并將吸收的功率轉(zhuǎn)換為電能由本系統(tǒng)的負載電阻所消耗，能準確地執(zhí)行計算機發(fā)出的指令，自動調(diào)節(jié)勵磁電流對試驗車輛加載；能使測功機以電動機狀態(tài)運行反拖試驗，進行轉(zhuǎn) 鼓轉(zhuǎn) 鼓 后 橋 升 速 器 測 功 電 機冷 卻 風 機 系統(tǒng) 司 機 輔 助系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 鼓 振 動 檢 測 系 統(tǒng) PI工 業(yè) 控 制 計 算 機 系 統(tǒng)風機 試 驗 車 輛 汽 車 固 定 裝置油 耗 傳 感 器轉(zhuǎn) 鼓 升 速 器 直 流 測 功機 負 載 裝 置勵 磁 裝 置油 溫 檢 測裝 置 轉(zhuǎn) 速 檢 測 裝置車 速 傳 感器 轉(zhuǎn) 矩 傳 感器聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）6車輛的冷、熱磨合。直流電力測功機及電氣系統(tǒng)主要包括：可手動/自動無擾動切換勵磁電源、可手動/自動無擾動切換整流電源、控制設備、冷卻風機及負載電阻箱等?？紤]到試驗的對象以中型載重汽車、輕型貨車和轎車為主，故選用的直流測功電機容量為 200kW。2.3 測功機測控系統(tǒng)測控系統(tǒng)是計算機自動測量和控制(ComputerAutonlated Measurement andControl，CAMAC)系統(tǒng)的簡稱。它是自動控制技術、計算機科學、微電子學和通訊技術有機結合、綜合發(fā)展的產(chǎn)物，是一門新興的技術。它包括各種數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等等，廣泛地應用于國防、科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領域。汽車底盤測功機的測控系統(tǒng)就是通過計算機對底盤測功機進行控制，對汽車底盤等進行檢測，采集數(shù)據(jù)并處理及分析，對汽車性能進行測試評估。測功機測控系統(tǒng)實時采集轉(zhuǎn)矩、車速和油耗等電信號，經(jīng)分析、處理后，采用改變直流測功機勵磁電流的方法，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對試驗車輛動態(tài)加載，以達到道路阻力模擬的目的。測功機測控系統(tǒng)如圖 5 所示，主要由拉壓傳感器、多路溫度傳感器、振動傳感器、光電隔離脈沖計數(shù)板、油耗傳感器、研華 IPC-610 工控機、多路信號處理器及分配器、光電隔離 AD/DA 板、研華 PCL-836 以及 PCL-812PG 數(shù)據(jù)采集卡等組成。2.3.1 工控機與數(shù)據(jù)采集卡的選擇工控機是一種具有特殊性能的計算機，能在惡劣的工作生產(chǎn)環(huán)境下，保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作，并能承受環(huán)境中的高（低）溫、沖擊、振動、電磁干擾、潮濕及粉塵等不利因素。本系統(tǒng)采用研華工控機，其穩(wěn)定性高、可靠性強，底板有4個PCI槽和9個ISA槽，完全滿足底盤測功機測控系統(tǒng)擴展要求。信號采集和處理分別選用PCLD-782B、PCL-836、PCL-812PG以及PCLD-780。PCLD-782B為24/16通 道脈沖輸入光電隔離卡，實現(xiàn)脈沖信號的隔離與整形，增強系統(tǒng)抗干擾能力；還包括6個獨立的16位計數(shù)器，最大輸入頻率達10MHz；PCL-812PG提供16路模擬量輸入、16路數(shù)字量輸入/輸出以及兩路模擬信號輸出，根據(jù)需求可以調(diào)節(jié)模擬信號的輸出范圍；PCLD-780為接線端子，提供20路模擬/數(shù)字量輸入、輸出接線端。聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）72.3.2 信號輸入及輸出通道測控系統(tǒng)實時檢測并采集傳感器的電信號，包括速度、轉(zhuǎn)矩以及油耗等信號。圖 5 測控系統(tǒng)結構框圖測功發(fā)電機定子的偏轉(zhuǎn)通過測力臂架把力作用在轉(zhuǎn)矩傳感器上，由轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)整形放大，通過多路信號脈沖采集板進入數(shù)據(jù)采集卡 PCL-836的 0 號計數(shù)器。直流測功機的轉(zhuǎn)軸上(與轉(zhuǎn)鼓相連)裝有測速齒盤(100 個齒)，每轉(zhuǎn)一周，裝在測速齒盤處的轉(zhuǎn)速傳感器接收 100 個脈沖信號，信號經(jīng)放大和整形后，由多路信號處理器、光隔板進入數(shù)據(jù)采集卡 PCL-836 的 1 號計數(shù)器。另外，在控制周期內(nèi)，工控機由數(shù)據(jù)采集卡 PCL-812PG 輸出 0-10V 信號，以此來調(diào)節(jié)直流測功機勵磁電流的大小，完成測功機發(fā)電狀態(tài)下的動態(tài)加載，實現(xiàn)電模擬過程。2.4 加載方案打 印 機司 機 輔 助屏 研 華 IPC-610工 控機 控 制 室 監(jiān)視 屏X-Y曲 線繪 圖 儀光 隔 AD\數(shù) 據(jù) 采 集 轉(zhuǎn) 換 板 光隔 多 路 脈 沖 計 數(shù) 板 多 路 繼 電 器輸 出 板汽 車 底 盤 測 功 機 系 統(tǒng) 多 路 信 號處 理 器 分 配 器工 況 顯 示屏 電 機勵 磁控 制系 統(tǒng)轉(zhuǎn) 鼓轉(zhuǎn) 速傳 感器 升 速器 油溫 控制 器 油 耗傳 感器 振 動位 移傳 感器 直 流測 功電 機轉(zhuǎn) 矩傳 感器 傳 動系 統(tǒng)振 動監(jiān) 視傳 感器負 載 電 阻 切換 裝 置冷 卻 風 機 系統(tǒng)聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）8直流電力測功機作為發(fā)電機運行時，吸收汽車發(fā)出功率，將其轉(zhuǎn)化成電能。該工作狀態(tài)下，常用的加載方案有兩種：一種是向電網(wǎng)饋電，由電網(wǎng)的負載損耗；另一種是直接連接固定電阻，由電阻損耗。測功機主要采用了第二種加載方案，具體方案如下：（1）采用一組大電流電子自動開關自動跟蹤測功電機的速度，完成分段切換電阻的功能，并由計算機完成實時控制切換。設計1/16Ω、1/8Ω、2/8Ω、3/8Ω、4/8Ω、5/8Ω、6/8Ω、7/8Ω、8/8Ω 九個負載臺階值，全程電阻值可不變換檔，控制性能更優(yōu)良，避免了電阻變檔瞬間對調(diào)節(jié)系統(tǒng)引起的波動。（2）采用主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器構成復合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)輸出量改變可控硅整流元件的導通角。在切換電阻的每一個臺階值范圍內(nèi)，內(nèi)環(huán)為由副調(diào)節(jié)器構成的模擬量隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，外環(huán)為由微機構成的主調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它是數(shù)字量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進出口配置有 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換接口電路，外環(huán)既可以進行定值調(diào)節(jié)，又可以實現(xiàn)隨動調(diào)節(jié)，選用不同的程序可以使整個加載控制系統(tǒng)構成恒定轉(zhuǎn)矩加載控制系統(tǒng)、時變轉(zhuǎn)矩隨動加載控制系統(tǒng)和恒定車速加載控制系統(tǒng)三種控制模式。2.5 加載裝置由于汽車在道路上所受的各種阻力與其在測功機上所受的阻力和不相等，為了測試汽車的各種性能，就必須給汽車提供額外的阻力以補償這部分阻力差，提供這部分阻力的裝置稱為測功器。2.5.1液力測功器這種測功器用水產(chǎn)生制動力矩。水在測功器的轉(zhuǎn)動部分與固定部分之間起聯(lián)結作用而形成制動力矩。調(diào)節(jié)水槽中的液面高度，可以獲得不同的制動力矩。當水槽的高度一定時，制動力矩隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的改變而改變。這種測功器的工作穩(wěn)定。2.5.2電力測功器該種測功器既能作為負載使用，此時它吸收功率；又可驅(qū)動機械，此時它輸出功率。利用電力測功器可以很好的模擬汽車的行駛阻力和慣性阻力，從而取消測功機的飛輪機構，提高了測試精度。電力測功器的制造成本高，因而只有汽車制造和科研單位的底盤測功機上才采用這種測功器。聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）92.5.3電渦流測功器該種測功器利用了電磁原理。當帶有激磁線圈的定子通電后產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動切割磁力線從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電渦流，形成阻力矩。調(diào)整激勵電流的大小，可以獲得不同的阻力矩。2.6 測量裝置測量裝置包括測力裝置和測速裝置。測力裝置測量轉(zhuǎn)鼓上的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過變換可得到作用在驅(qū)動輪上的驅(qū)動力；測速裝置測量轉(zhuǎn)鼓上的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過變換可以得到汽車的車速。2.7 電模擬原理汽車底盤測功機常用的模擬方式有機械模擬、機-電模擬和電模擬三種，機械模擬是在測功機上采用組合飛輪來模擬車輛行駛時的平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性阻力；機-電模擬是由飛輪模擬車輛的慣性阻力，電模擬車輛行駛的其他阻力；電模擬方式則是在計算機或單片機控制下，由電負荷模擬道路行駛阻力，這種模擬方式不設置飛輪組件。汽車底盤測功機主要采用電模擬方式。被測汽車樣機上架后，可根據(jù)汽車的型號、變速檔位和試驗項目由工控機選擇合適的負載電阻值檔位，根據(jù)不同的試驗項目和試驗要求，可調(diào)用相應的控制程序，由工控機實現(xiàn)系統(tǒng)的加載給定值與轉(zhuǎn)矩反饋值比較，或與車速反饋值比較構成雙閉環(huán)的恒轉(zhuǎn)矩加載自動控制系統(tǒng)，或構成雙閉環(huán)的恒速加載自動控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)均由外環(huán)調(diào)節(jié)輸出量（由工控機模糊 PID 控制器輸出）作給定值與負載電流傳感器輸出的反饋信號比較，其輸出信號調(diào)節(jié)主可控硅元件的導通角，使測功發(fā)電機的勵磁電流達到恒轉(zhuǎn)矩加載或恒速加載所要求的數(shù)值。而系統(tǒng)可由工控機根據(jù)擬合各種車型不同工況下的道路運行負載阻力特性曲線自動輸出加載給定值，從而自動完成模擬道路運行的性能測試。3.電渦流測功機3.1 結構和工作原理電渦流測功機有盤式和柱式等不同的類型。圖 6 所示的是盤式電渦流測功機的結構示意圖,由制動器、測力機構和測速裝置等幾部分組成。制動器是吸收能量的核心部分，它可以調(diào)節(jié)原動機的載荷, 并同時把所吸收的原動機功率轉(zhuǎn)換為聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）10熱能, 經(jīng)水冷卻后帶走熱量。電渦流測功機主要由旋轉(zhuǎn)部分(感應體)、擺動部分(電樞和勵磁部分)、測力部分等組成。感應體形狀猶如直齒輪，產(chǎn)生渦流的地方在導磁渦流環(huán)的孔壁上。勵磁繞組通上直流電后，則圍繞勵磁繞組產(chǎn)生一個閉合磁通。當感應體被原動機帶動旋轉(zhuǎn)時，氣隙磁密隨感應體的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期性變化,在渦流環(huán)孔壁表面及一定深度范圍內(nèi)將產(chǎn)生渦流電勢，并產(chǎn)生渦流，該渦流所形成的磁場又與氣隙磁場相互作用,就產(chǎn)生了制動轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩通過外環(huán)及傳力臂傳至測力裝置上，然后由力傳感器將力的大小轉(zhuǎn)換成電信號輸出, 從而達到測轉(zhuǎn)矩的目的轉(zhuǎn)速測量采用非接觸式的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖 6 電渦流測功機系統(tǒng)1.聯(lián)軸器 2.主軸 3.感應盤 4.勵磁線圈 5.冷卻室 6.氣隙 7.出水管線 8.油杯 9.測速齒輪 10.軸承座 11.進水管線 12.支承環(huán) 13.外環(huán) 14.底座3.2 電渦流測功機的外特性曲線圖 7 所示的是電渦流測功機的特性曲線，該曲線表示測功機在不同轉(zhuǎn)速下所能吸收的最大功率，它由 OA、AB、BC、CD 幾段直線組成。BC 是最大功率線，測功機在工作時不超過的最大吸收功率；CD 是最高轉(zhuǎn)速線，測功機在工作時允許的最高轉(zhuǎn)速。上述幾段直線與橫坐標軸所包圍的區(qū)域為測功機的工作范圍。在此區(qū)域內(nèi)測功機所吸收的功率可以隨勵磁電流任意調(diào)整。凡被測動力和機械的特性曲線落在這個區(qū)域內(nèi), 均能用該機進行試驗。聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）11圖 7 電渦流測功機外特性曲線3.3 電渦流測功機作為能量吸收裝置的幾個應用技術問題3.3.1 吸收功率確定及增速措施從圖 7 所示的特性曲線可以看出，電渦流測功機在低轉(zhuǎn)速下能夠吸收的功率還是比較小(雖然比水力測功機要大)，轉(zhuǎn)速在 1000r/min 以上時，能夠吸收 50%以上的最大功率；轉(zhuǎn)速在 2000r/min 以上時，才能吸收最大的功率。因此，當動力傳動裝置的轉(zhuǎn)速較低時，可以采用效果明顯且可行的增速措施。例如,螺桿泵地面驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速范圍為 50～ 300r/min，最常用的轉(zhuǎn)速范圍是 150r/min 左右。為此，在驅(qū)動裝置和電渦流測功機之間設置了一個傳動比 i=8 的增速箱，螺桿泵地面驅(qū)動裝置的功率范圍為 5.5～45kW。3.3.2 吸收功率控制電渦流測功機吸收功率的大小,也即測功機向動力傳動裝置施加載荷的大小，可以方便地通過改變勵磁電流來進行控制。用專用信號電纜將電渦流測功機和測控儀連接起來，給測控儀儀表電源和勵磁電源通上 220V 的交流電，然后通過調(diào)節(jié)測控儀面板上的電位器旋鈕，就可以按要求改變勵磁電流，從而改變電渦流測功機吸收的功率了。水壓報警的作用是，當冷卻水的水壓低于一定的數(shù)值時，控制儀表的報警觸點動作，切斷電渦流測功機的勵磁電路,實現(xiàn)對電渦流測功機的保護。3.3.3 水冷卻及其水溫超溫保護電渦流測功機吸收的能量都轉(zhuǎn)化成熱能，靠冷卻水將熱量帶走。所以，測功機在工作時，必須通入水壓為 0.02～ 0.1MPa 的冷卻水，而且必須保證冷卻水的管路暢通。冷卻水水壓越高，水溫升高越慢；反之，冷卻水水壓越低，水溫升高越快。當水壓低于最低水壓時，報警電路動作。聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）12圖 8 電渦流測功機水溫檢測控制為了保證測功機長期連續(xù)正常運轉(zhuǎn)，還必須在電渦流測功機的冷卻水出水管線上設置溫度檢測裝置，保證冷卻水的出口溫度不超過 55℃。圖 8 所示為電渦流測功機水溫檢測控制電路，主要由 Pt100 溫度傳感器和數(shù)顯控制儀組成。溫度傳感器將電渦流測功機冷卻水的出口溫度轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號由數(shù)顯控制儀接收，經(jīng)變換后進行數(shù)顯輸出，實現(xiàn)參數(shù)的實時監(jiān)測功能。當冷卻水的溫度超過 55℃時，控制儀表的報警觸點動作，切斷電渦流測功機的勵磁電路，實現(xiàn)對電渦流測功機的保護。4.其他測功機4.1 水力測功機水力測功機因其單位轉(zhuǎn)動慣量的扭矩吸收能力強，長期以來成為大功率內(nèi)燃機試驗優(yōu)先采用的設備。目前主要有定充量水力測功機和變充量水力測功機。定充量水力測功機的吸收腔內(nèi)始終充滿具有一定壓力的水，通過調(diào)節(jié)測功機的閘套開合位置(即調(diào)節(jié)測功機轉(zhuǎn)子與定子間的工作面積)來改變測功扭矩大小，這類測功機穩(wěn)定性好，但結構復雜。變充量水力測功機又稱水渦流測功機，它是通過進、出水閥來調(diào)節(jié)水力測功機吸功腔內(nèi)水量的多少，以達到改變其制動扭矩大小的目的。變充量水力測功機工作時水壓高，噪聲大，而且在轉(zhuǎn)速高、制動扭矩小的區(qū)段幾乎不能穩(wěn)定工作。目前，主要采取如下措施解決其工作不穩(wěn)定的問題: ①采用閉環(huán)控制發(fā)動機的油門或風門來控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；②采用閉環(huán)控制測功機水門來控制測功機的制動扭矩；③采用水力測功機的工作介質(zhì)與冷卻介質(zhì)分離的方法 (雙介質(zhì)法 )。結合前兩種方法，采用雙閉環(huán)控制測功系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和扭矩是當今世界水力測功機的先進控制方法。4.2 直流測功機直流測功機采用勵磁直流電機，利用電樞繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應電動勢的原理，根據(jù)在不同電磁力作用下所產(chǎn)生大小不同，與轉(zhuǎn)向相反的制動力矩來控制測功機的運行狀態(tài)。直流測功電機由于控制簡單、 調(diào)速平滑、性能良好一直占據(jù)主導地位。然而，直流測功電機的結構上存在機械換向器和電刷，因此具有一些無法克服的固有缺點，如造價偏高、維護困難、壽命短，單機容量以及最高聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）13電壓和最高轉(zhuǎn)速都受到一定的限制等，導致直流電力測功電機在大容量、 高速測功系統(tǒng)中難以廣泛應用。4.3 交流測功機交流測功機按照交流電動機的種類分為異步測功機和同步測功機兩種，按照所使用的變頻器的控制技術，有直接轉(zhuǎn)矩控制和磁通矢量控制兩種交流測功機。由于同步測功機受同步電動機性能與價格的限制，推廣應用較少，主要用于高精度小功率的零部件測試。交流測功機是一種新型的機電一體化測功機 ,它使用交流異步電動機或同步電動機作加載設備，交流電動機由變頻器提供可變頻率的驅(qū)動電源，并精確控制其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。與其它測功機技術相比，交流測功機具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應，高精度的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制特性，高效節(jié)能和高可靠性，適合各種動力機械設備的性能測試，從簡單的穩(wěn)態(tài)測試到高級的瞬態(tài)測試。此外，交流測功機同時具有動力驅(qū)動 (電動 )和動力吸收 (加載 )能力，配合自動化測控系統(tǒng) ,能夠進行復雜的動態(tài)測試和模擬測試。近年來，隨著交流傳動控制技術的日趨成熟，交流測功機在動力試驗測試領域得到了普遍認可和廣泛應用，并設計出許多傳統(tǒng)的機械測功機無法實現(xiàn)的測試方案，如能量回饋、 電封閉測試和多測功機組合測試等。目前許多著名的公司 (如 AVL、 SCHENCK、 MTS、 ABB、 SIEMENS 等 )都積極開發(fā)和應用基于交流測功機的動力試驗測試系統(tǒng)，并認為這是目前和未來最好的測試方案。結 論本文參考了許多研究汽車底盤測功機的專家學者的有關文章，介紹了汽車底盤測功機的國內(nèi)外發(fā)展概況、基本構造以及電模擬工作原理，重點介紹了電渦流測功器的測控原理。其他測功機如水力測功機、直流測功機、交流測功機等因為一些固有的缺點難以應應用。電渦流測功機主要由制動器、測力機構和測速裝置等幾部分組成，具有控制簡單，精確度高等優(yōu)點。汽車綜合性能檢測系統(tǒng)包括底盤測功機、速度臺、制動臺等多種檢測設備，目前汽車檢測設備多屬于單機單功能，但是為節(jié)省費用、場地和人員，汽車檢測設備應該從單機單功能向多功能綜合檢測臺發(fā)展，以使汽車檢測設備綜合化及汽車檢測線濃縮化。聊城大學本科畢業(yè)論文（設計）14本文通過簡單研究得出了一些有益的結果，也帶出了許多新問題。由于本人理論知識掌握的有限和認識水平的不足以及準備時間的倉促，文中不當之處在所難免，因此，要想得出更精確和實用的結果，還必須對該課題繼續(xù)做深入探討。參考文獻[1]張靖，劉少毅編.檢測技術與系統(tǒng)設計[M].中國電力出版社，2002.1 [2]徐邦茶，李浚源，詹瓊華.直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)華[M].中理工大學出版社，2000.8 [3]黃秀權等.電渦輪測功機自動加載控制[J].吉林工業(yè)大學學報，1991年第4期：36-48[4]張慶.渦流測功機的模糊控制[J].黑龍江自動化技術與應用，1997年第1期：43-51[5]陳東雷，高世倫，余江勝．底盤測功機控制系統(tǒng)的開發(fā)[J]．汽車工程，1998，20(3):139-164．[6]周超等.基于PC-104的電渦流測功機控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].車用發(fā)動機，2003年2月，第1期(總第143期)：39-53[7]張亮等.汽布底盤測功機微機控制裝置的研制[J].武漢工業(yè)大學學報，1996 年 5 月，第18 卷，第 2 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