汽车试验设备与设施

3.1典型试验仪器及设备3.2典型试验设施3.3汽车试验场第3章汽车试验设备与设施3.1典型试验仪器及设备3.1.1车速测量仪3.1.2燃油消耗量测量仪3.1.3陀螺仪3.1.4负荷拖车3.1.1车速测量仪汽车行驶速度、时间和位移是汽车多项使用性能试验和评价中必不可少的测量参数，虽然车辆里程表能够指示行驶里程和速度，但受车轮滚动半径、机械传递系统磨损、指示仪表精度等影响，仍然需要专用的高精度仪器测量。测量并记录汽车行驶过程的速度、时间和位移的仪器称为车速测量仪（简称车速仪）。3.1.1车速测量仪常见车速测量仪：1.第五轮仪2.光电式车速测量仪3.GPS定位车速测量系统1.第五轮仪6开关导线7脚踏开关8安装盘9加力弹簧10传感器1第五轮2齿圈3连接臂4导线5显示器1.第五轮仪工作原理试验时，五轮仪固定在试验车尾部或侧面，当其随汽车运动而转动时，磁电传感器由于齿圈的齿顶、齿谷的交替变化，产生电脉冲，脉冲数量与齿数成比例。脉冲数与汽车行驶距离成正比，脉冲频率与车速成正比，这一比例关系是一个常量，通常称之为“传递系数”，或“传感器系统”。1.第五轮仪工作原理传递系数与第五轮的周长和齿盘齿数有关：若第五轮实际周长L(m)，齿盘有n齿，传感器每感受到一次齿顶齿谷的变化，发送2个脉冲信号，则传递系数为：L/(2n)(m/脉冲)传递系数为固定值的，在标定时，应使第五轮实际周长尽可能符合使用说明书的“标准值”。传递系数可变的五轮仪，传递系数一旦标定并输入内存后，试验过程中不允许关机，否则重新标定。1.第五轮仪五轮仪使用注意事项：试验过程中要求第五轮必须时刻与地面接触，不能出现打滑，因而限制了试验道路种类的选择范围，不利于非公路车辆对应试验的实施。由于设备精度限制，这种接地式车速仪不能进行大于180km/h的车速测量。设备体积相对较大，不利于携带，仪器安装的便捷性也不好，目前已较少使用。2.光电式车速测量仪2.光电式车速测量仪工作原理：光电式车速仪是利用空间滤波原理检测车速的非接地式车速仪。主要由投光器和受光器组成。投光器将强光射于地面，由于地面凹凸不平，形成明暗对比不同的反射，由受光器中梳状光电管接收。随着车辆的移动，光电管接收地面反射光的明暗变化脉冲，此脉冲频率与车速成正比。明暗交替变化的频率信号经过一定的信号处理即可获得车辆行驶速度。1透镜2灯3反射镜4梳状光电管5光栅6聚光透镜2.光电式车速测量仪空间频率传感器的工作原理：以一定间距P排列的一排透光格子，当点光源以一定速度相对格子移动时，经过格子列后光的强度就变成了忽明忽暗、反复出现的脉冲状态，此脉冲与光穿过格子的次数相对应，即每移动一个P距离变换一次。假设点光源移动速度为v，光学系统的放大率为m，则在格子列上移动的光点速度为mv。这样，一明一暗的脉冲列的周期为P/mv，即频率f=mv/P与速度v成正比。速度v的变化则通过频率f的变化表现出来。2.光电式车速测量仪与点光源相比，一般的光学投影则稍有差异。这种光学投影（凹凸不均的形状），可以看作是许多不同强度的点光源不规则地集中，不改变相互位置，向着一定的方向平行移动的状况。由此得来的光量，就是从这些点光源一个一个地测量的光量总和。然而，由于点光源的分布和强度都不同，其结果导致相位和亮度的全然不同。但因频率完全相同，结果组成了许多仅仅相位和振幅不同的信号，其平均频率为mv/P。从而可得到相位和振幅均随机平稳变化的信号（窄带随机信号）。通过推测此中心频率可解出移动速度和移动距离。2.光电式车速测量仪特点：与接地式五轮仪相比，光电式车速仪安装方便、测量精度高，适用于高速测量，最高测量车速可达250km/h。但其光源耗电量大，并且在车速很低时，测量误差大，车速小于1.5km/h时不能测量。在冰雪路面和潮湿的ABS性能测试路面上，由于光电式车速仪是靠内部的空间滤光片传感器接受地面反射来的光进行信号采集，而湿的低附着系数路面无法实现光线的良好反射，导致信号丢失，仪器失效。3.GPS定位车速测量系统组成：GPS接收器和一套数据采集系统。原理：使用高性能的卫星接收器，利用位置已知的卫星（不少于4个）的三维坐标来确定被测目标的三维坐标，根据卫星发射的无线信号的传播延时建立三维位置量和时间量的方程，结合测量得到的各卫星与目标位置的距离确定被测目标在地面上的位置，计算被测目标的位移和速度。3.GPS定位车速测量系统VBOX（VelocityBox）是基于GPS定位系统进行车速测量的典型设备，由卫星接收器、主机和多种外接模块及传感器组成，是一套专业测量、记录和分析显示车辆行驶数据的测试设备。可直接获得汽车的速度和移动距离，横（纵）向加减速度值，充分发出的平均减速度，时间以及制动、滑行、加速等距离。附加模块和传感器，可采集油耗、温度、加速度、角速度及角度、转向角速度及角度、转向力矩、制动踏板力、制动踏板位移、制动风管压力等，完成动力性、经济性和操纵稳定性等试验内容。VBOX整车试验数据采集系统示例3.1.2燃油消耗量测量仪燃油消耗量测量仪又称油耗仪，它可测量某一段时间间隔或某一里程内流体通过管道的总体积或总质量。油耗仪按其测量方法不同可分为质量式油耗仪和容积式油耗仪。这两种油耗仪都能连续、累计地测量油耗，都可用于汽车燃料消耗量台架试验。1.质量式油耗仪通过测定消耗一定质量燃料所用的时间或测量规定时间内消耗的燃油质量来计算耗油量，测量准确度不受发动机供油系燃油回流的影响。在测量具有回油管路供油系的汽车时，只要将发动机回油管路中的燃油流入称量容器即可排除发动机回油管路中的燃油蒸汽或空气对油量准确度的影响。不适用于动态测试，一般不能用于道路试验，多用于台架试验。1.质量式油耗仪组成：称重装置计数装置控制装置1.质量式油耗仪注意：质量式油耗仪存在系统误差，即测量时油杯油面发生变化，伸入油杯中的油管浮力的反作用力也变化，造成称量时的系统误差，此项系统误差必须修正。油耗量单位采用L/100km时，在换算中必须考虑燃油密度与温度之间的关系。在测量消耗一定质量的燃油所需时间后，计算单位时间内发动机的燃油消耗量：G为燃油消耗量，kg/h；ω为燃油质量，g；t为测量时间，s。tG/ω×6.3=2.容积式油耗仪容积式油耗仪通过测定消耗一定容积的燃油所需时间来计算容积耗油量。容积式油耗仪在用于多工况循环试验时可能会出现以下问题：高燃油流量时，过大的压力降可能会影响发动机的供油性能流速低时，由于通过传感器元件泄漏，测量准确度有下降的趋势，尤其是怠速泄漏，将导致测量准确度下降。2.容积式油耗仪按结构可分为活塞式、膜片式、齿轮式和涡轮式，其中活塞式油耗仪应用最广泛。组成：油耗传感器信号转换器2.容积式油耗仪转换器将燃油的体积转换为便于计量的旋转件的转动圈数。四个活塞夹角90度，共用一个曲柄，每个活塞开有环形槽，用来控制相邻缸的进油和排油。每缸直径和活塞行程一定，因此每缸工作一次排出的燃油容积一定，即曲柄轴旋转一周，传感器排出的油体积一定，从而将燃油流量转换为曲柄转数。2.容积式油耗仪活塞式油耗仪用于电控燃油喷射式发动机时需处理从调压器回流的多余燃油。小排量发动机，让燃油回流到油耗传感器输出端。大排量发动机，必须采用具有返回燃油处理功能的活塞式油耗仪。汽油机用油耗仪柴油机用油耗仪3.1.3陀螺仪在汽车操纵稳定性试验中，经常要在汽车运动状态下测定某些动态运动参数，如汽车前进方位角、汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角（俯仰角）等，这些运动参数通常用陀螺仪进行测量。1.陀螺仪基本特性陀螺仪是一个安装在内、外框架上能高速旋转的转子，并且该转子还能在框架内绕自转轴线上的一个固定点向任意方向回转。基本特性定向性进动性1转子；2内框架；3外框架；4支架2.垂直陀螺仪垂直陀螺仪是具有保持自转轴垂直陀措施的三自由度陀螺仪，可测量汽车车身侧倾角和俯仰角。组成：三自由度陀螺仪、修正装置和指示机构或角度传感器等部分。2.垂直陀螺仪2.垂直陀螺仪修正装置由摆式敏感元件和力矩器组成，摆式敏感元件常用液体开关或水银开关。力矩器常用力矩电机，结构做成扁环形或弧形，以使仪表结构紧凑，两个力矩电机分别安装在陀螺内、外框轴方向。当陀螺外框轴平行于机体纵轴安装时，外框轴和内框轴方向的力矩电机分别称为纵向和横向修正力矩电机。2.垂直陀螺仪当自转轴未偏离垂线时，液体开关保持水平，气泡处于中央位置，均等地盖住4个电极表面约一半的面积，中心电极经导电液体至4个电极的电阻相等，这时每个力矩电机中两个控制绕组所通过电流的大小相等，方向相反，因而不产生修正力矩。2.垂直陀螺仪当自转轴偏离垂线时，液体开关随之倾斜，气泡向处于高位的电极移动，中心电极经导电液体至相应一对电极中的两个电极电阻不等，这时相应的力矩电机中两个控制绕组所通过电流的大小不等，产生修正力矩作用在陀螺仪上，使自转轴绕框架轴进动，直到液体开关中的气泡处于中央位置为止。利用指示机构或角度传感器测出自转轴绕框架轴的进动角度，即得到车辆的侧倾角与俯仰角。3.角速度陀螺仪又称二自由度陀螺仪，用来测定汽车的横摆角速度。3.角速度陀螺仪角速度陀螺仪通常刚性安装在汽车地板上，安装时应保证其敏感轴与地垂线平行，偏差不应大于1°。汽车在稳态转圈时，车身侧倾角对横摆角速度输出影响很小，通常可忽略不计。在转向和制动联合作用时，应进行修正。为使动态测试值不产生太大的相位滞后，当仪器相对阻尼系数为0.2时，其自振频率不应小于50Hz。角速度陀螺仪还应保证输入频率在0～2.5Hz范围内，其输出是线性的。3.1.4负荷拖车负荷拖车用以给试验车辆提供负荷，是一种现代化的车辆测试设备。在进行车辆性能试验时，利用该设备可以在平坦的试验路面上模拟车辆的各种行驶工况。分类：有动力负荷拖车无动力负荷拖车1.负荷拖车的结构负荷拖车是电子元件和机械部分的组合。无动力电涡流负荷拖车的组成：①功率吸收器；②力传感器；③速度传感器；④手控盒；⑤计算机等。1.负荷拖车的结构①功率吸收器功率吸收器提供负荷，从试验车辆吸收能量。吸收能量的多少由供给功率吸收器的电流大小决定，电流大小由DC/DC控制器调节。电涡流负荷拖车的功率吸收器由定子和转子两部分组成。1.负荷拖车的结构①功率吸收器负荷拖车的车轮轮轴通过传动系与功率吸收器的转子相连，当拖车由车辆牵引前进时，车轮滚动，带动转子转动。计算机发出指令控制供给功率吸收器电磁线圈的电流，功率吸收器开始吸收能量。1.负荷拖车的结构②力传感器力传感器在拖车的前部，用于测量拖车施加于被试车辆的负荷。试验时，负荷拖车产生负荷，力传感器受载，它将载荷转换为电信号并输入计算机进行处理。1.负荷拖车的结构③速度传感器速度传感器安装在负荷拖车的轮轴传动系上，用于测量负荷拖车的速度，既被试车辆的速度。试验时，负荷拖车的车轮转动，速度传感器将产生脉冲信号并输入计算机。1.负荷拖车的结构④手控盒手控盒是与计算机相连的有线盒子，试验时控制负荷拖车加载与否。控制盒上有两个按钮，绿色的为开始触发按钮，红色的为结束触发按钮。两个调节负荷拖车速度大小与负荷大小的调节开关。1.负荷拖车的结构⑤计算机车载便携式电脑。试验时，计算机接信号线和电源线，启动负荷拖车控制程序，试验人员在被试车辆上可控制拖车模拟各种试验工况。2.负荷拖车的工作原理试验中试验车拖挂负荷拖车后的受力情况gfWKPPPPPK为试验车牵引力，N；Pg为试验车拖钩牵引力，N；PW为试验车空气阻力，N；Pf为试验车轮胎滚动阻力，N。3.2典型试验设施3.2.1转鼓试验台也称作底盘测功机，是检测汽车底盘输出功率及其相关参数的一种检测设备。它以转鼓表面模拟路面，通过加载装置给转鼓轴施加负荷以模拟汽车在实际行驶时的阻力，以可调风速的供风系统提供汽车迎面行驶风，从而在室内实现汽车道路行驶工况的模拟。3.2.1转鼓试验台1.转鼓试验台分类单转鼓（滚筒）试验台双转鼓（滚筒）试验台3.2.1转鼓试验台1.转鼓试验台分类①单转鼓（滚筒）试验台一般鼓径均在1500mm以上，2000～2500mm以下。试验精度