張洪飛，姚艷春，李向楠，杜克鋒

（黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000）

汽車傳動(dòng)軸無損探傷方案研究

張洪飛，姚艷春，李向楠，杜克鋒

（黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000）

汽車傳動(dòng)軸的金屬疲勞問題是高速行駛汽車的一個(gè)安全隱患．文章提出了一種汽車傳動(dòng)軸金屬疲勞度動(dòng)態(tài)無損探傷方案，即將超聲波傳感器安裝于汽車傳動(dòng)軸上，利用電控單元ECU對(duì)超聲波傳感器輸出的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，當(dāng)傳動(dòng)軸出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時(shí)，ECU發(fā)出指令使報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)．超聲波傳感器的安裝位置是這一方案的難點(diǎn)．

無損探傷；超聲波傳感器；汽車傳動(dòng)軸；報(bào)警裝置；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

汽車上的一些重要構(gòu)件如傳動(dòng)軸、半軸、曲軸等，在實(shí)際工作中不斷受到交變載荷的作用，金屬疲勞程度逐漸加大，容易發(fā)生突然斷裂，這是高速行駛汽車的一個(gè)安全隱患．車輛的定期安全檢測(cè)雖然能夠有效地防止這類事故，但對(duì)于某些大型汽車來講仍不能從根本上解決問題．

隨著微機(jī)技術(shù)在無損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，無損檢測(cè)的新方法和新技術(shù)不斷出現(xiàn)．本文在綜合分析汽車傳動(dòng)軸、超聲波傳感器、報(bào)警裝置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種利用超聲波傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)汽車傳動(dòng)軸疲勞程度的方案．

1 車用傳動(dòng)軸材料的斷裂情況及金屬疲勞特性

傳動(dòng)軸是由薄鋼板卷焊而成的，工作過程中它不斷受到扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)，容易在縱向產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至發(fā)生斷裂．傳動(dòng)軸受到的交變載荷的強(qiáng)度不易準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此只有通過檢測(cè)才能判斷它是否已經(jīng)達(dá)到疲勞極限．

裂紋的擴(kuò)展速率da/dV與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的關(guān)系是如圖1所示的S型曲線．在圖1中，I區(qū)稱為不擴(kuò)展區(qū)，即當(dāng)結(jié)構(gòu)缺陷部位的應(yīng)力強(qiáng)度因子低于該值時(shí)，疲勞裂紋不會(huì)擴(kuò)展，此時(shí)的裂紋稱為安全裂紋；II區(qū)稱為裂紋擴(kuò)展區(qū)，即將萌生裂紋擴(kuò)展；III區(qū)稱為快速擴(kuò)展區(qū)，此區(qū)域中的裂紋擴(kuò)展速度極快，常常不計(jì)算其壽命值（已達(dá)到了疲勞極限）．

圖1 da/dV與lg(ΔK)的關(guān)系

2 超聲波探傷技術(shù)及汽車電控單元簡(jiǎn)介

2.1 超聲波探傷技術(shù)簡(jiǎn)介

超聲波傳感器主要有穿透型和反射型2種．穿透型探傷的主要特點(diǎn)是探傷靈敏度低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷，不能定位缺陷的位置，但指示簡(jiǎn)單．與穿透型探傷相比，反射法探傷能準(zhǔn)確地確定缺陷的位置和深度，可用不同波形進(jìn)行探測(cè)，應(yīng)用范圍較廣．

本研究中只需判斷汽車傳動(dòng)軸是否達(dá)到了疲勞極限，而不需定位缺陷的位置，因此宜采用穿透型超聲波傳感器．

目前，超聲波傳感器在測(cè)距、探傷方面都與微機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，朝著智能化方向發(fā)展．例如：NM超聲儀能夠?qū)z測(cè)到的缺陷信息通過微機(jī)系統(tǒng)傳輸?shù)诫娍貑卧狤CU，并對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析處理（包括報(bào)警），主要用于混凝土的無損檢測(cè)；DUD930數(shù)字傳感器具有優(yōu)良的探測(cè)特點(diǎn)，近場(chǎng)盲區(qū)小，能滿足較近和較遠(yuǎn)距離探傷的要求（探傷范圍在0～1000 mm），無極調(diào)節(jié)，且可自由輸入并存儲(chǔ)各種探傷標(biāo)準(zhǔn)，其不足是價(jià)格較高．

2.2 汽車電控單元簡(jiǎn)介

汽車電控單元ECU由微處理器MCU、輸入電路、輸出電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、接口I/O等組成，其中的MCU又由CPU、RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、ROM程序存儲(chǔ)器、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等構(gòu)成．來自傳感器的信號(hào)經(jīng)輸入電路處理后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給CPU．CPU將輸入信號(hào)與參考數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)出指令信號(hào)，指令信號(hào)經(jīng)功率放大（有時(shí)需轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)）后控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)伺服元件．

3 汽車傳動(dòng)軸無損探傷模型的建立及分析

3.1 模型的建立

所建立模型的框圖如圖2所示．

圖2 汽車傳動(dòng)軸無損探傷模型

超聲波傳感器（可采用車軸用超聲波探傷用組合探頭）安裝于傳動(dòng)軸的兩側(cè)，檢測(cè)傳動(dòng)軸內(nèi)部的疲勞裂紋狀況．ECU將傳感器的輸出信號(hào)處理后與ROM中存儲(chǔ)的參考數(shù)據(jù)（反映金屬內(nèi)部組織變化的S型曲線的數(shù)據(jù)）進(jìn)行對(duì)比，并產(chǎn)生控制指令．若ECU判斷出傳動(dòng)軸內(nèi)部出現(xiàn)了嚴(yán)重的疲勞裂紋，即金屬裂紋進(jìn)入快速擴(kuò)展區(qū)，ECU將通過指令驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警；若ECU判斷出傳動(dòng)軸內(nèi)部沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞裂紋，聲光報(bào)警器不發(fā)生報(bào)警，但系統(tǒng)將自動(dòng)保存檢測(cè)信息以供駕駛員參考．

3.2 超聲波傳感器的安裝方案

汽車傳動(dòng)軸連接在變速器與驅(qū)動(dòng)橋的萬向裝置中，由傳動(dòng)軸及兩端焊接的花鍵軸和萬向節(jié)叉組成．由于傳動(dòng)軸在汽車運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，所以在安裝超聲波傳感器時(shí)會(huì)遇到許多難題．

對(duì)于空心結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)軸，將超聲波傳感器內(nèi)置于傳動(dòng)軸中可在一定程度上防止灰塵和異物對(duì)其造成危害，但引出線問題很難得到解決．如果將超聲波傳感器置于傳動(dòng)軸外部，則必須考慮防水、防塵、減振和耦合介質(zhì)問題．超聲波在金屬中傳播時(shí)的衰減系數(shù)非常小，常常忽略不計(jì)，但在空氣中傳播時(shí)的衰減系數(shù)卻很大，因此必須在探頭與傳動(dòng)軸之間加入耦合介質(zhì)，可以選擇黃油或者化學(xué)漿糊．化學(xué)漿糊由羥甲基纖維素與適量水調(diào)制而成，有較高的粘性，且溫度變化時(shí)不會(huì)導(dǎo)致凝膠現(xiàn)象．

超聲波傳感器在傳動(dòng)軸上的安裝位置有以下3種方案：(1)將超聲波傳感器安裝在傳動(dòng)軸的載荷最集中處（可由傳動(dòng)軸的幾何參數(shù)及受力特點(diǎn)，利用有限元分析法求得）；(2)在與傳動(dòng)軸正對(duì)著的車架上焊上一個(gè)固定的導(dǎo)軌，利用電機(jī)拖動(dòng)，使超聲波傳感器能在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便檢測(cè)整根傳動(dòng)軸；(3)將超聲波傳感器安裝在傳動(dòng)軸外側(cè)，并通過電機(jī)控制傳感器在傳動(dòng)軸上的位置．方案一可達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車傳動(dòng)軸載荷最集中處的目的，在三種方案中可行性較大，其缺點(diǎn)是只能對(duì)傳動(dòng)軸的某一部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；方案二從理論上講能實(shí)現(xiàn)對(duì)整根傳動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，但不易實(shí)現(xiàn)且空氣衰減太大；方案三也能實(shí)現(xiàn)全軸的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但難度更大，可行性較小．

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〔責(zé)任編輯 張繼金〕

U472.9

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1006-5261(2010)05-0040-02

2010-01-21

張洪飛（1967―），男，河南新蔡人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士．