龐茂，胡凱翔，高峰

(浙江科技學院機械與汽車工程學院，浙江杭州 310023)

黏液耦合器屬于液體黏性傳動的一種裝置。黏性耦合器克服了普通差速器只能平均分配扭矩的缺點，大大提高了汽車在雙附著系數(shù)路面的動力性和通過性，顯著改善了汽車操縱穩(wěn)定性和主動安全性，在四輪驅(qū)動汽車中被廣泛應用［1-3］。

黏性耦合器有兩種工作狀態(tài)，即“油膜剪切”工作狀態(tài)和“駝峰”工作狀態(tài)，兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩傳遞特性完全不同，兩種狀態(tài)的切換也是影響?zhàn)ば择詈掀鞴ぷ餍阅艿闹饕蛩亍Ｒ韵陆榻B產(chǎn)品性能試驗機的開發(fā)原理，并對某型黏性耦合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性進行了分析，從而為該類產(chǎn)品設計制造提供參考依據(jù)。

1 試驗機原理及組成

黏性耦合器轉(zhuǎn)矩特性試驗機原理如圖1所示。試驗機由調(diào)速電機和變速箱組合模擬汽車發(fā)動機，作為黏性耦合器輸入軸的驅(qū)動系統(tǒng)。輸出端采用加載器模擬黏性耦合器的輸出負載。在黏性耦合器輸入輸出端安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，采集和記錄黏性耦合器的輸入輸出轉(zhuǎn)速差和扭矩，并通過軟件計算處理得到反映耦合器性能的測試數(shù)據(jù)和曲線，同時通過非接觸式溫度傳感器檢測試驗過程中試件表面溫度。試驗機原理框圖如圖1所示。

圖1 黏性耦合器性能試驗機原理框圖

2 機械系統(tǒng)設計

試驗機的機械系統(tǒng)包括基礎臺架、驅(qū)動電機、變速器及扭矩加載器等。根據(jù)試驗對象的輸入輸出功率范圍，選擇驅(qū)動電機功率和扭矩加載器的加載扭矩。同時為保證電機特性曲線能夠更好地覆蓋黏性耦合器的工作范圍，需對電機輸出轉(zhuǎn)速進行調(diào)速。為此在輸出端配置一只4檔變速箱，使試驗機輸出扭矩最高可達1 900 N·m。電機與變速箱匹配后輸出特性曲線如圖2所示。

圖2 試驗機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩輸出范圍

3 測控系統(tǒng)設計

試驗機測控系統(tǒng)負責對試驗機執(zhí)行機構(gòu)的自動控制和被試件相關(guān)數(shù)據(jù)的采集分析。即通過對動力電機和扭矩加載器的自動控制來模擬被試的黏性耦合器的各種工況，同時采集在各工況下黏性耦合器輸入、輸出轉(zhuǎn)速差、扭矩及溫度等數(shù)據(jù)，并進行后續(xù)的處理，得到相關(guān)特性曲線等。測控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。

圖3 測控系統(tǒng)組成框圖

3.1 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)基于工控機為核心，主要包括扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度傳感器，AD/DA轉(zhuǎn)換卡、IO控制板卡、串口通訊卡，及各類信號隔離調(diào)理模塊等。傳感器和數(shù)據(jù)采集卡是硬件系統(tǒng)的核心元件，兩者的設計選型如下。

(1)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速是試驗機要采集的主要數(shù)據(jù)，傳感器信號穩(wěn)定可靠性直接影響?zhàn)ば择詈掀餍阅艿脑u價結(jié)果。試驗機轉(zhuǎn)速傳感器選用的光電編碼器精度為2 000線/r，檢測精度可達0.18°，可精確檢測試件輸入輸出的轉(zhuǎn)速差。輸入輸出分別安裝在變速器同軸輸出端及扭矩加載器末端，保證傳動的一致性。試驗機用扭矩傳感器選用非接觸電源供電，TTL信號輸出，具有無集流環(huán)，無電刷，運轉(zhuǎn)無磨擦，抗干擾能力強，穩(wěn)定性、可靠性高，使用壽命長等優(yōu)點。

(2)控制采集板卡

控制采集板卡用于對執(zhí)行機構(gòu)的控制和傳感器信號的采集。按功能分為數(shù)字IO控制板卡、AD轉(zhuǎn)換采集卡、DA輸出控制卡、脈沖信號采集卡及串口通訊卡等。根據(jù)對試驗機執(zhí)行機構(gòu)和傳感器信號類型、數(shù)量、精度等技術(shù)指標的要求來選擇控制采集板卡。

試驗機需要采集數(shù)據(jù)主要包括黏性耦合器輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速信號，輸入輸出軸扭矩信號，這些信號都是脈沖信號，由信號的頻率換算為轉(zhuǎn)速或扭矩值。

系統(tǒng)模擬量輸出信號主要是輸出端加載扭矩的控制，需1個模擬量輸出通道。而對變頻器轉(zhuǎn)速的設定和狀態(tài)監(jiān)控，則通過485串口通訊與上位計算機交互。另外數(shù)字IO信號主要包括超速、超載、高溫報警，手動/自動切換、系統(tǒng)聲光報警等。

基于以上分析，選擇臺灣研華公司PCL836和PCL728多功能板卡和1塊2通道RS485串口通訊卡及對應信號調(diào)理端子板。其中PCL836具有16路的開關(guān)量信號輸入和16路的開關(guān)量信號輸出通道，還有6個計數(shù)通道。PCL728為4通道模擬量輸出板卡。3塊板卡完全滿足了系統(tǒng)對輸入輸出和計數(shù)信號采集的功能要求。

3.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)負責對試驗機監(jiān)測和控制，包括用戶管理模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、性能測試模塊、數(shù)據(jù)存儲及檢索模塊等。

(1)性能測試模塊

性能測試模塊能夠?qū)︷ひ厚詈掀鞯摹榜劮濉焙汀盎貧w”性能進行自動測試，可實時繪制出輸入輸出轉(zhuǎn)速、扭矩及輸入輸出轉(zhuǎn)速差與輸出扭矩的實時曲線圖。

進行“駝峰”性能測試時，系統(tǒng)驅(qū)動電機以設定轉(zhuǎn)速運行，軟件控制輸出端扭矩加載器的扭矩輸出值自動增加，耦合器的輸入輸出轉(zhuǎn)速差將逐漸增大，轉(zhuǎn)速差達到一定值后會迅速減小，記錄該過程中的輸出扭矩值?！盎貧w”性能測試與“駝峰”性能測試類似，不同之處在于耦合器的輸入輸出轉(zhuǎn)速差達到一定值時，系統(tǒng)將控制輸出端扭矩自動減小至0，記錄該過程中轉(zhuǎn)速差和輸出扭矩變化情況。

該模塊的程序界面如圖4所示。

(2)試驗機狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測用于實時監(jiān)測試驗機狀態(tài)和對試驗機執(zhí)行機構(gòu)的單步調(diào)試。該模塊可進行開機和運行中的試驗機狀態(tài)監(jiān)測和故障自診斷。系統(tǒng)發(fā)生異常時，可根據(jù)故障類型和嚴重程度進行報警或自動停機等預警保護措施。同時可對驅(qū)動電機、扭矩加載器等執(zhí)行機構(gòu)進行手動的調(diào)試和診斷，是試驗機故障診斷和排除的輔助工具。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊采用ADO訪問MS Access數(shù)據(jù)庫，對測試數(shù)據(jù)進行存儲、檢索和試驗報表打印。該模塊可將測試的數(shù)據(jù)自動存儲在數(shù)據(jù)庫文件，用戶可通過流水號、測試時間、試件型號等多種方式查詢和打印試驗數(shù)據(jù)。同時模塊可定期對數(shù)據(jù)自動進行備份。

圖4 性能檢測模塊程序界面

4 轉(zhuǎn)矩傳遞特性研究

運用該試驗機對某型號的車用黏性耦合器樣件進行了試驗。對黏性耦合器性能的評價主要是發(fā)生“駝峰”時的轉(zhuǎn)速差和“回歸曲線”在同一轉(zhuǎn)速差下對應的輸出扭矩的差值。圖5和圖6給出的是3種不同硅油填充率下黏性耦合器樣件的“駝峰”曲線和“回歸”曲線。

圖5 不同試件“駝峰”性能曲線

圖6 不同試件“回歸”性能曲線

樣件中硅油填充率由加入樣件殼體內(nèi)硅油的質(zhì)量來控制，1—3號樣件的硅油填充率逐漸增大。試驗時采用相同的參數(shù)，即相同的輸入轉(zhuǎn)速和加載頻度下進行，從圖中可以看到，不同試件出現(xiàn)“駝峰”狀態(tài)的轉(zhuǎn)速差和回歸曲線中的最大扭矩差都不盡相同。隨著硅油填充率的增大，發(fā)生“駝峰”狀態(tài)所需轉(zhuǎn)速差降低，同時回歸特性變差。另外每個樣件在出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象的時候，聯(lián)軸器的輸出扭矩還有一個增大的過程，不過增加的幅度不大，隨著轉(zhuǎn)速差的進一步減小，聯(lián)軸器輸出扭矩才趨于平穩(wěn)，這與相關(guān)文獻的理論分析一致［1］。

5 結(jié)論

介紹了一種汽車黏性耦合器性能試驗機的開發(fā)，并在該試驗機上對某型號黏性耦合器的典型特性進行了初步試驗。結(jié)果表明該試驗機可對黏性耦合器的“剪切”特性、“駝峰”特性、“回歸”特性等進行準確評價，為該類產(chǎn)品的研發(fā)和改進提供了有效的試驗支撐。

［1］夏國棟，劉亮，張少華，等.黏性耦合器駝峰特性［J］.汽車工程，2001(5):97-101.

［2］劉亮，夏國棟，陳雪梅，等.黏性耦合器剪切扭矩計算的方法［J］.汽車工程.2003(7):30-33.

［3］MOHAN S K，RAMARAO B V，STEPHENS C F，et al.Viscous Coupling in 4WD Vehicle:Application of Computational Modeling［J］.SAE，920611.

［4］楊勁松，張濤.計算機工業(yè)控制［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［5］郭華偉，施文康，鄧勇，等.減振器試驗平臺及其測控系統(tǒng)研究［J］.測控技術(shù)，2005，24(8):64-68.

［6］朱華衛(wèi).液體黏性聯(lián)軸器特性及其檢測方法研究［D］.杭州:浙江大學，2006.