楊旭東+王昆

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條系統(tǒng)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣及時(shí)、排氣徹底，鏈條動(dòng)態(tài)張力對(duì)正時(shí)鏈系統(tǒng)有著至關(guān)重要的決定作用。本文通過(guò)在鏈輪上粘貼電阻應(yīng)變片這一簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)進(jìn)行鏈條張力的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)；鏈條張力；測(cè)試

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.151

1 發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)通過(guò)正時(shí)鏈條嚴(yán)格的控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門的定時(shí)開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的‘進(jìn)飽排凈。正時(shí)鏈條張力主要由驅(qū)動(dòng)凸輪軸扭矩產(chǎn)生；同時(shí)，曲軸扭震、鏈輪的多邊形效應(yīng)和嚙合沖擊也都是鏈條張力產(chǎn)生的原因[1]。

2 正時(shí)系統(tǒng)凸輪軸鏈輪設(shè)計(jì)

2.1 鏈輪受力分析

鏈輪受力分析是在對(duì)地坐標(biāo)系和鏈輪坐標(biāo)系中進(jìn)行。鏈輪的受力分析如圖1所示，鏈輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，把鏈輪的受力分解到對(duì)地坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算分析。鏈輪的二維靜態(tài)受力分析，對(duì)于全局坐標(biāo)系有如下方程：

式中：

θ=全局坐標(biāo)和鏈輪坐標(biāo)的夾角

α= T1端鏈條嚙出角

β= T2端鏈條嚙入角

Fx = 鏈輪坐標(biāo)中，鏈輪所受沿X軸方向的反作用力，測(cè)量值

Fy = 鏈輪坐標(biāo)中，鏈輪所受沿Y軸方向的反作用力，測(cè)量值

Ms= 凸輪軸對(duì)鏈輪的反作用扭矩

Rp= 鏈輪中心到鏈條節(jié)線的距離

T1、T2是鏈輪張力、全局坐標(biāo)是以地面為參考系、鏈輪坐標(biāo)跟隨鏈輪旋轉(zhuǎn)。

由上述平衡方程可以看出，要測(cè)量鏈條張力就要對(duì)鏈輪的受力以及兩坐標(biāo)軸之間的夾角進(jìn)行測(cè)量。

2.2 鏈輪受力仿真分析

在進(jìn)行鏈輪的受力仿真分析之前，首先要對(duì)鏈輪進(jìn)行模態(tài)分析。確認(rèn)鏈輪的自身頻率是否滿足實(shí)際測(cè)試的需求。若不滿足要求，則要對(duì)鏈輪的外輪廓形狀做進(jìn)一步優(yōu)化更改。

在鏈輪的受力分析過(guò)程中，分別對(duì)鏈輪單邊受力和雙邊受力進(jìn)行仿真分析。同時(shí)假設(shè)在鏈輪與鏈條接觸過(guò)程中，載荷的分配情況為：第一個(gè)齒40%；第二個(gè)齒30%；第三個(gè)齒20%；第四個(gè)齒10%。對(duì)鏈輪上的齒逐個(gè)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)鏈輪在不同受力角度情況下的仿真分析，獲得鏈輪安裝傳感器的最佳位置，便于計(jì)算傳感器的電壓輸出值。

3 鏈輪測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)在鏈輪設(shè)定的位置粘貼應(yīng)變片傳感器，通過(guò)測(cè)量鏈輪輪廓形狀的微應(yīng)變量來(lái)測(cè)量鏈條的張力。

對(duì)鏈輪上要貼應(yīng)變片的部位取出與應(yīng)變片同樣大小的立方體，然后對(duì)立方體進(jìn)行有限元分析，得出應(yīng)變片對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變量以及對(duì)應(yīng)位置的剪切應(yīng)變量。通過(guò)計(jì)算公式（4），可以得出應(yīng)變片對(duì)應(yīng)位置的總應(yīng)變邊量[2]。

再根據(jù)應(yīng)變量計(jì)算出應(yīng)變片的電阻變化值，從而可以得出鏈輪上個(gè)傳感器的電壓出數(shù)值。計(jì)算公式如下：

測(cè)量橋路采用惠斯通電橋?；菟雇姌颍粌H測(cè)量準(zhǔn)確而且對(duì)電路具有補(bǔ)償作用。在惠斯通電橋的基礎(chǔ)上，把鏈輪上不同位置的應(yīng)變片連接到不同的橋臂上，組成鏈輪測(cè)試傳感器的測(cè)量電路。根據(jù)上述鏈輪的受力分析，測(cè)量電路對(duì)鏈條的張力測(cè)量分為兩個(gè)測(cè)量電路，分別測(cè)量X方向和Y方向的受力。本課題選用的應(yīng)變片型號(hào)為：HBM公司生產(chǎn)的1-RY31-10/120應(yīng)變花。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，凸輪軸鏈輪始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。本文利用滑電環(huán)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換；同時(shí)，為了避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到干擾，在連接滑電環(huán)之前利用AD620微型放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，保證了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

4 鏈輪靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

改變鏈輪的受力角度來(lái)模擬鏈輪的旋轉(zhuǎn)受力，在固定受力角度下改變鏈輪受力大小兩種方法來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)在鏈輪兩側(cè)的鏈條上安裝拉力傳感器，同時(shí)測(cè)量鏈輪上各傳感器的實(shí)際電壓輸出值。通過(guò)實(shí)際計(jì)算出的力以及傳感器電壓輸出值，計(jì)算鏈輪上各傳感器的平均靈敏度。計(jì)算平均值，得到X 軸傳感器的平均靈敏度為：-544.1966N/V；Y軸的平均傳感器靈敏度為539.5544N/V。

獲得鏈輪靈敏度后，利用這一數(shù)值對(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行驗(yàn)證?？梢钥闯?，鏈輪傳感器的輸出值與實(shí)際的載荷施加值曲線基本吻合，兩者誤差在5%之內(nèi)。這一結(jié)果證明了傳感器靈敏度的準(zhǔn)確性，同時(shí)證明了這一測(cè)試方法的最終可行性。

5 結(jié)論

通過(guò)改變凸輪軸鏈輪的外輪廓形狀，可以實(shí)現(xiàn)在鏈輪上粘貼電阻應(yīng)變片從而準(zhǔn)確的測(cè)量鏈條張力。這為高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)鏈條張力的測(cè)試，提供了一種切實(shí)可行的測(cè)量方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉高洋，馮增銘.現(xiàn)代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)用正時(shí)齒形鏈系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].2014：1-2.

[2]Measurement Group. Strain Gage Based Transducers，1988 ISBN 0-9619057-0-0.

[3]黃興偉.具有無(wú)線傳輸功能的數(shù)顯扭矩測(cè)量系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].2011.