徐 宜， 王 敏， 李建東， 張國偉， 張 鑫， 宋美球

(1.中國北方車輛研究所 車輛傳動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072；2.中國兵器計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所, 北京 100089；3.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030051)

履帶裝甲車輛傳動系統(tǒng)性能的好壞直接影響車輛的整體作戰(zhàn)性能及產(chǎn)品的競爭能力.由于履帶車輛的傳動裝置工作環(huán)境復(fù)雜，并且所受的動態(tài)扭矩變化范圍較大，內(nèi)部的傳動軸常常發(fā)生疲勞失效[1-2].因此，對傳動裝置的扭矩測試就顯得尤為重要.然而傳動裝置的工作環(huán)境惡劣、溫度變化范圍大、內(nèi)部空間狹小等條件限制造成目前市場上的標(biāo)準(zhǔn)扭矩測試裝置安裝困難、難以滿足測試工況.

尤其是近年來，履帶車輛傳動裝置性能不斷提高，具有高功率密度、高集成度和高轉(zhuǎn)速的發(fā)展特點(diǎn)[3].這使得履帶車輛傳動裝置供扭矩測試用的空間更加狹小，工作溫度更高，給傳動裝置的扭矩測試帶來了更多問題[4].本研究開發(fā)了基于集中光扭矩測量傳感器(RFTS， Remote Fiber Testing System)的履帶車輛傳動軸動態(tài)扭矩載荷測量系統(tǒng)，分別對3種工況條件下的履帶車輛傳動軸扭矩進(jìn)行測試，并與計(jì)算結(jié)果對比，進(jìn)而分析了測試裝置的準(zhǔn)確性.

1 動態(tài)扭矩測試原理

履帶車輛傳動系統(tǒng)空間小、功率密度大、工作環(huán)境苛刻的特點(diǎn)造成樣車傳動軸扭矩測試比較困難，為此結(jié)合現(xiàn)有集中光扭矩測量傳感器[5-6]，采取嵌入式安裝方法，將其安裝于變速箱輸出軸上，組成履帶車輛行駛過程傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試專用裝置，如圖1所示.

圖1 傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置

傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置工作原理為：首先，粘貼在被測彈性傳動軸上的扭矩測量應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋，應(yīng)變電橋?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)化為電信號；然后，電信號經(jīng)過放大、濾波處理后被定子和轉(zhuǎn)子上相互匹配的傳輸單元傳遞給定子上的扭矩信號處理單元[7-8]；最后，通過采集設(shè)備采集多個軸上的扭矩?cái)?shù)據(jù)并記錄保存.

測試裝置的電能及信號傳輸是由一組帶間隙的光電對射板完成的，信號無線傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性決定了扭矩測試的最大采樣頻率和準(zhǔn)確性，是傳動軸動態(tài)扭矩測試裝置的核心[9-10].表1是本研究傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置的信號無線傳輸部分技術(shù)特性參數(shù).

表1 測試裝置信號無線傳輸部分技術(shù)特性參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證測試裝置能否滿足履帶車輛在多種工況行駛過程中傳動軸動態(tài)扭矩測試的需求，建立了現(xiàn)場試驗(yàn)方案，并開展相關(guān)試驗(yàn).

將配備了動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置的傳動軸安裝在車輛傳動系統(tǒng)中.并根據(jù)測試路況的特點(diǎn)，對外部信號處理裝置加裝相關(guān)的保護(hù)措施，組成履帶車輛動態(tài)扭矩測試平臺，其主要參數(shù)如表 2所示.

表2 動態(tài)扭矩測試平臺主要參數(shù)

根據(jù)履帶車輛行駛過程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)起步過程、原地轉(zhuǎn)向和隨機(jī)行駛3種工況的試驗(yàn)條件.在各個工況分別測試傳動軸所承受的動態(tài)扭矩，同時根據(jù)測試的發(fā)動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和傳動比等參數(shù)計(jì)算傳動軸承受的扭矩理論值.通過對比分析扭矩的測試值和計(jì)算值，來檢驗(yàn)傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置的測試準(zhǔn)確性.

1)起步工況.測試車輛在瀝青混凝土路面用一擋起步過程中，傳動軸所受動態(tài)扭矩，測試3次.同時，計(jì)算車輛起步時傳動軸承受的扭矩，分析對比試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值之間的誤差.

2)原地轉(zhuǎn)向工況.分別測試車輛在瀝青混凝土路面做原地左轉(zhuǎn)向和原地右轉(zhuǎn)向完整動作過程中傳動軸所受的扭矩載荷，測試3次.然后，對測試扭矩載荷進(jìn)行降噪和特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，并與理論計(jì)算值對比分析.

3)隨機(jī)行駛工況.測試車輛在土路且以2擋和3擋，分別做加速運(yùn)動時傳動軸承受的扭矩，測試3次.同時，將扭矩測試值與理論計(jì)算值進(jìn)行對比分析.

3 測試結(jié)果及分析

3.1 車輛起步工況的測試結(jié)果

車輛起步過程包括瞬時啟動和加速兩個階段.當(dāng)履帶車輛開始瞬間啟動時，傳動軸受到的扭矩值最大，扭矩曲線會出現(xiàn)一個峰值.此時，車輛的加速度也最大.之后，駕駛員開始逐漸踩油門加速，在此過程中離合器慢慢閉合.在車輛起步過程中路面被認(rèn)為是平滑的高度不變.因此，排除了路面不平整造成對扭矩測試的影響.圖2為車輛在瀝青混凝土路面一擋起步時的傳動軸扭矩計(jì)算值與測量值隨時間的變化情況.

圖2 實(shí)測扭矩與計(jì)算扭矩的對比

從圖2中摘取車輛起步工況3次啟動瞬間傳動軸所承受扭矩的計(jì)算值和測試值，并繪制成如圖3所示的條形圖.從圖中可以看出：第一組實(shí)測扭矩比第二組和第三組的實(shí)測扭矩大致高40%.這是因?yàn)檐囕v在起步工況開始的時候，離合器處于半接觸狀態(tài)，油門的開度值為28%，而第二組和第三組測的油門開度為 10%，小于第一組.總之，在車輛起步工況的3次測試中，忽略車輛由靜到動的瞬間所受的外界影響，實(shí)際測試的傳動軸扭矩峰值與理論計(jì)算值之間的差異小于10%，即在原地起步工況傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時測試準(zhǔn)確度高于90%.

圖3 起步工況扭矩測試值和計(jì)算值對比

3.2 原地轉(zhuǎn)向工況的測試結(jié)果

履帶車輛在轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)側(cè)履帶圍繞瞬時轉(zhuǎn)向中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，外側(cè)履帶做平移運(yùn)動.因此，車輛轉(zhuǎn)向過程中既受到地面滾動阻力矩，又受到轉(zhuǎn)向的阻力矩[11].履帶外側(cè)接地段所受的總阻力即牽引力大小為

(1)

式中：f為地面(土路)變形阻力；G為車輛重力；L為履帶接地長；B為履帶中心距；μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù).目前μ常用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

(2)

式中：μmax為路面最大阻力系數(shù)；ρ為相對轉(zhuǎn)向半徑.

試驗(yàn)場地選取瀝青混凝土路面.履帶車輛依次開展3次原地左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向運(yùn)動，同時記錄傳動軸所受的扭矩，然后將記錄結(jié)果與同等條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出，車輛在瀝青混凝土路面上做原地左、右轉(zhuǎn)向運(yùn)動過程中，測試的傳動軸扭矩值與計(jì)算值相差很小，并且扭矩測試值與理論計(jì)算值之間的差異小于10%，在合理的工程要求范圍內(nèi).說明在車輛轉(zhuǎn)向工況傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時測試裝置測試結(jié)果準(zhǔn)確.

圖4 原地轉(zhuǎn)向工況扭矩測試值與計(jì)算值對比

3.3 隨機(jī)行駛工況的測試結(jié)果

測試車輛在土路且以2擋和3擋分別做加速運(yùn)動時傳動軸承受的扭矩.圖5、圖6分別為車輛在2擋和3擋加速行駛過程中傳動軸扭矩測試和計(jì)算結(jié)果隨時間變化的情況.

圖5 2擋加速行駛實(shí)測扭矩與計(jì)算扭矩對比

圖6 3擋加速行駛實(shí)測扭矩與計(jì)算扭矩對比

從圖5和圖6可以看出，履帶車輛在相同復(fù)雜的土路面上以2擋和3擋做加速行駛時，實(shí)測扭矩值與理論計(jì)算值相差比較大，平均差異達(dá)25%.這是由于土路路面不平導(dǎo)致的車輛在行駛過程中起伏不定影響了慣導(dǎo)傳感器對車輛加速度的測量精度，進(jìn)而導(dǎo)致車輛行駛過程中的傳動軸扭矩理論計(jì)算值偏大.但是通過對比在同一路況、相同擋位條件下測試的多組傳動軸扭矩?cái)?shù)據(jù)，可以看出測試裝置所測的多組傳動軸扭矩?cái)?shù)值比較一致，如圖7、圖8所示.通過計(jì)算可知每組扭矩實(shí)測值與它們的平均值之間的差別小于5%，說明扭矩傳感器測得的扭矩信號比較穩(wěn)定.

圖7 2擋加速工況扭矩測試值與計(jì)算值對比

圖8 3擋加速工況扭矩測試值與計(jì)算值對比

4 結(jié) 論

結(jié)合傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置，建立了履帶車輛傳動軸動態(tài)扭矩測試方案，開展了履帶車輛在起步、原地轉(zhuǎn)向和隨機(jī)行駛3種工況下的傳動軸動態(tài)扭矩測試研究.對比分析實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)有以下結(jié)論：

1)車輛在起步及原地轉(zhuǎn)向時，傳動軸扭矩測試值與理論計(jì)算值偏差均在10%之內(nèi)，滿足工程需求.

2)車輛在隨機(jī)加速工況行駛時，處于不同擋位的傳動軸扭矩測試值與理論計(jì)算值平均偏差為25%；而在相同擋位加速行駛時，不同組別的傳動軸扭矩測試值差異小于5%.

履帶車輛在起步過程、原地轉(zhuǎn)向和隨機(jī)行駛3種工況下的傳動軸扭矩測試數(shù)據(jù)均滿足工程測試需求，驗(yàn)證了傳動軸動態(tài)扭矩實(shí)時在線測試裝置的可行性和準(zhǔn)確性.