蘇陽 曹進 王麗芳 黃星

摘? ?要：本文對測功機校準裝置的工作原理進行分析，根據(jù)測功機的測試裝置“靜檢動用”的現(xiàn)狀，從動態(tài)工況的角度入手，在扭矩和轉(zhuǎn)速兩方面通過開展仿真實驗的方式，構(gòu)建信號模型，針對不同測量標(biāo)準下的實驗結(jié)果進行分析，研究扭矩和轉(zhuǎn)速測試中的關(guān)鍵參數(shù)和測試結(jié)果在動態(tài)校準和靜態(tài)校準下的差異，并分析差異發(fā)生的原因和規(guī)律，為扭矩和轉(zhuǎn)速的動態(tài)校準裝置的研究提供數(shù)據(jù)和理論支持。

關(guān)鍵詞：測功機? 扭矩? 轉(zhuǎn)速? 校準裝置

中圖分類號：TM32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0064-02

在現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展之下，測功機的產(chǎn)品更新和新技術(shù)應(yīng)用速度逐步加快，計量檢測作為產(chǎn)品質(zhì)量保障中的重要一環(huán)，應(yīng)該發(fā)揮出應(yīng)有的功效，為汽車工業(yè)保駕護航。本文根據(jù)測功機的測試裝置“靜檢動用”的現(xiàn)狀，從動態(tài)工況的角度入手，對測功機的扭矩和轉(zhuǎn)速校準進行分析和研究，為扭矩和轉(zhuǎn)速的動態(tài)校準裝置的研究提供數(shù)據(jù)和理論支持。

1? 校準裝置基本原理和指標(biāo)

1.1 工作原理

扭矩的測量：扭矩是在旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測旋轉(zhuǎn)扭矩，目前使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器。該傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近（磁或光）傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點：實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數(shù)字信號;缺點：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。本裝置擬采用應(yīng)變片電測技術(shù) ，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應(yīng)變信號放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。

轉(zhuǎn)速的測量：目前國內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量儀有點燃式測功機高壓點火脈沖感應(yīng)式、機動車電瓶充放電電壓脈動式、測功機振動感應(yīng)式測功機轉(zhuǎn)速測量儀幾大類。裝置擬采用磁脈沖傳感器對轉(zhuǎn)速進行測量。磁脈沖傳感器是由磁頭，脈沖整形放大電路，頻率——電壓轉(zhuǎn)換電路及濾波電路組成。磁頭是產(chǎn)生脈沖信號的部件，它產(chǎn)生的脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)速成比例，在主機的主軸或凸輪軸上裝一個齒輪（可利用盤車的齒輪）把磁頭對準齒頂固定，磁頭與齒頂之間保持一個較小的間隙。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，磁頭將交替對準齒頂和齒槽，即可輸出脈沖信號，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

在校準工作中，采用350Nm扭矩轉(zhuǎn)速動態(tài)校準裝置，包括傳感器、數(shù)據(jù)分析、軟件處理與高速采集等系統(tǒng);在測量范圍方面，扭矩為30～350Nm，轉(zhuǎn)速為500～4000r/min，在工況條件下示值誤差分別為：扭矩為±0.3%、轉(zhuǎn)速為±0.05%;示值重復(fù)性分別為：扭矩為0.3%、轉(zhuǎn)速為0.05%;扭矩信號最大采樣頻率為500kHz，在扭矩轉(zhuǎn)速動態(tài)校準方法研究中，采用行業(yè)內(nèi)部通用校準規(guī)范[1]。

2? 信號模型構(gòu)建及分析

以轉(zhuǎn)速為例，根據(jù)測功機自身結(jié)構(gòu)特點可知，其主要依靠各個缸輪燃燒的方式作功，促進其旋轉(zhuǎn)，在指示扭矩方面以波動變化為主，即便測功機負荷處于恒定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速也具有一定的周期性波動特征。在測功機發(fā)電過程中，轉(zhuǎn)速波動不超過1%，對于車輛、艦船等主動力機來說，在轉(zhuǎn)速波動方面應(yīng)更大一些。假設(shè)在測功機運行過程中，轉(zhuǎn)速用公式表示為：

式中，n0代表的是測功機平均轉(zhuǎn)速，單位為r/min;△n代表的是轉(zhuǎn)速波動數(shù)值，單位為r/min;f代表的是平均轉(zhuǎn)動頻率，單位為Hz;z代表的是缸數(shù)。通常情況下，可根據(jù)測功機齒輪對其平均轉(zhuǎn)速進行測量，公式為：

式中，ω代表的是測功機齒輪角速度;n代表的是轉(zhuǎn)速。

2.1 轉(zhuǎn)速校準仿真分析

為了對轉(zhuǎn)速裝置進行校準，本文根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)動一圈花費的時間進行測量，對轉(zhuǎn)速校準進行仿真分析。在仿真過程中，針對某一個6缸測功機作為研究對象，齒輪共有120個齒，傳感器信號幅值率為0.2，轉(zhuǎn)速波動率為1%，分別在測功機轉(zhuǎn)速為1500r/min、1300r/min、1100r/min和900r/min情況下，繪制轉(zhuǎn)速曲線。當(dāng)測量圈數(shù)固定的情況下，標(biāo)準差得以減少，平均值與真實值之間的差距較小，在此情況下，轉(zhuǎn)速越低，測量標(biāo)準差也隨之減小，意味著測量誤差更小，與平均值統(tǒng)計理念更加符合;在以測量時間間隔為標(biāo)準進行測量時，時間間隔越大，說明誤差越小，當(dāng)間隔不超過齒輪轉(zhuǎn)動一圈的時間時，誤差大幅增加，當(dāng)間隔超過齒輪轉(zhuǎn)動一圈的時間時，誤差減小，逐漸接近真實數(shù)值。此外，在測量時間間隔固定的情況下，轉(zhuǎn)動速度越低，說明誤差越大。

為了對上述理論分析的正確性進行驗證，開展實驗研究。采用350Nm扭矩轉(zhuǎn)速動態(tài)校準裝置，包括傳感器、數(shù)據(jù)分析、軟件處理與高速采集等系統(tǒng);在測量范圍方面，扭矩為30～350Nm，轉(zhuǎn)速為500～4000r/min，在工況條件下示值誤差分別為：扭矩為±0.3%、轉(zhuǎn)速為±0.05%;示值重復(fù)性分別為：扭矩為0.3%、轉(zhuǎn)速為0.05%;扭矩信號最大采樣頻率為500kHz。通過對波形的分析可知，測功機運行中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)交波動間存在緊密聯(lián)系，主要由于載荷與燃燒具有隨機波動性特征，因此轉(zhuǎn)速數(shù)值也具有波動性;在準確獲取測功機瞬時轉(zhuǎn)速的情況下，測量儀表數(shù)值處于轉(zhuǎn)速波動范圍內(nèi)則說明儀表具有可用性，反之則需要采取措施對測量誤差進行處理和控制[3]。

3? 動態(tài)高速采集系統(tǒng)的設(shè)計

本文所設(shè)計的扭矩轉(zhuǎn)速動態(tài)測試校準裝置中的動態(tài)高速采集系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、微機接口電路等部分共同組合而成。其中數(shù)據(jù)采集器當(dāng)中包括多路開關(guān)與測量放大器等重要部件，負責(zé)逐一對眾多現(xiàn)場模擬信號進行采樣，并對其進行量化處理使之成為數(shù)字信號，再將其傳輸至計算機中[1]。數(shù)模轉(zhuǎn)換器則主要負責(zé)轉(zhuǎn)換經(jīng)由微機輸出的數(shù)字信號，使之成為模擬信號，便于系統(tǒng)對各項任務(wù)要求、任務(wù)情況的鞥進行準確記錄顯示和靈活控制。當(dāng)系統(tǒng)采集獲得時域信號后，首先需要對信號進行放大處理，使得時域信號被放大成電信號，而后通過模擬濾波分析出信號當(dāng)中，以頻率為主要成分的信號，并對其進行A/D轉(zhuǎn)換，使之成為數(shù)字信號，最后傳輸至計算機中進行相應(yīng)分析處理即可。

由于測功機測試系統(tǒng)本身涉及眾多測量參數(shù)，對測量實時性有較高要求，因此在實際開展機械性能模擬測試時，測試系統(tǒng)不僅需要支持正確設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，同時還應(yīng)當(dāng)負責(zé)實時采集各項測功系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)信息并對其進行有效處理，完成動態(tài)、在線監(jiān)測測功機轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，確保測功機測試系統(tǒng)得以實現(xiàn)長效、安穩(wěn)運行[2]。

4? 結(jié)語

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)測量圈數(shù)固定的情況下，轉(zhuǎn)速越低，測量標(biāo)準差也隨之減小，誤差更小;當(dāng)測量時間間隔越大，說明誤差越小。綜上所述，通過仿真實驗的方式對測功機的轉(zhuǎn)速與扭矩的校準方法進行分析，本文所設(shè)計的測功機動態(tài)校準裝置從扭矩、轉(zhuǎn)速兩個關(guān)鍵參數(shù)著手，在實際工況中前端能夠?qū)崿F(xiàn)定扭矩、定轉(zhuǎn)速、零轉(zhuǎn)速、恒扭矩、自動加載、瞬態(tài)加載、反拖切換、動態(tài)堵轉(zhuǎn)、帶載啟動等方式下的高速動態(tài)測量。后端平臺可以實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，利用各種先進、專業(yè)的應(yīng)用軟件，以人機交互的方式可以有效完成對動態(tài)校準裝置數(shù)據(jù)的高速采集、控制、調(diào)試，自動完成對采集得到的各項信息數(shù)據(jù)及信號分析處理與分類存儲。通過本文研究，對動態(tài)工況下扭矩校準等技術(shù)難題得到有效解決，對我國裝備制造水平提升具有重大意義。

參考文獻

[1] 鄭術(shù)力，陳志雄，陳禮剛，等.汽車用感應(yīng)式發(fā)動機轉(zhuǎn)速表校準裝置研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（S1）：122-125.

[2] 徐永，董青華，賀忠江，等.加速度計動態(tài)校準裝置的研究[J].計測技術(shù)，2017， 27（3）：19-21.