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        車用潤滑油黏度傳感器研制及精度校核

        2020-11-23 01:58:16廖中文劉艷紅
        汽車實(shí)用技術(shù) 2020年20期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)腔機(jī)油外殼

        廖中文 劉艷紅

        摘 要:為了解決按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷更換機(jī)油帶來的機(jī)油浪費(fèi)、加劇機(jī)械磨損等問題,實(shí)現(xiàn)按質(zhì)更換的目的,項(xiàng)目組根據(jù)潤滑油屬性,確定潤滑油使用性能的影響因素,參照國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和旋轉(zhuǎn)式黏度計測量原理,設(shè)計一款可以克服汽車各種工況、能夠降低外界環(huán)境對潤滑油黏度屬性監(jiān)測影響的一款潤滑油品質(zhì)實(shí)時監(jiān)測傳感器。將傳感器應(yīng)用于樣品潤滑油的黏度測量,并與現(xiàn)有設(shè)備測量值進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明:車用潤滑油黏度傳感器具有較好的精度和靈敏性,能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)提醒車主的目的。

        關(guān)鍵詞:黏度傳感器;NDJ-1;實(shí)時按質(zhì)

        中圖分類號:TP212.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ?文章編號:1671-7988(2020)20-35-04

        Abstract: In order to solve the problem of oil waste and aggravating mechanical wear caused by oil change according to traditional experience and realize the purpose of quality change, the project team determines the factors affecting the performance of lubricating oil according to the properties of lubricating oil, and designs a real-time monitoring sensor of lubricating oil quality that can overcome various automobile working conditions and reduce the influence of external environment on the viscosity property monitoring by referring to relevant technologies at home and abroad and the measurement principle of rotary viscosity meter. The sensor is applied to the viscosity measurement of sample lubricating oil, and compared with the measurement value of existing equipment. The results show that: the viscosity sensor of vehicle lubricating oil has good precision and sensitivity, and can realize the purpose of accurately reminding car owners.

        Keywords: Viscosity sensor; NDJ-1; The real-time monitoring

        CLC NO.: TP212.9 ?Document Code: A ?Article ID: 1671-7988(2020)20-35-04

        引言

        發(fā)動機(jī)潤滑油使用壽命有限,約為5000-30000km。目前,轎車售后市場的傳統(tǒng)做法是約定5000km進(jìn)行一次保養(yǎng),并更換機(jī)油,通過實(shí)地調(diào)查取樣測試發(fā)現(xiàn),行駛5000km就替換下來的機(jī)油,普遍沒有達(dá)到使用壽命,存在較大程度上的浪費(fèi);營運(yùn)型車輛在使用過程中,車主普遍為了追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化,忽視汽車的定期保養(yǎng),機(jī)油的更換沒有按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行,實(shí)地調(diào)查取樣測試發(fā)現(xiàn),較多營運(yùn)車輛在機(jī)油更換時,已經(jīng)嚴(yán)重超出使用壽命,臟污嚴(yán)重、嚴(yán)重變質(zhì),對車輛的使用性能造成極大的負(fù)面影響,增加使用成本和維護(hù)費(fèi)用,嚴(yán)重時,甚至?xí)斐赡Σ磷枇^大,軸承斷裂等惡性事件。

        基于以上的分析不難發(fā)現(xiàn),汽車機(jī)油更換是通過人為約定時間或者根據(jù)車主的駕駛習(xí)慣和喜好來確定更換時間的,不能做到按質(zhì)更換。科學(xué)合理的確定機(jī)油更換時機(jī),不僅能提高汽車的技術(shù)狀況和使用壽命,同時能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

        依照按質(zhì)換油的思路,將機(jī)油的重要屬性(黏度、溫度、顆粒度、酸性物質(zhì))等通過不同的傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測,實(shí)時判斷各大指標(biāo)是否超出使用壽命標(biāo)準(zhǔn),一旦出現(xiàn)該種情況,及時提醒車主對機(jī)油進(jìn)行更換。在基有的所有屬性之中,黏度是影響機(jī)油性能的最重要指標(biāo)之一,本文將以機(jī)油黏度為研究對象,設(shè)計一款在線監(jiān)測傳感器,以圖實(shí)時監(jiān)測機(jī)油黏度數(shù)據(jù),指導(dǎo)車主按質(zhì)更滑機(jī)油。

        1 黏度傳感器的初步研制

        1.1 車用潤滑油黏度的常見測量方法

        潤滑油的使用壽命受到諸多因素的影響,比如:車況、駕駛習(xí)慣、油品屬性等等,按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷,難以精確確定更換油品的最佳時間,所以需要借助高靈敏度,高精度的測試儀器。在潤滑油的諸多屬性之中,黏度是影響其品質(zhì)的一個重要物理性質(zhì)。

        目前,黏度測量的方法主要有實(shí)驗(yàn)測試以及在線監(jiān)測。對于實(shí)驗(yàn)室的黏度測試方法主要包括了出流法、重力法、旋轉(zhuǎn)法、振動法、超聲波技術(shù)以及光學(xué)測量技術(shù)。出流法主要用到了玻璃毛細(xì)管黏度計或者短管和小孔型黏度計;旋轉(zhuǎn)法主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)黏度計上;振動法主要有低頻擺動黏度計和高頻振動黏度計[1]。對于能夠初步用于在線監(jiān)測的技術(shù):Hammond[2]開展了一種聲學(xué)發(fā)動機(jī)油品質(zhì)傳感器(簡稱AEOQ )試制模型。Jakoby[3]研究了一項(xiàng)微型聲學(xué)黏度傳感器,德國博世集團(tuán)根據(jù)Jakoby的研究結(jié)果,開發(fā)了一款多功能油品質(zhì)量傳感器,它將油品黏度和溫度測量集成在一起,完成了黏度和溫度集成一體的傳感器。Chao[4](音譯)研究了一款基于石英諧振器厚膜剪切模式(簡稱 TSM)微型聲波傳感器,并開發(fā)出了基于單面和雙面TSM諧振器的傳感器原型。Preethichandra[5]設(shè)計了多功能傳感器,用于測量發(fā)動機(jī)油的黏度、清潔度、溫度和電容。

        本文設(shè)計的黏度傳感器主要是基于旋轉(zhuǎn)法,以NDJ-1旋轉(zhuǎn)式黏度計測量原理為基礎(chǔ),克服了潤滑油工作的極端環(huán)境以及汽車行駛中帶給發(fā)動機(jī)內(nèi)部的振動以及油品對傳感器的影響等因素所研制出的一款具有實(shí)時監(jiān)測潤滑油黏度性能的傳感器。

        目前,該黏度傳感器配備具有特定程序的控制單元,組建監(jiān)控系統(tǒng),完成監(jiān)測油品黏度的功能,其具體的工作方式如圖1所示:

        該監(jiān)控系統(tǒng)的主要原理是控制單元控制傳感器模塊進(jìn)行工作,傳感器將監(jiān)測到的潤滑油阻力(黏度)數(shù)據(jù)反饋回控制單元,控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而計算出油品黏度值并將黏度顯示在單片機(jī)上。

        1.2 車用潤滑油黏度傳感器的組成

        黏度傳感器主要由霍爾傳感器、130系列的伺服電機(jī)以及固定霍爾傳感器和伺服電機(jī)的玻纖外殼所組成,具體結(jié)構(gòu)圖由圖2所示:

        該傳感器外形主要是由兩個半圓柱形的玻纖外殼組成,兩個半圓柱外殼并不完全相同,在其中的一個半圓柱外殼的上內(nèi)腔預(yù)留了兩個導(dǎo)線孔來引出電機(jī)的導(dǎo)線,因電機(jī)需要密封不進(jìn)油的工作條件,且外殼除了要能長期浸泡在油液里還需滿足能承受汽車在不同工況下所帶來的溫度變化這一條件,而玻纖具有極好的抗腐蝕性以及耐熱性,符合所需條件,所以本傳感器選用了玻纖材料來制作這個傳感器的外殼,傳感器之所以由兩個半圓柱的外殼組成主要是為了方便拆裝。

        兩個半圓柱形外殼的接觸面上分別有4對固定槽、柱,此設(shè)計主要是為了將兩個外殼準(zhǔn)確地貼合,以保證電機(jī)及傳感器內(nèi)部元件的工作。在外殼的上內(nèi)腔部分加裝了一對固定電機(jī)用的固定卡塊12,以保證電機(jī)能穩(wěn)定工作;在上內(nèi)腔的頂部及上內(nèi)腔與下內(nèi)腔的連接處分別設(shè)有連接電機(jī)長轉(zhuǎn)軸2、短轉(zhuǎn)軸13的圓孔,這兩個孔將電機(jī)的兩根轉(zhuǎn)軸各自延伸到傳感器外連接轉(zhuǎn)子1以及下內(nèi)腔帶動圓盤7旋轉(zhuǎn),同時在外殼下內(nèi)腔的內(nèi)壁上還設(shè)置了一個放置霍爾傳感器的槽位9。

        當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子將與電機(jī)的長軸2一同旋轉(zhuǎn),但此時轉(zhuǎn)子會受到來自于流動油液的阻力,轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速將會有所下降,并將此阻力反作用于電機(jī)10上,電子也在轉(zhuǎn)子的影響下降低轉(zhuǎn)速,此時電機(jī)10另外一端連接的圓盤7轉(zhuǎn)速也隨之減緩,而在圓盤7一側(cè)預(yù)留四個半圓形的凹槽14所固定的磁鐵15隨著圓盤作同心圓運(yùn)動,當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)靠近安裝在外殼下內(nèi)腔內(nèi)壁上的霍爾傳感器時,霍爾傳感器感受到來自于磁鐵的磁力會發(fā)出一個低頻信號,并將低頻信號傳遞給電控單元,電控單元根據(jù)霍爾傳感器所傳輸?shù)男盘柕念l率,按照已設(shè)定好的程序?qū)⒋祟l率轉(zhuǎn)換為粘度的表達(dá)方式,最終將此粘度數(shù)據(jù)顯示于電控板上的液晶顯示屏上。

        經(jīng)過借鑒、計算與比較,最終確定黏度傳感器的主要結(jié)構(gòu)尺寸及主要部件參數(shù)分別如表1所示。

        1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)困難及解決措施

        (1)在油液環(huán)境下對傳感器內(nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)的方法

        為了使黏度傳感器內(nèi)部電路能夠達(dá)到較好的密封效果,本文作者在保證傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子剛性連接的同時,考慮到了電機(jī)軸承與轉(zhuǎn)軸孔的間隙問題,采用的間隙配合在極大程度上既保證了轉(zhuǎn)軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也保證了最大的密封性。

        (2)在高溫環(huán)境下的準(zhǔn)確測量

        在發(fā)動機(jī)運(yùn)行的過程中,潤滑油的溫度會受到發(fā)動機(jī)的溫度影響。因此,如何在高溫環(huán)境中確保黏度傳感器測量工作的正常進(jìn)行和測量精度的準(zhǔn)確。本文作者在設(shè)計該傳感器中采用了螺旋式固定裝置,在黏度傳感器的外殼處進(jìn)行螺紋處理,使其安裝在發(fā)動機(jī)中能夠達(dá)到固定和密封的作用;在另一方面,螺旋的固定方式可以使黏度傳感器轉(zhuǎn)子在潤滑油中,而傳感器的大部分內(nèi)部電路和外殼在潤滑油的外部環(huán)境中。

        (3)最小尺寸設(shè)計

        由于車用傳感器屬于MEMS傳感器系列產(chǎn)品,所以為了能夠盡可能的減少空間的浪費(fèi)和具有一定的耐高溫耐腐蝕性,傳感器的外殼采用了玻纖材料和3D打印技術(shù)一次完成傳感器的外殼制作。而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,大部分元件采用了過盈配合從而節(jié)省了黏度傳感器大部分的內(nèi)部空間并且不影響其測量的精度和工作效率。

        2 黏度傳感器的初步校核

        為了確保黏度傳感器的精度,在完成制造及調(diào)試后,首先對其進(jìn)行初步校核。初步校核的方法是利用該裝置測量液體的粘度,測量結(jié)果與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的試驗(yàn)臺架測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析[1]。

        2.1 實(shí)驗(yàn)的預(yù)處理

        (1)分別采集使用了0公里(新潤滑油)、1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里里程數(shù)的潤滑油(美孚一號,0W-40)進(jìn)行試驗(yàn)。

        (2)分別將其放置入不同的燒杯中,并使?jié)櫥筒怀瑹畲笕萘?00ml的三分之二。

        (3)在進(jìn)行潤滑油黏度的測量時,需要先將使用不同里程數(shù)的汽車潤滑油分別進(jìn)行靜置10到20min,然后進(jìn)行一遍機(jī)械雜質(zhì)的過濾。對潤滑油進(jìn)行初步的處理后將其盛裝在不同的燒杯中進(jìn)行保存,并且貼上不同的標(biāo)簽和文字加以區(qū)別。

        2.2 實(shí)驗(yàn)測試

        (1)取出盛有新潤滑油(0公里)的燒杯,將其置于室溫下,并利用攪拌電機(jī)對潤滑油進(jìn)行不斷的攪拌,將制作好的黏度傳感器進(jìn)行檢測,利用溫度傳感器測出其所處溫度,觀察控制單元顯示屏上的時間值,并做記錄。

        (2)將加熱裝置準(zhǔn)備好,對該潤滑油進(jìn)行加溫,并且利用電機(jī)對潤滑油進(jìn)行不斷的攪拌、利用水溫傳感器隨時監(jiān)控潤滑油水溫上升情況,待溫度上升至120℃左右時,停止加熱。當(dāng)溫度傳感器探測溫度顯示在120℃左右不變化時,利用黏度傳感器再次測量,并記錄相關(guān)的數(shù)值。

        (3)在溫度下降的過程中,分別在溫度下降到110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃再次利用制作的黏度傳感器進(jìn)行測試,并記錄相關(guān)數(shù)值。

        (4)將實(shí)驗(yàn)過后的潤滑油進(jìn)行冷卻降溫到室溫后,放回到指定位置。

        (5)分別取出使用了1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里的潤滑油再仿照步驟1到4進(jìn)行分別的實(shí)驗(yàn)并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。

        2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        通過實(shí)驗(yàn)測試,得到美孚一號機(jī)油樣品部分運(yùn)動粘度數(shù)據(jù)與粘溫曲線圖,如表2所示。

        由表2可以看出,發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,隨著油溫的升高,潤滑油黏度會逐漸降低,當(dāng)溫度超過一定限值,潤滑油的潤滑性能將失效。通過對比三種不同使用周期的美孚一號機(jī)油樣品,不難發(fā)現(xiàn),隨著使用里程數(shù)的增加,機(jī)油的黏度會呈現(xiàn)下降趨勢,但是5000km與3000km的機(jī)油對比時,并沒有出現(xiàn)明顯的變化,這也說明,機(jī)油在5000km時,并沒有出現(xiàn)質(zhì)變。通過對比廖中文利用自制的高速可視化剪切粘度測試儀[6],得到的試驗(yàn)結(jié)論是一致的。

        3 結(jié)論

        本論文通過對潤滑油黏度常見測量方法進(jìn)行對比分析,確定關(guān)鍵影響因素,自行設(shè)計一款車用潤滑油黏度傳感器,通過校核,與現(xiàn)有設(shè)備測量結(jié)果一致。在實(shí)際應(yīng)用中,可以

        指導(dǎo)車主按質(zhì)更換機(jī)油,具有一定的創(chuàng)新型和經(jīng)濟(jì)價值。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 王海林,廖中文,陸克久.聚合物稀溶液層流失穩(wěn)試驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2009,11(28):1451-1455.

        [2] J M Hammond,R M LecX J Zhang,et al.An Acoustic Automotive Engine Oil Quality Sensor[C]//IEEE International Frequency Con -trol Symposium,1997:72-80.

        [3] B Jakoby, M Scherer, M Buskies, et al.An Automotive Engine Oil Viscosity Sensor[J]. IEEE Sensor Journal,2003,3(5):562-568.

        [4] Z Chao.A Micro-Acoustic Wave Sensor for Engine Oil Quality Moni -toring [C]//Proceeding of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th Euro -pean Frequency and Time Forum,2003:971-977.

        [5] D M G Preethichandra,K Shida.Actual Condition Monitoring of Engine Oil through an Intelligent Multi-Functional Sensing Appo -rach[C]// IEIE Explore,2000:2382-2387.

        [6] 廖中文.高速可視化剪切黏度測試儀的研制及初步校核[J].潤滑與密封,2014,39(6):116-120.

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