陳昱錦，于士博，李云虹，蘇漢新，熊潤(rùn)祥，郭訓(xùn)鵬

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511400）

0 引言

車用動(dòng)力總成在工作過程中存在大量高速運(yùn)動(dòng)部件，如高速旋轉(zhuǎn)的曲軸、飛輪、離合器，高速運(yùn)動(dòng)的活塞、連桿等，在動(dòng)力總成開發(fā)及測(cè)試過程中，往往需要對(duì)此類運(yùn)動(dòng)部件的溫度、速度、應(yīng)力應(yīng)變及振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但此類部件工作環(huán)境惡劣，具有很大的運(yùn)行速度及加速度，難以使用傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法開展測(cè)量。僅部分場(chǎng)景下可采用滑環(huán)等替代方案開展測(cè)量，但該種結(jié)構(gòu)在高速大加速度場(chǎng)景下可靠性較差，具有較大的應(yīng)用限制。近些年來，隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，由于其信號(hào)無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，不受傳輸線纜的限制，無線遙測(cè)技術(shù)越來越多地受到關(guān)注并應(yīng)用于各類工業(yè)場(chǎng)景中[1-4]。但由于車用動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用環(huán)境惡劣等因素限制，該技術(shù)在動(dòng)力總成測(cè)試過程中應(yīng)用推廣難度較高。

本文通過研究無線遙測(cè)技術(shù)的原理及特性，探討了該技術(shù)在動(dòng)力總成測(cè)試中的應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)各應(yīng)用需求場(chǎng)景的安裝空間尺寸要求、溫度分布要求及油污環(huán)境要求的特點(diǎn)，使用無線遙測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)試方案。完成了活塞瞬態(tài)溫度測(cè)量、皮帶輪橡膠溫度測(cè)量設(shè)計(jì)應(yīng)用，展示了無線遙測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方案方法。測(cè)試方案結(jié)果表明，采用無線遙測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞溫度、皮帶輪橡膠溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，可為車用動(dòng)力總成的精確設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，也體現(xiàn)了該技術(shù)在動(dòng)力總成測(cè)試中的拓展應(yīng)用前景。

1 無線遙測(cè)技術(shù)

1.1 技術(shù)介紹

無線遙測(cè)技術(shù)是通過非接觸式無線通訊的方式，將測(cè)試結(jié)果傳輸至接收端處理并保存的測(cè)試技術(shù)，主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)部件等不方便布置傳輸線纜或人員無法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境中。常用的無線傳輸方式有藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Wi Fi技術(shù)、GSM技術(shù)、IrDA技術(shù)、UWB技術(shù)、低功率短距離無線射頻通訊技術(shù)等[5-7]。

1.2 原理及系統(tǒng)組成

無線遙測(cè)技術(shù)的基本工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 無線遙測(cè)技術(shù)原理

相比于傳統(tǒng)測(cè)試方式，無線遙測(cè)技術(shù)的應(yīng)用擺脫了線纜硬連接的限制，可通過非接觸的方式將測(cè)試結(jié)果傳輸，其結(jié)構(gòu)可分為信號(hào)測(cè)量發(fā)送端及信號(hào)處理保存端兩部分。發(fā)送端主要采集測(cè)量所需信號(hào)，并通過無線方式傳輸。而接收端接受發(fā)送端數(shù)據(jù)，處理保存并根據(jù)需求傳輸至PC或其測(cè)量設(shè)備上。

2 無線遙測(cè)技術(shù)在動(dòng)力總成測(cè)試中的應(yīng)用

2.1 活塞瞬態(tài)溫度場(chǎng)測(cè)量

2.1.1 測(cè)量背景及目的

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)行環(huán)境最惡劣的零部件之一，其既直接承受燃燒帶來的高爆壓，又直接承受燃燒造成的高溫度，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型強(qiáng)化的普及，其爆發(fā)壓力及燃燒溫度越來越高，活塞的強(qiáng)度設(shè)計(jì)越來越需要準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)輸入。當(dāng)前各主機(jī)廠大多數(shù)使用溫度塞作為活塞溫度場(chǎng)的測(cè)量方法，誤差較大（±20℃），且僅可測(cè)量單一工況的最高穩(wěn)定溫度，現(xiàn)有測(cè)量手段已越來越無法滿足活塞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需求。

采用無線遙測(cè)的方法開展活塞溫度的測(cè)試，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行工況下的活塞燃燒面及銷孔等位置的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，完成活塞溫度場(chǎng)MAP，可快速識(shí)別需要啟動(dòng)機(jī)油冷卻噴嘴區(qū)域，并且可進(jìn)行噴嘴流量的選型匹配，有助于油泵、機(jī)油冷卻噴嘴以及活塞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)校核[8-9]。

2.1.2 總體方案設(shè)計(jì)

活塞安裝空間緊湊，工作環(huán)境惡劣，對(duì)于發(fā)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素：

（1）發(fā)送模塊需避開連桿及曲軸的運(yùn)動(dòng)軌跡避免造成碰撞干涉；

（2）活塞工作時(shí)溫度較高，需對(duì)發(fā)送模塊進(jìn)行耐高溫設(shè)計(jì)；

（3）活塞運(yùn)行環(huán)境機(jī)油油污嚴(yán)重，需對(duì)發(fā)送端及接收端進(jìn)行耐油污設(shè)計(jì)。

（4）活塞運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)加速度較高，需對(duì)發(fā)送端的安裝進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

基于以上原則，活塞瞬態(tài)溫度場(chǎng)的總體方案如圖2所示。

圖2 活塞瞬態(tài)溫度場(chǎng)方案

測(cè)量發(fā)送端安裝在活塞底部，處于活塞溫度最低的位置。為避開連桿及曲軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)動(dòng)端設(shè)計(jì)為半圓環(huán)形，同時(shí)留出螺栓安裝孔位，可緊密地安裝在活塞上。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋均為金屬殼體，無線信號(hào)無法穿透發(fā)動(dòng)機(jī)，故接收端安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)，油底殼打孔并引出數(shù)據(jù)線連接至PC上。

2.1.3 測(cè)試硬件設(shè)計(jì)方案

由于在總體設(shè)計(jì)方案中將發(fā)送端硬件安裝在活塞底部隨活塞同步運(yùn)動(dòng)，該處安裝空間緊湊，根據(jù)活塞底面空間將測(cè)試硬件設(shè)計(jì)為半圓環(huán)形以避開連桿及曲軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。硬件選型上選用樂鑫信息科技生產(chǎn)的ESP8266作為主控芯片，Maxim公司生產(chǎn)的MAX31855作為熱電偶處理芯片，并增加CD4051芯片作為通道選擇芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)8路溫度數(shù)據(jù)的巡回采集，以節(jié)省成本及空間。主控芯片電路及溫度采集電路設(shè)計(jì)如圖4～5所示。

圖3 發(fā)射板硬件板路與活塞的匹配

圖4 主控芯片電路原理

圖5 溫度采集模塊原理

2.1.4 測(cè)試準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性，將裝配完成的活塞放置在溫度環(huán)境箱中加熱，測(cè)試加熱過程中的溫度測(cè)量準(zhǔn)確性，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)試儀結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果誤差

從測(cè)試結(jié)果可知，此測(cè)試方案測(cè)試誤差均在±1℃以內(nèi)，較采用傳統(tǒng)溫度塞測(cè)試方法（誤差±20℃）相比，精確度提升明顯。

2.1.5 測(cè)試結(jié)果

將該測(cè)試裝置安裝在某1.5 T發(fā)動(dòng)機(jī)活塞底部并裝配至發(fā)動(dòng)機(jī)開展實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性條件下的活塞各部位溫度如圖6所示。

圖6 某1.5 T發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度場(chǎng)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，活塞運(yùn)行最高溫度出現(xiàn)在頂部中心位置，最高發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速5 000 r/min工況，為289℃，此結(jié)果可為油泵、機(jī)油冷卻噴嘴以及活塞強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 曲軸扭轉(zhuǎn)減振器橡膠工作溫度測(cè)量

2.2.1 測(cè)試背景與目的

某款發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過程耐久試驗(yàn)時(shí)曾發(fā)生曲軸扭轉(zhuǎn)減振器橡膠開裂故障。為排查故障原因，需求對(duì)工作過程中的曲軸扭轉(zhuǎn)減振器橡膠溫度開展測(cè)量。

曲軸扭轉(zhuǎn)減震器隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且此款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)附件如空調(diào)壓縮機(jī)、水泵等均采用電力驅(qū)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)減振輪無須承擔(dān)驅(qū)動(dòng)附件的工作，為提高產(chǎn)品緊湊型及輕量化需求，本款發(fā)動(dòng)機(jī)將扭轉(zhuǎn)減振輪設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)。相較于外置曲軸扭轉(zhuǎn)減振輪，曲軸箱內(nèi)溫度、散熱以及油污環(huán)境更加惡劣，扭轉(zhuǎn)減振器的安裝位置空間更加狹小，這些因素都限制了使用傳統(tǒng)方式測(cè)量橡膠溫度的可行性[10-12]。

因此，為測(cè)量曲軸扭轉(zhuǎn)減振器橡膠的工作溫度，作者設(shè)計(jì)了無線遙測(cè)的溫度測(cè)量方案，實(shí)際測(cè)試了系統(tǒng)工作過程中的橡膠溫度，幫助排查了故障原因。

2.2.2 總體設(shè)計(jì)方案

由于扭轉(zhuǎn)減振輪安裝在曲軸箱內(nèi)，安裝位置緊湊，較難直接安裝發(fā)送端設(shè)備，為保證設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)零部件不存在運(yùn)動(dòng)干涉，設(shè)計(jì)了一枚專用加長(zhǎng)螺栓引出發(fā)動(dòng)機(jī)外，可將測(cè)量發(fā)送端設(shè)備安裝在該螺栓上，該螺栓中空，可用于溫度傳感器線路的走線，具體方案如圖7所示。發(fā)送端及溫度傳感器可隨曲軸旋轉(zhuǎn)，接收端設(shè)備可隨意安置在可接受信號(hào)的任意位置。

圖7 扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠工作溫度測(cè)試方案

2.2.3 方案測(cè)試

將測(cè)試設(shè)備安裝調(diào)試完畢后，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠的溫度。結(jié)果如圖8所示。

圖8 扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠工作溫度測(cè)試結(jié)果

此扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠設(shè)計(jì)工作溫度為150℃，而從結(jié)果可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在4 700～5 300 r/min工作范圍內(nèi)，橡膠溫度超過設(shè)計(jì)溫度，因此可判斷工作溫度超溫為該款發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠開裂的重要原因。

3 無線遙測(cè)在動(dòng)力總成測(cè)試中的拓展應(yīng)用前景

前文詳細(xì)介紹了活塞瞬態(tài)溫度測(cè)試及曲軸扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠溫度測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景及方案，得益于無線遙測(cè)技術(shù)靈活的拓展特性，測(cè)試信號(hào)除了溫度外，也可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試方案，對(duì)待測(cè)物品的電壓、應(yīng)力應(yīng)變、位移及速度、振動(dòng)等開展測(cè)量[13-14]。

可探討推廣的動(dòng)力測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景舉例如下：（1）動(dòng)態(tài)飛輪扭矩測(cè)量；（2）連桿溫度測(cè)量；（3）連桿應(yīng)力測(cè)量；（4）離合器工作溫度測(cè)量；（5）曲軸應(yīng)力測(cè)量。

本節(jié)以動(dòng)態(tài)飛輪扭矩為例，介紹無線遙測(cè)技術(shù)在動(dòng)力總成測(cè)試中的拓展應(yīng)用前景。

發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力來源，其實(shí)時(shí)輸出扭矩直接影響到后端輸出匹配性能及車輛的運(yùn)行表現(xiàn)，動(dòng)力總成及整車上均采用模型預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩測(cè)量，預(yù)估精度有限，若預(yù)估扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩差別較大，則可能導(dǎo)致車輛駕駛性偏差，換擋品質(zhì)降低，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器。

為提高整車動(dòng)力性標(biāo)定駕駛性及換擋品質(zhì)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的實(shí)時(shí)輸出扭矩開展實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量[15]。扭矩測(cè)試裝置需安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上，安裝空間有限，需根據(jù)其實(shí)際空間設(shè)計(jì)測(cè)試方案。為避免其與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、轉(zhuǎn)速傳感器等的運(yùn)動(dòng)干涉，發(fā)送端設(shè)計(jì)為圓環(huán)形。扭矩的測(cè)量采用應(yīng)變橋式電路，由發(fā)送端提供電源及輸出電壓采集，并轉(zhuǎn)化為扭矩結(jié)果并以無線信號(hào)發(fā)出。接收端安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，并引出數(shù)據(jù)傳輸線可連接至PC，實(shí)現(xiàn)飛輪扭矩的無線測(cè)量。測(cè)試方案設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 飛輪扭矩測(cè)量方案（裝配前）

4 結(jié)束語

根據(jù)動(dòng)力總成開發(fā)及驗(yàn)證需求，往往需要對(duì)曲軸、活塞、離合器等運(yùn)動(dòng)部件的溫度、速度、應(yīng)力應(yīng)變及振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量研究與分析，而此類零部件運(yùn)動(dòng)高速，布置空間緊湊，運(yùn)行環(huán)境惡劣，較難通過傳統(tǒng)有線方式開展測(cè)量。將無線遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用于此類場(chǎng)景的測(cè)試工作中，可實(shí)現(xiàn)方便、可靠的數(shù)據(jù)測(cè)量。

本文介紹了活塞瞬態(tài)溫度及曲軸扭轉(zhuǎn)減振輪橡膠溫度無線遙測(cè)詳細(xì)技術(shù)方案及測(cè)試成果，測(cè)試結(jié)果表明，采用無線遙測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞溫度、皮帶輪橡膠溫度的精確測(cè)量，為車用動(dòng)力總成的精確設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，也體現(xiàn)了該技術(shù)在動(dòng)力總成測(cè)試中的拓展應(yīng)用前景。