范廷雨 李曉敏 徐燕 湯云濤

摘 要：介紹發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩測(cè)試的原理，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)不同裝配階段扭矩表現(xiàn)，并闡述扭矩曲線和數(shù)據(jù)分析方法及問(wèn)題解決思路。通過(guò)扭矩測(cè)試機(jī)的合理規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)裝配過(guò)程的扭矩監(jiān)控。結(jié)合統(tǒng)計(jì)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和曲線，技術(shù)人員可對(duì)裝配過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。同時(shí)，該控制方法在汽車制造業(yè)的成功應(yīng)用也可為其他行業(yè)的旋轉(zhuǎn)扭矩監(jiān)控提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩負(fù)荷 扭矩測(cè)試 數(shù)據(jù)分析 曲線分析

Abstract：This paper introduces the principle of engine torque test， explains the torque performance of different assembly stages of the engine， and expounds the torque curve， data analysis methods and problem-solving ideas. Through the reasonable planning of the torque testing machine， the torque monitoring of the entire assembly process of the engine is realized. Combined with statistical monitoring data and curves， technicians can analyze quality problems during assembly. At the same time， the successful application of this control method in the automotive industry can also provide guidance for rotational torque monitoring in other industries.

Key words：engine torque load torque test data analysis curve analysis

1 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，現(xiàn)代汽車對(duì)節(jié)能減排的要求不斷提高。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的動(dòng)力核心，其扭矩輸出效率直接關(guān)系節(jié)能減排的效能，因此生產(chǎn)制造中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩的控制和缺陷診斷，越來(lái)越受到行業(yè)的重視。而隨著相關(guān)測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及計(jì)算機(jī)處理能力的迅速提高，越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)廠家，開(kāi)始采用具有較快節(jié)拍、較高質(zhì)量檢測(cè)水平、較低生產(chǎn)成本的扭矩測(cè)試設(shè)備，來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程的高精度檢測(cè)，以更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來(lái)源

本論文僅研究發(fā)動(dòng)機(jī)自身扭矩負(fù)荷（不研究發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩），以下簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

通常一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)由1000多個(gè)零件組成，隨著裝配的進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)自身扭矩負(fù)荷也逐漸增大?？偨Y(jié)扭矩來(lái)源，主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 曲軸旋轉(zhuǎn)扭矩

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸，是發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的輸出軸，它通過(guò)皮帶輪和飛輪，將扭矩傳遞到全車需旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。曲軸的軸頸與瓦片（相當(dāng)于軸承）之間本身存在旋轉(zhuǎn)摩擦副。

2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)扭矩（活塞連桿）

活塞連桿機(jī)構(gòu)裝配后，與曲軸形成典型的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，配合燃油燃燒產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。活塞在缸孔內(nèi)的滑動(dòng)摩擦副、連桿軸頸與連桿孔的摩擦副都加大了扭矩負(fù)荷。

2.3 凸輪軸及配氣機(jī)構(gòu)

曲軸通過(guò)正時(shí)輪系及鏈條（或皮帶）與凸輪軸連接，然后驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)作（主要包括氣門和彈簧）。正時(shí)輪系旋轉(zhuǎn)摩擦、凸輪軸旋轉(zhuǎn)摩擦、氣門滑動(dòng)摩擦及氣門彈簧加大了扭矩負(fù)荷。

2.4 缸孔壓力

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，僅有點(diǎn)火燃燒做功沖程產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，其他三個(gè)沖程（進(jìn)氣、壓縮、排氣）都產(chǎn)生阻力。缸孔內(nèi)的壓力（簡(jiǎn)稱缸壓），大大加強(qiáng)了扭矩負(fù)荷。

2.5 其他零件阻力

另外還有一些較小影響的因素，也會(huì)加大發(fā)動(dòng)機(jī)自身扭矩負(fù)荷，比如機(jī)油、冷卻液、渦輪增壓器等。

2.6 制造缺陷引起的阻力

除了正常的扭矩負(fù)荷以外，還有一些零件來(lái)料缺陷、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配缺陷等會(huì)產(chǎn)生異常阻力，比如旋轉(zhuǎn)接觸面磕碰/劃傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤(rùn)滑、零件變形等。這些異常情況，就是發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)這類異常、抓出缺陷正是題中之義。

3 扭矩測(cè)試方案

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的扭矩測(cè)試，不像常規(guī)的熱機(jī)試驗(yàn)?zāi)菢印軌蛘鎸?shí)的表現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，而是通過(guò)間接的、針對(duì)性的方式考察發(fā)動(dòng)機(jī)裝配性能。在測(cè)試過(guò)程中，更多的涉及到各種參數(shù)及曲線的分析。因此，測(cè)試方案的設(shè)計(jì)尤為重要，需要在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證和不斷優(yōu)化來(lái)最終確定。

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的三個(gè)不同階段進(jìn)行扭矩測(cè)試，我們稱之為TTT1、TTT2和冷試。每臺(tái)測(cè)試設(shè)備不只包含扭矩測(cè)試，同時(shí)還進(jìn)行其他測(cè)試（比如TTT2還包括振動(dòng)測(cè)試，冷試還包括油壓、進(jìn)氣/排氣壓力測(cè)試等），本論文僅對(duì)扭矩測(cè)試進(jìn)行闡述和分析。

3.1 TTT1（Torque To Turn 1#）

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完曲軸之后，進(jìn)行第一階段扭矩測(cè)試。主要針對(duì)主軸瓦片漏裝、軸頸或瓦片劃傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤(rùn)滑等缺陷。

TTT1設(shè)備結(jié)構(gòu)通常如下，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)，主軸連接曲軸法蘭端，驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡從扭矩傳感器上采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)試臺(tái)專用軟件進(jìn)行分析，然后將分析結(jié)果與測(cè)試臺(tái)已設(shè)定好的控制限值進(jìn)行比較，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否有異常，見(jiàn)圖4。

通過(guò)扭矩傳感器采集過(guò)程數(shù)據(jù)和波形，然后通過(guò)PC軟件進(jìn)行處理分析。正常扭矩波形如圖5。

3.2 TTT2（Torque To Turn 2#）

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完活塞連桿之后，進(jìn)行第二階段扭矩測(cè)試。主要針對(duì)連桿瓦片漏裝、連桿軸頸或瓦片劃傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤(rùn)滑等缺陷。

TTT2設(shè)備結(jié)構(gòu)、測(cè)試原理、波形都與TTT1相同，參考TTT1。

3.3 冷試機(jī)的扭矩測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完正時(shí)輪系、缸蓋（包含凸輪軸、氣門、彈簧等）、加注機(jī)油之后，進(jìn)行第三階段扭矩測(cè)試。主要針對(duì)凸輪軸軸頸損傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤(rùn)滑、氣門/彈簧卡滯及正時(shí)輪系卡滯等缺陷。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試驗(yàn)是用來(lái)檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)裝配質(zhì)量的一種高效、低成本、更環(huán)保的方法。采用冷測(cè)試技術(shù)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要燃料驅(qū)動(dòng)，也不需要冷卻液進(jìn)行冷卻。冷試機(jī)扭矩測(cè)試結(jié)構(gòu)通常如下，被測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入測(cè)試臺(tái)，各機(jī)構(gòu)自動(dòng)夾緊發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)，主軸夾爪抱緊飛輪，驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。測(cè)試臺(tái)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以不同的速度旋轉(zhuǎn)。

4 扭矩測(cè)試項(xiàng)目

我們通常監(jiān)控三種扭矩信息：?jiǎn)?dòng)扭矩、運(yùn)行扭矩、連續(xù)監(jiān)控扭矩。

4.1 啟動(dòng)扭矩測(cè)試（Break Away）

啟動(dòng)扭矩，指發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的瞬間所產(chǎn)生的扭矩，又稱為脫離扭矩。啟動(dòng)扭矩的測(cè)試主要是為了確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各運(yùn)動(dòng)部件之間是否有卡滯情況，例如軸瓦漏裝、活塞錯(cuò)裝等。如果啟動(dòng)扭矩過(guò)高，設(shè)備會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)警，要求操作人員評(píng)估故障所在并解決，以避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成發(fā)動(dòng)機(jī)不可逆轉(zhuǎn)的損壞，降低生產(chǎn)報(bào)廢成本。

啟動(dòng)扭矩測(cè)試項(xiàng)目主要設(shè)置以下參數(shù)（以1缸參數(shù)為例），見(jiàn)表1。

4.2 運(yùn)行扭矩測(cè)試（Break Away）

運(yùn)行扭矩，指發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下旋轉(zhuǎn)所需的扭距。運(yùn)行扭矩測(cè)試，一般選定在幾個(gè)固定轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，監(jiān)控扭矩是否有異常波動(dòng)。此步驟用于檢測(cè)較充分地潤(rùn)滑、磨合后，各運(yùn)動(dòng)部件之間的整體性能，比如軸頸與軸蓋間有異物、活塞環(huán)缺失或尺寸不當(dāng)?shù)取?/p>

運(yùn)行扭矩測(cè)試項(xiàng)目主要設(shè)置以下參數(shù)（以1缸參數(shù)為例），見(jiàn)表2。

4.3 連續(xù)監(jiān)控扭矩

連續(xù)監(jiān)控扭矩，指發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試全過(guò)程都存在的持續(xù)的扭矩監(jiān)控，包括啟動(dòng)瞬間、加速階段、勻速階段、減速階段。一般監(jiān)控限值較寬，目的是防止發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩過(guò)大，甚至抱死時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身或設(shè)備本身受到損傷。

連續(xù)監(jiān)控扭矩項(xiàng)目主要設(shè)置以下參數(shù)（以1缸參數(shù)為例），見(jiàn)表3。

5 結(jié)語(yǔ)

要獲取特殊狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，一方面要求有先進(jìn)、成熟、實(shí)用的測(cè)試方案和設(shè)備，另一方面應(yīng)將可測(cè)性的設(shè)計(jì)思想納入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中去。本文介紹的扭矩測(cè)試技術(shù)具有一定的實(shí)用性和使用價(jià)值，可以推廣到其他產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的性能測(cè)試中，并進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和完善以適應(yīng)各種不同產(chǎn)品和工況的需求。

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