汽車張緊器振動性能檢測系統的設計與研究

蔡華鋒 胡斌 廖立橋 胡鋼

（1. 湖北工業大學電氣與電子工程學院，武漢 430068；2. 廣州市黃埔區博思格建筑鋼結構有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來，汽車發動機的鏈式正時傳動越來越廣泛地采用鏈傳動系統，其尺寸緊湊，高穩定性、高耐磨性的顯著特征是齒輪傳動和帶傳動所不具備的，顯示了其廣闊的應用前景。為了滿足汽車鏈主動鏈輪的高轉速特性（常規工作轉速為4500-10000 r／min），車輛怠速、加速、減速等交變速度過程中的高沖擊，以及傳動系統的長時間高溫、高壓的環境挑戰，鏈傳動系統必須配備高可靠性的汽車張緊器。因而，汽車張緊器的性能直接關系到車輛與駕駛者的安全，其動態性能指標的檢測也便成為了鏈傳動系統設計和生產加工過程中必須解決的一項關鍵性技術。

1 系統結構設計

由于汽車張緊器通常在高溫、高壓的工作環境下，長時間進行高速直線往復運動，廠家需要對抽檢樣品進行振動試驗，模擬其在特定工況下長時間的運行，然后檢測疲勞試驗后的剩余彈力。本系統通過向張緊器腔體通入一定溫度和壓力的循環油，模擬其高溫高壓工作環境；同時，通過變頻器驅動特質的凸輪結構持續高速旋轉，模擬張緊器的往復式伸縮運動工況。最后，將200小時疲勞振動試驗后的試驗樣品進行彈力檢測，獲得該試驗品的耐久性能參數，進而判評產品的質量等級。

本振動試驗臺基于異步電機的速度閉環控制方式，采用PLC控制變頻器驅動三相異步電動機恒速運行。另外，本系統所采用的4對極剛性凸輪結構，最大直徑Rmax與最小直徑Rmin的徑差近似等于柱塞伸縮行程的2倍，從而實現了張緊器往復運動頻率的4倍頻，以及運動區間的限定，即限幅。圖1為該試驗臺控制系統結構圖：

圖1 沉降&振動性能試驗臺控制系統結構圖

2 硬件設計

2.1 信號檢測電路

本系統中檢測電路由光柵測微傳感器、拉壓傳感器、熱電偶溫度傳感器、液壓傳感器以及相應變送器構成。

1）熱電偶溫度傳感器：在模擬張緊器特定溫度的工作環境時，需要使用加熱管對油箱中的循環油加熱。由于油液的流動性和導熱性都比較差，本系統采用分布加熱方式，并使用油泵實現油液在箱體內的循環流動，使得熱電偶能夠盡量準確地獲取循環油的實時溫度，加之熱電偶傳感器的良好線性特性與高靈敏度，進一步減小了檢測誤差。

2）液壓傳感器；實際應用中，張緊器柱塞長時工作于高速直線往復運動狀態，其腔體承受著劇烈的膨脹力。為了模擬此高壓工況，需要使用油泵對通入張緊器的循環油施加適當的壓油。本系統通過安裝于輸油管中的高精度液壓傳感器，PLC的ADC采樣端實時檢測液壓變送器輸出的電壓信號，并快速調整油泵的壓力，從而實現循環油的壓力閉環控制。

2.2 PLC控制器

本系統選用歐姆龍公司的CP1H系列PLC，圖2為PLC控制系統結構圖。

圖2 PLC控制系統結構圖

2.3 變頻驅動系統

在振動耐久試驗中，需要模擬張緊器運行于12,000 次/min的高速直線往復運動工況。為此，本系統中采用歐姆龍 3G3JV變頻器控制三相異步電機以50 Hz的頻率旋轉，然后運用4對極的高強度凸輪實現振動頻率的4倍頻，凸輪的最大直徑與最小直徑差為1.0 mm，即張緊器頂桿的振動幅度為0.5 mm。本變頻系統既可以使用速度調節電位器，實現手動速度調節，也可以通過程控實現多段速運行控制。為了防止堵轉燒毀電機，預制多功能端MA/MC為過轉矩檢測模式，充分確保系統的安全可靠運行。如下圖3為變頻驅動系統結構圖。

圖3 變頻驅動系統結構圖

3 軟件設計

系統軟件設計主要由 PLC程序和組態王上位機監控程序組成。

3.1 振動性能試驗臺

在本系統中，凸輪的啟停、循環油的加熱與泵送以及氣動頂桿的伸縮等工作狀態都嚴格按照如上所示流程圖完成。

在振動試驗開啟之前，試驗員需要在上位機監控界面的參數設置欄輸入抽檢樣品的型號、批號和循環油的油品、油壓，以及振動頻率F(Hz)、幅值A(mm)和試驗時長T(h)等信息（其中，振動幅值需要根據凸輪實際尺寸來設置），以便系統生成試驗報告。振動試驗啟動后，PLC接收到上位機發出的振動頻率和時長信息，打開抱閘，啟動變頻器速度控制模式，使異步電機按照設定的頻率工作T小時。試驗過程中，PLC通過熱電偶和液壓傳感器實時監測循環油的油壓和油溫，并調節油泵和加熱管維持循環油的穩定。

3.2 組態王上位機監控程序

組態王開發監控系統軟件是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。

本上位機系統采用亞控公司的組態王軟件開發監控界面。

圖4 振動試驗軟件流程圖

4 小結

本張緊器振動試驗臺的最終目標是檢測張緊器腔體在特定壓力P和溫度t下，柱塞在一定行程內做直線往復伸縮運動一定時間T后，檢測其剩余反推力，表1所示為某國產汽車張緊器的振動疲勞試驗檢測報表,試驗油品SAE10W-30。從表1中可以看到，該廠家生產的JAC-1C型張緊器在700 psi壓強、40℃環境下，連續兩次工作80小時后測試反推力相差6 N，在允許范圍內；JAC-32K型張緊器分別在700 psi壓強、50℃和70℃環境下，連續兩次工作100小時后測試反推力分別相差3 N和2 N，都在廠家允許范圍內。另外，通過后四組試驗可以看出JAC-32K型張緊器在同壓、不同溫度環境下試驗100小時后，70℃環境下的張緊器剩余彈力比 70℃環境下試驗的張緊器剩余彈力高出約 10 N,可見環境溫度的升高會加速張緊器的老化，抗疲勞能力降低，完全符合理論預測。

圖5 振動試驗加熱管去抖程序

表1 ***張緊器振動疲勞試驗檢測報表

采用組態王設計的上位機監控與操作界面能夠直觀地顯示檢測過程中的各項技術指標和系統運行狀態，且能夠方便、快速地進行操作。采用異步電機的速度閉環控制與凸輪傳動的結合，滿足了高精度檢測的要求，系統誤差較小。大量實驗結果顯示出了本系統的高可靠性，對于類似工件的檢測具有一點的指導意義。

[1]NSK中國技術中心. 正時皮帶用自動張緊輪, 2007.

[2]張俊亮. 張緊器液壓與驅動系統節能分析, 2011.

[3]廖冬初等. 基于銑削去重的剎車盤平衡機控制系統研究. 計算技術與自動化, 2009.