基于LabVIEW的發(fā)動機氣門運動規(guī)律實驗臺的開發(fā)*

姜北平，解方喜，蘇巖，許允

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室, 長春 130025)

0 引 言

目前，應用虛擬儀器技術建立的虛擬儀器測試系統(tǒng)替代傳統(tǒng)儀器已經廣泛應用于生產及科研領域[1]。基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺的發(fā)動機氣門運動規(guī)律測試(《內燃機設計》的實驗課)實驗臺是針對發(fā)動機配氣機構動力學的研究所開發(fā)的實驗臺。通過簡便的實驗手段及測試分析、數(shù)據(jù)處理將復雜的實驗原理簡單化，可以作為發(fā)動機附件實驗臺研究配氣機構的設計是否合理，該試驗臺具有先進的技術性及一定的科研價值。目前已經成功應用于本科生實踐教學。使學生在實踐過程中能夠接觸和掌握新技術，而且可以根據(jù)專業(yè)課程上學到的知識，自己選擇實驗內容設計實驗方案進行自己感興趣的實驗。這樣既能生動直觀地展示發(fā)動機配氣機構的運動規(guī)律，使它們更易于理解，達到課堂講授所不能起到的作用[2]。并且能滿足發(fā)動機配氣機構轉速很高，需要采集大量的瞬態(tài)數(shù)據(jù)并進行復雜的數(shù)據(jù)處理的要求，為學生更好的理解配氣機構動力學的設計問題，實現(xiàn)動態(tài)、可操作性強、直觀的實驗教學，同時為學生的數(shù)據(jù)處理能力的提高提供了很好的平臺，是實驗教學改革的創(chuàng)新點。

1 理論基礎

在發(fā)動機運轉過程中發(fā)動機配氣機構也隨之高速運動，使得系統(tǒng)存在慣性力和彈性變形。因此氣門的運動規(guī)律與理想的運動有很大的畸變。各種因素導致氣門升程曲線差異(見圖1)，可以看出三條氣門升程曲線存在很大差異。曲線1為理論設計的氣門升程曲線，曲線2為消除氣門間隙和抵消彈簧預緊力后的氣門位移曲線，曲線1,2之間的差異稱為靜變形，曲線3為實際氣門升程曲線， 在不同的發(fā)動機工況，配氣機構的運動速度會有所變化，所以實際的運動規(guī)律較為復雜，1,3曲線之間的差異稱為動變形，不同工況的動變形會不同。動變形較大時會出現(xiàn)不正常現(xiàn)象，如圖1所示曲線3在45度曲軸轉角后出現(xiàn)的四個小升程曲線為氣門反跳的結果，還有氣門飛脫現(xiàn)象等等，動變形嚴重時會造成機構的損壞。因此需要研究氣門的運動規(guī)律，合理設計配氣機構，避免不合理現(xiàn)象的發(fā)生，延長機構的使用壽命[3]。

圖1 各種因素氣門升程曲線的差異[3]

氣門運動規(guī)律實驗臺的開發(fā)的目的是測量配氣機構中氣門的運動規(guī)律。而對于運動規(guī)律，一般用位移、速度和加速度三個物理量的時間函數(shù)描述。而位移、速度和加速度存在著一定的關系[4]。只要測定三個物理量之中的任意一個,就可以微積分求出其他兩個物理量[5]。氣門運動規(guī)律實驗臺主要測試氣門運動的加速度，從而積分得到氣門運動速度，再次積分求得實際氣門運動的升程。第二測試氣門搖臂應變量，觀察氣門飛脫現(xiàn)象的波形。實驗數(shù)據(jù)顯示部分使用LabVIEW虛擬儀器來構建。通過實際測量參數(shù)的數(shù)據(jù)結果分析，來判斷配氣機構設計是否合理，最終解決配氣機構的設計問題。

2 測試系統(tǒng)的總體設計

實驗臺的設計包括總體方案設計，硬件設計及軟件設計，根據(jù)實驗原理和實驗目的確定設計方案。測量氣門加速度選用加速度傳感器，測量搖臂的應變量選用電阻應變片，電荷放大器、電阻應變儀、電橋等配合使用。為了提高實驗的安全系數(shù)，需要用調速電機驅動發(fā)動機，所用發(fā)動機需要改造。數(shù)據(jù)采集部分以數(shù)據(jù)采集卡為核心部件。試驗所用的儀器設備及型號規(guī)格如表1所示。

表1 儀器設備列表

系統(tǒng)硬件的選用和連接設計直接關系到測試系統(tǒng)性能的好壞[6]。實驗平臺的總體構造、系統(tǒng)硬件的連接設計圖(見圖2)。首先汽油機經過改造去掉曲軸及活塞連桿，最后留下缸體及油底殼支撐缸蓋。由電機驅動凸輪軸及設定轉速，加速度傳感器安裝在氣門彈簧座上，測試系統(tǒng)以計算機為控制中心，加速度傳感器及應變片的信號由電荷放大器，電阻應變儀進行處理然后輸送到計算機。實驗臺局部放大圖，即應變片和傳感器的安裝位置示意圖(見圖3)。

圖2 氣門運動規(guī)律測試實驗臺架

圖3 應變片和傳感器安裝位置

3 測試系統(tǒng)的軟件設計

LabVIEW語言作為一種開發(fā)語言和其他語言相比具有其獨特的優(yōu)點：程序設計采用圖形化數(shù)據(jù)流結構的形式，邏輯關系直觀清晰，容易被設計者采納成為開發(fā)平臺[7]。作者首先設計程序流程圖，在LabVIEW中找到相應的模塊進行程序的編譯，制定所需的虛擬儀器，然后生成計算機可執(zhí)行的程序[8-11]。具體步驟如下：按照程序流程圖找到相應的控件和指示器，然后按照各種邏輯計算進行連接[12-13]，最后測試并調試程序。

如程序流程圖4所示，設計氣門運動規(guī)律的前面板。前面板應包括讀取采集卡采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集參數(shù)設定部分、數(shù)據(jù)圖形顯示部分、數(shù)據(jù)文件存儲設定部分等，選擇與之相對應的控件。在這些部分中，其中采集參數(shù)包括采樣時間，采集頻率，采集通道設定，數(shù)據(jù)保存，文件名設定，曲線放大倍數(shù)設定，消除趨勢項等由使用者指定命令，數(shù)據(jù)圖形顯示部分包括采集數(shù)據(jù)的時域圖。合理布局各控件的位置，使前面板整體結構直觀簡潔，易于操作。

圖4 程序設計流程圖

程序完成的目標為根據(jù)前面板設定的采樣時間，采集頻率，采集通道，在指定通道獲取實際波形，其中加速度和應變波形直接顯示，加速度波形通過積分成速度信號并且消除趨勢項同樣顯示在波形圖上。振動信號處理中由于多種因素引起的系統(tǒng)誤差,使得測量的實際信號偏離真實信號，主要體現(xiàn)在積分環(huán)節(jié)上,所以需要消除趨勢項。實驗數(shù)據(jù)保存在之前按照需要設定路徑的采樣文件名中，程序框圖如圖5所示。

圖5 程序設計框圖

4 實驗結果分析

測試并調試設定的程序，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)流能按照既定的流程圖運行，表明程序測試初步完成。然后對實驗臺進行驗證。調整電荷放大器，進行加速度傳感器的靈敏度設置，標定電阻應變儀，得出應變與電壓值的對應關系，用于數(shù)據(jù)處理。啟動電機設定轉速并測量各個轉速下的氣門運動規(guī)律，圖為實驗過程中采集到的波形圖如圖6所示。

圖6 正常波形圖

觀察氣門飛脫現(xiàn)象，低速時搖臂驅動氣門開啟需要克服彈簧的彈力使得氣門和搖臂緊密貼合，隨著轉速的升高到達某點時系統(tǒng)的慣性力超過彈簧的彈力，此時氣門不需要搖臂驅動，氣門與搖臂之間產生間隙，直觀表現(xiàn)為應變量為零，此時波形如圖7所示標記點的電壓值為零，由公式(1)得出此點的應變值也為零，說明此時氣門飛脫。

圖7 飛脫波形圖

ε=v1×c

(1)

式(1)中v1為應變儀輸出的搖臂應變量對應的電壓值；c為標定應變儀時得到的應變與電壓的對應關系系數(shù)；ε為實際的應變量。使用數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到的氣門實際運動的加速度曲線如圖8所示。積分計算得到的氣門最大升程與實際氣門最大升程基本一致，驗證了測試手段的可執(zhí)行性。同時學生也可以用其他的數(shù)據(jù)處理軟件繪制曲線，使得學生們在充分理解實驗原理的基礎上鍛煉了數(shù)據(jù)處理能力，從而綜合素質得到提升。

圖8 氣門實際運動的加速度曲線

5 結束語

虛擬儀器由于其靈活性、經濟型和較強的操作性取代了部分傳統(tǒng)儀器。在各個領域都有廣泛的應用，是現(xiàn)階段服務科研和生產生活的重要手段[14-15]。基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)的氣門運動規(guī)律測試平臺與利用傳統(tǒng)儀器開發(fā)測試平臺相比，形象化的操作界面直觀的顯示了氣門的運動規(guī)律，簡化了實驗過程并且使操作者更加直觀的理解實驗原理，同時測試平臺具有的很強的靈活性，擺脫了功能單一的傳統(tǒng)測試儀器的束縛[16]，可以在測試結束后直接進行數(shù)據(jù)處理，具備技術的先進性，同時實驗臺的實用性較強可以作為各個科研單位的發(fā)動機附件實驗臺。通過以上的討論得到實驗平臺具有以下特點：

(1)實驗平臺基于自己設計的軟件算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；

(2)與以往開發(fā)的測試系統(tǒng)相比，這套虛擬儀器系統(tǒng)將測量的自動化程度提到了很高；

(3)系統(tǒng)平臺允許操作者更改測試條件，并且有選擇性的對測量結果進行保存；

(4)簡單易懂的操作界面使得操作者更能深入的理解實驗原理，并且提高了學生的數(shù)據(jù)處理能力。