測功機動態校準裝置研究

蘇陽 曹進 王麗芳 黃星

摘? ?要：本文對測功機校準裝置的工作原理進行分析，根據測功機的測試裝置“靜檢動用”的現狀，從動態工況的角度入手，在扭矩和轉速兩方面通過開展仿真實驗的方式，構建信號模型，針對不同測量標準下的實驗結果進行分析，研究扭矩和轉速測試中的關鍵參數和測試結果在動態校準和靜態校準下的差異，并分析差異發生的原因和規律，為扭矩和轉速的動態校準裝置的研究提供數據和理論支持。

關鍵詞：測功機? 扭矩? 轉速? 校準裝置

中圖分類號：TM32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0064-02

在現代信息技術發展之下，測功機的產品更新和新技術應用速度逐步加快，計量檢測作為產品質量保障中的重要一環，應該發揮出應有的功效，為汽車工業保駕護航。本文根據測功機的測試裝置“靜檢動用”的現狀，從動態工況的角度入手，對測功機的扭矩和轉速校準進行分析和研究，為扭矩和轉速的動態校準裝置的研究提供數據和理論支持。

1? 校準裝置基本原理和指標

1.1 工作原理

扭矩的測量：扭矩是在旋轉動力系統中最頻繁涉及到的參數，為了檢測旋轉扭矩，目前使用較多的是扭轉角相位差式傳感器。該傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側各安裝著一只接近（磁或光）傳感器。當彈性軸旋轉時，這兩組傳感器就可以測量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優點：實現了轉矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數字信號;缺點：體積較大，不易安裝，低轉速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。本裝置擬采用應變片電測技術 ，在彈性軸上組成應變橋，向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號。

轉速的測量：目前國內的轉速測量儀有點燃式測功機高壓點火脈沖感應式、機動車電瓶充放電電壓脈動式、測功機振動感應式測功機轉速測量儀幾大類。裝置擬采用磁脈沖傳感器對轉速進行測量。磁脈沖傳感器是由磁頭，脈沖整形放大電路，頻率——電壓轉換電路及濾波電路組成。磁頭是產生脈沖信號的部件，它產生的脈沖信號的頻率與轉速成比例，在主機的主軸或凸輪軸上裝一個齒輪（可利用盤車的齒輪）把磁頭對準齒頂固定，磁頭與齒頂之間保持一個較小的間隙。當齒輪轉動時，磁頭將交替對準齒頂和齒槽，即可輸出脈沖信號，實現對轉速的測量。

1.2 技術指標

在校準工作中，采用350Nm扭矩轉速動態校準裝置，包括傳感器、數據分析、軟件處理與高速采集等系統;在測量范圍方面，扭矩為30～350Nm，轉速為500～4000r/min，在工況條件下示值誤差分別為：扭矩為±0.3%、轉速為±0.05%;示值重復性分別為：扭矩為0.3%、轉速為0.05%;扭矩信號最大采樣頻率為500kHz，在扭矩轉速動態校準方法研究中，采用行業內部通用校準規范[1]。

2? 信號模型構建及分析

以轉速為例，根據測功機自身結構特點可知，其主要依靠各個缸輪燃燒的方式作功，促進其旋轉，在指示扭矩方面以波動變化為主，即便測功機負荷處于恒定狀態，轉速也具有一定的周期性波動特征。在測功機發電過程中，轉速波動不超過1%，對于車輛、艦船等主動力機來說，在轉速波動方面應更大一些。假設在測功機運行過程中，轉速用公式表示為：

式中，n0代表的是測功機平均轉速，單位為r/min;△n代表的是轉速波動數值，單位為r/min;f代表的是平均轉動頻率，單位為Hz;z代表的是缸數。通常情況下，可根據測功機齒輪對其平均轉速進行測量，公式為：

式中，ω代表的是測功機齒輪角速度;n代表的是轉速。

2.1 轉速校準仿真分析

為了對轉速裝置進行校準，本文根據齒輪轉動一圈花費的時間進行測量，對轉速校準進行仿真分析。在仿真過程中，針對某一個6缸測功機作為研究對象，齒輪共有120個齒，傳感器信號幅值率為0.2，轉速波動率為1%，分別在測功機轉速為1500r/min、1300r/min、1100r/min和900r/min情況下，繪制轉速曲線。當測量圈數固定的情況下，標準差得以減少，平均值與真實值之間的差距較小，在此情況下，轉速越低，測量標準差也隨之減小，意味著測量誤差更小，與平均值統計理念更加符合;在以測量時間間隔為標準進行測量時，時間間隔越大，說明誤差越小，當間隔不超過齒輪轉動一圈的時間時，誤差大幅增加，當間隔超過齒輪轉動一圈的時間時，誤差減小，逐漸接近真實數值。此外，在測量時間間隔固定的情況下，轉動速度越低，說明誤差越大。

為了對上述理論分析的正確性進行驗證，開展實驗研究。采用350Nm扭矩轉速動態校準裝置，包括傳感器、數據分析、軟件處理與高速采集等系統;在測量范圍方面，扭矩為30～350Nm，轉速為500～4000r/min，在工況條件下示值誤差分別為：扭矩為±0.3%、轉速為±0.05%;示值重復性分別為：扭矩為0.3%、轉速為0.05%;扭矩信號最大采樣頻率為500kHz。通過對波形的分析可知，測功機運行中轉速與轉交波動間存在緊密聯系，主要由于載荷與燃燒具有隨機波動性特征，因此轉速數值也具有波動性;在準確獲取測功機瞬時轉速的情況下，測量儀表數值處于轉速波動范圍內則說明儀表具有可用性，反之則需要采取措施對測量誤差進行處理和控制[3]。

3? 動態高速采集系統的設計

本文所設計的扭矩轉速動態測試校準裝置中的動態高速采集系統，主要由數據采集器與數模轉換器、微機接口電路等部分共同組合而成。其中數據采集器當中包括多路開關與測量放大器等重要部件，負責逐一對眾多現場模擬信號進行采樣，并對其進行量化處理使之成為數字信號，再將其傳輸至計算機中[1]。數模轉換器則主要負責轉換經由微機輸出的數字信號，使之成為模擬信號，便于系統對各項任務要求、任務情況的鞥進行準確記錄顯示和靈活控制。當系統采集獲得時域信號后，首先需要對信號進行放大處理，使得時域信號被放大成電信號，而后通過模擬濾波分析出信號當中，以頻率為主要成分的信號，并對其進行A/D轉換，使之成為數字信號，最后傳輸至計算機中進行相應分析處理即可。

由于測功機測試系統本身涉及眾多測量參數，對測量實時性有較高要求，因此在實際開展機械性能模擬測試時，測試系統不僅需要支持正確設置系統參數，同時還應當負責實時采集各項測功系統所需數據信息并對其進行有效處理，完成動態、在線監測測功機轉速、扭矩等參數，確保測功機測試系統得以實現長效、安穩運行[2]。

4? 結語

根據仿真結果可知，當測量圈數固定的情況下，轉速越低，測量標準差也隨之減小，誤差更小;當測量時間間隔越大，說明誤差越小。綜上所述，通過仿真實驗的方式對測功機的轉速與扭矩的校準方法進行分析，本文所設計的測功機動態校準裝置從扭矩、轉速兩個關鍵參數著手，在實際工況中前端能夠實現定扭矩、定轉速、零轉速、恒扭矩、自動加載、瞬態加載、反拖切換、動態堵轉、帶載啟動等方式下的高速動態測量。后端平臺可以實現系統結構模塊化，利用各種先進、專業的應用軟件，以人機交互的方式可以有效完成對動態校準裝置數據的高速采集、控制、調試，自動完成對采集得到的各項信息數據及信號分析處理與分類存儲。通過本文研究，對動態工況下扭矩校準等技術難題得到有效解決，對我國裝備制造水平提升具有重大意義。

參考文獻

[1] 鄭術力，陳志雄，陳禮剛，等.汽車用感應式發動機轉速表校準裝置研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2012，30（S1）：122-125.

[2] 徐永，董青華，賀忠江，等.加速度計動態校準裝置的研究[J].計測技術，2017， 27（3）：19-21.