一種汽車蜂窩陶瓷體高溫振動環境下的位移監測方法

姚明格，劉浩，周煥陽

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，武漢 430056； 2.北京強度環境研究所，北京 100076）

引言

隨著汽車行業的飛速發展，乘用車及商用車的保有量也急劇增加。隨著人們對環境保護的重視程度不斷提高，汽車尾氣排放問題也獲得越來越多的關注。全球范圍內對汽車尾氣排放的技術要求越來越高，我國汽車行業相關研制機構和企業也在不斷投入資源開展相關研究工作。汽車發動機燃燒后的廢氣中含有一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物等有害氣體，該氣體需經過處理，達到標準要求后才能排放，這個過程通常由汽車排放后處理器來完成。汽車排放后處理器是汽車中尾氣凈化專用裝置，研發過程中需經過試驗驗證，以發現其核心部件在實際使用中的一些隱患和缺陷，并進行改進優化[1]。催化單元是汽車排放后處理器的核心部件（如圖1、圖2所示），能氧化消除尾氣中的有害成分，其功能是否正常直接影響到尾氣處理效果，因此是產品驗證的重點。催化單元工作時要對發動機燃燒后生成的高溫煙氣直接進行處理，工作環境溫度高達為180 ℃，部分甚至達到450 ℃。且在發動機工作與車輛顛簸的綜合作用下，催化單元所處的環境沖擊應力也相對較大。因此驗證考核試驗中，需同時模擬高溫與沖擊環境。在這種環境下，催化單元中的蜂窩陶瓷體容易出現結構滑移實效。按照汽車行業技術文件要求，試驗過程中，需要時刻監測催化單元的狀態，一旦發生滑移失效立即停止試驗。具體做法為監測蜂窩陶瓷體與外殼的相對位移，當位移值超過標準值時，即判定發生滑移失效。但由于高溫和沖擊綜合環境過于惡劣，現有的常規位移傳感器均不能正常工作[2-4]，且由于蜂窩陶瓷體結構的特殊結構和裝夾要求使得非接觸的激光位移傳感器也無法滿足測試要求。因為此項技術限制，目前國內的汽車排放后處理器研制單位在進行此項試驗驗證時，還需借助美國試驗機構來完成。因此設計一款能夠在高溫及高量級沖擊環境下對位移進行測量的裝置十分有必要。在此背景下，本文提出了一種基于應變計的位移測量的方法，經濟、快捷地實現了汽車排放處理器蜂窩陶瓷體高溫振動環境下對相對位移的測量，并有效開展了汽車排放處理器蜂窩陶瓷體高溫振動驗證試驗。

圖1 切開外殼的催化單元

圖2 典型催化單元結構示意圖

1 試驗系統設計

1.1懸臂梁的彎曲幾何特性

懸臂梁的一維模型如圖3所示。距離懸臂梁自由端x處為應變片張貼處，該處彎矩值為：

圖3 一維懸臂梁模型

式中：

x=al，a—常數，0

F—作用在懸臂梁自由端的集中力。

該處彎曲應變值為：

式中：

W—截面抗彎系數；

E—材料彈性模量；

根據懸臂梁的幾何尺寸：長度為l，寬度為b，厚度為h；得到截面抗彎系數為：

式中：

Iz—慣性矩。

根據懸臂梁自由端受集中力作用下的擾度方程得到集中力與自由端位移u的關系為：

計算得出應變片張貼處應變值與懸臂梁自由端位移值的大小對應關系為：

針對以上計算結果得出：①應變與位移的對應關系與材料屬性無關，與彈簧鋼的寬度無關。②彈簧鋼結構確定之后，應變與位移的對應關系為線性關系。③應力位移曲線的斜率與彈簧鋼的厚度成正比，與彈簧鋼長度的平方成反比。④應變片的張貼位置離固定端越近，應變與位移的比例系數越大。

1.2系統整體設計

為了測量蜂窩陶瓷體與薄壁外殼的相對滑動位移，只需測量夾持工裝上部蓋板與蜂窩陶瓷體上表面之間的相對距離變化大小即可。工裝上部蓋板與蜂窩陶瓷體的安裝示意圖如圖4所示。

位移測量裝置主體為L型懸臂彈簧片，如圖4所示。該懸臂彈簧片材質為彈簧鋼，厚度約為1 mm，尺寸約為100 mm×10 mm（長×寬），經加工成型后進行熱處理，增強其力學性能和抗疲勞性能。懸臂彈簧片可以測量固定點1和固定點2在彎曲方向的距離，因此只需將懸臂薄片固定點1通過螺釘固定在催化單元外殼上，固定點2通過螺釘連接在絕緣塊上，絕緣塊通過高溫膠粘接在被測量的蜂窩陶瓷體上就可以測量出工裝上部蓋板與蜂窩陶瓷體上表面之間的距離變化。懸臂彈簧片的設計模型如圖5所示。

圖4 工裝安裝示意圖

懸臂彈簧片上粘貼高溫應變計可在250 ℃的高溫條件范圍內正常工作，應變計通過高溫屏蔽線連接至輔助數據采集系統。其上下表面共計粘貼4只高溫應變計，如圖5所示。通過全橋測法對彈簧片的彎曲變形進行測量，橋路配置形式如圖6所示。該測法有4個應變計元素，2個位于彈簧片頂部的彎曲應變方向，2個位于底部的彎曲應變方向，對彎曲變形的靈敏度很高，同時可以有效補償溫度和導線電阻對測量產生的影響。

圖5 懸臂彈簧片設計模型圖

圖6 全橋彎曲測量配置圖

根據懸臂梁幾何特性可知，在彈性范圍內，L型懸臂彈簧片的端點位移與應變片粘貼位置的應變存在線性對應關系。通過測量得到的應變值大小對彈簧片的彎曲變形進行表征，進而可以得到兩個端點之間的距離變化量。

試驗系統各功能部件的組合與控制如圖7所示；包括懸臂彈簧片、高溫應變計、數據采集儀、高溫環境試驗箱、高量級振動臺等，通過彈簧片的結構特性可以克服高溫和高量級振動環境對位移測量的影響，實現工裝上蓋板與蜂窩陶瓷體上表面相對位移的實時監測。

圖7 試驗系統原理圖

1.3 試驗驗證

為了進一步對試驗技術和方法進行驗證，我們搭建了一套試驗系統。試驗系統中使用電動振動臺實現振動應力的施加，電動振動臺技術參數：推力65 kN，最大振動加速度981 m/s2，最大位移76 mm。采用綜合環境試驗箱實現高溫應力的施加，試驗箱技術參數：溫度范圍（-70~180）℃，溫度波動度≤2 ℃。試驗系統的安裝狀態如圖8所示。試驗溫度條件為180 ℃，振動條件為采集的實際工況數據，并進行了加速放大，隨機譜瞬時峰值高達90 g。測量目標為試驗件外殼與內部蜂窩結構之間的相對位移，位移測量裝置安裝狀態如圖9所示。

圖8 試驗系統的安裝狀態

圖9 位移測量裝置

試驗前對位移測量裝置進行有效標定，測量關鍵位移值對應的監測應變值，并繪制位移應變曲線，如圖10和圖11所示。由圖11曲線可知，位移與應變呈線性關系，與理論計算結果一致。

圖10 標定過程

圖11 應變-位移曲線

通過連續16 h的驗證試驗，得出測量目標的實時監測曲線，如圖12所示。測量得到兩點之間的最大相對位移為0.13 mm。

圖12 位移監測曲線

2 結束語

本文利用懸臂彈簧鋼片的優良特性，提出了一種相對位移測量方法，并以此為基礎設計了一種既簡單又實用的高溫位移測量裝置，經濟快捷地實現了高溫振動環境下對汽車排放后處理器蜂窩陶瓷體相對位移的實時監測。運用該技術，在國內首次實現了對汽車排放后處理器催化單元的綜合環境驗證，并多次成功監測到蜂窩陶瓷體的失效，累計試驗時長達200 h以上。試驗證明該技術能夠實現高溫振動環境下相對位移的實時監控，可靠且有效，具有一定的研究與實用意義，后續亦可推廣到其他行業惡劣條件下的位移監測。