傳動裝置部件的測試性集成技術(shù)研究

徐 宜，劉馳遠(yuǎn)，焦 美，宋美球，卜樹峰

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072;2.南京理工大學(xué)，南京 210000)

隨著車輛的復(fù)雜性、綜合化、智能化程度的不斷增加，系統(tǒng)的“五性”(可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性)越來越受到車輛研制人員的重視，傳動裝置作為車輛底盤系統(tǒng)核心部件，因而要求有更強(qiáng)的機(jī)內(nèi)測試能力.但在以往傳動裝置設(shè)計(jì)時沒有考慮測試性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后的傳動裝置內(nèi)部空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，傳感器布置安裝困難，信號傳輸易受干擾[1]，所以一直缺乏有效的測試方法，給傳動裝置動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、狀態(tài)監(jiān)測帶來極大困難.現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度、響應(yīng)速度也無法滿足自動控制的要求，因此開展該傳動裝置部件的測試性集成技術(shù)的研究，科學(xué)、準(zhǔn)確地獲取傳動裝置狀態(tài)數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)自動控制和狀態(tài)評價的基礎(chǔ).

1 測試集成總體方案

傳動裝置部件的測試性集成技術(shù)研究的重點(diǎn)是傳感器與被測試部件的融合技術(shù)，即在不改變傳動裝置實(shí)際使用性能的基礎(chǔ)上，如何將傳感器有機(jī)地融入被測試部件中，利用其內(nèi)嵌的傳感器來達(dá)到對傳動裝置關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時、準(zhǔn)確的獲取.

被測試部件的設(shè)計(jì)與研制主要包括傳動裝置被測試部件設(shè)計(jì)技術(shù)和傳感器技術(shù)兩方面的研究內(nèi)容.在對傳動裝置測試性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳動裝置內(nèi)部空間和被測對象的特點(diǎn)，按照傳動裝置測點(diǎn)布置及優(yōu)化后確定的測點(diǎn)，將傳動系統(tǒng)內(nèi)部的軸類、行星變速機(jī)構(gòu)、液粘離合器、摩擦片等作為可測試性部件，完成振動、扭矩及溫度等傳感器在可測試部件結(jié)構(gòu)中的安裝位置及工藝、供電方式、數(shù)據(jù)傳輸及走線方式等改裝工作，融合“功能-監(jiān)測-檢測-控制”的一體化設(shè)計(jì)思想，確保獲得被測零件的準(zhǔn)確的動態(tài)信號[2].具體方案見圖1.

圖1 可測試性部件的測試集成方案框圖

2 主要零部件的測試集成設(shè)計(jì)

2.1 被測部件的結(jié)構(gòu)特性分析

開展傳動裝置部件的測試性集成技術(shù)研究，首先通過建立車輛部件的有限元分析模型，以測試或計(jì)算載荷譜為邊界條件，以提高系統(tǒng)功率密度及可靠性為目標(biāo)，以齒輪、軸承、軸、異型旋轉(zhuǎn)件及支撐殼體等傳動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)為研究對象，對比分析不同傳感器的嵌入方式、安裝位置、結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式(開槽、粘貼、刻蝕等)等對部件剛強(qiáng)度及動力學(xué)特性的影響，優(yōu)化確定最佳的傳感元件設(shè)置、內(nèi)嵌及集成方案.

例如，通過對圖2所示的開槽軸承的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析得到如圖3所示的變形圖，該圖定量表示出開槽后軸承在使用時的額定載荷.另外開槽尺寸大小決定著結(jié)構(gòu)變形的程度，這為軸承外圈開槽設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

圖2 軸承外圈開槽結(jié)構(gòu)

圖3 開槽后軸承外圈的變形

2.2 傳感器集成設(shè)計(jì)

主要研究傳動裝置關(guān)鍵零部件與傳感器的融合技術(shù)，傳感器要解決微小型、可嵌入性以及能源饋入與信號傳輸?shù)葐栴}，即如何將傳感器有機(jī)地融入關(guān)鍵零部件中，以及傳感元件的設(shè)置、供電、信號采集、信號傳輸?shù)入娐放c機(jī)械零部件融合 (如嵌入、能量、饋入和信號導(dǎo)出)的工藝過程設(shè)計(jì)，達(dá)到不同信號類型、不同頻響特性、特殊測點(diǎn)位置的信號的實(shí)時、準(zhǔn)確的獲取，并開展惡劣環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究，分析參數(shù)工作環(huán)境、精度要求、可靠性要求、維護(hù)性要求，并制定具體的信號引出方案，最終保證傳感及處理元件在高溫、強(qiáng)震、復(fù)雜電磁環(huán)境等條件下的高可靠性長期穩(wěn)定工作.

2.2.1 傳感器的供電方式

傳感器供電采用恒流源和無線兩種供電方式，其中恒流源供電包括有線供電、電池供電和滑環(huán)供電等形式，具體的供電方式要根據(jù)測試對象和測試環(huán)境要求有針對性地選擇.

車輛傳動裝置的關(guān)鍵參數(shù)的測試周期長且不便于拆裝，因而不適用電池方式供電.電波傳輸是采用天線發(fā)送接收的原理，將電波交流電通過整流濾波后應(yīng)用，但其傳輸功率較低，只有幾毫瓦到上百毫瓦，實(shí)際應(yīng)用較少[3].

車輛傳動裝置由于約束空間小，環(huán)境溫度高、振動沖擊大、強(qiáng)電磁干擾等原因使感應(yīng)供電技術(shù)一直未能在車輛傳動系統(tǒng)測試中得到應(yīng)用[4].本研究主要針對在惡劣的環(huán)境下如何實(shí)現(xiàn)能量的高效率傳輸、可靠供給，高頻電路設(shè)計(jì)、線圈的結(jié)構(gòu)尺寸以及匝數(shù)設(shè)計(jì)、線圈內(nèi)電磁場的分析與模擬、阻抗匹配設(shè)計(jì)、諧振頻率設(shè)計(jì)、模型仿真分析.感應(yīng)供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4和圖5所示.

圖4 感應(yīng)供電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 感應(yīng)供電實(shí)物

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

針對不同的可測試性部件設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)傳輸方式，對于旋轉(zhuǎn)件、往復(fù)件及其他無法引出測試線纜的部件，設(shè)計(jì)非接觸式信號傳輸方式，常用的有滑環(huán)和數(shù)字無線傳輸，如轉(zhuǎn)速傳感器.由于其運(yùn)動問題，必須采取無線信號發(fā)射裝置，而這些裝置處于復(fù)雜的車輛電磁、振動等環(huán)境下，必須很好地解決其環(huán)境適應(yīng)性問題.傳動裝置的能量傳輸是一種疏松耦合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有較大的漏磁，因此無線能量傳輸設(shè)計(jì)必須考慮傳輸效率的設(shè)計(jì).

提高能量傳輸效率的設(shè)計(jì)思路有3個方面:1)設(shè)計(jì)最佳諧振頻率以提高發(fā)射功率;2)提高感應(yīng)系統(tǒng)耦合能量;3)提高線圈品質(zhì)因數(shù).

發(fā)射功率的提高是通過提高發(fā)射頻率得到的.由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢的大小正比于磁通量的變化速率[3].對于正弦交流電產(chǎn)生的時變磁場而言，頻率越高感應(yīng)電動勢越大，從該思路考慮，盡量取較高的頻率以獲得更大的感應(yīng)電動勢.當(dāng)電路長度 (發(fā)射線圈導(dǎo)線總長度)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高頻電流波長時，電路有最小的電磁波發(fā)射損耗，傳輸效率最高.結(jié)合選用的高頻功率放大器，計(jì)算最佳發(fā)射頻率，具體調(diào)諧頻率可根據(jù)被試軸的情況來確定.

耦合能量的提高是通過系統(tǒng)的阻抗匹配實(shí)現(xiàn)的.實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，首先將負(fù)載阻抗與功放要求相匹配，其次濾除多余的各次諧波分量，以保證負(fù)載能獲得所需頻率的射頻功率.因此初、次級線圈系統(tǒng)必須諧振在所需頻率上，同時根據(jù)我們選用的信號源的情況及線圈情況，通過改變阻抗和調(diào)整傳輸線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的阻抗匹配.

提高線圈品質(zhì)因數(shù)也是提高傳輸效率重要措施.高頻電流通過線圈時的趨附效應(yīng)是發(fā)射線圈能量損失的主要因素，因此設(shè)計(jì)中必須盡量獲得高品質(zhì)因數(shù)的線圈[4].采用銅材料，繞制成多匝線圈的形式，可以提高磁感應(yīng)強(qiáng)度.進(jìn)行線圈繞制時，要確保線圈的各匝間保持平行，以保證產(chǎn)生的磁場的均勻分布.

由于車輛傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁干擾源較多且干擾強(qiáng)度較大，因而高頻無線感應(yīng)供電中發(fā)射頻率、阻抗匹配、線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等需要反復(fù)計(jì)算并在實(shí)際工況中通過試驗(yàn)驗(yàn)證才能得到真實(shí)、合理的匹配參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較高的傳輸效率.

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

傳感器集成技術(shù)所涉及的各部件幾乎全部都是電子設(shè)備，而戰(zhàn)斗車輛車內(nèi)空間狹小，電子設(shè)備眾多，電磁環(huán)境非常惡劣，若不進(jìn)行特殊處理，則各電子設(shè)備間極易互相干擾，無法正常工作.在設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行了電場發(fā)射測試和敏感度測試，如圖6和7所示，并進(jìn)行了如下結(jié)構(gòu)改進(jìn):1)系統(tǒng)電源取自精電網(wǎng)，使電源質(zhì)量得到較大提高;2)電源接入插頭與濾波器合為一體，減少了通過電源線的傳導(dǎo)和輻射干擾;3)各部件都采用金屬盒體進(jìn)行密封安裝;4)將內(nèi)部不同電源網(wǎng)絡(luò)之間的地線全部隔離;5)將整車CAN網(wǎng)絡(luò)和一體化盒體內(nèi)部隔離;6)采用多層板布線以增強(qiáng)抗干擾能力.

圖6 電場發(fā)射測試

圖7 敏感度測試

3 集成設(shè)計(jì)實(shí)例

基于車輛部件可測試性分析和傳感器集成設(shè)計(jì)技術(shù)，所設(shè)計(jì)的零部件測試節(jié)點(diǎn)必須符合傳動裝置總體設(shè)計(jì)原則，這就要求測試節(jié)點(diǎn)必須能夠適應(yīng)傳動裝置所處的高溫、沖擊振動大、電磁環(huán)境復(fù)雜等惡劣環(huán)境，常規(guī)的信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)以及支撐硬件都無法滿足這種需求，因此必須從器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面開展研究，以解決環(huán)境適應(yīng)性的難題.

鑒于各零部件作為測試節(jié)點(diǎn)后其工作環(huán)境的惡劣程度，以及各組成部件的分散性，如何保證數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膶?shí)時性、準(zhǔn)確性和可靠性，使零部件之間數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必然成為了實(shí)現(xiàn)分布式集成化整體方案的難題.

通過設(shè)計(jì)，使得構(gòu)成傳動裝置的各部件成為可測性部件，每個部件自身將作為整體方案中的一個測試節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本部件參數(shù)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換，并通過數(shù)據(jù)總線接收相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)本地狀態(tài)推理和判斷，并將采集參數(shù)和判斷結(jié)果上傳[5].

傳動裝置控制閥組為傳動裝置的關(guān)鍵部件，其中有相對比較集中的控制換擋的操縱壓力的測點(diǎn)，以往都是每個測點(diǎn)安裝一個壓力傳感器如圖8所示，傳感器數(shù)量越多，拆裝的難度越大，也增加了故障點(diǎn).在工程設(shè)計(jì)研制中，根據(jù)閥組的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及傳感器相對集中的特點(diǎn)開發(fā)研制了內(nèi)嵌式一體化CAN總線傳感器.總線式多路壓力采集裝置結(jié)構(gòu)上主要分為3部分:殼體、傳感器和數(shù)字電路.殼體包含底座和上蓋兩部分.底座是內(nèi)部傳感器芯體的載體，多路傳感器芯體安裝在底座內(nèi)，并且都設(shè)置了一個進(jìn)油孔，通過進(jìn)油孔使每個傳感器和發(fā)動機(jī)閥體上的多路壓力源連接.將每個傳感器輸出的毫伏級模擬信號，通過放大電路及CAN數(shù)字電路進(jìn)行了調(diào)理以輸出CAN信號.改進(jìn)后只通過一根CAN線就可將多組壓力信號輸出，減少了故障點(diǎn)，提高了可靠性，且依據(jù)就近原則，將信號采集處理、狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)傳輸?shù)扰c傳動裝置的組成部件無痕連接，形成分布式集成化狀態(tài)檢測及評價系統(tǒng).改進(jìn)后的壓力測試組件如圖9所示.

圖8 改進(jìn)前多路壓力測試

圖9 改進(jìn)后一體化壓力測試

4 結(jié)束語

傳動裝置部件的測試性集成技術(shù)所采用的研究思路和方法適用于車輛及其他關(guān)鍵部件或系統(tǒng)(如發(fā)動機(jī)等)的檢測與診斷，該技術(shù)的投入應(yīng)用將大大提高傳動裝置的狀態(tài)感知與故障報(bào)警能力[6]，進(jìn)而提高系統(tǒng)的使用可靠性和維修保障能力，延長車輛關(guān)鍵部件的使用壽命，為新型車輛系統(tǒng)高性能、高可靠的智能化傳動裝置的設(shè)計(jì)研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，整體提升傳動裝置的信息化與智能化水平和使用安全性及可靠性.

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