車用黏性耦合器試驗(yàn)機(jī)開發(fā)及其轉(zhuǎn)矩傳遞特性分析

龐茂，胡凱翔，高峰

(浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江杭州 310023)

黏液耦合器屬于液體黏性傳動的一種裝置。黏性耦合器克服了普通差速器只能平均分配扭矩的缺點(diǎn)，大大提高了汽車在雙附著系數(shù)路面的動力性和通過性，顯著改善了汽車操縱穩(wěn)定性和主動安全性，在四輪驅(qū)動汽車中被廣泛應(yīng)用［1-3］。

黏性耦合器有兩種工作狀態(tài)，即“油膜剪切”工作狀態(tài)和“駝峰”工作狀態(tài)，兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩傳遞特性完全不同，兩種狀態(tài)的切換也是影響?zhàn)ば择詈掀鞴ぷ餍阅艿闹饕蛩亍Ｒ韵陆榻B產(chǎn)品性能試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)原理，并對某型黏性耦合器轉(zhuǎn)矩傳遞特性進(jìn)行了分析，從而為該類產(chǎn)品設(shè)計制造提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)機(jī)原理及組成

黏性耦合器轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)機(jī)原理如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)由調(diào)速電機(jī)和變速箱組合模擬汽車發(fā)動機(jī)，作為黏性耦合器輸入軸的驅(qū)動系統(tǒng)。輸出端采用加載器模擬黏性耦合器的輸出負(fù)載。在黏性耦合器輸入輸出端安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，采集和記錄黏性耦合器的輸入輸出轉(zhuǎn)速差和扭矩，并通過軟件計算處理得到反映耦合器性能的測試數(shù)據(jù)和曲線，同時通過非接觸式溫度傳感器檢測試驗(yàn)過程中試件表面溫度。試驗(yàn)機(jī)原理框圖如圖1所示。

圖1 黏性耦合器性能試驗(yàn)機(jī)原理框圖

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括基礎(chǔ)臺架、驅(qū)動電機(jī)、變速器及扭矩加載器等。根據(jù)試驗(yàn)對象的輸入輸出功率范圍，選擇驅(qū)動電機(jī)功率和扭矩加載器的加載扭矩。同時為保證電機(jī)特性曲線能夠更好地覆蓋黏性耦合器的工作范圍，需對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速。為此在輸出端配置一只4檔變速箱，使試驗(yàn)機(jī)輸出扭矩最高可達(dá)1 900 N·m。電機(jī)與變速箱匹配后輸出特性曲線如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩輸出范圍

3 測控系統(tǒng)設(shè)計

試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動控制和被試件相關(guān)數(shù)據(jù)的采集分析。即通過對動力電機(jī)和扭矩加載器的自動控制來模擬被試的黏性耦合器的各種工況，同時采集在各工況下黏性耦合器輸入、輸出轉(zhuǎn)速差、扭矩及溫度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)的處理，得到相關(guān)特性曲線等。測控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。

圖3 測控系統(tǒng)組成框圖

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)基于工控機(jī)為核心，主要包括扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度傳感器，AD/DA轉(zhuǎn)換卡、IO控制板卡、串口通訊卡，及各類信號隔離調(diào)理模塊等。傳感器和數(shù)據(jù)采集卡是硬件系統(tǒng)的核心元件，兩者的設(shè)計選型如下。

(1)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速是試驗(yàn)機(jī)要采集的主要數(shù)據(jù)，傳感器信號穩(wěn)定可靠性直接影響?zhàn)ば择詈掀餍阅艿脑u價結(jié)果。試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器選用的光電編碼器精度為2 000線/r，檢測精度可達(dá)0.18°，可精確檢測試件輸入輸出的轉(zhuǎn)速差。輸入輸出分別安裝在變速器同軸輸出端及扭矩加載器末端，保證傳動的一致性。試驗(yàn)機(jī)用扭矩傳感器選用非接觸電源供電，TTL信號輸出，具有無集流環(huán)，無電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)無磨擦，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性、可靠性高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

(2)控制采集板卡

控制采集板卡用于對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和傳感器信號的采集。按功能分為數(shù)字IO控制板卡、AD轉(zhuǎn)換采集卡、DA輸出控制卡、脈沖信號采集卡及串口通訊卡等。根據(jù)對試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器信號類型、數(shù)量、精度等技術(shù)指標(biāo)的要求來選擇控制采集板卡。

試驗(yàn)機(jī)需要采集數(shù)據(jù)主要包括黏性耦合器輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)速信號，輸入輸出軸扭矩信號，這些信號都是脈沖信號，由信號的頻率換算為轉(zhuǎn)速或扭矩值。

系統(tǒng)模擬量輸出信號主要是輸出端加載扭矩的控制，需1個模擬量輸出通道。而對變頻器轉(zhuǎn)速的設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控，則通過485串口通訊與上位計算機(jī)交互。另外數(shù)字IO信號主要包括超速、超載、高溫報警，手動/自動切換、系統(tǒng)聲光報警等。

基于以上分析，選擇臺灣研華公司PCL836和PCL728多功能板卡和1塊2通道RS485串口通訊卡及對應(yīng)信號調(diào)理端子板。其中PCL836具有16路的開關(guān)量信號輸入和16路的開關(guān)量信號輸出通道，還有6個計數(shù)通道。PCL728為4通道模擬量輸出板卡。3塊板卡完全滿足了系統(tǒng)對輸入輸出和計數(shù)信號采集的功能要求。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測和控制，包括用戶管理模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、性能測試模塊、數(shù)據(jù)存儲及檢索模塊等。

(1)性能測試模塊

性能測試模塊能夠?qū)︷ひ厚詈掀鞯摹榜劮濉焙汀盎貧w”性能進(jìn)行自動測試，可實(shí)時繪制出輸入輸出轉(zhuǎn)速、扭矩及輸入輸出轉(zhuǎn)速差與輸出扭矩的實(shí)時曲線圖。

進(jìn)行“駝峰”性能測試時，系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)以設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，軟件控制輸出端扭矩加載器的扭矩輸出值自動增加，耦合器的輸入輸出轉(zhuǎn)速差將逐漸增大，轉(zhuǎn)速差達(dá)到一定值后會迅速減小，記錄該過程中的輸出扭矩值?！盎貧w”性能測試與“駝峰”性能測試類似，不同之處在于耦合器的輸入輸出轉(zhuǎn)速差達(dá)到一定值時，系統(tǒng)將控制輸出端扭矩自動減小至0，記錄該過程中轉(zhuǎn)速差和輸出扭矩變化情況。

該模塊的程序界面如圖4所示。

(2)試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測用于實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)和對試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的單步調(diào)試。該模塊可進(jìn)行開機(jī)和運(yùn)行中的試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障自診斷。系統(tǒng)發(fā)生異常時，可根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度進(jìn)行報警或自動停機(jī)等預(yù)警保護(hù)措施。同時可對驅(qū)動電機(jī)、扭矩加載器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動的調(diào)試和診斷，是試驗(yàn)機(jī)故障診斷和排除的輔助工具。

(3)數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊采用ADO訪問MS Access數(shù)據(jù)庫，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、檢索和試驗(yàn)報表打印。該模塊可將測試的數(shù)據(jù)自動存儲在數(shù)據(jù)庫文件，用戶可通過流水號、測試時間、試件型號等多種方式查詢和打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時模塊可定期對數(shù)據(jù)自動進(jìn)行備份。

圖4 性能檢測模塊程序界面

4 轉(zhuǎn)矩傳遞特性研究

運(yùn)用該試驗(yàn)機(jī)對某型號的車用黏性耦合器樣件進(jìn)行了試驗(yàn)。對黏性耦合器性能的評價主要是發(fā)生“駝峰”時的轉(zhuǎn)速差和“回歸曲線”在同一轉(zhuǎn)速差下對應(yīng)的輸出扭矩的差值。圖5和圖6給出的是3種不同硅油填充率下黏性耦合器樣件的“駝峰”曲線和“回歸”曲線。

圖5 不同試件“駝峰”性能曲線

圖6 不同試件“回歸”性能曲線

樣件中硅油填充率由加入樣件殼體內(nèi)硅油的質(zhì)量來控制，1—3號樣件的硅油填充率逐漸增大。試驗(yàn)時采用相同的參數(shù)，即相同的輸入轉(zhuǎn)速和加載頻度下進(jìn)行，從圖中可以看到，不同試件出現(xiàn)“駝峰”狀態(tài)的轉(zhuǎn)速差和回歸曲線中的最大扭矩差都不盡相同。隨著硅油填充率的增大，發(fā)生“駝峰”狀態(tài)所需轉(zhuǎn)速差降低，同時回歸特性變差。另外每個樣件在出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象的時候，聯(lián)軸器的輸出扭矩還有一個增大的過程，不過增加的幅度不大，隨著轉(zhuǎn)速差的進(jìn)一步減小，聯(lián)軸器輸出扭矩才趨于平穩(wěn)，這與相關(guān)文獻(xiàn)的理論分析一致［1］。

5 結(jié)論

介紹了一種汽車黏性耦合器性能試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)，并在該試驗(yàn)機(jī)上對某型號黏性耦合器的典型特性進(jìn)行了初步試驗(yàn)。結(jié)果表明該試驗(yàn)機(jī)可對黏性耦合器的“剪切”特性、“駝峰”特性、“回歸”特性等進(jìn)行準(zhǔn)確評價，為該類產(chǎn)品的研發(fā)和改進(jìn)提供了有效的試驗(yàn)支撐。

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