基于無線充電的低功耗曲軸應(yīng)力測試系統(tǒng)

李詧森，王代華 ，張強，唐宏

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊261000；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；4.晉西工業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030051）

曲軸是內(nèi)燃機的五大部件之一，承受載荷大且受力狀態(tài)復(fù)雜，很大程度上決定著內(nèi)燃機的可靠性與壽命[1]。曲軸的疲勞強度研究主要是考察曲軸在反復(fù)承受交變動載荷作用下的應(yīng)力分布，為強度分析提供依據(jù)[2]。曲軸同時承受著氣缸內(nèi)氣體作用力、往復(fù)運動質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力[3]，以及功率輸出端轉(zhuǎn)矩的作用[4]，在承受這些交變的復(fù)合應(yīng)力作用的同時，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的影響[5]，從而易引起疲勞失效，造成安全事故[6]。已有研究表明，疲勞失效是內(nèi)燃機關(guān)重件的主要失效形式[7-8]，所以保證足夠的疲勞強度是內(nèi)燃機關(guān)重件設(shè)計和優(yōu)化的首要目標(biāo)。

綜合分析國外和國內(nèi)的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前絕大多數(shù)曲軸校核工作均依托于數(shù)值計算和有限元分析的方法[9]，采取試驗研究方法的工作很少，很難滿足當(dāng)今內(nèi)燃機快速發(fā)展對曲軸設(shè)計和優(yōu)化的需求?？傆[僅有的實測方法，由于曲軸工作于不斷旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，測試活塞等位置的引線式測試方法難以實現(xiàn)，引線會成為薄弱環(huán)節(jié)，難以布置且可靠性差；個別測試設(shè)備有無線方向上的探索，但存在續(xù)航能力差，可工作時間較短且需要頻繁拆裝測試設(shè)備充電的問題，并且一旦無線模塊出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)極易丟失。基于此，本文設(shè)計了一種擁有無線充電能力的應(yīng)力測試系統(tǒng)，本系統(tǒng)可安裝于內(nèi)燃機的內(nèi)部進行測試，解決了傳統(tǒng)測試手段中存在的問題，對于內(nèi)燃機曲軸疲勞強度分析提供了一種新的手段。

1 系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)的目標(biāo)是將無線充電技術(shù)引入內(nèi)燃機測試領(lǐng)域，設(shè)計成微型測試裝置嵌入曲軸獨立工作，實時實況地測取曲軸曲柄臂上的應(yīng)力應(yīng)變情況。本測試系統(tǒng)為進一步減小體積并降低功耗，使用內(nèi)置AD的單片機設(shè)計。應(yīng)變片的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊存儲至數(shù)據(jù)存儲模塊，通過控制器控制無線通信模塊與上位機進行通信；同時系統(tǒng)保留了USB接口，防止無線通信模塊故障時造成數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體原理框圖Fig.1 System overall principle block diagram

根據(jù)發(fā)動機傳動系部件的實驗室試驗的MTP 2-2-703規(guī)程，測試儀設(shè)計要求：每個工況采樣不少于90個循環(huán)，即360個沖程；采樣分辨率要求至少每3°采樣1個點，每個循環(huán)（1 440°）需要采樣至少480個點；測試儀能安裝至發(fā)動機有效體積內(nèi)且不影響發(fā)動機正常工作。

根據(jù)管理培訓(xùn)計劃（management training plan，MTP）規(guī)范，發(fā)動機在不同工況下轉(zhuǎn)速在800～2 400 r/min之間[10]，采樣頻率要保證數(shù)據(jù)不丟失，故本測試儀設(shè)計為4通道采樣，每通道采樣頻率為5 kHz，存儲容量共5 MB。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低功耗采集存儲電路

應(yīng)變片輸出電路設(shè)計為惠斯登電橋，后經(jīng)濾波、放大電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集信號。由于傳統(tǒng)使用FPGA控制的方式功耗較大，還需要配置外部AD芯片進行信號采樣，故本系統(tǒng)設(shè)計采用帶有內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的PIC24系列單片機，內(nèi)置AD具有12 bit精度、500 ksps采樣速率以及4路同時采樣能力。單片機采用了低功耗高速閃存技術(shù)，工作電壓為3.3 V。

數(shù)據(jù)信號經(jīng)AD采樣后先由單片機內(nèi)部FIFO緩存，通過控制器控制，經(jīng)由SPI接口將每通道數(shù)據(jù)存儲至EEPROM中，整個電路不需要很高的能耗，單路電流維持在幾個mA水平。

系統(tǒng)采用的這種電路設(shè)計相比FPGA+AD芯片的模式很大程度上減小了電路體積，單片機相比FPGA不會造成過多資源浪費，EEPROM處于休眠狀態(tài)時電流僅為10 μA，操作時最大電流小于5 mA，顯著降低了電路功耗。

2.2 無線充電技術(shù)設(shè)計

嵌入式測試裝置采用電池供電方式，電池容量成為限制測試裝置工作時間的主要因素。頻繁拆裝內(nèi)燃機外殼更換電池必然造成重復(fù)勞動，導(dǎo)致試驗效率低下。為此，本系統(tǒng)設(shè)計了測試裝置的近距離無線充電方案：在曲柄臂或平衡重外側(cè)的箱體側(cè)壁上粘貼柔性激勵線圈；對等的在測試裝置外殼的側(cè)壁上也粘貼上感應(yīng)線圈。激勵線圈引出線經(jīng)曲軸箱體走線至箱體外部，通以一定頻率的交變電流。利用磁場耦合及諧振原理在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，再經(jīng)整流濾波等處理，即可為測試裝置內(nèi)部的電池充電。該方法可充分利用內(nèi)燃機停車時間充電。

無線充電系統(tǒng)包括電源側(cè)的能量變換裝置、能量傳遞裝置以及負(fù)載側(cè)的能量調(diào)節(jié)裝置三個主要部分[11]。無線充電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 無線充電系統(tǒng)Fig.2 Wireless charging system

2.2.1 激勵電路設(shè)計

激勵電路的任務(wù)是產(chǎn)生足夠功率的交流信號傳輸至激勵線圈，激勵線圈和感應(yīng)線圈通過電磁感應(yīng)達(dá)到無線傳輸電能的目的。

系統(tǒng)激勵電路部分使用運算放大器和RC串聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成文氏振蕩電路產(chǎn)生正弦波。由于文氏振蕩電路產(chǎn)生的正弦波較小，故輸出信號會經(jīng)由功率放大電路使其可用。本系統(tǒng)設(shè)計功率放大電路采用TI公司的雙音頻功率放大器，此芯片不需要自舉電容或緩沖電路，有低功耗的關(guān)斷模式，關(guān)斷電流僅40 μA，所需外圍器件少，適合需要高功率和小尺寸的系統(tǒng)使用。功率放大電路如圖3所示，電壓放大倍數(shù)可通過R2與R1的比值調(diào)節(jié)。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplification electric circuit

2.2.2 能量轉(zhuǎn)化電路設(shè)計

數(shù)控機床是機電液一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，為便于進行質(zhì)量特性分析，首先要將數(shù)控機床分解為簡單的基本單元以達(dá)到容易建模的目的，然后對基本單元進行質(zhì)量特性分析，最后對整機的質(zhì)量特性進行綜合分析。按“部件—組件—零件”的分解方法雖然簡單易行，但是在實際應(yīng)用過程中卻存在許多難以解決的困難，比如零件數(shù)目繁多導(dǎo)致的建模困難、零件故障數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致的定量分析困難等。

感應(yīng)線圈通過磁場耦合產(chǎn)生電動勢后，將感應(yīng)電動勢送至后續(xù)的橋式整流電路。經(jīng)過整流電路后，由于磁場耦合作用，輸出電流過大且不穩(wěn)定，故需要穩(wěn)壓電路將電源電壓穩(wěn)定并調(diào)整至所能使用的正常范圍。

穩(wěn)壓電路以可調(diào)整電容式電荷泵為主體設(shè)計，通過電容儲存能量，然后以受控的方式將電能釋放以獲得所需電壓的方式達(dá)到穩(wěn)壓并調(diào)整的作用。本系統(tǒng)穩(wěn)壓電路休眠電流小于1 μA，有反向保護，可通過R1與R2調(diào)節(jié)輸出電壓。穩(wěn)壓電路圖如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路圖Fig.4 Voltage stabilized circuit diagram

本裝置的無線充電系統(tǒng)設(shè)計完成后通過測試線圈兩端電路波形和功率可知，激勵線圈和感應(yīng)線圈波形頻率相近，最低電能轉(zhuǎn)換效率不低于35%，基本達(dá)到設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。

2.3 無線通信技術(shù)

由于系統(tǒng)工作環(huán)境為密閉空間，故設(shè)計無線通信模塊用于上位機對測試數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。本系統(tǒng)經(jīng)綜合考量，采用成本低、功耗小、可靠性高的ZigBee無線通信技術(shù)，工作在2.4 GHz頻段，通信速率可高達(dá)250 kbit/s。采用SPI接口進行基帶信號的傳輸，主要工作參數(shù)均可通過SPI接口編程設(shè)置。為降低功耗，無線模塊的發(fā)射功率控制在0 dBm以內(nèi)。

本測試裝置安裝在內(nèi)燃機箱體內(nèi)獨立工作，經(jīng)由無線通信模塊與外部的上位機進行數(shù)據(jù)交互。無線模塊的核心是ZigBee協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計，完成指令/數(shù)據(jù)的編碼/解碼、調(diào)制/解調(diào)等操作，具體實現(xiàn)基帶信號與射頻信號的相互轉(zhuǎn)換。

ZigBee協(xié)調(diào)器的功能是負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護等功能[12]，通過USB與上位機進行通信。通過調(diào)用無線收發(fā)函數(shù)及USB通信函數(shù)完成上位機、無線通信模塊和測試設(shè)備之間的信息交互，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器程序框圖Fig.5 ZigBee coordinator program block diagram

2.4 電源管理程序設(shè)計

為延長測試設(shè)備使用時間，在使用無線充電技術(shù)的同時，還要進行良好的電源管理策略來有效降低功耗。

電源管理技術(shù)主要通過軟件程序設(shè)計來實現(xiàn)，通過使裝置在內(nèi)燃機停機或未達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)時休眠來減少電量消耗。裝置內(nèi)部設(shè)置加速度傳感器用于感知曲軸旋轉(zhuǎn)時的離心加速度，將傳感器輸出信號作為裝置上電的判據(jù)，避免在未穩(wěn)定時采集無效數(shù)據(jù)，無謂消耗電量。在測試完成后，上位機發(fā)送休眠指令，系統(tǒng)休眠等待下次測試。工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

圖6 工作狀弦轉(zhuǎn)換圖Fig.6 Work state transition diagram

3 試驗驗證

為驗證測試系統(tǒng)的耐高溫能力及可靠性，需要進行驗證試驗。將裝置放置于高溫實驗箱內(nèi)，應(yīng)變片通過長引線引出至箱外，實驗箱溫度設(shè)置為150℃模擬曲軸工作環(huán)境溫度，箱外上位機對設(shè)備發(fā)送指令；通過懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變持續(xù)給予應(yīng)變片應(yīng)力，觀察系統(tǒng)是否可以正常輸出波形。整個過程系統(tǒng)與上位機數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可以根據(jù)指令完成喚醒、全速工作和休眠的操作，輸出波形符合懸臂梁操作情況，系統(tǒng)工作正常。

將測試系統(tǒng)設(shè)置于內(nèi)燃機模擬實驗臺架上進行原理性驗證，在曲軸主軸頸上方設(shè)置測點，分別對不同工況下的內(nèi)燃機曲軸進行了模擬測試。測試時電路工作正常，輸出波形穩(wěn)定。圖7為模擬工況為2 000 r/min和1 500 r/min時的測試波形圖。

圖7 模擬工況測試波廝圖Fig.7 Test waveforms of simulated condition

從圖7可以看出，測試點應(yīng)力呈周期性變化，每720°（即1個循環(huán)）為1個周期。在某一時期突然所受應(yīng)力增大，此時正為壓縮沖程和做功沖程，缸內(nèi)氣壓大于大氣壓，氣體力向下通過活塞和連桿傳遞至曲軸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化。模擬試驗符合仿真結(jié)果，系統(tǒng)能夠完成曲軸應(yīng)力測試的用戶需求。

4 結(jié)論

本測試設(shè)備整機尺寸約為5 cm×7 cm×3 cm，采用共形設(shè)計的方式將其安裝于曲柄壁上，并在對稱方向配備平衡重以消除設(shè)備自身重量對曲軸正常旋轉(zhuǎn)的影響，且不會對曲軸軸頸應(yīng)力產(chǎn)生干擾從而影響數(shù)據(jù)和曲軸結(jié)構(gòu)可靠性；系統(tǒng)具有無線通信能力，可方便實時對內(nèi)燃機內(nèi)部工況進行監(jiān)控，在使用無線通信方式的同時又保留了USB接口，以免無線通信模塊故障造成數(shù)據(jù)丟失，提高了可靠性；系統(tǒng)各模塊功耗低，工作時最大電流最大僅為幾mA級，單次充電后可持續(xù)工作90 min，裝置內(nèi)部存儲器容量可存儲記錄最近25 min的數(shù)據(jù)；同時系統(tǒng)具備無線充電的能力，避免了反復(fù)拆裝充電帶來的重復(fù)勞動，單次安裝后可完成多次長時間的測試任務(wù)，使用方便。模擬試驗表明，系統(tǒng)能夠在150℃的高溫環(huán)境中長時間正常工作，無線充電設(shè)計可保證系統(tǒng)能完成多次測試任務(wù)，具有適應(yīng)內(nèi)燃機箱體內(nèi)惡劣工況的能力。