發(fā)動機裝配過程扭矩測試研究和應用

范廷雨 李曉敏 徐燕 湯云濤

摘 要：介紹發(fā)動機扭矩測試的原理，說明發(fā)動機不同裝配階段扭矩表現(xiàn)，并闡述扭矩曲線和數(shù)據(jù)分析方法及問題解決思路。通過扭矩測試機的合理規(guī)劃，實現(xiàn)了對發(fā)動機整個裝配過程的扭矩監(jiān)控。結(jié)合統(tǒng)計的監(jiān)控數(shù)據(jù)和曲線，技術(shù)人員可對裝配過程中的質(zhì)量問題進行分析。同時，該控制方法在汽車制造業(yè)的成功應用也可為其他行業(yè)的旋轉(zhuǎn)扭矩監(jiān)控提供指導。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機扭矩負荷 扭矩測試 數(shù)據(jù)分析 曲線分析

Abstract：This paper introduces the principle of engine torque test， explains the torque performance of different assembly stages of the engine， and expounds the torque curve， data analysis methods and problem-solving ideas. Through the reasonable planning of the torque testing machine， the torque monitoring of the entire assembly process of the engine is realized. Combined with statistical monitoring data and curves， technicians can analyze quality problems during assembly. At the same time， the successful application of this control method in the automotive industry can also provide guidance for rotational torque monitoring in other industries.

Key words：engine torque load torque test data analysis curve analysis

1 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)保形勢日益嚴峻，現(xiàn)代汽車對節(jié)能減排的要求不斷提高。發(fā)動機作為汽車的動力核心，其扭矩輸出效率直接關(guān)系節(jié)能減排的效能，因此生產(chǎn)制造中對發(fā)動機旋轉(zhuǎn)扭矩的控制和缺陷診斷，越來越受到行業(yè)的重視。而隨著相關(guān)測試技術(shù)的不斷進步，以及計算機處理能力的迅速提高，越來越多的汽車生產(chǎn)廠家，開始采用具有較快節(jié)拍、較高質(zhì)量檢測水平、較低生產(chǎn)成本的扭矩測試設(shè)備，來進行發(fā)動機裝配過程的高精度檢測，以更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2 發(fā)動機扭矩來源

本論文僅研究發(fā)動機自身扭矩負荷（不研究發(fā)動機輸出扭矩），以下簡稱發(fā)動機扭矩。

通常一臺發(fā)動機由1000多個零件組成，隨著裝配的進行，發(fā)動機自身扭矩負荷也逐漸增大?？偨Y(jié)扭矩來源，主要有以下幾個方面。

2.1 曲軸旋轉(zhuǎn)扭矩

曲軸是發(fā)動機運轉(zhuǎn)的主軸，是發(fā)動機扭矩的輸出軸，它通過皮帶輪和飛輪，將扭矩傳遞到全車需旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的機構(gòu)。曲軸的軸頸與瓦片（相當于軸承）之間本身存在旋轉(zhuǎn)摩擦副。

2.2 曲柄連桿機構(gòu)扭矩（活塞連桿）

活塞連桿機構(gòu)裝配后，與曲軸形成典型的曲柄連桿機構(gòu)，配合燃油燃燒產(chǎn)生驅(qū)動力?；钊诟卓變?nèi)的滑動摩擦副、連桿軸頸與連桿孔的摩擦副都加大了扭矩負荷。

2.3 凸輪軸及配氣機構(gòu)

曲軸通過正時輪系及鏈條（或皮帶）與凸輪軸連接，然后驅(qū)動配氣機構(gòu)動作（主要包括氣門和彈簧）。正時輪系旋轉(zhuǎn)摩擦、凸輪軸旋轉(zhuǎn)摩擦、氣門滑動摩擦及氣門彈簧加大了扭矩負荷。

2.4 缸孔壓力

四沖程發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時，僅有點火燃燒做功沖程產(chǎn)生驅(qū)動力，其他三個沖程（進氣、壓縮、排氣）都產(chǎn)生阻力。缸孔內(nèi)的壓力（簡稱缸壓），大大加強了扭矩負荷。

2.5 其他零件阻力

另外還有一些較小影響的因素，也會加大發(fā)動機自身扭矩負荷，比如機油、冷卻液、渦輪增壓器等。

2.6 制造缺陷引起的阻力

除了正常的扭矩負荷以外，還有一些零件來料缺陷、發(fā)動機裝配缺陷等會產(chǎn)生異常阻力，比如旋轉(zhuǎn)接觸面磕碰/劃傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤滑、零件變形等。這些異常情況，就是發(fā)動機扭矩測試的關(guān)注點。發(fā)現(xiàn)這類異常、抓出缺陷正是題中之義。

3 扭矩測試方案

發(fā)動機裝配線的扭矩測試，不像常規(guī)的熱機試驗那樣——能夠真實的表現(xiàn)發(fā)動機的功率和扭矩，而是通過間接的、針對性的方式考察發(fā)動機裝配性能。在測試過程中，更多的涉及到各種參數(shù)及曲線的分析。因此，測試方案的設(shè)計尤為重要，需要在實際生產(chǎn)中通過實踐驗證和不斷優(yōu)化來最終確定。

在發(fā)動機裝配的三個不同階段進行扭矩測試，我們稱之為TTT1、TTT2和冷試。每臺測試設(shè)備不只包含扭矩測試，同時還進行其他測試（比如TTT2還包括振動測試，冷試還包括油壓、進氣/排氣壓力測試等），本論文僅對扭矩測試進行闡述和分析。

3.1 TTT1（Torque To Turn 1#）

發(fā)動機裝配完曲軸之后，進行第一階段扭矩測試。主要針對主軸瓦片漏裝、軸頸或瓦片劃傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤滑等缺陷。

TTT1設(shè)備結(jié)構(gòu)通常如下，通過伺服電機驅(qū)動設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)，主軸連接曲軸法蘭端，驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)。測試系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡從扭矩傳感器上采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過測試臺專用軟件進行分析，然后將分析結(jié)果與測試臺已設(shè)定好的控制限值進行比較，從而確定發(fā)動機是否有異常，見圖4。

通過扭矩傳感器采集過程數(shù)據(jù)和波形，然后通過PC軟件進行處理分析。正常扭矩波形如圖5。

3.2 TTT2（Torque To Turn 2#）

發(fā)動機裝配完活塞連桿之后，進行第二階段扭矩測試。主要針對連桿瓦片漏裝、連桿軸頸或瓦片劃傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤滑等缺陷。

TTT2設(shè)備結(jié)構(gòu)、測試原理、波形都與TTT1相同，參考TTT1。

3.3 冷試機的扭矩測試

發(fā)動機裝配完正時輪系、缸蓋（包含凸輪軸、氣門、彈簧等）、加注機油之后，進行第三階段扭矩測試。主要針對凸輪軸軸頸損傷、夾帶雜質(zhì)、漏潤滑、氣門/彈簧卡滯及正時輪系卡滯等缺陷。

發(fā)動機冷試驗是用來檢測內(nèi)燃機裝配質(zhì)量的一種高效、低成本、更環(huán)保的方法。采用冷測試技術(shù)檢測發(fā)動機時，發(fā)動機不需要燃料驅(qū)動，也不需要冷卻液進行冷卻。冷試機扭矩測試結(jié)構(gòu)通常如下，被測試的發(fā)動機進入測試臺，各機構(gòu)自動夾緊發(fā)動機，通過伺服電機驅(qū)動設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)，主軸夾爪抱緊飛輪，驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)。測試臺的伺服電機驅(qū)動發(fā)動機以不同的速度旋轉(zhuǎn)。

4 扭矩測試項目

我們通常監(jiān)控三種扭矩信息：啟動扭矩、運行扭矩、連續(xù)監(jiān)控扭矩。

4.1 啟動扭矩測試（Break Away）

啟動扭矩，指發(fā)動機從靜止狀態(tài)到開始運動的瞬間所產(chǎn)生的扭矩，又稱為脫離扭矩。啟動扭矩的測試主要是為了確認發(fā)動機內(nèi)部各運動部件之間是否有卡滯情況，例如軸瓦漏裝、活塞錯裝等。如果啟動扭矩過高，設(shè)備會自動停止運行并報警，要求操作人員評估故障所在并解決，以避免高速運轉(zhuǎn)造成發(fā)動機不可逆轉(zhuǎn)的損壞，降低生產(chǎn)報廢成本。

啟動扭矩測試項目主要設(shè)置以下參數(shù)（以1缸參數(shù)為例），見表1。

4.2 運行扭矩測試（Break Away）

運行扭矩，指發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)下旋轉(zhuǎn)所需的扭距。運行扭矩測試，一般選定在幾個固定轉(zhuǎn)速下持續(xù)運轉(zhuǎn)，監(jiān)控扭矩是否有異常波動。此步驟用于檢測較充分地潤滑、磨合后，各運動部件之間的整體性能，比如軸頸與軸蓋間有異物、活塞環(huán)缺失或尺寸不當?shù)取?/p>

運行扭矩測試項目主要設(shè)置以下參數(shù)（以1缸參數(shù)為例），見表2。

4.3 連續(xù)監(jiān)控扭矩

連續(xù)監(jiān)控扭矩，指發(fā)動機測試全過程都存在的持續(xù)的扭矩監(jiān)控，包括啟動瞬間、加速階段、勻速階段、減速階段。一般監(jiān)控限值較寬，目的是防止發(fā)動機扭矩過大，甚至抱死時，發(fā)動機本身或設(shè)備本身受到損傷。

連續(xù)監(jiān)控扭矩項目主要設(shè)置以下參數(shù)（以1缸參數(shù)為例），見表3。

5 結(jié)語

要獲取特殊狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，一方面要求有先進、成熟、實用的測試方案和設(shè)備，另一方面應將可測性的設(shè)計思想納入旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計過程中去。本文介紹的扭矩測試技術(shù)具有一定的實用性和使用價值，可以推廣到其他產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的性能測試中，并進一步的開發(fā)和完善以適應各種不同產(chǎn)品和工況的需求。

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