凸輪軸相位調(diào)節(jié)器回位彈簧應(yīng)變測(cè)試方法

萬(wàn)志剛

（1．同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804；2．舍弗勒大中華區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)部，上海 201804）

凸輪軸相位調(diào)節(jié)器回位彈簧應(yīng)變測(cè)試方法

萬(wàn)志剛1，2

（1．同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804；2．舍弗勒大中華區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)部，上海 201804）

為了測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸相位調(diào)節(jié)器回位彈簧在工作時(shí)的應(yīng)變，設(shè)計(jì)了半橋惠斯頓電橋，將應(yīng)變片橋路布置在彈簧和相位調(diào)節(jié)器表面，以倒拖電機(jī)臺(tái)架為發(fā)動(dòng)機(jī)載體，采用了無(wú)線遙感測(cè)試系統(tǒng)以及高頻采集設(shè)備測(cè)量并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的回位彈簧動(dòng)態(tài)應(yīng)變值。 通過(guò)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r/min左右時(shí)，回位彈簧應(yīng)變值突然增大，最大應(yīng)變值可達(dá)約1500μm/m。

凸輪軸相位調(diào)節(jié)器；回位彈簧；應(yīng)變；無(wú)線遙感測(cè)試系統(tǒng)

1 研究背景

隨著汽車(chē)尾氣排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，凸輪軸相位調(diào)節(jié)器在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。由于凸輪軸相位調(diào)節(jié)器能夠?qū)忾T(mén)重疊角進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和缸內(nèi)殘余廢氣量可以被靈活有效地控制，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩以及降低CO、NOx、HC等有害排放物起到了非常顯著的作用。

1.1 工作原理簡(jiǎn)述

在實(shí)際運(yùn)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，一般進(jìn)氣相位調(diào)節(jié)器處于最滯后的位置，而排氣相位調(diào)節(jié)器處于最提前的位置。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸在逆時(shí)針正向扭矩的作用下朝滯后的方向旋轉(zhuǎn)，對(duì)于排氣相位調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，它的初始位置在最提前位置，因此發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)要回到初始位置就必須要克服凸輪軸扭矩。為了使排氣相位調(diào)節(jié)器能正?；匚?，通常在其上安裝一個(gè)回位彈簧，其扭矩方向與凸輪軸的正向扭矩方向相反。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，隨著工作情況的不斷變化，凸輪軸的相位需要不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，而回位彈簧則會(huì)隨著相位的調(diào)節(jié)而正反交替地扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而有可能會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，因此需對(duì)回位彈簧在工作時(shí)所產(chǎn)生的最大應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，以確定彈簧疲勞安全系數(shù)。

1.2 回位彈簧介紹

凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的回位彈簧采用的是渦卷形盤(pán)簧，回位彈簧一端固定在相位調(diào)節(jié)器的定子上，另一端固定在轉(zhuǎn)子上，如圖1所示。當(dāng)相位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)，相位器的轉(zhuǎn)子向滯后或者提前方向運(yùn)動(dòng)，回位彈簧則一直對(duì)轉(zhuǎn)子施加往提前方向的扭矩。

本文以排氣相位器回位彈簧為測(cè)試對(duì)象，介紹使用無(wú)線遙感測(cè)試設(shè)備以及電阻式應(yīng)變片對(duì)彈簧的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。

圖1 回位彈簧及其安裝圖

2 測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)試臺(tái)架

本試驗(yàn)使用了電機(jī)倒拖臺(tái)架系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。將凸輪軸相位調(diào)節(jié)器按原機(jī)狀態(tài)安裝在國(guó)內(nèi)某款發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，使用大功率電機(jī)倒拖驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火。臺(tái)架主要由大功率倒拖電機(jī)、臺(tái)架控制系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)組成。電機(jī)最大功率為47 kW，可驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最高9000 r/min的轉(zhuǎn)速。加熱系統(tǒng)可將發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油溫度穩(wěn)定地控制在-20～150 ℃。控制系統(tǒng)采用了西門(mén)子公司的觸摸式操作控制系統(tǒng)，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行設(shè)置。

2.2 相位控制系統(tǒng)

試驗(yàn)需要采集回位彈簧在所有工作狀態(tài)下的應(yīng)變，因此必須能夠?qū)ο辔黄鬟M(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。本次試驗(yàn)使用的相位控制系統(tǒng)包含了ECU、數(shù)據(jù)采集器以及測(cè)試微機(jī)，其工作原理如圖2所示。其中，采集器使用了AFT公司開(kāi)發(fā)的高速數(shù)據(jù)采集器，最高采樣頻率可達(dá)500 kHz。ECU可從發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸傳感器讀取相位信息，并通過(guò)比例電磁閥對(duì)相位角進(jìn)行控制。所有數(shù)據(jù)的設(shè)置、記錄和保存均可通過(guò)測(cè)試微機(jī)中的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

2.3.1 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)主要由應(yīng)變片惠斯頓電橋和無(wú)線測(cè)試裝置組成。試驗(yàn)中，將電阻式應(yīng)變片粘貼在回位彈簧表面測(cè)量其應(yīng)變,但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，回位彈簧隨凸輪軸相位器一起旋轉(zhuǎn)，使用傳統(tǒng)的有線 裝置無(wú)法接收應(yīng)變片的輸出信號(hào)，因此本次試驗(yàn)采用了無(wú)線遙感測(cè)試裝置來(lái)測(cè)量應(yīng)變片的輸出信號(hào)。

2.3.2 回位彈簧應(yīng)變仿真計(jì)算

為了確定應(yīng)變片的粘貼位置，試驗(yàn)前對(duì)回位彈簧靜態(tài)時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行了仿真計(jì)算，在初始預(yù)緊狀態(tài)M1以及最大調(diào)節(jié)狀態(tài)M2時(shí)，最大應(yīng)變點(diǎn)均出現(xiàn)在彈簧線長(zhǎng)67 mm（P1）和446 mm（P2）處，所以選取這2個(gè)點(diǎn)為應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)，如圖3、4所示。

圖3 靜態(tài)下回位彈簧應(yīng)變仿真計(jì)算結(jié)果

圖4 應(yīng)變片粘貼點(diǎn)P1及P2

2.3.3 電阻式應(yīng)變片粘貼

由于彈簧主應(yīng)力為單向拉壓應(yīng)力，因此選用單向應(yīng)變片便可滿足測(cè)量要求。此外，回位彈簧工作時(shí)會(huì)接觸較多的高溫潤(rùn)滑油，因此應(yīng)變片導(dǎo)線及粘結(jié)劑采用的均為耐高溫耐油材質(zhì)，并且在應(yīng)變片及導(dǎo)線外層涂抹一層保護(hù)膜進(jìn)行保護(hù)。應(yīng)變片主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)變片主要參數(shù)

除了粘貼在彈簧表面的主應(yīng)變片外，在相位器外殼上粘貼了僅用來(lái)感受溫度變化的副應(yīng)變片，從而與主應(yīng)變片及2個(gè)定值電阻形成半橋惠斯頓電橋，如圖5所示。這樣一來(lái)可以消除試驗(yàn)中溫度高低變化對(duì)應(yīng)變片電阻的影響，保證應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的可靠性。

圖5 應(yīng)變片粘貼

2.4 無(wú)線遙感測(cè)試系統(tǒng)

2.4.1 無(wú)線遙感測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所使用的無(wú)線遙感測(cè)試系統(tǒng)是德國(guó)MANNER公司生產(chǎn)的雙通道telemetry系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)量2組信號(hào)。系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)接收器和信號(hào)分析單元這3部分組成，如圖6所示。其中，信號(hào)發(fā)射器（轉(zhuǎn)子）一般與被測(cè)旋轉(zhuǎn)件通過(guò)工裝連接在一起旋轉(zhuǎn)，被測(cè)信號(hào)引線可焊接在發(fā)射器的針腳上，從而將測(cè)量信號(hào)無(wú)線發(fā)送給信號(hào)接收器；信號(hào)接收器（定子）一般固定不動(dòng)，將信號(hào)傳輸給信號(hào)分析單元。信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器間不接觸，間隙為0.5～1 mm。

圖6 Telemetry系統(tǒng)組成

Telemetry系統(tǒng)將傳感器與無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。應(yīng)變電信號(hào)由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大，并經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，編碼器將采集到的數(shù)字量以PCM（脈沖編碼調(diào)制）形式傳送給轉(zhuǎn)子再發(fā)送給定子，定子接收到數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給信號(hào)分析單元，進(jìn)行D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換并以模擬信號(hào)的形式對(duì)外輸出，最后利用PIKESPEAK對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行采集記錄。其工作原理如圖7所示。

2.4.2 無(wú)線遙感測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)用

在本次試驗(yàn)中，通過(guò)特定的工裝設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)子和相位調(diào)節(jié)器固定在一起，如圖8所示。其中，工裝一頭與轉(zhuǎn)子通過(guò)螺栓緊密連接，另外一頭通過(guò)熱壓的方式固定在相位調(diào)節(jié)器的殼體外圈上。應(yīng)變片電橋的引線從回位彈簧上引出之后，用粘結(jié)劑依次粘結(jié)在相位器外殼、工裝外表面、工裝內(nèi)表面上，最后將引線焊接到轉(zhuǎn)子針腳上。定子則利用簡(jiǎn)易牢固的支架直接固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼上。最后，將改裝之后的相位調(diào)節(jié)器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，如圖9所示。

圖7 Telemetry系統(tǒng)原理圖

圖8 轉(zhuǎn)子與相位調(diào)節(jié)器的固定

圖9 Telemetry系統(tǒng)安裝圖

3 測(cè)試方法及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方法

1）發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度設(shè)定為85±5℃。2）相位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到指定工作狀態(tài)。

3）保持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速10 s，然后60 s內(nèi)勻速上升到最高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速時(shí)保持10 s，再在60 s內(nèi)勻速下降至怠速轉(zhuǎn)速。

4）怠速轉(zhuǎn)速保持10 s，相位調(diào)節(jié)器保持初始位置。3.2 工作狀態(tài)

相位調(diào)節(jié)器在以下各個(gè)工作狀態(tài)下重復(fù)上述步驟3和4進(jìn)行試驗(yàn)。

1） 初始位置 最提前位置，相位器不調(diào)節(jié)。

2） 中間位置 本次試驗(yàn)用相位調(diào)節(jié)器最大調(diào)節(jié)角度為60°曲軸轉(zhuǎn)角，故中間位置為30°曲軸轉(zhuǎn)角位置。

3） 最滯后位置 即60°曲軸轉(zhuǎn)角位置。

4）通過(guò)改變PWM（占空比），將相位器從初始位置到最滯后位置來(lái)回調(diào)節(jié)50個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)8 s，其中初始位置保持4 s，最滯后位置保持4 s。

3.3 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出彈簧主要是受壓應(yīng)力作用。在各種工作狀態(tài)下，回位彈簧的應(yīng)變隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高，凸輪軸的扭矩逐漸增大，從而使得彈簧受力增大而導(dǎo)致的。當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)速為1750 r/min時(shí)（曲軸轉(zhuǎn)速為3500 r/min），回位彈簧應(yīng)變出現(xiàn)比較大的波動(dòng)。其中，在相位調(diào)節(jié)器處于來(lái)回調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，P1及P2出現(xiàn)最大峰值分別為-1245.7μm/m和-1498.6μm/m，見(jiàn)表2。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有2種，一是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生異常抖動(dòng)，比如共振或者爆震；二是彈簧本身發(fā)生共振。而從圖10中我們發(fā)現(xiàn)凸輪軸的角度波動(dòng)基本在5°曲軸轉(zhuǎn)角左右，因此發(fā)動(dòng)機(jī)異常抖動(dòng)的可能性較小，基本可以判斷在該轉(zhuǎn)速下應(yīng)變的突變是由于彈簧受到外界激勵(lì)而產(chǎn)生共振。

表2 應(yīng)變測(cè)試最值 μm/m

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)凸輪軸相位調(diào)節(jié)器回位彈簧工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，無(wú)法使用有線設(shè)備直接測(cè)量的特點(diǎn)，采用了先進(jìn)可靠的無(wú)線遙感測(cè)試設(shè)備對(duì)回位彈簧的動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了有效測(cè)量。

［1］ MANNER Sensortelemetrie GmbH.Operating Manual,Telemetry System［Z］.2014.

［2］ Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH.Strain Gages and Accessories［Z］.2008.

［3］ 屠衛(wèi)星.可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與維修［M］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

圖10 測(cè)試結(jié)果

（編輯 楊 景）

Test Method of the Return Spiral Spring Strain on Camshaft Phaser

WAN Zhi-gang1，2
（1. School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804；2. Engine R＆D，Schaeffler Greater China，Shanghai 201804，China）

In order to test the strain of return spiral spring of the variable camshaft phaser，we design the half-bridge Wheatstone bridge circuit，and attach the strain gage on surface of the spring; through a motored-engine test rig，we use the telemetry system and high frequency measuring device to record all the tested strain data. According to the test result，it is found that the strain of the return spiral spring would suddenly hits the highest value，when the engine speed reaches 3500 rpm，which is about 1500μm/m.

variable camshaft phaser；return spiral spring；strain；telemetry system

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0072-05

2017-06-01