测功机动态校准装置研究
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作者:苏阳 曹进 王丽芳 黄星
摘 要：本文对测功机校准装置的工作原理进行分析，根据测功机的测试装置“静检动用”的现状，从动态工况的角度入手，在扭矩和转速两方面通过开展仿真实验的方式，构建信号模型，针对不同测量标准下的实验结果进行分析，研究扭矩和转速测试中的关键参数和测试结果在动态校准和静态校准下的差异，并分析差异发生的原因和规律，为扭矩和转速的动态校准装置的研究提供数据和理论支持。
关键词：测功机 扭矩 转速 校准装置
中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0064-02
在现代信息技术发展之下，测功机的产品更新和新技术应用速度逐步加快，计量检测作为产品质量保障中的重要一环，应该发挥出应有的功效，为汽车工业保驾护航。本文根据测功机的测试装置“静检动用”的现状，从动态工况的角度入手，对测功机的扭矩和转速校准进行分析和研究，为扭矩和转速的动态校准装置的研究提供数据和理论支持。
1 校准装置基本原理和指标
1.1 工作原理
扭矩的测量：扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，为了检测旋转扭矩，目前使用较多的是扭转角相位差式传感器。该传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近（磁或光）传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号;缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。本装置拟采用应变片电测技术 ，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。
转速的测量：目前国内的转速测量仪有点燃式测功机高压点火脉冲感应式、机动车电瓶充放电电压脉动式、测功机振动感应式测功机转速测量仪几大类。装置拟采用磁脉冲传感器对转速进行测量。磁脉冲传感器是由磁头，脉冲整形放大电路，频率——电压转换电路及滤波电路组成。磁头是产生脉冲信号的部件，它产生的脉冲信号的频率与转速成比例，在主机的主轴或凸轮轴上装一个齿轮（可利用盘车的齿轮）把磁头对准齿顶固定，磁头与齿顶之间保持一个较小的间隙。当齿轮转动时，磁头将交替对准齿顶和齿槽，即可输出脉冲信号，实现对转速的测量。
1.2 技术指标
在校准工作中，采用350Nm扭矩转速动态校准装置，包括传感器、数据分析、软件处理与高速采集等系统;在测量范围方面，扭矩为30～350Nm，转速为500～4000r/min，在工况条件下示值误差分别为：扭矩为±0.3%、转速为±0.05%;示值重复性分别为：扭矩为0.3%、转速为0.05%;扭矩信号最大采样频率为500kHz，在扭矩转速动态校準方法研究中，采用行业内部通用校准规范[1]。
2 信号模型构建及分析
以转速为例，根据测功机自身结构特点可知，其主要依靠各个缸轮燃烧的方式作功，促进其旋转，在指示扭矩方面以波动变化为主，即便测功机负荷处于恒定状态，转速也具有一定的周期性波动特征。在测功机发电过程中，转速波动不超过1%，对于车辆、舰船等主动力机来说，在转速波动方面应更大一些。假设在测功机运行过程中，转速用公式表示为：
式中，n0代表的是测功机平均转速，单位为r/min;△n代表的是转速波动数值，单位为r/min;f代表的是平均转动频率，单位为Hz;z代表的是缸数。通常情况下，可根据测功机齿轮对其平均转速进行测量，公式为：
式中，ω代表的是测功机齿轮角速度;n代表的是转速。
2.1 转速校准仿真分析
为了对转速装置进行校准，本文根据齿轮转动一圈花费的时间进行测量，对转速校准进行仿真分析。在仿真过程中，针对某一个6缸测功机作为研究对象，齿轮共有120个齿，传感器信号幅值率为0.2，转速波动率为1%，分别在测功机转速为1500r/min、1300r/min、1100r/min和900r/min情况下，绘制转速曲线。当测量圈数固定的情况下，标准差得以减少，平均值与真实值之间的差距较小，在此情况下，转速越低，测量标准差也随之减小，意味着测量误差更小，与平均值统计理念更加符合;在以测量时间间隔为标准进行测量时，时间间隔越大，说明误差越小，当间隔不超过齿轮转动一圈的时间时，误差大幅增加，当间隔超过齿轮转动一圈的时间时，误差减小，逐渐接近真实数值。此外，在测量时间间隔固定的情况下，转动速度越低，说明误差越大。
为了对上述理论分析的正确性进行验证，开展实验研究。采用350Nm扭矩转速动态校准装置，包括传感器、数据分析、软件处理与高速采集等系统;在测量范围方面，扭矩为30～350Nm，转速为500～4000r/min，在工况条件下示值误差分别为：扭矩为±0.3%、转速为±0.05%;示值重复性分别为：扭矩为0.3%、转速为0.05%;扭矩信号最大采样频率为500kHz。通过对波形的分析可知，测功机运行中转速与转交波动间存在紧密联系，主要由于载荷与燃烧具有随机波动性特征，因此转速数值也具有波动性;在准确获取测功机瞬时转速的情况下，测量仪表数值处于转速波动范围内则说明仪表具有可用性，反之则需要采取措施对测量误差进行处理和控制[3]。 3 动态高速采集系统的设计
本文所设计的扭矩转速动态测试校准装置中的动态高速采集系统，主要由数据采集器与数模转换器、微机接口电路等部分共同组合而成。其中数据采集器当中包括多路开关与测量放大器等重要部件，负责逐一对众多现场模拟信号进行采样，并对其进行量化处理使之成为数字信号，再将其传输至计算机中[1]。数模转换器则主要负责转换经由微机输出的数字信号，使之成为模拟信号，便于系统对各项任务要求、任务情况的鞥进行准确记录显示和灵活控制。当系统采集获得时域信号后，首先需要对信号进行放大处理，使得时域信号被放大成电信号，而后通过模拟滤波分析出信号当中，以频率为主要成分的信号，并对其进行A/D转换，使之成为数字信号，最后传输至计算机中进行相应分析处理即可。
由于测功机测试系统本身涉及众多测量参数，对测量实时性有较高要求，因此在实际开展机械性能模拟测试时，测试系统不仅需要支持正确设置系统参数，同时还应当负责实时采集各项测功系统所需数据信息并对其进行有效处理，完成动态、在线监测测功机转速、扭矩等参数，确保测功机测试系统得以实现长效、安稳运行[2]。
4 结语
根据仿真结果可知，当测量圈数固定的情况下，转速越低，测量标准差也随之减小，误差更小;当测量时间间隔越大，说明误差越小。综上所述，通过仿真實验的方式对测功机的转速与扭矩的校准方法进行分析，本文所设计的测功机动态校准装置从扭矩、转速两个关键参数着手，在实际工况中前端能够实现定扭矩、定转速、零转速、恒扭矩、自动加载、瞬态加载、反拖切换、动态堵转、带载启动等方式下的高速动态测量。后端平台可以实现系统结构模块化，利用各种先进、专业的应用软件，以人机交互的方式可以有效完成对动态校准装置数据的高速采集、控制、调试，自动完成对采集得到的各项信息数据及信号分析处理与分类存储。通过本文研究，对动态工况下扭矩校准等技术难题得到有效解决，对我国装备制造水平提升具有重大意义。
参考文献
[1] 郑术力，陈志雄，陈礼刚，等.汽车用感应式发动机转速表校准装置研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（S1）：122-125.
[2] 徐永，董青华，贺忠江，等.加速度计动态校准装置的研究[J].计测技术，2017， 27（3）：19-21.
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