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(dòng)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(dòng)力性和通過性，顯著改善了汽車操縱穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性，在四輪驅(qū)動(dòng)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?。以下介紹產(chǎn)品性能試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)原理，并對(duì)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(jì)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(dòng)機(jī)，作為黏性耦合器輸入軸的驅(qū)動(dòng)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(jì)算處理得到反映耦合器性能的測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線，同時(shí)通過非接觸式溫度傳感器檢測(cè)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(jì)

試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括基礎(chǔ)臺(tái)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器及扭矩加載器等。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的輸入輸出功率范圍，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和扭矩加載器的加載扭矩。同時(shí)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(duì)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(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制和被試件相關(guān)數(shù)據(jù)的采集分析。即通過對(duì)動(dòng)力電機(jī)和扭矩加載器的自動(dòng)控制來模擬被試的黏性耦合器的各種工況，同時(shí)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(cè)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)組成框圖

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)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(jì)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(hào)穩(wěn)定可靠性直接影響?zhàn)ば择詈掀餍阅艿脑u(píng)價(jià)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(cè)精度可達(dá)0.18°，可精確檢測(cè)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(dòng)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(hào)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

(2)控制采集板卡

控制采集板卡用于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和傳感器信號(hào)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(hào)采集卡及串口通訊卡等。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器信號(hào)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(hào)，輸入輸出軸扭矩信號(hào)，這些信號(hào)都是脈沖信號(hào)，由信號(hào)的頻率換算為轉(zhuǎn)速或扭矩值。

系統(tǒng)模擬量輸出信號(hào)主要是輸出端加載扭矩的控制，需1個(gè)模擬量輸出通道。而對(duì)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(jì)算機(jī)交互。另外數(shù)字IO信號(hào)主要包括超速、超載、高溫報(bào)警，手動(dòng)/自動(dòng)切換、系統(tǒng)聲光報(bào)警等。

基于以上分析，選擇臺(tái)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(duì)應(yīng)信號(hào)調(diào)理端子板。其中PCL836具有16路的開關(guān)量信號(hào)輸入和16路的開關(guān)量信號(hào)輸出通道，還有6個(gè)計(jì)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(duì)輸入輸出和計(jì)數(shù)信號(hào)采集的功能要求。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

(1)性能測(cè)試模塊

性能測(cè)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(dòng)測(cè)試，可實(shí)時(shí)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(shí)曲線圖。

進(jìn)行“駝峰”性能測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)迅速減小，記錄該過程中的輸出扭矩值?！盎貧w”性能測(cè)試與“駝峰”性能測(cè)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(shí)，系統(tǒng)將控制輸出端扭矩自動(dòng)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(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)和對(duì)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(cè)和故障自診斷。系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，可根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度進(jìn)行報(bào)警或自動(dòng)停機(jī)等預(yù)警保護(hù)措施。同時(shí)可對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩加載器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索和試驗(yàn)報(bào)表打印。該模塊可將測(cè)試的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫文件，用戶可通過流水號(hào)、測(cè)試時(shí)間、試件型號(hào)等多種方式查詢和打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)模塊可定期對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行備份。

圖4 性能檢測(cè)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(duì)某型號(hào)的車用黏性耦合器樣件進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)黏性耦合器性能的評(píng)價(jià)主要是發(fā)生“駝峰”時(shí)的轉(zhuǎn)速差和“回歸曲線”在同一轉(zhuǎn)速差下對(duì)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(hào)樣件的硅油填充率逐漸增大。試驗(yàn)時(shí)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(shí)回歸特性變差。另外每個(gè)樣件在出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象的時(shí)候，聯(lián)軸器的輸出扭矩還有一個(gè)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(duì)某型號(hào)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(duì)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(píng)價(jià)，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。

［1］夏國(guó)棟，劉亮，張少華，等.黏性耦合器駝峰特性［J］.汽車工程，2001(5):97-101.

［2］劉亮，夏國(guó)棟，陳雪梅，等.黏性耦合器剪切扭矩計(jì)算的方法［J］.汽車工程.2003(7):30-33.

［3］MOHAN S K，RAMARAO B V，STEPHENS C F，et al.Viscous Coupling in 4WD Vehicle:Application of Computational Modeling［J］.SAE，920611.

［4］楊勁松，張濤.計(jì)算機(jī)工業(yè)控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2003.

［5］郭華偉，施文康，鄧勇，等.減振器試驗(yàn)平臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)研究［J］.測(cè)控技術(shù)，2005，24(8):64-68.

［6］朱華衛(wèi).液體黏性聯(lián)軸器特性及其檢測(cè)方法研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.