廖中文 劉艷紅

摘 要：為了解決按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷更換機(jī)油帶來(lái)的機(jī)油浪費(fèi)、加劇機(jī)械磨損等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)按質(zhì)更換的目的，項(xiàng)目組根據(jù)潤(rùn)滑油屬性，確定潤(rùn)滑油使用性能的影響因素，參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測(cè)量原理，設(shè)計(jì)一款可以克服汽車(chē)各種工況、能夠降低外界環(huán)境對(duì)潤(rùn)滑油黏度屬性監(jiān)測(cè)影響的一款潤(rùn)滑油品質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器。將傳感器應(yīng)用于樣品潤(rùn)滑油的黏度測(cè)量，并與現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：車(chē)用潤(rùn)滑油黏度傳感器具有較好的精度和靈敏性，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)提醒車(chē)主的目的。

關(guān)鍵詞：黏度傳感器;NDJ-1;實(shí)時(shí)按質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-35-04

Abstract： In order to solve the problem of oil waste and aggravating mechanical wear caused by oil change according to traditional experience and realize the purpose of quality change， the project team determines the factors affecting the performance of lubricating oil according to the properties of lubricating oil， and designs a real-time monitoring sensor of lubricating oil quality that can overcome various automobile working conditions and reduce the influence of external environment on the viscosity property monitoring by referring to relevant technologies at home and abroad and the measurement principle of rotary viscosity meter. The sensor is applied to the viscosity measurement of sample lubricating oil， and compared with the measurement value of existing equipment. The results show that： the viscosity sensor of vehicle lubricating oil has good precision and sensitivity， and can realize the purpose of accurately reminding car owners.

Keywords： Viscosity sensor; NDJ-1; The real-time monitoring

CLC NO.： TP212.9 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-35-04

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油使用壽命有限，約為5000-30000km。目前，轎車(chē)售后市場(chǎng)的傳統(tǒng)做法是約定5000km進(jìn)行一次保養(yǎng)，并更換機(jī)油，通過(guò)實(shí)地調(diào)查取樣測(cè)試發(fā)現(xiàn)，行駛5000km就替換下來(lái)的機(jī)油，普遍沒(méi)有達(dá)到使用壽命，存在較大程度上的浪費(fèi);營(yíng)運(yùn)型車(chē)輛在使用過(guò)程中，車(chē)主普遍為了追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化，忽視汽車(chē)的定期保養(yǎng)，機(jī)油的更換沒(méi)有按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行，實(shí)地調(diào)查取樣測(cè)試發(fā)現(xiàn)，較多營(yíng)運(yùn)車(chē)輛在機(jī)油更換時(shí)，已經(jīng)嚴(yán)重超出使用壽命，臟污嚴(yán)重、嚴(yán)重變質(zhì)，對(duì)車(chē)輛的使用性能造成極大的負(fù)面影響，增加使用成本和維護(hù)費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)斐赡Σ磷枇^(guò)大，軸承斷裂等惡性事件。

基于以上的分析不難發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)機(jī)油更換是通過(guò)人為約定時(shí)間或者根據(jù)車(chē)主的駕駛習(xí)慣和喜好來(lái)確定更換時(shí)間的，不能做到按質(zhì)更換?？茖W(xué)合理的確定機(jī)油更換時(shí)機(jī)，不僅能提高汽車(chē)的技術(shù)狀況和使用壽命，同時(shí)能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

依照按質(zhì)換油的思路，將機(jī)油的重要屬性（黏度、溫度、顆粒度、酸性物質(zhì)）等通過(guò)不同的傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)判斷各大指標(biāo)是否超出使用壽命標(biāo)準(zhǔn)，一旦出現(xiàn)該種情況，及時(shí)提醒車(chē)主對(duì)機(jī)油進(jìn)行更換。在基有的所有屬性之中，黏度是影響機(jī)油性能的最重要指標(biāo)之一，本文將以機(jī)油黏度為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一款在線監(jiān)測(cè)傳感器，以圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)油黏度數(shù)據(jù)，指導(dǎo)車(chē)主按質(zhì)更滑機(jī)油。

1 黏度傳感器的初步研制

1.1 車(chē)用潤(rùn)滑油黏度的常見(jiàn)測(cè)量方法

潤(rùn)滑油的使用壽命受到諸多因素的影響，比如：車(chē)況、駕駛習(xí)慣、油品屬性等等，按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷，難以精確確定更換油品的最佳時(shí)間，所以需要借助高靈敏度，高精度的測(cè)試儀器。在潤(rùn)滑油的諸多屬性之中，黏度是影響其品質(zhì)的一個(gè)重要物理性質(zhì)。

目前，黏度測(cè)量的方法主要有實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的黏度測(cè)試方法主要包括了出流法、重力法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法、超聲波技術(shù)以及光學(xué)測(cè)量技術(shù)。出流法主要用到了玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)或者短管和小孔型黏度計(jì);旋轉(zhuǎn)法主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上;振動(dòng)法主要有低頻擺動(dòng)黏度計(jì)和高頻振動(dòng)黏度計(jì)[1]。對(duì)于能夠初步用于在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)：Hammond[2]開(kāi)展了一種聲學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)油品質(zhì)傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)AEOQ ）試制模型。Jakoby[3]研究了一項(xiàng)微型聲學(xué)黏度傳感器，德國(guó)博世集團(tuán)根據(jù)Jakoby的研究結(jié)果，開(kāi)發(fā)了一款多功能油品質(zhì)量傳感器，它將油品黏度和溫度測(cè)量集成在一起，完成了黏度和溫度集成一體的傳感器。Chao[4]（音譯）研究了一款基于石英諧振器厚膜剪切模式（簡(jiǎn)稱(chēng) TSM）微型聲波傳感器，并開(kāi)發(fā)出了基于單面和雙面TSM諧振器的傳感器原型。Preethichandra[5]設(shè)計(jì)了多功能傳感器，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)油的黏度、清潔度、溫度和電容。

本文設(shè)計(jì)的黏度傳感器主要是基于旋轉(zhuǎn)法，以NDJ-1旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測(cè)量原理為基礎(chǔ)，克服了潤(rùn)滑油工作的極端環(huán)境以及汽車(chē)行駛中帶給發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)以及油品對(duì)傳感器的影響等因素所研制出的一款具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油黏度性能的傳感器。

目前，該黏度傳感器配備具有特定程序的控制單元，組建監(jiān)控系統(tǒng)，完成監(jiān)測(cè)油品黏度的功能，其具體的工作方式如圖1所示：

該監(jiān)控系統(tǒng)的主要原理是控制單元控制傳感器模塊進(jìn)行工作，傳感器將監(jiān)測(cè)到的潤(rùn)滑油阻力（黏度）數(shù)據(jù)反饋回控制單元，控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而計(jì)算出油品黏度值并將黏度顯示在單片機(jī)上。

1.2 車(chē)用潤(rùn)滑油黏度傳感器的組成

黏度傳感器主要由霍爾傳感器、130系列的伺服電機(jī)以及固定霍爾傳感器和伺服電機(jī)的玻纖外殼所組成，具體結(jié)構(gòu)圖由圖2所示：

該傳感器外形主要是由兩個(gè)半圓柱形的玻纖外殼組成，兩個(gè)半圓柱外殼并不完全相同，在其中的一個(gè)半圓柱外殼的上內(nèi)腔預(yù)留了兩個(gè)導(dǎo)線孔來(lái)引出電機(jī)的導(dǎo)線，因電機(jī)需要密封不進(jìn)油的工作條件，且外殼除了要能長(zhǎng)期浸泡在油液里還需滿足能承受汽車(chē)在不同工況下所帶來(lái)的溫度變化這一條件，而玻纖具有極好的抗腐蝕性以及耐熱性，符合所需條件，所以本傳感器選用了玻纖材料來(lái)制作這個(gè)傳感器的外殼，傳感器之所以由兩個(gè)半圓柱的外殼組成主要是為了方便拆裝。

兩個(gè)半圓柱形外殼的接觸面上分別有4對(duì)固定槽、柱，此設(shè)計(jì)主要是為了將兩個(gè)外殼準(zhǔn)確地貼合，以保證電機(jī)及傳感器內(nèi)部元件的工作。在外殼的上內(nèi)腔部分加裝了一對(duì)固定電機(jī)用的固定卡塊12，以保證電機(jī)能穩(wěn)定工作;在上內(nèi)腔的頂部及上內(nèi)腔與下內(nèi)腔的連接處分別設(shè)有連接電機(jī)長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸2、短轉(zhuǎn)軸13的圓孔，這兩個(gè)孔將電機(jī)的兩根轉(zhuǎn)軸各自延伸到傳感器外連接轉(zhuǎn)子1以及下內(nèi)腔帶動(dòng)圓盤(pán)7旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在外殼下內(nèi)腔的內(nèi)壁上還設(shè)置了一個(gè)放置霍爾傳感器的槽位9。

當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子將與電機(jī)的長(zhǎng)軸2一同旋轉(zhuǎn)，但此時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)受到來(lái)自于流動(dòng)油液的阻力，轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速將會(huì)有所下降，并將此阻力反作用于電機(jī)10上，電子也在轉(zhuǎn)子的影響下降低轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)10另外一端連接的圓盤(pán)7轉(zhuǎn)速也隨之減緩，而在圓盤(pán)7一側(cè)預(yù)留四個(gè)半圓形的凹槽14所固定的磁鐵15隨著圓盤(pán)作同心圓運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)靠近安裝在外殼下內(nèi)腔內(nèi)壁上的霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器感受到來(lái)自于磁鐵的磁力會(huì)發(fā)出一個(gè)低頻信號(hào)，并將低頻信號(hào)傳遞給電控單元，電控單元根據(jù)霍爾傳感器所傳輸?shù)男盘?hào)的頻率，按照已設(shè)定好的程序?qū)⒋祟l率轉(zhuǎn)換為粘度的表達(dá)方式，最終將此粘度數(shù)據(jù)顯示于電控板上的液晶顯示屏上。

經(jīng)過(guò)借鑒、計(jì)算與比較，最終確定黏度傳感器的主要結(jié)構(gòu)尺寸及主要部件參數(shù)分別如表1所示。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)困難及解決措施

（1）在油液環(huán)境下對(duì)傳感器內(nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)的方法

為了使黏度傳感器內(nèi)部電路能夠達(dá)到較好的密封效果，本文作者在保證傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子剛性連接的同時(shí)，考慮到了電機(jī)軸承與轉(zhuǎn)軸孔的間隙問(wèn)題，采用的間隙配合在極大程度上既保證了轉(zhuǎn)軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也保證了最大的密封性。

（2）在高溫環(huán)境下的準(zhǔn)確測(cè)量

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，潤(rùn)滑油的溫度會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度影響。因此，如何在高溫環(huán)境中確保黏度傳感器測(cè)量工作的正常進(jìn)行和測(cè)量精度的準(zhǔn)確。本文作者在設(shè)計(jì)該傳感器中采用了螺旋式固定裝置，在黏度傳感器的外殼處進(jìn)行螺紋處理，使其安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)中能夠達(dá)到固定和密封的作用;在另一方面，螺旋的固定方式可以使黏度傳感器轉(zhuǎn)子在潤(rùn)滑油中，而傳感器的大部分內(nèi)部電路和外殼在潤(rùn)滑油的外部環(huán)境中。

（3）最小尺寸設(shè)計(jì)

由于車(chē)用傳感器屬于MEMS傳感器系列產(chǎn)品，所以為了能夠盡可能的減少空間的浪費(fèi)和具有一定的耐高溫耐腐蝕性，傳感器的外殼采用了玻纖材料和3D打印技術(shù)一次完成傳感器的外殼制作。而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，大部分元件采用了過(guò)盈配合從而節(jié)省了黏度傳感器大部分的內(nèi)部空間并且不影響其測(cè)量的精度和工作效率。

2 黏度傳感器的初步校核

為了確保黏度傳感器的精度，在完成制造及調(diào)試后，首先對(duì)其進(jìn)行初步校核。初步校核的方法是利用該裝置測(cè)量液體的粘度，測(cè)量結(jié)果與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[1]。

2.1 實(shí)驗(yàn)的預(yù)處理

（1）分別采集使用了0公里（新潤(rùn)滑油）、1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里里程數(shù)的潤(rùn)滑油（美孚一號(hào)，0W-40）進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）分別將其放置入不同的燒杯中，并使?jié)櫥筒怀瑹畲笕萘?00ml的三分之二。

（3）在進(jìn)行潤(rùn)滑油黏度的測(cè)量時(shí)，需要先將使用不同里程數(shù)的汽車(chē)潤(rùn)滑油分別進(jìn)行靜置10到20min，然后進(jìn)行一遍機(jī)械雜質(zhì)的過(guò)濾。對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行初步的處理后將其盛裝在不同的燒杯中進(jìn)行保存，并且貼上不同的標(biāo)簽和文字加以區(qū)別。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（1）取出盛有新潤(rùn)滑油（0公里）的燒杯，將其置于室溫下，并利用攪拌電機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行不斷的攪拌，將制作好的黏度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，利用溫度傳感器測(cè)出其所處溫度，觀察控制單元顯示屏上的時(shí)間值，并做記錄。

（2）將加熱裝置準(zhǔn)備好，對(duì)該潤(rùn)滑油進(jìn)行加溫，并且利用電機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行不斷的攪拌、利用水溫傳感器隨時(shí)監(jiān)控潤(rùn)滑油水溫上升情況，待溫度上升至120℃左右時(shí)，停止加熱。當(dāng)溫度傳感器探測(cè)溫度顯示在120℃左右不變化時(shí)，利用黏度傳感器再次測(cè)量，并記錄相關(guān)的數(shù)值。

（3）在溫度下降的過(guò)程中，分別在溫度下降到110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃再次利用制作的黏度傳感器進(jìn)行測(cè)試，并記錄相關(guān)數(shù)值。

（4）將實(shí)驗(yàn)過(guò)后的潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻降溫到室溫后，放回到指定位置。

（5）分別取出使用了1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里的潤(rùn)滑油再仿照步驟1到4進(jìn)行分別的實(shí)驗(yàn)并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到美孚一號(hào)機(jī)油樣品部分運(yùn)動(dòng)粘度數(shù)據(jù)與粘溫曲線圖，如表2所示。

由表2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著油溫的升高，潤(rùn)滑油黏度會(huì)逐漸降低，當(dāng)溫度超過(guò)一定限值，潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能將失效。通過(guò)對(duì)比三種不同使用周期的美孚一號(hào)機(jī)油樣品，不難發(fā)現(xiàn)，隨著使用里程數(shù)的增加，機(jī)油的黏度會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是5000km與3000km的機(jī)油對(duì)比時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，這也說(shuō)明，機(jī)油在5000km時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)質(zhì)變。通過(guò)對(duì)比廖中文利用自制的高速可視化剪切粘度測(cè)試儀[6]，得到的試驗(yàn)結(jié)論是一致的。

3 結(jié)論

本論文通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油黏度常見(jiàn)測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比分析，確定關(guān)鍵影響因素，自行設(shè)計(jì)一款車(chē)用潤(rùn)滑油黏度傳感器，通過(guò)校核，與現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量結(jié)果一致。在實(shí)際應(yīng)用中，可以

指導(dǎo)車(chē)主按質(zhì)更換機(jī)油，具有一定的創(chuàng)新型和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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