特種車輛扭矩測試儀的研制

宋美球，劉云鵬，黨 玲，吳 超，徐 宜，卜樹峰

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

特種車輛扭矩測試多集中于動力部件，以旋轉(zhuǎn)軸居多，如發(fā)動機輸出軸、變速箱輸出軸、扭軸，等等.而這些部件的測試環(huán)境具有如下顯著特點:1)部件緊湊、空間狹小，設(shè)計時未給測試儀預(yù)留位置;2)零部件常處于大負荷、高速、高強度、振動、沖擊、高溫、低溫、油水侵蝕等條件下工作;3)運動復(fù)雜，既有旋轉(zhuǎn)運動又有往復(fù)運動.這些特點導(dǎo)致普通扭矩儀無法安裝使用，測試值無法獲取.因此，有必要研究一套適合特種車輛試驗環(huán)境的扭矩測試儀[1].

應(yīng)變式扭矩測試是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的測量方法之一.它以其靈活的環(huán)境適應(yīng)性，且具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)較成熟的優(yōu)勢，使之成為特種車輛扭矩測試的首選.但應(yīng)變式扭矩測試存在的零漂、溫漂以及旋轉(zhuǎn)件的信號輸出等問題仍需要進一步研究.

1 應(yīng)變式扭矩測試原理

應(yīng)變式扭矩測試原理可簡述為:扭矩傳遞到彈性元件，彈性元件在扭矩作用下產(chǎn)生形變;由應(yīng)變計感知這種形變，從而得到扭矩.根據(jù)虎克定律可推導(dǎo)出橫截面上產(chǎn)生的總扭矩T.設(shè)ε是軸表面與軸線成45°方向上的應(yīng)變值，G是材料的剪切模量，J為極慣性矩，r為直圓桿半徑.對于給定的材料有

圖1為應(yīng)變電橋測量電路原理圖，Uo為輸出電壓，Ea為輸入電壓，R1、R2、R3、R4為4個橋臂電阻值.若1個橋臂感知應(yīng)變稱為1/4橋，若2個橋臂感知應(yīng)變稱為1/2橋，若4個橋臂均感知應(yīng)變稱為全橋.當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時，

有

利用式(1)、式(3)就可以準(zhǔn)確得到扭矩值.相比其他橋，全橋的電壓靈敏度最高.采用全橋還可抵消應(yīng)變計的非線性誤差，對溫度也有一定的補償作用[2].

圖1 應(yīng)變電橋測量電路原理圖

2 總體方案設(shè)計

為適應(yīng)特種車輛測試環(huán)境，采用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)小型化設(shè)計，即將測試系統(tǒng)嵌于測試部位.總體方案系統(tǒng)框圖如圖2所示.測試系統(tǒng)由軸上系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)組成.軸上系統(tǒng)安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，上位機系統(tǒng)則安裝于被試件附近固定不動的地方，與計算機相連.

圖2 總體方案系統(tǒng)框圖

軸上系統(tǒng)主要實現(xiàn)扭矩信號的采集、存儲以及數(shù)據(jù)傳輸.應(yīng)變計沿軸線的45°方向粘貼組成測量電橋，測量電橋設(shè)置有自動調(diào)零功能.測量電橋?qū)⑴ぞ匦盘栟D(zhuǎn)換成電信號進入放大模塊，經(jīng)溫度補償后進入濾波環(huán)節(jié).濾波后的信號由A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入中央處理器進行采集、存儲.數(shù)據(jù)可實時通過藍牙無線傳輸至上位機系統(tǒng)，再由上位機系統(tǒng)傳輸至計算機進行顯示、存儲，或當(dāng)試驗停止，存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)由USB接口直接導(dǎo)出至計算機.

上位機系統(tǒng)主要實現(xiàn)系統(tǒng)控制以及數(shù)據(jù)接收、存儲、顯示和數(shù)據(jù)處理.軸上系統(tǒng)通過無線通訊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機系統(tǒng).上位機系統(tǒng)再由USB與上位機連接，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機供實時采集、顯示和存儲.

電源管理模塊將24 V直流電壓轉(zhuǎn)換成5 V、12 V等不同的電壓供給各個模塊.

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

圖3為系統(tǒng)硬件原理圖.調(diào)理芯片U1是一種高集成度的模擬信號處理器，采用A-Σ技術(shù)開發(fā)的SOC器件，集成多個寄存器、可編程放大器、數(shù)字濾波器及可編程激勵電源等功能模塊，不僅給橋路提供激勵電源，而且是實現(xiàn)自動調(diào)零和溫度補償以及調(diào)理放大等信號調(diào)理功能的主要芯片，主要實現(xiàn)數(shù)字濾波.硬件濾波由芯片U2完成.單片機U3作為中心控制器對外圍芯片進行協(xié)調(diào)控制，同時采用自身的A/D轉(zhuǎn)換器將扭矩模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.數(shù)字信號可直接存入存儲器U4，也可通過USB接口芯片U5上傳至上位機，還可通過藍牙模塊U6無線傳輸傳至上位機系統(tǒng).DC/DC變換模塊將24 V直流電壓轉(zhuǎn)換成5 V、12 V等不同的電壓供給其他功能模塊，并協(xié)同單片機實現(xiàn)低功耗控制.

2.1 電橋自動調(diào)零方案

應(yīng)變計很難保證電阻值完全一致，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由于材料的差異性及其他因素，每一片應(yīng)變計的初始電阻值不會完全一樣;在粘貼環(huán)節(jié)會引入微小的應(yīng)變;在信號傳輸環(huán)節(jié)，試驗現(xiàn)場信號線路的差異造成了放大后的電平嚴重漂移，這些原因都有可能導(dǎo)致公式(2)無法滿足，因此橋路UO≠0，有時UO甚至超出可調(diào)范圍.因此，由應(yīng)變計組成的測量電橋在使用前必須進行調(diào)零，使UO=0，達到平衡狀態(tài).

特種車輛體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件安排緊湊，應(yīng)變測點往往在部件深處，測試人員難以接近，無法進行手動電橋調(diào)平工作.采用自動調(diào)零技術(shù)，無需人工接近測點，解決了電橋調(diào)零的問題.

電橋調(diào)平衡的方法有多種，目前較先進的是采用現(xiàn)代信號調(diào)理技術(shù)實現(xiàn)電橋調(diào)平衡，包括數(shù)字傳感信號處理器(DSSP)和模擬傳感信號處理器(ASSP)2種技術(shù).DSSP技術(shù)是指通過ADC對信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，利用帶有EEPROM的微控制器在數(shù)字域進行校準(zhǔn)和補償，利用DAC將補償結(jié)果變回到模擬信號.這種方法具有自動補償、高精度、低漂移、輸出信號抗干擾能力強等優(yōu)點.ASSP技術(shù)是指通過DAC調(diào)整傳感器的激勵電流，利用數(shù)字技術(shù)調(diào)整放大器的偏移和增益，實現(xiàn)在模擬域?qū)π盘栠M行校準(zhǔn)和溫度補償[3].U1芯片就可以采用這種技術(shù)實現(xiàn)自動調(diào)零功能.

自動調(diào)零主要通過U1芯片內(nèi)部的比較器和偏移寄存器等功能模塊實現(xiàn).U1芯片自動將漂移電壓與基準(zhǔn)電流進行比較，得到一個偏移量.由偏移寄存器輸出校正控制字來控制可編程增益放大器，放大器通過放大一部分電源電壓來補償偏移的部分，最終達到自動調(diào)零的目的.

2.2 無線傳輸方案

旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)據(jù)傳輸方式集合起來主要有接觸式和非接觸式2種數(shù)據(jù)傳輸方式.接觸式數(shù)據(jù)傳輸以集流環(huán)為代表.特種車輛測試中曾使用過電刷式集流環(huán)，由于振動過大，使電刷接觸不良而引起信號波動，造成測量誤差大甚至測量不成功.由此采用非接觸式無線通訊方式.

無線通訊有多種技術(shù)，但由于空間限制、油污和電磁干擾等影響，很多種無線通訊方式變得可靠性差、故障率高，有的裝置甚至處于癱瘓狀態(tài)，無法使用，如無線電技術(shù)的傳輸頻率極易被特種車輛內(nèi)其他無線電信號干擾;紅外線(IR)技術(shù)則需要潔凈的環(huán)境，特種車輛無法滿足;UWB技術(shù)保密性及抗干擾性強，但系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，技術(shù)還不成熟.方案采用“藍牙”無線通訊方式，這種方式具有技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性好等特點，適合特種車輛測試環(huán)境中應(yīng)用.

“藍牙”(Bluetooth)是一種近距離無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率高，對障礙物具有穿透、反射、繞射等特性，在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進行連接，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)通訊.它采用多種技術(shù)消除其它無線設(shè)備的干擾，數(shù)據(jù)傳輸安全、穩(wěn)定、可靠.

單片藍牙收發(fā)器件U6內(nèi)置頻率合成器、功放、振蕩器、調(diào)制和解調(diào)器等功能模塊，融合了藍牙各種抗干擾技術(shù)，并支持低功耗設(shè)計;具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、體積小等優(yōu)點.電路設(shè)計過程中采用多種措施保證傳輸距離:1)通過調(diào)整電阻、電容和電感位置，降低電磁干擾;2)各功能器件通過電容與供電電源隔開;3)盡量多打通孔，使各層都能充分接觸，等等.

2.3 溫度補償方案

隨著環(huán)境溫度變化，應(yīng)變計敏感柵會跟著熱脹冷縮，繼而引起電阻的相對變化，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng).扭矩測試常在較高溫度的部位進行，如風(fēng)扇、傳動箱，等等，而這些部位的旋轉(zhuǎn)件在高速運動過程中其溫度也會上升，溫度上升引起應(yīng)變計敏感柵材料的膨脹，從而引起輸出電阻也會相對變化.盡管全橋具有溫度自補償作用，但補償有限，當(dāng)溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補償，因此應(yīng)變計的溫度補償對旋轉(zhuǎn)軸的測試來說顯得非常必要.

溫度補償功能由芯片U1完成.U1內(nèi)部溫度傳感器實時感受環(huán)境溫度，內(nèi)部寄存器輸出控制字，控制可編程增益放大器輸出補償電流至激勵電源，最終達到溫度補償?shù)哪康?溫度變化，補償電流也變化，因此能自動對溫度進行補償.

2.4 系統(tǒng)供電方案

旋轉(zhuǎn)件的供電也是一個應(yīng)考慮的問題.感應(yīng)供電雖技術(shù)成熟，但設(shè)計復(fù)雜，且發(fā)射、接收距離小，一般在10 mm內(nèi)，其電磁場可能干擾其他電路.電池供電具有電源潔凈、方便快捷、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，不會對電路產(chǎn)生干擾.盡管近幾年來電池正在變得更小、更輕，在單位體積內(nèi)容納更多能量，但要實現(xiàn)長時間工作的目標(biāo)，系統(tǒng)低功耗設(shè)計是必須的手段.

通過動態(tài)電源管理技術(shù)，在系統(tǒng)運行期間，采用軟件控制單片機的不同省電模式達到省電目的.通過單片機編程，關(guān)閉不使用的功能模塊的電源，達到進一步省電的目的.

3 方案驗證

為驗證新設(shè)計扭矩測試儀的各項性能指標(biāo)，在某車輛的風(fēng)扇軸上進行扭矩測試.

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

所謂標(biāo)定工作，就是將測試裝置的指示值與標(biāo)準(zhǔn)扭矩值在規(guī)定條件下進行對比.復(fù)雜零件的扭矩測試系統(tǒng)在安裝前必須進行標(biāo)定工作，建立系統(tǒng)輸出和標(biāo)準(zhǔn)扭矩的對應(yīng)關(guān)系.

標(biāo)定工作在扭矩靜態(tài)標(biāo)定臺上進行，如圖4所示.在恒定臂長的杠桿上加上專用標(biāo)準(zhǔn)砧碼，產(chǎn)生扭矩，該扭矩傳遞到被試軸的扭矩測量儀上，由測試系統(tǒng)顯示出的扭矩值與標(biāo)準(zhǔn)扭矩值進行對比.杠桿臂長固定，通過更換砝碼來獲得各種扭矩值.

圖4 扭矩靜態(tài)標(biāo)定圖

用最小二乘法擬合標(biāo)定曲線，得到擬合曲線(見圖5)和擬合公式:

此公式是“+”號，圖5是“-”號.

由圖5可知，擬合曲線和原始曲線重合很好，線性度很高，其回歸系數(shù)R2達到0.999 7，達到設(shè)計要求.x為示值，xs為標(biāo)準(zhǔn)值，誤差δ由式(6)計算.

標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1，計算得到的誤差最大為1.4%.

表1 扭矩靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖5 標(biāo)定試驗數(shù)據(jù)曲線

3.2 裝車試驗

本測試系統(tǒng)體積小，安裝靈活方便，用卡箍和膠帶捆扎在風(fēng)扇軸上即可;重量輕，安裝在風(fēng)扇軸上也不會影響其正常工作;功耗低，使用可充電電池供電，充電1次可持續(xù)工作48個小時.圖6為系統(tǒng)在某車風(fēng)扇軸上安裝的實物圖.數(shù)據(jù)采用本地存儲形式與藍牙無線通訊形式相結(jié)合進行保存.在試驗進行過程中，數(shù)據(jù)實時采集并保存于軸上系統(tǒng).待本次試驗完成，由上位機系統(tǒng)向軸上系統(tǒng)發(fā)送控制命令，令軸上系統(tǒng)將存儲的數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送至上位機，由上位機保存起來，隨即可進行下一次試驗.

圖6 測試系統(tǒng)安裝圖

試驗進行了多種路面上的多種工況跑車試驗，圖7為車輛在某路面上進行跑車的試驗數(shù)據(jù)曲線.試驗過程中路面前半段凹凸不平后半段相對平坦.出發(fā)前車輛怠速，風(fēng)扇扭矩較低且平穩(wěn);接著車輛在凹凸不平路面行駛，發(fā)動機或加速或減速，風(fēng)扇扭矩隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩的變化而變化，起伏較大;緊接著車輛進入平坦的上坡路，發(fā)動機持續(xù)發(fā)出較大功率，風(fēng)扇扭矩保持在較大值且相對平穩(wěn)，無上下波動;最后車輛到達終點，發(fā)動機熄火，扭矩值也迅速歸零.通過本測試系統(tǒng)附近的鉑電阻溫度傳感器的測試，本次試驗的最高溫度為91℃.

圖7 在起伏路面上測試的風(fēng)扇軸扭矩曲線

本次試驗車輛處于較惡劣的環(huán)境，路面起伏加劇車輛的振動，土路的灰塵和油污嚴重，動力艙溫度高，試驗過程中本測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，所獲取的測試數(shù)據(jù)已應(yīng)用于改進設(shè)計當(dāng)中.

4 結(jié)論

針對根據(jù)特種車輛的特殊測試環(huán)境研制的扭矩測試儀，經(jīng)裝車試驗表明，精度達1.4%，可靠性和環(huán)境適應(yīng)性好，可以用于特種車輛的扭矩測試.

[1]王志剛.坦克裝甲車輛載荷測試及數(shù)據(jù)處理 [J].測試技術(shù)，2005，2(2):25-27.

[2]商維祿.現(xiàn)代扭矩測量技術(shù)[M].1999.

[3]鄧高壽，黨 玲，王志剛.特殊環(huán)境下動載荷獲取技術(shù)淺談.計算機測量與控制 [J]，2010，17(1):44-48.