汽車張緊器振動性能檢測系統(tǒng)的設計與研究

蔡華鋒 胡斌 廖立橋 胡鋼

（1. 湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，武漢 430068；2. 廣州市黃埔區(qū)博思格建筑鋼結構有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來，汽車發(fā)動機的鏈式正時傳動越來越廣泛地采用鏈傳動系統(tǒng)，其尺寸緊湊，高穩(wěn)定性、高耐磨性的顯著特征是齒輪傳動和帶傳動所不具備的，顯示了其廣闊的應用前景。為了滿足汽車鏈主動鏈輪的高轉速特性（常規(guī)工作轉速為4500-10000 r／min），車輛怠速、加速、減速等交變速度過程中的高沖擊，以及傳動系統(tǒng)的長時間高溫、高壓的環(huán)境挑戰(zhàn)，鏈傳動系統(tǒng)必須配備高可靠性的汽車張緊器。因而，汽車張緊器的性能直接關系到車輛與駕駛者的安全，其動態(tài)性能指標的檢測也便成為了鏈傳動系統(tǒng)設計和生產(chǎn)加工過程中必須解決的一項關鍵性技術。

1 系統(tǒng)結構設計

由于汽車張緊器通常在高溫、高壓的工作環(huán)境下，長時間進行高速直線往復運動，廠家需要對抽檢樣品進行振動試驗，模擬其在特定工況下長時間的運行，然后檢測疲勞試驗后的剩余彈力。本系統(tǒng)通過向張緊器腔體通入一定溫度和壓力的循環(huán)油，模擬其高溫高壓工作環(huán)境；同時，通過變頻器驅動特質的凸輪結構持續(xù)高速旋轉，模擬張緊器的往復式伸縮運動工況。最后，將200小時疲勞振動試驗后的試驗樣品進行彈力檢測，獲得該試驗品的耐久性能參數(shù)，進而判評產(chǎn)品的質量等級。

本振動試驗臺基于異步電機的速度閉環(huán)控制方式，采用PLC控制變頻器驅動三相異步電動機恒速運行。另外，本系統(tǒng)所采用的4對極剛性凸輪結構，最大直徑Rmax與最小直徑Rmin的徑差近似等于柱塞伸縮行程的2倍，從而實現(xiàn)了張緊器往復運動頻率的4倍頻，以及運動區(qū)間的限定，即限幅。圖1為該試驗臺控制系統(tǒng)結構圖：

圖1 沉降&振動性能試驗臺控制系統(tǒng)結構圖

2 硬件設計

2.1 信號檢測電路

本系統(tǒng)中檢測電路由光柵測微傳感器、拉壓傳感器、熱電偶溫度傳感器、液壓傳感器以及相應變送器構成。

1）熱電偶溫度傳感器：在模擬張緊器特定溫度的工作環(huán)境時，需要使用加熱管對油箱中的循環(huán)油加熱。由于油液的流動性和導熱性都比較差，本系統(tǒng)采用分布加熱方式，并使用油泵實現(xiàn)油液在箱體內(nèi)的循環(huán)流動，使得熱電偶能夠盡量準確地獲取循環(huán)油的實時溫度，加之熱電偶傳感器的良好線性特性與高靈敏度，進一步減小了檢測誤差。

2）液壓傳感器；實際應用中，張緊器柱塞長時工作于高速直線往復運動狀態(tài)，其腔體承受著劇烈的膨脹力。為了模擬此高壓工況，需要使用油泵對通入張緊器的循環(huán)油施加適當?shù)膲河?。本系統(tǒng)通過安裝于輸油管中的高精度液壓傳感器，PLC的ADC采樣端實時檢測液壓變送器輸出的電壓信號，并快速調(diào)整油泵的壓力，從而實現(xiàn)循環(huán)油的壓力閉環(huán)控制。

2.2 PLC控制器

本系統(tǒng)選用歐姆龍公司的CP1H系列PLC，圖2為PLC控制系統(tǒng)結構圖。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結構圖

2.3 變頻驅動系統(tǒng)

在振動耐久試驗中，需要模擬張緊器運行于12,000 次/min的高速直線往復運動工況。為此，本系統(tǒng)中采用歐姆龍 3G3JV變頻器控制三相異步電機以50 Hz的頻率旋轉，然后運用4對極的高強度凸輪實現(xiàn)振動頻率的4倍頻，凸輪的最大直徑與最小直徑差為1.0 mm，即張緊器頂桿的振動幅度為0.5 mm。本變頻系統(tǒng)既可以使用速度調(diào)節(jié)電位器，實現(xiàn)手動速度調(diào)節(jié)，也可以通過程控實現(xiàn)多段速運行控制。為了防止堵轉燒毀電機，預制多功能端MA/MC為過轉矩檢測模式，充分確保系統(tǒng)的安全可靠運行。如下圖3為變頻驅動系統(tǒng)結構圖。

圖3 變頻驅動系統(tǒng)結構圖

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要由 PLC程序和組態(tài)王上位機監(jiān)控程序組成。

3.1 振動性能試驗臺

在本系統(tǒng)中，凸輪的啟停、循環(huán)油的加熱與泵送以及氣動頂桿的伸縮等工作狀態(tài)都嚴格按照如上所示流程圖完成。

在振動試驗開啟之前，試驗員需要在上位機監(jiān)控界面的參數(shù)設置欄輸入抽檢樣品的型號、批號和循環(huán)油的油品、油壓，以及振動頻率F(Hz)、幅值A(mm)和試驗時長T(h)等信息（其中，振動幅值需要根據(jù)凸輪實際尺寸來設置），以便系統(tǒng)生成試驗報告。振動試驗啟動后，PLC接收到上位機發(fā)出的振動頻率和時長信息，打開抱閘，啟動變頻器速度控制模式，使異步電機按照設定的頻率工作T小時。試驗過程中，PLC通過熱電偶和液壓傳感器實時監(jiān)測循環(huán)油的油壓和油溫，并調(diào)節(jié)油泵和加熱管維持循環(huán)油的穩(wěn)定。

3.2 組態(tài)王上位機監(jiān)控程序

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。

本上位機系統(tǒng)采用亞控公司的組態(tài)王軟件開發(fā)監(jiān)控界面。

圖4 振動試驗軟件流程圖

4 小結

本張緊器振動試驗臺的最終目標是檢測張緊器腔體在特定壓力P和溫度t下，柱塞在一定行程內(nèi)做直線往復伸縮運動一定時間T后，檢測其剩余反推力，表1所示為某國產(chǎn)汽車張緊器的振動疲勞試驗檢測報表,試驗油品SAE10W-30。從表1中可以看到，該廠家生產(chǎn)的JAC-1C型張緊器在700 psi壓強、40℃環(huán)境下，連續(xù)兩次工作80小時后測試反推力相差6 N，在允許范圍內(nèi)；JAC-32K型張緊器分別在700 psi壓強、50℃和70℃環(huán)境下，連續(xù)兩次工作100小時后測試反推力分別相差3 N和2 N，都在廠家允許范圍內(nèi)。另外，通過后四組試驗可以看出JAC-32K型張緊器在同壓、不同溫度環(huán)境下試驗100小時后，70℃環(huán)境下的張緊器剩余彈力比 70℃環(huán)境下試驗的張緊器剩余彈力高出約 10 N,可見環(huán)境溫度的升高會加速張緊器的老化，抗疲勞能力降低，完全符合理論預測。

圖5 振動試驗加熱管去抖程序

表1 ***張緊器振動疲勞試驗檢測報表

采用組態(tài)王設計的上位機監(jiān)控與操作界面能夠直觀地顯示檢測過程中的各項技術指標和系統(tǒng)運行狀態(tài)，且能夠方便、快速地進行操作。采用異步電機的速度閉環(huán)控制與凸輪傳動的結合，滿足了高精度檢測的要求，系統(tǒng)誤差較小。大量實驗結果顯示出了本系統(tǒng)的高可靠性，對于類似工件的檢測具有一點的指導意義。

[1]NSK中國技術中心. 正時皮帶用自動張緊輪, 2007.

[2]張俊亮. 張緊器液壓與驅動系統(tǒng)節(jié)能分析, 2011.

[3]廖冬初等. 基于銑削去重的剎車盤平衡機控制系統(tǒng)研究. 計算技術與自動化, 2009.