CN109060359A - 一种测试发动机正时轮系动态响应的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试发动机正时轮系动态响应的装置，包括：若干角位移传感器工装，分别设置在曲轴齿形带轮、第一齿形带轮和第二齿形带轮中心，用于测量各齿形带轮的角位移、角速度数据；若干激光位移传感器工装，分别固定在机座上，用于测量皮带的抖动量及自动张紧器的张紧臂的摆动位移；各角位移传感器工装、激光位移传感器工装所得到的信号通过数据采集卡采集，并与计算机相连，处理后得到所需的动态响应值。本发明还公开了一种测试发动机正时轮系动态响应的方法。本发明通过测试正时轮系的动态响应数据，有利于分析与预防轮系的皮带异响、失效等现象，获得轮系的传动精度，节约耐久试验的时间和成本；为发动机正时轮系的设计开发和可靠性试验验证提供了有效的技术支持。

Description

一种测试发动机正时轮系动态响应的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在发动机正时传动系统的动态响应的装置与测试方法，用于测量正时带段抖动、各轮角位移与角速度波动和张紧轮摆角。

背景技术

随着汽车领域技术的不断发展，发动机正时传动系统结构越来越紧凑。传动系统不但需要满足轮系载荷、传动精度等动态特性要求，还需满足使用可靠性要求。一般而言，轮系的可靠性主要通过实车耐久性测试进行验证，而在样件开发的初期，常通过理论计算、台架测试的方法获得样件的动态特性结果，用于评估轮系设计的好坏。在样件开发中，关心的动态响应包括正时带的横向抖动、各轮的角位移与角速度波动和张紧臂的摆角，并根据各轮的角位移结果得到从动轮-主动轮间的传动误差。

在专利CN102854016A(授权于2015年06月04日)中，描述了一种测试发动机轮系皮带抖动、滑移和涨紧轮摆角的方法。专利中采用激光位移传感器直接测量皮带的抖动量，通过激光转速传感器测试各轮的转速，通过转速结果得到皮带的滑移率；然后利用激光传感器采集涨紧轮上的摆动加速度的时域信号，通过傅里叶变化得到涨紧轮的摆角的峰值与频率。但该方法仅适用于发动机前端附件驱动系统的测试，没有给出齿形轮转速的测试方法、张紧器在时域中的摆角测试方法，同时，没有给出各传感器的工装，而且臂长较短的张紧器的摆角无法通过专利中的方法直接测试。

在专利CN105588635A(公布于2016年05月18日)中，提出了一种调节张紧轮位置及张紧力优化正时皮带声品质的试验方法，用于发动机正时系统开发前期确定张紧轮的最佳位置与皮带张紧力的大小。通过布置多组噪声传感器在皮带系统的指定区域得到个位置的声品质，利用激光位移传感器测量各带段正时皮带的抖动；同时将允许的最大、最小静态预紧力分为若干组(大于5组)，进行声品质和皮带抖动测试。该方法能够有效地测量不同张紧力下的声品质，找到声品质的最优点，但专利中没有考虑不同预紧力下系统的动态特性的变化。

发明内容

本发明的目的是为了检验发动机正时传动系统是否满足其可靠性的要求，而提出的测试发动机正时轮系动态响应的装置及方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种测试发动机正时轮系动态响应的装置，包括：

若干角位移传感器工装，分别设置在曲轴齿形带轮、第一齿形带轮和第二齿形带轮中心，用于测量各齿形带轮的角位移、角速度数据；

若干激光位移传感器工装，分别固定在机座上，用于测量皮带的抖动量及自动张紧器的张紧臂的摆动位移；

各角位移传感器工装、激光位移传感器工装所得到的信号通过数据采集卡采集后传输至计算机，所述计算机处理数据得到各带轮的角位移、角速度，皮带的抖动量与自动张紧器的张紧臂的摆动位移，同时将张紧臂的摆动位移通过几何关系转换为摆角值。

进一步地，所述的角位移传感器工装包括角位移编码器工装，所述的角位移编码器工装包括角位移编码器、法兰，所述法兰的一端设置有与所述角位移编码器的旋转轴固定连接的盲孔，所述法兰的另一端与对应的齿形带轮固定连接。

进一步地，所述法兰上沿径向设置有直达所述盲孔的螺纹孔，所述的螺纹孔内配合设置有定位螺栓；所述角位移编码器的编码器主体与法兰之间设置有1～2mm的安装间隙。

进一步地，所述法兰连接各齿形带轮的一端设置有内腔。

进一步地，所述的角位移传感器工装包括霍尔式磁感应传感器工装，所述的霍尔式磁感应传感器工装包括L形支座、霍尔式磁感应传感器，所述L形支座上设置有分别连接机座和霍尔式磁感应传感器的长圆孔，所述霍尔式磁感应传感器通过螺母固定在所述L形支座上的长圆孔上并布置在对应齿形带轮周边位置，利用齿顶与齿槽间产生的脉冲信号，得到带轮的角速度、角位移。

进一步地，所述的霍尔式磁感应传感器工装还包括设置有长圆孔、与L形支座相配合的一字形支座。

进一步地，所述的激光位移传感器工装包括设L形支座、通过螺栓固定在所述L形支座上的激光位移传感器，所述L形支座上设置有连接机座的长圆孔及螺栓。

进一步地，所述激光位移传感器的的测量探头的有效测量范围包括皮带的最大抖动范围和所述张紧臂的最大摆动范围。

进一步地，所述的张紧臂上设置有增加长度的一字形铁片。

一种基于所述装置测试发动机正时轮系动态响应的方法，包括步骤：

利用激光位移传感器工装采集两齿形带轮中间位置的皮带抖动量δ和张紧臂的摆动位移；利用角位移传感器工装采集各齿形带轮的角位移θ_i、角速度数据；

根据角位移θ_i、角速度数据与理论角位移、角速度值进行比较，得到其波动大小；利用几何关系得到张紧臂的摆角值θ_t，并通过傅里叶变换得到张紧臂摆角的频域值：

其中，h₀为张紧臂的支点距离，a为张紧臂的初始摆角，h₁为激光传感器测量距离，L为激光传感器测量点与支点P的距离，h₂为张紧臂摆动θ_t时激光传感器的测量距离；

计算齿形带轮j与齿形带轮i之间的传动误差ε：

ε＝θ_i-R_jθ_j/R_i

其中，R_j为轮j的半径，θ_j为轮j的角位移，R_i为轮i的半径，θ_i为轮i的角位移。

相比现有技术，本发明的技术效果是：

本发明通过测试正时轮系的动态响应数据，有利于分析与预防轮系的皮带异响、失效等现象，获得轮系的传动精度，节约耐久试验的时间和成本；为发动机正时轮系的设计开发和可靠性试验验证提供了有效的技术支持。

附图说明

图1是本发明正时轮系的示意图；

图2是测试发动机正时轮系动态响应的装置示意图；

图3是测试数据采集系统示意图；

图4是图2所示角位移编码器的测试工装示意图；

图5是图2所示激光位移传感器的测试工装示意图；

图6是张紧臂的摆角测试原理图；

图7是可用的另一种测试正时轮系的装置示意图；

图8是霍尔式磁感应传感器测试工装示意图；

图9是带段B₁上的抖动量示意图；

图10(a)是曲轴CRK和排气凸轮轴CAM1角速度波动示意图；

图10(b)是曲轴CRK和排气凸轮轴CAM1角位移波动示意图；

图11是张紧臂的摆角示意图；

图12是曲轴CRK和凸轮轴CAM1间传动误差示意图。

图中：1-皮带；2-曲轴齿形带轮；3-被驱动惰轮；4-第一齿形带轮；5-第二齿形带轮；6-自动张紧器；7-第一角位移编码器工装；71-角位移编码器；711-旋转轴；712-编码器主体；72-法兰；721-盲孔；722-螺纹孔；723-内腔；73-定位螺栓；8-第一激光位移传感器工装；81-激光位移传感器；811-安装孔；812-测量探头；82-螺栓螺母组；83-第一L形支座；831-第一长圆孔；832-安装通孔；84-第一螺栓；9-第二角位移编码器工装；10-第二激光位移传感器工装；11-霍尔式磁感应传感器工装；111-霍尔式磁感应传感器；112-第二L形支座；1121-第二长圆孔；1122-第三长圆孔；113-螺母；114-第二螺栓；12-第三角位移编码器工装。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例做进一步详细说明。

图1示出了一个典型的发动机正时传动系统使用皮带1连接曲轴轮(CRK)2、被驱动惰轮(IDL)3、连接排气凸轮轴(CAM1)的第一齿形带轮4和连接进气凸轮轴(CAM2)的第二齿形带轮5、自动张紧器(TEN)6。

如图2所示，一种测试发动机正时轮系动态响应的装置，包括：

设置在曲轴齿形带轮2中心的第一角位移编码器工装7、设置在第一齿形带轮4中心的第二角位移编码器工装9、设置在第二齿形带轮5中心的第三角位移编码器工装12，用于测量各齿形带轮的角位移、角速度数据。

用于测量皮带的抖动量的第一激光位移传感器工装8、用于测量自动张紧器6的张紧臂的摆动位移的第二激光位移传感器工装10，分别固定在机座上；可以看出，两个第一激光位移传感器工装8中一个正对着第一齿形带轮4和第二齿形带轮5之间的皮带1中部，另一个正对着第一齿形带轮4和被驱动惰轮3之间的皮带1中部，而第二激光位移传感器工装10对着自动张紧器6的张紧臂。

三个角位移传感器工装的机构相类似，包括角位移编码器71、法兰72，所述法兰72的一端设置有与所述角位移编码器71的旋转轴711固定连接的盲孔721，所述法兰72的另一端与对应的齿形带轮采用胶粘方式固定连接。

所述法兰72上沿径向设置有直达所述盲孔721的螺纹孔722，所述的螺纹孔722内配合设置有定位螺栓73，旋入定位螺栓73即可紧固旋转轴711；

作为优选，所述法兰连接各齿形带轮的一端设置有内腔，避开曲轴上的紧固螺栓等装置。同时，所述角位移编码器的编码器主体与法兰之间设置有1～2mm的安装间隙，防止转动干涉。

测试时，角位移编码器71的旋转轴711随法兰72转动而得到角位移、角速度的信号θ_i、而编码器主体712不随法兰72转动。

作为优选，如图5所示，两个第一激光位移传感器工装8包括设第一L形支座83、通过螺栓固定在所述第一L形支座83上的激光位移传感器81，所示激光位移传感器81上设置有安装孔811，所述第一L形支座83上设置有通过螺栓螺母组82连接所示激光位移传感器81的安装通孔832，以及通过第一螺栓84连接机座的第一长圆孔831。

作为优选，为了实现不同位置的测试需求，可以通过该第一L形支座83与含长圆孔的一字形支座相配合，满足不同的布局特点。

作为优选，所述激光位移传感器81的测量探头812的有效测量范围包括皮带的最大抖动范围和所述张紧臂的最大摆动范围。

作为优选，测量自动张紧器6的张紧臂的摆动位移的第二激光位移传感器工装10的结构与所述第一激光位移传感器工装8相类似，相应地，如图2所示，所述的张紧臂上设置有增加长度的一字形铁片，延长测量臂，以便于位移测试。

各角位移编码器、激光位移传感器所得到的信号通过数据采集卡采集，并与计算机相连，进行数据处理。

作为优选，如图3所示，本实施例采用LMS数据采集系统及安装配套软件的计算机相连，得到带轮的角位移、角速度，皮带的抖动量与自动张紧器的张紧臂的摆动位移；并根据图6所示的几何关系，得到张紧臂的摆动角度。

如图7和图8所示，在本发明另一个可行的实施例中，三个角位移编码器工装由三个位于各齿形带轮边上的霍尔式磁感应传感器工装11所替代，所述的霍尔式磁感应传感器工装11包括第二L形支座112、霍尔式磁感应传感器111，所述第二L形支座112上设置有分别连接机座和霍尔式磁感应传感器111的第三长圆孔1122和第二长圆孔1121，分别用于调节霍尔式磁感应传感器111的高度与第二L形支座112在机座上的安装位置。所述霍尔式磁感应传感器111前端为螺纹段，所述霍尔式磁感应传感器111通过两个螺母113固定在所述第二L形支座112上的第二长圆孔1121上，同时，所述第二L形支座112通过第二螺栓114固定在至机座上。

与上述实施例不同的是：所述霍尔式磁感应传感器111布置在对应齿形带轮周边位置，所述霍尔式磁感应传感器111分别检测齿顶、齿槽时，信号将出现、消失；利用齿顶与齿槽间产生的脉冲信号，得到带轮的角速度、角位移。

作为优选，为了实现不同位置的测试需求，通过所述第二L形支座112与含长圆孔的一字形支座相配合，满足不同的布局特点。

作为优选，霍尔式磁感应传感器111可灵活的布置在轮齿周边位置，而不仅限于图7所示的一种位置方案。

一种基于所述装置测试发动机正时轮系动态响应的方法，包括步骤：

利用激光位移传感器工装集两齿形带轮中间位置的皮带抖动量δ(见图9)和张紧臂的摆动位移；利用角位移传感器工装采集各齿形带轮的角位移θ_i、角速度数据；

根据角位移θ_i、角速度数据与理论角位移、角速度值进行比较，得到其波动大小(见图10(a)、10(b))；利用几何关系(见图6)得到张紧臂的摆角值θ_t(见图11)，并通过傅里叶变换得到张紧臂摆角的频域值：

其中，张紧臂的摆角需要通过张紧臂的位移换算得到，如图6所示，张紧臂的支点为P、臂长为PC，激光位移传感器测量点与支点P的距离为L。已知张紧臂的初始摆角α、对应的支点距离h₀和激光位移传感器10的测量距离h₁，当张紧臂摆动至PC’时，激光位移传感器10的测量距离变为h₂，张紧臂摆角为θ_t。

计算齿形带轮j与齿形带轮i之间的传动误差ε(见图12)：

ε＝θ_i-R_jθ_j/R_i

其中，R_j为轮j的半径，θ_j为轮j的角位移，R_i为轮i的半径，θ_i为轮i的角位移。

所述的抖动量、角位移、角速度、张紧臂摆角等测试结果为时域值，通过傅里叶变换可得到其对应的频率与幅值结果。

以上所述的实施例只是本发明的较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：包括：

若干角位移传感器工装，分别设置在曲轴齿形带轮、第一齿形带轮和第二齿形带轮中心，用于测量各齿形带轮的角位移、角速度数据；

若干激光位移传感器工装，分别固定在机座上，用于测量皮带的抖动量及自动张紧器的张紧臂的摆动位移；

各角位移传感器工装、激光位移传感器工装所得到的信号通过数据采集卡采集后传输至计算机，所述计算机处理数据得到各带轮的角位移、角速度，皮带的抖动量与自动张紧器的张紧臂的摆动位移，同时将张紧臂的摆动位移通过几何关系转换为摆角值。

2.根据权利要求1所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述的角位移传感器工装包括角位移编码器工装，所述的角位移编码器工装包括角位移编码器、法兰，所述法兰的一端设置有与所述角位移编码器的旋转轴固定连接的盲孔，所述法兰的另一端与对应的齿形带轮固定连接。

3.根据权利要求2所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述法兰上沿径向设置有直达所述盲孔的螺纹孔，所述的螺纹孔内配合设置有定位螺栓；所述角位移编码器的编码器主体与法兰之间设置有1～2mm的安装间隙。

4.根据权利要求2所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述法兰连接各齿形带轮的一端设置有内腔。

5.根据权利要求1所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述的角位移传感器工装包括霍尔式磁感应传感器工装，所述的霍尔式磁感应传感器工装包括L形支座、霍尔式磁感应传感器，所述L形支座上设置有分别连接机座和霍尔式磁感应传感器的长圆孔，所述霍尔式磁感应传感器通过螺母固定在所述L形支座上的长圆孔上并布置在对应齿形带轮周边位置，利用齿顶与齿槽间产生的脉冲信号，得到带轮的角速度、角位移。

6.根据权利要求5所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述的霍尔式磁感应传感器工装还包括设置有长圆孔、与L形支座相配合的一字形支座。

7.根据权利要求1所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述的激光位移传感器工装包括设L形支座、通过螺栓固定在所述L形支座上的激光位移传感器，所述L形支座上设置有连接机座的长圆孔及螺栓。

8.根据权利要求7所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述激光位移传感器的的测量探头的有效测量范围包括皮带的最大抖动范围和所述张紧臂的最大摆动范围。

9.根据权利要求1至9中任一项所述的测试发动机正时轮系动态响应的装置，其特征在于：所述的张紧臂上设置有增加长度的一字形铁片。

10.一种基于权利要求1至9中任一项所述装置测试发动机正时轮系动态响应的方法，其特征在于，包括步骤：

利用激光位移传感器工装集两齿形带轮中间位置的皮带抖动量δ和张紧臂的摆动位移；利用角位移传感器工装采集各齿形带轮的角位移θ_i、角速度数据；

根据角位移θ_i、角速度数据与理论角位移、角速度值进行比较，得到其波动大小；利用几何关系得到张紧臂的摆角值θ_t，并通过傅里叶变换得到张紧臂摆角的频域值：

其中，h₀为张紧臂的支点距离，a为张紧臂的初始摆角，h₁为激光传感器测量距离，L为激光传感器测量点与支点P的距离，h₂为张紧臂摆动θ_t时激光传感器的测量距离；

计算各齿形带轮间的传动误差ε：

ε＝θ_i-R_jθ_j/R_i

其中，R_j为轮j的半径，θ_j为轮j的角位移，R_i为轮i的半径，θ_i为轮i的角位移。