CN1880939B - 测试动力转矩发生器的方法和装置 - Google Patents

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吕吉·D.·雷
赫姆特·库考
迈克尔·保维伯尔
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    • G01M13/02Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/025Test-benches with rotational drive means and loading means; Load or drive simulation

Abstract

通过被测试转矩发生器(1)与驱动或负荷机(2)之间的连接轴(3)所传递的转矩的变化过程在建成的试验台上在一个鉴定阶段中在以伪随机转速分布工作的驱动或负载机(2)的情况下被求出。由此可确定真实和实时描述连接轴(3)动力特性的参数,并且这些参数被应用于以后的测试中。

Description

测试动力转矩发生器的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于测试试验台上的动力转矩发生器的方法,特别是用于测试在
内燃机试验台上的内燃机的方法,其具有一个通过连接轴与转矩发生器相连接且可动态调 节的旋转机械作为驱动或负荷机。本发明还涉及一种用于获取测试动力转矩发生器的试验 台的连接轴的动力性能的装置,其分别具有一个旋转连接在连接轴两侧上的、至少在一侧 可动态调节的旋转机械作为转矩源或转矩宿。
背景技术
[0002] 为了尽可能真实地检测动力转矩发生器,如用作汽车发动机的内燃机,也可以是 涡轮机、液压马达或其它类似机械,目前应用了相应可动态调节或高度动态调节的旋转机, 例如电动机、液压马达或类似机械作为驱动或负荷机,它们在大多数情况下不直接连接到 被测转矩发生器,而是通过一个连接轴与被测转矩发生器相连接。在相应转矩源和转矩宿 之间有效的转矩传输单元中形成动力负荷,它们可能影响出现的转速变化及整个系统的协 调工作,也可能产生不希望的值或不可靠的值。为了避免上述情况及由此导致的损害,至今 连接轴总是用规定的、在任何情况下都能使试验台安全运行的刚度和阻尼进行设计,其中 相应的值基于现有的几何关系和所用材料来选择。更大的刚度和更小的阻尼使得损耗减小 且动力更高,但是对试验台调整有更高的要求。
[0003] 在给定驱动和负荷机的情况下,连接轴耦合度直接决定了驱动和负荷机以何种方 式影响整个系统的动力,并从而影响被测转矩发生器的动力。因为转矩发生器通常不能用 线性系统描述,整个系统也不能简单地表示为线性系统。例如在转矩发生器上摩擦的无规 律性作为对分析的主要干扰使得连接轴相关参数的确定明显变得更困难了。相应地,按照
至今通常使用的标准测出连接轴在建成状态下的实际性能,并向试验台的操纵或调整系统 中输入相应参数,以使得驱动和负荷机无风险地正常运行成为可能。此方法在原理上存在 缺点:在固定的结构中测出的或理论计算的与实际的连接轴相关参数之间总存在不同。这 一方面是由于结构,另一方面是由于磨损或缺陷,这些缺陷可能在以后出现或是可变化的。
发明内容
[0004] 本发明的出发点是,关于转矩传输跨距、尤其是连接轴的基本的、影响动力的参数
的精确且实际的信息不仅能明显优化试验台的调整品质,而且能明显改善动态负载的监
测:如果只是不精确地了解相应参数,则必须非常小心地调试调整参数;如果在试验台运
行时或者至少在特定检测阶段开始之前知道相关参数的变化,则可以例如检测出或者甚至
于预测出连接轴上的缺陷或固定。相关参数的真实而实时的监测也可以作为关于增长的磨
损或测量误差的指示而加以分析。从这些信息获得好处是本发明的目的。
[0005] 从上述思想出发,本发明如此完成本说明书开始处所述关于方法的任务:在以伪
随机转速分布工作的旋转的驱动或负荷机情况下,通过连接轴传输的转矩的变化过程在一
个鉴定阶段中在完工的试验台上被求出,并由此确定描述连接轴动力性能的参数,这些参数被用于以后的测试。相应地本发明装置的特征在于,在完工的试验台上一方面被测试的
转矩发生器直接用作转矩源或转矩宿,另一方面可动态调节的旋转机械作为驱动或负荷机
用于测试。以这种方式,在实际测试前或测试期间中进行的鉴定阶段中,连接轴以与检测转
矩发生器实际相同的方式在完工的试验台上动力加载,从而使这时求出的相应参数也反映
了轴的真实且实时的性能,因而可以具有优点地直接利用求出的这些参数于以后的测试。
[0006] 求出的参数按照本发明例如可用于控制驱动或负荷机的调整。本发明的另一方案
也是具有优点的,根据此方案,这些参数与预定值比较,并由此预测轴性能的变化,并且必
要时在以后的检测过程中考虑此变化。此外这些参数也可用于描述测量连接轴的扭转和轴
矩的虚拟传感器。
附图说明
[0007] 本发明的其它具有优点的方案及本发明方法和装置的详细说明由其它的权利要 求和以下对附图的说明给出。
[0008] 图1简要示出符合本发明的一个试验台或一个典型装置,图2示出相应的一个简 化模型,图3示出要检测的转矩发生器上由摩擦的无规则性产生的相应干扰矩随时间的变 化过程,图4示出相应的反馈模型,图5示出用于本发明方法中的伪随机转速调整的一个例 子,图6示出一个调整回路的结构,用它可以用求出的连接轴参数来控制试验台调整,以及 图7示出一个借助于求出的连接轴参数进行监测的结构的例子。
具体实施方式
[0009] 如图1所示,这里感兴趣形式的典型试验台由至少三个主要部件构成,它们是被 测设备(转矩发生器1),旋转的驱动和负荷机2和连接这两台机器1和2的连接轴3。系 统的总性能由所有这三个部件的性能集合给出,并且典型地转矩发生器1如此运行,使得 出现一定的特性。在简化模型(图2)中,主要部件可表示为转矩发生器1 一侧的一个旋转 质量,驱动和负荷机2 —侧的一个旋转质量,以及连接轴3,它在图2中示例性地表示为弹簧 件和阻尼件的并联线路。
[0010] 被两台机器(1,2)施加的转矩a或J》或由此得到的转速瞎)或Y2(t))表示 两台旋转机器(1,2)的状态。机器(1,2)之间的耦合例如决定了驱动和负荷机2能以何种 方式影响被测设备1的动力。在被牵引的内燃机作为被测设备1的情况下(如在权利要求 中作为可能具有优点的实施形式提出的),即仅仅在驱动和负荷机2 —侧的能量注入到系 统中(u(t))的情况下,由于通过摩擦的无规则性引起的干扰矩(图3)使转速典型地围绕 一个平均值摆动。这里考虑以下事实:内燃机的阻力是时间的函数,在压縮阶段导致比阀门 打开的其它阶段更高的阻力矩。这导致这种系统不能简单表示为线性系统,而必须考虑作 为主要干扰的摩擦不规则性的影响,这使得确定正在工作的轴的参数明显变得困难。相反 地,在通常工业标准中连接轴3的特性在建成状态下被测量,并且这些参数被输入到试验 台的操作系统中,目的是使传送机和负荷机2的正确工作成为可能。
[0011] 按照本发明,在建成状态下确定相关的参数,这有更多的理由。例如可进行符合实 际值的调整,因为由于安装可能产生一定的变化。传输跨距上参量变化的监测使得它们可 作为增大的磨损或测量误差而被分析。[0012] 这里所提出方法也可以应用到传输技术的其它更复杂的模型中,但这里在图2所
示简单例子中详细说明。为此参见图4,它给出这个三阶模型的传输性能的等效表示,同时
考虑到被检物体l随时间改变的阻力。由图4可见,可以通过反馈来描述此非线性作用。如
果采用这个模型,由它给出数学描述如下:
[0013] (A (q-0 _B22 (q-0 P》A (q-" yi (t)=
[0014] ((B12 (q-0 B21 (q-0 -B^ (q-" B22 (q-" ) P丄
[0015] -A(q—"Bjq—")u(t)
[0016] +B22 (q—0 A (q—0 ( P 。+ A s (t))
[0017] 其中多项式A(q—0中线性系统的极点或特征值,即所求的传输轴特性,以及附 加的极点或特征值,它们是内燃机运动的不规则性的结果,并且与工作点相关,由多项式 (A(q-VB22(q-0 导出。这里重要的是,线性系统的极点,即多项式A(q—0的零点,与附 加的极点,即多项式(A(q—"-B^(q—0 13》的零点,经常是可区分的。通过稍微改变工作点可 以借助于应用已知方法在每个工作点上由鉴别原理(例如ARMAX)确定系统的所有极点,其 中与工作点相关的极点,较低的本征频率也可以对应于这些极点,对应于连接轴3的实际 极点,在二阶的简单模型情况下即对应于刚度和阻尼。可以通过工作点的变化来区分与工 作点相关的极点与工作点无关的极点,或者在恒定的工作点下基于其对应的本征频率区分 极点。在仅仅一个工作点被用于鉴别时也用上述后一种方法。当然,鉴别是基于每一个工 作点周围存在一个足够的激励信号,用技术语言称作持续激励。此信号可以有原理上完全 不同的形状,最好是一个噪声信号。根据经验,可以是每个都具有足够的不同宽度的伪随机 激励。图5示出这种激励及相应鉴别信号的例子。
[0018] 如果模型的参数已知,则用此模型可以足够精确地数学描述试验台系统的行为,
使得试验台行为的这种描述特别用于以下三个应用领域:
[0019] «虚拟传感器
[0020] •基于模型的调节器设计
[0021] •系统监测
[0022] 例1 :虚拟传感器
[0023] 在虚拟传感器中,所需要的测量信号(对此没有提供真实的传感器)由系统的状 态计算出来。因为当存在一个足够精确的数学模型描述时,这些状态可以被精确评估,对于 模型参数的了解可以评估这些状态。具体说,可求出连接轴3的扭转,它的测量很困难并且 需要很高的开销,以及轴矩,即被测设备1的直接负荷矩。这里重要的是,轴矩与驱动和负 荷机2的差别在于连接轴的动力。在稳定状态下,驱动和负荷机的转矩是相同的。但是必 须指出,在存在摩擦的无规则性(如上所述)时不会出现纯粹的稳定状态。 [0024] 轴矩由一个与连接轴3的扭转成正比的分量和一个与转速差、即转矩发生器1与 驱动和负荷机2的转速差成正比的分量求出。比例系数精确对应于刚度和阻尼,即被鉴别 参数。
[0025] 虚拟传感器的主要优点在于,可以省去测量法兰而没有信息丢失。 [0026] 例2 :基于模型的调节器设计
[0027] 如果系统行为的数学描述是已知的,此数学描述可用于调节器设计。由于被检设 备性能也属于系统性能,为了能使用基于模型的调节,也必须知道被检物体的性能。此性能用另一个这里不详细说明的鉴别方法确定(例如见EP 1452848A1)。如果所有系统参数都 已知,则可以使用不同的方法。 一个可靠的调节器的设计可作为例子被举出。同时假设,系 统性能例如能够容易地通过转矩发生器1的更新数据而变化。调节器被调节,使得它在考 虑到可能的模型变化的情况下得到所希望的性能。
[0028] 因为此系统有两个输入值(与转矩发生器1的啮合,与驱动和负荷机2的啮合), 两个相互独立的值可以被调整。通常任务是调节转矩发生器1的转速和轴矩。为此一个可 能的调节结构如图6所示,其中轴矩为T^驱动和负荷机2的输入矩(额定值)为T。,c,转 矩发生器1的输入为a Eng,电机转速为WE,轴矩和电机转速的期望值分别为TTS dM和WE dM。 方框4 "调节器"包含调节规则,此规则根据试验台参数计算出系统的输入,使得预定的过 程能够尽可能好地被模拟。
[0029] 调节不一定是一个如上面所说明的伺服调节。对动力发动机试验台进行调节的另 一种可能性是零质量仿真。这里驱动和负荷机2必须如此被调节,使得转矩发生器1不受 其影响。为此,驱动和负荷机2的惯性和摩擦必须通过适当的控制被补偿。此外连接轴3 不能被扭转,它随着转矩发生器l的加载而出现。这只在已知轴参数,从而驱动和负荷机2 的控制可以相应进行,以补偿连接轴3和驱动及负荷机2的动力情况下才能实现。 [0030] 对动力内燃机或驱动发动机试验台进行调节的第三种方式和可能性是汽车仿真。 为此必要的是,相对精确地建立驱动支路性能的模型及其数学描述。在动力试验台上作汽 车仿真时转矩发生器1加载了力矩,此力矩等于转矩发生器加载到汽车中的力矩。驱动和 负荷机2必须被如此控制,使得连接轴3的动力被补偿,同时驱动支路的动力被仿真。为了 补偿轴动力,试验台上连接轴的精确参数是必要的。 [0031] 例3:系统监测
[0032] 在监测中基于跨距模型对系统进行监测。图7示出一个可能的结构。跨距模型对 应于系统的数学描述。可以监测系统的内部状态(例如连接轴3的扭转),也可以监测输出 (例如转矩发生器1上和驱动及负荷机2上的转速)。重要的是,在实际值相对于借助数学 模型计算出的值存在偏差时,必须改变跨距。这使得预测连接轴将来的断裂成为可能,并且 还可以通知操作者改变跨距,从而可以采取相应的措施。通常为了监测跨距,在单元7中也 用虚拟传感器5来代替传感器6。

Claims (10)

  1. 用于测试试验台上的动力转矩发生器(1)的方法,试验台具有一个通过连接轴(3)与动力转矩发生器(1)相连接、且可动态调节的旋转机械作为驱动或负荷机(2),其特征在于,在建成的试验台上,在一个鉴定阶段中,通过采用以伪随机转速分布工作的旋转的驱动或负荷机(2)求出连接轴(3)传输的转矩的变化过程,并由此确定描述连接轴(3)的动力特性的参数,这些参数被应用于以后的测试中。
  2. 2. 如权利要求l所述的方法,其特征在于,要测试的动力转矩发生器(1)是内燃机。
  3. 3. 如权利要求l所述的方法,其特征在于,求出的参数被用于控制驱动或负荷机(2)的 调节。
  4. 4. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,求出的参数与预定的值比较,并从而预测轴 性能的变化,并在后续测试过程中加以考虑。
  5. 5. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,求出的参数被用于描述一个用于检测连接 轴(3)的扭转角度和连接轴转矩的虚拟传感器。
  6. 6. 如权利要求l所述的方法,其特征在于,驱动或负荷机(2)被用作驱动器,并且动力 转矩发生器(1)被牵引。
  7. 7. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,分别只在一个位置上测量转速,并只在一个 位置上测量转矩。
  8. 8. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,驱动或负荷机、动力转矩发生器以及连接轴 共同构成一个动力系统,在二阶简单模型中用并联的弹簧件和阻尼件来描述连接轴,即用 弹簧件和阻尼件的刚度和阻尼作为描述连接轴的动力特性的参数。
  9. 9. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,伪随机转速分布由一个围绕少数固定转速 的随机运动形成。
  10. 10. 用于获得一个试验台的连接轴(3)的动力特性的装置,试验台用于测试动力转矩 发生器,所述装置具有旋转连接在连接轴(3)两侧中的一侧的旋转机械作为转矩源,以及 旋转连接在连接轴(3)的另一侧的旋转机械作为转矩宿,其中一侧的旋转机械能够动态调 节,而另一侧的旋转机械为要测试的动力转矩发生器(l),其特征在于,在建成的试验台上, 一方面,在要测试的动力转矩发生器(1)被用作转矩源的情况下,可动态调节的旋转机械 作为负荷机;或者另一方面,在要测试的动力转矩发生器(1)被用作转矩宿的情况下,可动 态调节的旋转机械作为驱动机,以进行测试,在一个鉴定阶段中,通过采用以伪随机转速分布工作的旋转的驱动或负荷机(2)求出 连接轴(3)传输的转矩的变化过程,并由此确定描述连接轴(3)的动力特性的参数,这些参 数被应用于以后的测试中。
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