汽车张紧器振动性能检测系统的设计与研究

蔡华锋 胡斌 廖立桥 胡钢

（1. 湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068；2. 广州市黄埔区博思格建筑钢结构有限公司，广州 510530）

0 引言

近年来，汽车发动机的链式正时传动越来越广泛地采用链传动系统，其尺寸紧凑，高稳定性、高耐磨性的显著特征是齿轮传动和带传动所不具备的，显示了其广阔的应用前景。为了满足汽车链主动链轮的高转速特性（常规工作转速为4500-10000 r／min），车辆怠速、加速、减速等交变速度过程中的高冲击，以及传动系统的长时间高温、高压的环境挑战，链传动系统必须配备高可靠性的汽车张紧器。因而，汽车张紧器的性能直接关系到车辆与驾驶者的安全，其动态性能指标的检测也便成为了链传动系统设计和生产加工过程中必须解决的一项关键性技术。

1 系统结构设计

由于汽车张紧器通常在高温、高压的工作环境下，长时间进行高速直线往复运动，厂家需要对抽检样品进行振动试验，模拟其在特定工况下长时间的运行，然后检测疲劳试验后的剩余弹力。本系统通过向张紧器腔体通入一定温度和压力的循环油，模拟其高温高压工作环境；同时，通过变频器驱动特质的凸轮结构持续高速旋转，模拟张紧器的往复式伸缩运动工况。最后，将200小时疲劳振动试验后的试验样品进行弹力检测，获得该试验品的耐久性能参数，进而判评产品的质量等级。

本振动试验台基于异步电机的速度闭环控制方式，采用PLC控制变频器驱动三相异步电动机恒速运行。另外，本系统所采用的4对极刚性凸轮结构，最大直径Rmax与最小直径Rmin的径差近似等于柱塞伸缩行程的2倍，从而实现了张紧器往复运动频率的4倍频，以及运动区间的限定，即限幅。图1为该试验台控制系统结构图：

图1 沉降&振动性能试验台控制系统结构图

2 硬件设计

2.1 信号检测电路

本系统中检测电路由光栅测微传感器、拉压传感器、热电偶温度传感器、液压传感器以及相应变送器构成。

1）热电偶温度传感器：在模拟张紧器特定温度的工作环境时，需要使用加热管对油箱中的循环油加热。由于油液的流动性和导热性都比较差，本系统采用分布加热方式，并使用油泵实现油液在箱体内的循环流动，使得热电偶能够尽量准确地获取循环油的实时温度，加之热电偶传感器的良好线性特性与高灵敏度，进一步减小了检测误差。

2）液压传感器；实际应用中，张紧器柱塞长时工作于高速直线往复运动状态，其腔体承受着剧烈的膨胀力。为了模拟此高压工况，需要使用油泵对通入张紧器的循环油施加适当的压油。本系统通过安装于输油管中的高精度液压传感器，PLC的ADC采样端实时检测液压变送器输出的电压信号，并快速调整油泵的压力，从而实现循环油的压力闭环控制。

2.2 PLC控制器

本系统选用欧姆龙公司的CP1H系列PLC，图2为PLC控制系统结构图。

图2 PLC控制系统结构图

2.3 变频驱动系统

在振动耐久试验中，需要模拟张紧器运行于12,000 次/min的高速直线往复运动工况。为此，本系统中采用欧姆龙 3G3JV变频器控制三相异步电机以50 Hz的频率旋转，然后运用4对极的高强度凸轮实现振动频率的4倍频，凸轮的最大直径与最小直径差为1.0 mm，即张紧器顶杆的振动幅度为0.5 mm。本变频系统既可以使用速度调节电位器，实现手动速度调节，也可以通过程控实现多段速运行控制。为了防止堵转烧毁电机，预制多功能端MA/MC为过转矩检测模式，充分确保系统的安全可靠运行。如下图3为变频驱动系统结构图。

图3 变频驱动系统结构图

3 软件设计

系统软件设计主要由 PLC程序和组态王上位机监控程序组成。

3.1 振动性能试验台

在本系统中，凸轮的启停、循环油的加热与泵送以及气动顶杆的伸缩等工作状态都严格按照如上所示流程图完成。

在振动试验开启之前，试验员需要在上位机监控界面的参数设置栏输入抽检样品的型号、批号和循环油的油品、油压，以及振动频率F(Hz)、幅值A(mm)和试验时长T(h)等信息（其中，振动幅值需要根据凸轮实际尺寸来设置），以便系统生成试验报告。振动试验启动后，PLC接收到上位机发出的振动频率和时长信息，打开抱闸，启动变频器速度控制模式，使异步电机按照设定的频率工作T小时。试验过程中，PLC通过热电偶和液压传感器实时监测循环油的油压和油温，并调节油泵和加热管维持循环油的稳定。

3.2 组态王上位机监控程序

组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

本上位机系统采用亚控公司的组态王软件开发监控界面。

图4 振动试验软件流程图

4 小结

本张紧器振动试验台的最终目标是检测张紧器腔体在特定压力P和温度t下，柱塞在一定行程内做直线往复伸缩运动一定时间T后，检测其剩余反推力，表1所示为某国产汽车张紧器的振动疲劳试验检测报表,试验油品SAE10W-30。从表1中可以看到，该厂家生产的JAC-1C型张紧器在700 psi压强、40℃环境下，连续两次工作80小时后测试反推力相差6 N，在允许范围内；JAC-32K型张紧器分别在700 psi压强、50℃和70℃环境下，连续两次工作100小时后测试反推力分别相差3 N和2 N，都在厂家允许范围内。另外，通过后四组试验可以看出JAC-32K型张紧器在同压、不同温度环境下试验100小时后，70℃环境下的张紧器剩余弹力比 70℃环境下试验的张紧器剩余弹力高出约 10 N,可见环境温度的升高会加速张紧器的老化，抗疲劳能力降低，完全符合理论预测。

图5 振动试验加热管去抖程序

表1 ***张紧器振动疲劳试验检测报表

采用组态王设计的上位机监控与操作界面能够直观地显示检测过程中的各项技术指标和系统运行状态，且能够方便、快速地进行操作。采用异步电机的速度闭环控制与凸轮传动的结合，满足了高精度检测的要求，系统误差较小。大量实验结果显示出了本系统的高可靠性，对于类似工件的检测具有一点的指导意义。

[1]NSK中国技术中心. 正时皮带用自动张紧轮, 2007.

[2]张俊亮. 张紧器液压与驱动系统节能分析, 2011.

[3]廖冬初等. 基于铣削去重的刹车盘平衡机控制系统研究. 计算技术与自动化, 2009.