车用黏性耦合器试验机开发及其转矩传递特性分析

庞茂，胡凯翔，高峰

(浙江科技学院机械与汽车工程学院，浙江杭州 310023)

黏液耦合器属于液体黏性传动的一种装置。黏性耦合器克服了普通差速器只能平均分配扭矩的缺点，大大提高了汽车在双附着系数路面的动力性和通过性，显著改善了汽车操纵稳定性和主动安全性，在四轮驱动汽车中被广泛应用［1-3］。

黏性耦合器有两种工作状态，即“油膜剪切”工作状态和“驼峰”工作状态，两种状态下的转矩传递特性完全不同，两种状态的切换也是影响黏性耦合器工作性能的主要因素。以下介绍产品性能试验机的开发原理，并对某型黏性耦合器转矩传递特性进行了分析，从而为该类产品设计制造提供参考依据。

1 试验机原理及组成

黏性耦合器转矩特性试验机原理如图1所示。试验机由调速电机和变速箱组合模拟汽车发动机，作为黏性耦合器输入轴的驱动系统。输出端采用加载器模拟黏性耦合器的输出负载。在黏性耦合器输入输出端安装有转速转矩传感器，采集和记录黏性耦合器的输入输出转速差和扭矩，并通过软件计算处理得到反映耦合器性能的测试数据和曲线，同时通过非接触式温度传感器检测试验过程中试件表面温度。试验机原理框图如图1所示。

图1 黏性耦合器性能试验机原理框图

2 机械系统设计

试验机的机械系统包括基础台架、驱动电机、变速器及扭矩加载器等。根据试验对象的输入输出功率范围，选择驱动电机功率和扭矩加载器的加载扭矩。同时为保证电机特性曲线能够更好地覆盖黏性耦合器的工作范围，需对电机输出转速进行调速。为此在输出端配置一只4档变速箱，使试验机输出扭矩最高可达1 900 N·m。电机与变速箱匹配后输出特性曲线如图2所示。

图2 试验机转速转矩输出范围

3 测控系统设计

试验机测控系统负责对试验机执行机构的自动控制和被试件相关数据的采集分析。即通过对动力电机和扭矩加载器的自动控制来模拟被试的黏性耦合器的各种工况，同时采集在各工况下黏性耦合器输入、输出转速差、扭矩及温度等数据，并进行后续的处理，得到相关特性曲线等。测控系统包括硬件和软件两部分。

图3 测控系统组成框图

3.1 硬件系统设计

硬件系统基于工控机为核心，主要包括扭矩、转速、温度传感器，AD/DA转换卡、IO控制板卡、串口通讯卡，及各类信号隔离调理模块等。传感器和数据采集卡是硬件系统的核心元件，两者的设计选型如下。

(1)转矩转速传感器

转矩转速是试验机要采集的主要数据，传感器信号稳定可靠性直接影响黏性耦合器性能的评价结果。试验机转速传感器选用的光电编码器精度为2 000线/r，检测精度可达0.18°，可精确检测试件输入输出的转速差。输入输出分别安装在变速器同轴输出端及扭矩加载器末端，保证传动的一致性。试验机用扭矩传感器选用非接触电源供电，TTL信号输出，具有无集流环，无电刷，运转无磨擦，抗干扰能力强，稳定性、可靠性高，使用寿命长等优点。

(2)控制采集板卡

控制采集板卡用于对执行机构的控制和传感器信号的采集。按功能分为数字IO控制板卡、AD转换采集卡、DA输出控制卡、脉冲信号采集卡及串口通讯卡等。根据对试验机执行机构和传感器信号类型、数量、精度等技术指标的要求来选择控制采集板卡。

试验机需要采集数据主要包括黏性耦合器输入、输出轴的转速信号，输入输出轴扭矩信号，这些信号都是脉冲信号，由信号的频率换算为转速或扭矩值。

系统模拟量输出信号主要是输出端加载扭矩的控制，需1个模拟量输出通道。而对变频器转速的设定和状态监控，则通过485串口通讯与上位计算机交互。另外数字IO信号主要包括超速、超载、高温报警，手动/自动切换、系统声光报警等。

基于以上分析，选择台湾研华公司PCL836和PCL728多功能板卡和1块2通道RS485串口通讯卡及对应信号调理端子板。其中PCL836具有16路的开关量信号输入和16路的开关量信号输出通道，还有6个计数通道。PCL728为4通道模拟量输出板卡。3块板卡完全满足了系统对输入输出和计数信号采集的功能要求。

3.2 软件系统设计

软件系统负责对试验机监测和控制，包括用户管理模块、状态监控模块、性能测试模块、数据存储及检索模块等。

(1)性能测试模块

性能测试模块能够对黏液耦合器的“驼峰”和“回归”性能进行自动测试，可实时绘制出输入输出转速、扭矩及输入输出转速差与输出扭矩的实时曲线图。

进行“驼峰”性能测试时，系统驱动电机以设定转速运行，软件控制输出端扭矩加载器的扭矩输出值自动增加，耦合器的输入输出转速差将逐渐增大，转速差达到一定值后会迅速减小，记录该过程中的输出扭矩值。“回归”性能测试与“驼峰”性能测试类似，不同之处在于耦合器的输入输出转速差达到一定值时，系统将控制输出端扭矩自动减小至0，记录该过程中转速差和输出扭矩变化情况。

该模块的程序界面如图4所示。

(2)试验机状态监测

状态监测用于实时监测试验机状态和对试验机执行机构的单步调试。该模块可进行开机和运行中的试验机状态监测和故障自诊断。系统发生异常时，可根据故障类型和严重程度进行报警或自动停机等预警保护措施。同时可对驱动电机、扭矩加载器等执行机构进行手动的调试和诊断，是试验机故障诊断和排除的辅助工具。

(3)数据管理模块

该模块采用ADO访问MS Access数据库，对测试数据进行存储、检索和试验报表打印。该模块可将测试的数据自动存储在数据库文件，用户可通过流水号、测试时间、试件型号等多种方式查询和打印试验数据。同时模块可定期对数据自动进行备份。

图4 性能检测模块程序界面

4 转矩传递特性研究

运用该试验机对某型号的车用黏性耦合器样件进行了试验。对黏性耦合器性能的评价主要是发生“驼峰”时的转速差和“回归曲线”在同一转速差下对应的输出扭矩的差值。图5和图6给出的是3种不同硅油填充率下黏性耦合器样件的“驼峰”曲线和“回归”曲线。

图5 不同试件“驼峰”性能曲线

图6 不同试件“回归”性能曲线

样件中硅油填充率由加入样件壳体内硅油的质量来控制，1—3号样件的硅油填充率逐渐增大。试验时采用相同的参数，即相同的输入转速和加载频度下进行，从图中可以看到，不同试件出现“驼峰”状态的转速差和回归曲线中的最大扭矩差都不尽相同。随着硅油填充率的增大，发生“驼峰”状态所需转速差降低，同时回归特性变差。另外每个样件在出现“驼峰”现象的时候，联轴器的输出扭矩还有一个增大的过程，不过增加的幅度不大，随着转速差的进一步减小，联轴器输出扭矩才趋于平稳，这与相关文献的理论分析一致［1］。

5 结论

介绍了一种汽车黏性耦合器性能试验机的开发，并在该试验机上对某型号黏性耦合器的典型特性进行了初步试验。结果表明该试验机可对黏性耦合器的“剪切”特性、“驼峰”特性、“回归”特性等进行准确评价，为该类产品的研发和改进提供了有效的试验支撑。

［1］夏国栋，刘亮，张少华，等.黏性耦合器驼峰特性［J］.汽车工程，2001(5):97-101.

［2］刘亮，夏国栋，陈雪梅，等.黏性耦合器剪切扭矩计算的方法［J］.汽车工程.2003(7):30-33.

［3］MOHAN S K，RAMARAO B V，STEPHENS C F，et al.Viscous Coupling in 4WD Vehicle:Application of Computational Modeling［J］.SAE，920611.

［4］杨劲松，张涛.计算机工业控制［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［5］郭华伟，施文康，邓勇，等.减振器试验平台及其测控系统研究［J］.测控技术，2005，24(8):64-68.

［6］朱华卫.液体黏性联轴器特性及其检测方法研究［D］.杭州:浙江大学，2006.