基于虚拟仪器技术的发动机扭矩测试方案设计

赖建生

摘要：针对发动机传统扭矩测试方式存在的问题，本文设计了基于虚拟仪器技术的发动机扭矩测试方案，方案采用凌华IPC610工控机、DAQ2214数据采集卡、调理电路、拉压传感器等作为硬件，以LabVIEW作为软件组成测试系统。经试验证实方案是可行的。

关键词：虚拟仪器 扭矩 拉压传感器 LabVIEW

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0086-03

功率是是评价发动机动力性的重要指标。功率一般采用测输出扭矩和转速的方式进行测量。传统扭矩测试一般采用轴上贴应变片的方式测量，存在信号传输难、干扰大和重复性差等缺陷。针对这些缺陷，本文基于虚拟仪器技术用力臂和拉压传感器的方式设计发动机扭矩测试方案，该方案可无缝融入电涡流测功机系统，既克服了传统设计的缺陷，又提高了仪器的功能和使用效率，还降低了成本。

1 方案的硬件与测量原理

硬件由凌华IPC610工控机、凌华DAQ

2214多功能数据采集运动控制卡（具体参数如表1所示）、顺源隔离放大模块（精度： 0.1%，非线性度<2%，绝缘电阻≥20 MΩ）和拉压传感器等组成（如图1所示）。在电涡流缓速器的定子上安装一长70 cm的标准力臂，臂的另一端连接广州电测仪器厂生产的YZC-516 S型拉压传感器。当发动机运转，给缓速器加电流的时候缓速器的定子产生电涡流，由于转子是带磁性的铸铁，其切割磁力线产生一制动力，从而实现发动机加载。由力的作用原理可知转子受到制动力，定子就受到反作用力，这反作用力就作用在拉压传感器上。因此将拉压传感器上受到的力测出后再乘以力臂就是发动机的输出扭矩。扭矩测试过程如图2所示。

有了转速和扭矩值，功率也就可以通过式（1）计算得出：

（1）

2 拉压传感器的标定与扭矩回归方程

拉压传感器必须经过标定才能进行扭矩的测试。标定采用在缓速器的标准力臂的另一端加平衡的等长的标准臂，用可以上下自由拉动且能自锁的台架作为加载装置，用浙江蓝箭称重技术有限公司生产的电子吊秤OCS-XZ-AAE读取所加力大小（液晶显示电子读数，精度5级，最小显示值0.5 kg，最大量程1000 kg）。这样每一个加载力就有相应的一个电压值与其对应，连续加载直到到达发动机的最大扭矩值，标定的结果如表2所示。

因为标定力臂和测试力臂等长，因此作用在标定力臂上的力就是拉压传感器所受的力，将电子秤读数乘以9.8就得到实际的受力大小。用SPASS 13.0 for windows 进行线性回归分析，结果如表3、表4和表5所示。

从表3可以看出模型的相关系数R=1，判定系数和调整判定系数均为1，估计值的标准误为36.6806；从表4可以看出回归的均方（Regression Mean Square）为100339795.4， 剩余的均方（Residual Mean Square）为 1345.463，F=76849.325，P=0.000，变量x与y间存在直线关系；从表5可以看出回归系数中的常数项（Constant）等于-192.124，回归系数（电压的系数）等于1136.411，回归系数的标准误为4.099，标准化回归系数（Beta）等于1，常数项和回归系数的P（Sig.）都等于0，常数项和回归系数都有显著意义，与表4的分析结果相同。因此回归方程如式（2）所示：

（2）

3 方案软件设计

方案的系统由信号采集子系统、数据处理子系统组成。系统功能实现和应用需要建立在软件的基础上。本系统运用G语言-LabVIEW进行系统软件的设计，兼顾通用性、可靠性、可操作性和可维护性，并按功能划分为系统登陆设置、系统参数设置和数据监测三个模块（软件结构见图2）。

系统登陆设置模块是用于记录试验初始条件，包括试验委托单位、试验编号、试验地点、操作者、开始时间、发动机类型、发动机厂家、发动机型号、发动机编号、油料类型、油料密度、机油规格、备注等。

系统参数设置模块用于设置采集通道及信号数据的校正，校正式由式（3）所示：

（3）

进行校正的。其中为校正前的数据；为校正后的数据。

数据监测模块把所监测的参量实时动态地显示，同时可以根据需要存储有用数据。当监测量出现异常时有提示报警和紧急处理方案。

4 方案的验证试验

为了验证系统的可靠性和实际效果，系统用于B5及kloft500等系列电涡流缓速器的功率特性验证试验。试验在深圳市特尔佳运输科技有限公司的电涡流缓速器标准试验室进行。试验结果如图4、图5所示。

从图4、图5可以看出制动力矩随着励磁电流的加大而增大，在相同励磁电流的情况下制动力矩在不同的转速下值不同，功率特性曲线呈凸状，最大制动力矩都比设计值小。具体分析如下：

（1）对B5-15：一档时最大扭矩为 261.44 N·m，对应转速为29.031 km/h；二档时最大扭矩为550.02 N·m，对应转速为47.866 km/h；三档时对大扭矩为 816.74 N·m，对应转速为44.348 km/h；四档最大扭矩为1222.7 N·m，对应转速为 31.623 km/h。该系列电涡流缓速器实测最大扭矩为1222.7 N·m，比设计值1500 N·m小277.3 N·m，小了18%。

（2）对kloft500：一档时最大扭矩为 135.87 N·m，对应转速为20.472 km/h；二档时最大扭矩为223.89 N·m，对应转速为28.536 km/h；三档时对大扭矩为 302.46 N·m，对应转速为25.061 km/h；四档最大扭矩为396.73 N·m，对应转速为 16.313 km/h。该系列电涡流缓速器实测最大扭矩为442.67 N·m，比设计值500 N·m小57.33 N·m，小了11.47%。

测试结果符合缓速器的设计及使用实际情况及标准测试结果。

5 结语

在虚拟技术的平台上用拉压传感器结合力臂设计发动机扭矩测试方案能准确实时采集扭矩，精度和稳定性都符合要求，因此基于虚拟仪器技术设计发动机扭矩测试方案是可行的。

参考文献

[1] 王宏伟，丁喆.虚拟仪器技术在发动机测试系统的应用研究[J].机电工程，2001，18（4）：25-27.

[2] 王维强.虚拟仪器与网络技术在汽车发动机故障远程诊断中的应用[J].内燃机，2006（8）：55-57.

[3] 任自中.虚拟技术在内燃机试验研究中的应用[J].内燃机学报，2001（4）：56-58.

[4] 刘玉梅，王庆年，魏传峰，等.基于虚拟仪器的车辆性能测试系统[J].吉林大学学报，2005，35（5）：462-466.

[5] 刘光明，林谋有.基于虚拟仪器技术的发动机转速测量系统的应用[J].农机化研究，2006（7）：182-184.

[6] 裘正军，何勇.发动机瞬时油耗测量系统的设计[J].农业机械学报，2002，33（1）：124-125.

[7] 叶盛，胡浩.基于虚拟仪器技术的发动机发动机油耗测试系统研究[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2005，31（5）：668-670.

[8] 马志燕.基于LabVIEW的应变测量系统的设计与应用[J].机械与电子，2014（5）：62-65.

[9] 陈东宁，徐海涛，姚成玉.基于液压伺服和虚拟仪器技术的脉冲试验机设计[J].液压与气动，2013（3）：76-79.endprint

摘要：针对发动机传统扭矩测试方式存在的问题，本文设计了基于虚拟仪器技术的发动机扭矩测试方案，方案采用凌华IPC610工控机、DAQ2214数据采集卡、调理电路、拉压传感器等作为硬件，以LabVIEW作为软件组成测试系统。经试验证实方案是可行的。

关键词：虚拟仪器 扭矩 拉压传感器 LabVIEW

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0086-03

功率是是评价发动机动力性的重要指标。功率一般采用测输出扭矩和转速的方式进行测量。传统扭矩测试一般采用轴上贴应变片的方式测量，存在信号传输难、干扰大和重复性差等缺陷。针对这些缺陷，本文基于虚拟仪器技术用力臂和拉压传感器的方式设计发动机扭矩测试方案，该方案可无缝融入电涡流测功机系统，既克服了传统设计的缺陷，又提高了仪器的功能和使用效率，还降低了成本。

1 方案的硬件与测量原理

硬件由凌华IPC610工控机、凌华DAQ

2214多功能数据采集运动控制卡（具体参数如表1所示）、顺源隔离放大模块（精度： 0.1%，非线性度<2%，绝缘电阻≥20 MΩ）和拉压传感器等组成（如图1所示）。在电涡流缓速器的定子上安装一长70 cm的标准力臂，臂的另一端连接广州电测仪器厂生产的YZC-516 S型拉压传感器。当发动机运转，给缓速器加电流的时候缓速器的定子产生电涡流，由于转子是带磁性的铸铁，其切割磁力线产生一制动力，从而实现发动机加载。由力的作用原理可知转子受到制动力，定子就受到反作用力，这反作用力就作用在拉压传感器上。因此将拉压传感器上受到的力测出后再乘以力臂就是发动机的输出扭矩。扭矩测试过程如图2所示。

有了转速和扭矩值，功率也就可以通过式（1）计算得出：

（1）

2 拉压传感器的标定与扭矩回归方程

拉压传感器必须经过标定才能进行扭矩的测试。标定采用在缓速器的标准力臂的另一端加平衡的等长的标准臂，用可以上下自由拉动且能自锁的台架作为加载装置，用浙江蓝箭称重技术有限公司生产的电子吊秤OCS-XZ-AAE读取所加力大小（液晶显示电子读数，精度5级，最小显示值0.5 kg，最大量程1000 kg）。这样每一个加载力就有相应的一个电压值与其对应，连续加载直到到达发动机的最大扭矩值，标定的结果如表2所示。

因为标定力臂和测试力臂等长，因此作用在标定力臂上的力就是拉压传感器所受的力，将电子秤读数乘以9.8就得到实际的受力大小。用SPASS 13.0 for windows 进行线性回归分析，结果如表3、表4和表5所示。

从表3可以看出模型的相关系数R=1，判定系数和调整判定系数均为1，估计值的标准误为36.6806；从表4可以看出回归的均方（Regression Mean Square）为100339795.4， 剩余的均方（Residual Mean Square）为 1345.463，F=76849.325，P=0.000，变量x与y间存在直线关系；从表5可以看出回归系数中的常数项（Constant）等于-192.124，回归系数（电压的系数）等于1136.411，回归系数的标准误为4.099，标准化回归系数（Beta）等于1，常数项和回归系数的P（Sig.）都等于0，常数项和回归系数都有显著意义，与表4的分析结果相同。因此回归方程如式（2）所示：

（2）

3 方案软件设计

方案的系统由信号采集子系统、数据处理子系统组成。系统功能实现和应用需要建立在软件的基础上。本系统运用G语言-LabVIEW进行系统软件的设计，兼顾通用性、可靠性、可操作性和可维护性，并按功能划分为系统登陆设置、系统参数设置和数据监测三个模块（软件结构见图2）。

系统登陆设置模块是用于记录试验初始条件，包括试验委托单位、试验编号、试验地点、操作者、开始时间、发动机类型、发动机厂家、发动机型号、发动机编号、油料类型、油料密度、机油规格、备注等。

系统参数设置模块用于设置采集通道及信号数据的校正，校正式由式（3）所示：

（3）

进行校正的。其中为校正前的数据；为校正后的数据。

数据监测模块把所监测的参量实时动态地显示，同时可以根据需要存储有用数据。当监测量出现异常时有提示报警和紧急处理方案。

4 方案的验证试验

为了验证系统的可靠性和实际效果，系统用于B5及kloft500等系列电涡流缓速器的功率特性验证试验。试验在深圳市特尔佳运输科技有限公司的电涡流缓速器标准试验室进行。试验结果如图4、图5所示。

从图4、图5可以看出制动力矩随着励磁电流的加大而增大，在相同励磁电流的情况下制动力矩在不同的转速下值不同，功率特性曲线呈凸状，最大制动力矩都比设计值小。具体分析如下：

（1）对B5-15：一档时最大扭矩为 261.44 N·m，对应转速为29.031 km/h；二档时最大扭矩为550.02 N·m，对应转速为47.866 km/h；三档时对大扭矩为 816.74 N·m，对应转速为44.348 km/h；四档最大扭矩为1222.7 N·m，对应转速为 31.623 km/h。该系列电涡流缓速器实测最大扭矩为1222.7 N·m，比设计值1500 N·m小277.3 N·m，小了18%。

（2）对kloft500：一档时最大扭矩为 135.87 N·m，对应转速为20.472 km/h；二档时最大扭矩为223.89 N·m，对应转速为28.536 km/h；三档时对大扭矩为 302.46 N·m，对应转速为25.061 km/h；四档最大扭矩为396.73 N·m，对应转速为 16.313 km/h。该系列电涡流缓速器实测最大扭矩为442.67 N·m，比设计值500 N·m小57.33 N·m，小了11.47%。

测试结果符合缓速器的设计及使用实际情况及标准测试结果。

5 结语

在虚拟技术的平台上用拉压传感器结合力臂设计发动机扭矩测试方案能准确实时采集扭矩，精度和稳定性都符合要求，因此基于虚拟仪器技术设计发动机扭矩测试方案是可行的。

参考文献

[1] 王宏伟，丁喆.虚拟仪器技术在发动机测试系统的应用研究[J].机电工程，2001，18（4）：25-27.

[2] 王维强.虚拟仪器与网络技术在汽车发动机故障远程诊断中的应用[J].内燃机，2006（8）：55-57.

[3] 任自中.虚拟技术在内燃机试验研究中的应用[J].内燃机学报，2001（4）：56-58.

[4] 刘玉梅，王庆年，魏传峰，等.基于虚拟仪器的车辆性能测试系统[J].吉林大学学报，2005，35（5）：462-466.

[5] 刘光明，林谋有.基于虚拟仪器技术的发动机转速测量系统的应用[J].农机化研究，2006（7）：182-184.

[6] 裘正军，何勇.发动机瞬时油耗测量系统的设计[J].农业机械学报，2002，33（1）：124-125.

[7] 叶盛，胡浩.基于虚拟仪器技术的发动机发动机油耗测试系统研究[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2005，31（5）：668-670.

[8] 马志燕.基于LabVIEW的应变测量系统的设计与应用[J].机械与电子，2014（5）：62-65.

[9] 陈东宁，徐海涛，姚成玉.基于液压伺服和虚拟仪器技术的脉冲试验机设计[J].液压与气动，2013（3）：76-79.endprint

摘要：针对发动机传统扭矩测试方式存在的问题，本文设计了基于虚拟仪器技术的发动机扭矩测试方案，方案采用凌华IPC610工控机、DAQ2214数据采集卡、调理电路、拉压传感器等作为硬件，以LabVIEW作为软件组成测试系统。经试验证实方案是可行的。

关键词：虚拟仪器 扭矩 拉压传感器 LabVIEW

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0086-03

功率是是评价发动机动力性的重要指标。功率一般采用测输出扭矩和转速的方式进行测量。传统扭矩测试一般采用轴上贴应变片的方式测量，存在信号传输难、干扰大和重复性差等缺陷。针对这些缺陷，本文基于虚拟仪器技术用力臂和拉压传感器的方式设计发动机扭矩测试方案，该方案可无缝融入电涡流测功机系统，既克服了传统设计的缺陷，又提高了仪器的功能和使用效率，还降低了成本。

1 方案的硬件与测量原理

硬件由凌华IPC610工控机、凌华DAQ

2214多功能数据采集运动控制卡（具体参数如表1所示）、顺源隔离放大模块（精度： 0.1%，非线性度<2%，绝缘电阻≥20 MΩ）和拉压传感器等组成（如图1所示）。在电涡流缓速器的定子上安装一长70 cm的标准力臂，臂的另一端连接广州电测仪器厂生产的YZC-516 S型拉压传感器。当发动机运转，给缓速器加电流的时候缓速器的定子产生电涡流，由于转子是带磁性的铸铁，其切割磁力线产生一制动力，从而实现发动机加载。由力的作用原理可知转子受到制动力，定子就受到反作用力，这反作用力就作用在拉压传感器上。因此将拉压传感器上受到的力测出后再乘以力臂就是发动机的输出扭矩。扭矩测试过程如图2所示。

有了转速和扭矩值，功率也就可以通过式（1）计算得出：

（1）

2 拉压传感器的标定与扭矩回归方程

拉压传感器必须经过标定才能进行扭矩的测试。标定采用在缓速器的标准力臂的另一端加平衡的等长的标准臂，用可以上下自由拉动且能自锁的台架作为加载装置，用浙江蓝箭称重技术有限公司生产的电子吊秤OCS-XZ-AAE读取所加力大小（液晶显示电子读数，精度5级，最小显示值0.5 kg，最大量程1000 kg）。这样每一个加载力就有相应的一个电压值与其对应，连续加载直到到达发动机的最大扭矩值，标定的结果如表2所示。

因为标定力臂和测试力臂等长，因此作用在标定力臂上的力就是拉压传感器所受的力，将电子秤读数乘以9.8就得到实际的受力大小。用SPASS 13.0 for windows 进行线性回归分析，结果如表3、表4和表5所示。

从表3可以看出模型的相关系数R=1，判定系数和调整判定系数均为1，估计值的标准误为36.6806；从表4可以看出回归的均方（Regression Mean Square）为100339795.4， 剩余的均方（Residual Mean Square）为 1345.463，F=76849.325，P=0.000，变量x与y间存在直线关系；从表5可以看出回归系数中的常数项（Constant）等于-192.124，回归系数（电压的系数）等于1136.411，回归系数的标准误为4.099，标准化回归系数（Beta）等于1，常数项和回归系数的P（Sig.）都等于0，常数项和回归系数都有显著意义，与表4的分析结果相同。因此回归方程如式（2）所示：

（2）

3 方案软件设计

方案的系统由信号采集子系统、数据处理子系统组成。系统功能实现和应用需要建立在软件的基础上。本系统运用G语言-LabVIEW进行系统软件的设计，兼顾通用性、可靠性、可操作性和可维护性，并按功能划分为系统登陆设置、系统参数设置和数据监测三个模块（软件结构见图2）。

系统登陆设置模块是用于记录试验初始条件，包括试验委托单位、试验编号、试验地点、操作者、开始时间、发动机类型、发动机厂家、发动机型号、发动机编号、油料类型、油料密度、机油规格、备注等。

系统参数设置模块用于设置采集通道及信号数据的校正，校正式由式（3）所示：

（3）

进行校正的。其中为校正前的数据；为校正后的数据。

数据监测模块把所监测的参量实时动态地显示，同时可以根据需要存储有用数据。当监测量出现异常时有提示报警和紧急处理方案。

4 方案的验证试验

为了验证系统的可靠性和实际效果，系统用于B5及kloft500等系列电涡流缓速器的功率特性验证试验。试验在深圳市特尔佳运输科技有限公司的电涡流缓速器标准试验室进行。试验结果如图4、图5所示。

从图4、图5可以看出制动力矩随着励磁电流的加大而增大，在相同励磁电流的情况下制动力矩在不同的转速下值不同，功率特性曲线呈凸状，最大制动力矩都比设计值小。具体分析如下：

（1）对B5-15：一档时最大扭矩为 261.44 N·m，对应转速为29.031 km/h；二档时最大扭矩为550.02 N·m，对应转速为47.866 km/h；三档时对大扭矩为 816.74 N·m，对应转速为44.348 km/h；四档最大扭矩为1222.7 N·m，对应转速为 31.623 km/h。该系列电涡流缓速器实测最大扭矩为1222.7 N·m，比设计值1500 N·m小277.3 N·m，小了18%。

（2）对kloft500：一档时最大扭矩为 135.87 N·m，对应转速为20.472 km/h；二档时最大扭矩为223.89 N·m，对应转速为28.536 km/h；三档时对大扭矩为 302.46 N·m，对应转速为25.061 km/h；四档最大扭矩为396.73 N·m，对应转速为 16.313 km/h。该系列电涡流缓速器实测最大扭矩为442.67 N·m，比设计值500 N·m小57.33 N·m，小了11.47%。

测试结果符合缓速器的设计及使用实际情况及标准测试结果。

5 结语

在虚拟技术的平台上用拉压传感器结合力臂设计发动机扭矩测试方案能准确实时采集扭矩，精度和稳定性都符合要求，因此基于虚拟仪器技术设计发动机扭矩测试方案是可行的。

参考文献

[1] 王宏伟，丁喆.虚拟仪器技术在发动机测试系统的应用研究[J].机电工程，2001，18（4）：25-27.

[2] 王维强.虚拟仪器与网络技术在汽车发动机故障远程诊断中的应用[J].内燃机，2006（8）：55-57.

[3] 任自中.虚拟技术在内燃机试验研究中的应用[J].内燃机学报，2001（4）：56-58.

[4] 刘玉梅，王庆年，魏传峰，等.基于虚拟仪器的车辆性能测试系统[J].吉林大学学报，2005，35（5）：462-466.

[5] 刘光明，林谋有.基于虚拟仪器技术的发动机转速测量系统的应用[J].农机化研究，2006（7）：182-184.

[6] 裘正军，何勇.发动机瞬时油耗测量系统的设计[J].农业机械学报，2002，33（1）：124-125.

[7] 叶盛，胡浩.基于虚拟仪器技术的发动机发动机油耗测试系统研究[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2005，31（5）：668-670.

[8] 马志燕.基于LabVIEW的应变测量系统的设计与应用[J].机械与电子，2014（5）：62-65.

[9] 陈东宁，徐海涛，姚成玉.基于液压伺服和虚拟仪器技术的脉冲试验机设计[J].液压与气动，2013（3）：76-79.endprint