某型涡轴发动机电相位法测量扭矩分析及研究

邓江++张旺

摘 要：某涡轴发动机的测扭系统采用电相位法进行扭矩测量，本文从电相位法优势、特点及原理出发，对测扭系统的组成特点和工作原理进行了详细分析。同时为校准发动机扭矩测量系统，分析研究了扭矩匹配及修正系数的关系，总结电相位法的优势及缺点，为测量涡轴发动机扭矩提供了思路和理论依据。

关键词：测扭系统；电相位法；扭矩匹配；涡轴发动机

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0065-02

Abstract：The method of the electric phase has been used for the torque measurement by a turbo-shaft engine. Based of the methods advantage、characteristic and principle，the composition characteristic and the working principle of the torque measurement system are analysed in detail. There is a problem of the torque conformation. To calibrate the torque measurement system， researching the connection of the torque measurement and the modified coefficient， summing up this methods advantage/characteristic and disadvantage， providing the notion and basis of the torque measurement by turbo-shaft engine.

Key words：torque measurement；electrical phase；torque conformation；turbo-shaft engine

1 引言

某型涡轴发动机的控制系统由原来的机械液压控制改为数字式电子控制和机械液压备份的数控系统，为适应数字式电子控制的需要，原有的机械式模拟电路测量扭矩的方法已不能满足发动机全权限电子控制的要求，需要将模拟量转化成数字信号的离散量，才能被电子控制器所识别和利用，因此，必须采用一种新型的结构简单且测量精度高的扭矩测量方法。

2 电相位法优势及特点

电相位法具有结构简单、测量精度高、扭矩信号非接触式传递、检测信号为数字脉冲信号、不易磨损、寿命长等优点，为整个测量系统的自动化、智能化提供技术保证。为了达到所要求的精度，常要求被测轴相对长而细，以产生较大的变形，所以此类传感器主要应用于长轴的扭矩测量。

3 某型涡轴发动机扭矩测量方法选择

该型发动机是一种自由涡轮式、带体内减速器、前向输出轴功率的发动机，共5个单元体，分别为轴流压气机、燃气发生器、自由涡轮、减速器和附件传动机匣。功率轴是将减速齿轮输出的功率传递到附件传动装置上，输出到发动机前部。功率轴的长度与直径之比大于19，为细长型轴，同时，由于发动机控制系统采用全权限数字式电子控制，对扭矩测量信号的精度要求很高，因此，发动机采用电相位法来测量扭矩。

4 电相位法测量扭矩原理

电相位法是一种非接触式扭矩测量方法，利用扭矩和扭转角的关系，将扭矩产生的角变形通过音轮切割磁力线得到如脉冲等感应信号，输出给测量电路，计算出二者的相位差。对于一根给定的镶嵌有参照轴的弹性轴，扭矩和扭转角（即相位差）的关系如下：

式中：G——横向弹性模量；D——弹性轴直径；L——弹性轴的长度；△θ——扭转角差，△θ=θ1一θ2。

由关系式（1）可知，对于给定的弹性轴，横向弹性模量G、弹性轴直径D以及弹性轴长度L均是恒定的值，这样扭矩T只是扭转角差△θ的单值函数，因此，测量扭矩就可以转化为测量扭转角差△θ（即相位差）的方法。

5 发动机测扭系统组成

发动机测扭系统由功率轴、参照轴、音轮、扭矩传感器和扭矩匹配盒以及电子控制器组成（如图1所示）。

参照轴和音轮是连接成一个整体，功率轴和音轮上各装有4个等距齿，且每个齿相对轴向存在一定的偏向角，组合状态下音轮和功率轴齿的相对偏角为46°57′±6′，这8个齿构成扭矩测量系统的音轮。参照轴和音轮套在功率轴上，并且二者有一定的间隙，即间隙配合，这样功率轴扭转运动，而参照轴和音轮保持相对静止，白色凸台为功率轴，黑色凸台为音轮。（如图2和图3所示）。

扭矩传感器为电磁式传感器，输出电信号为相位移脉冲信号，提供给电子控制器，电子控制器计算信号的相位移，以确定发动机实时的、真实的输出扭矩。传感器用螺钉安装在连接管右前端的安装座上，伸进的深度靠调整垫来调节，并且正对着音轮安装。

6 发动机测扭系统工作原理

发动机不工作时，没有输出功率，此时扭矩为0，音轮的齿轮间距离是相等的，即a=b。

發动机工作时，由于功率轴上的齿承受扭矩发生变形，而参照轴和音轮不受扭，因而每个齿与两边相邻齿之间的夹角a和b会发生变化，齿轮的旋转切割传感器附近的磁场，使传感器向电子控制器输出一个电信号，电子控制器计算信号的相位移。当扭矩增加时，功率轴相对于参照轴扭转导致夹角发生变化（a增加，b减小）。该夹角与输出的电信号的相位对应，电子控制器计算出差值（a-b）/2，然后确定发动机的扭矩（如图4、5所示）。

7 扭矩匹配

电相位法测量的是发动机功率轴的总变形，因此，电相位法测得的扭矩与车台系统水力测功器测得的扭矩值不一致，存在一定的差异，需要“校准”发动机的测扭系统，根据测量的一系列扭矩数据进行拟合，也就是匹配后，发动机扭矩就与车台系统水力测功器读到的扭矩值相同，反映了发动机的真实扭矩。

7.1 扭矩匹配法则

通常情况下，发动机100%扭矩是已知的，再根据发动机测扭系统的测量值，可以对数据进行拟合，得到以下构造函数：

TRQSD= （2）

式中：CM_VOL=发动机测扭系统的测量值，TRQSD=车台扭矩，a=斜率修正系数，b=零位修正系数，100%CM_

VOL=1000 N·m。

根据录取发动机性能数据，确定分别与TRQSD·1=850N·m和TRQSD·2=300N·m相对应的扭矩值CM_VOL·1和CM_VOL·2，代入构造函数（2）中分别算出斜率修正系数a和零位修正系数b。

7.2 修正系数“a”和“b”的确定

已知TRQSD·1=850 N·m和TRQSD·2=300 N·m相对应的扭矩值CM_VOL·1和CM_VOL·2，根据构造函数（2）可以确定斜率修正系数a和零位修正系数b的值：

a= （3）

b= （4）

检查a、b值是否在所给定的限制值范围之内，也就是：

amin-1%≤a≤amax+1%

bmin-1%≤b≤bmax+1%

则：

-5.1≤a≤5.1 （5）

-56.75≤b≤42.03 （6）

如果a和b的值都满足上述条件（5）和（6），则可以选择匹配电阻PCM_E和0CM_E，根据匹配电阻确定扭矩匹配盒网络电阻的值，然后进行一次试车验证。

8 结语

根据发动机测扭系统工作原理和扭矩匹配法则，通过功率轴的扭转变形和音轮的切割磁力线，输出感应的脉冲信号，通过测量脉冲信号的相位差，就能测得发动机的扭矩，虽然电相位法在测量扭矩方面有很多优点，但是电相位法测量扭矩也存在扭矩校准和匹配问题。本文详细分析研究电相位法测量扭矩的结构原理及影响因素，可用于指导功率轴为细型长轴的涡轴发动机设计及维护。

参考文献：

[1]文西芹，张永忠.扭矩传感器的现状和发展趋势[J].仪表技术与传感器，2001.12.

[2]邓海勇，姚灵革，施大明.某型涡轴发動机维护手册[M].株洲：中国南方航空工业（集团）有限公司，2015.

[3] Brian J，Hamilton，Glandale A Position sensor for magnede sttspension and poiming system U.S Patent.1986（16）.