装载机液力变矩器输出轴功率测试系统的研究

刘玉芬，杨 敬

（太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024）

1 引言

轮式装载机属于工程车辆，它的作业环境比较恶劣，当装载机铲斗突遇障碍物时，传动轴受到的扭矩载荷会急剧增大，为了缓和冲击，避免传动轴发生断裂，装载机一般采用液力变矩器进行机械传动，但是它的传递效率不高［1］。液力变矩器输出轴的轴功率是反映机械传动系统性能的重要指标，是评价装载机能耗特性的重要参数，对输出轴的功率进行实时的动态监测和测量，可以保证车辆在施工过程中能够安全稳定的运行，帮助我们及早发现输出轴潜在的故障，增大输出轴的使用寿命，为下一步研究装载机行走部分节能提供依据。

2 装载机的组成及轴功率测量原理

2.1 装载机的组成

装载机是一种大型土石方机械，它由铲斗总成、电气系统、液压系统以及传动轴组成［2］。装载机在作业时的动力传递过程依次为：发动机—液力变矩器—变速箱—传动轴—主减速器—轮边减速器。装载机示意图，如图1所示。

图1 装载机示意图Fig.1 Loader Schematic

2.2 装载机液力变矩器输出轴功率测量原理

目前，传动轴系轴功率是通过间接测量轴系的扭矩和转速得到的，计算公式如下［3］：

式中：P—轴功率（kW）；

T—轴系输出轴扭矩（N·m）；

n—输出轴转速（r∕min）。

这里采用电阻应变式扭矩传感器和霍尔式转速传感器分别对输出轴的扭矩和转速进行测量。

3 液力变矩器输出轴的转矩和转速测量

3.1 传动轴扭矩测量原理

应变型扭矩传感器的测量原理是通过惠斯通直流全桥电路和一系列的测量电路，将应变片的电阻变化转化为电压信号，通过实验测得电压值后经过公式转化最终得到扭矩值。由文献［4］可知弹性轴的表面在与轴线呈±45°方向上会产生最大剪应变且应变片内电阻丝的阻值相对变化与轴向应变成正比，其关系式为：

设电阻应变片的应变为ε，由文献［5］可知扭矩大小与应变的关系为：

联立式（2）、式（3）两式整理得：

由式（4）可知T的值与ΔR呈正比，因此通过应变片测量弹性轴的扭矩在理论上是可行的。又因为ΔR不能直接测得，所以需要通过惠斯通直流全桥电路将电阻改变量ΔR转化为可测的电压信号U，如图2所示。它们之间的关系为：

图2 惠斯通全桥电路图Fig.2 Wheatstone Full Bridge Circuit Diagram

联立式（2）、式（3）、式（5）式整理得：

式中：S—金属电阻丝的灵敏度系数；Ee—导体弹性模量；μ—泊松比；ε—弹性体的应变；Wp—抗扭截面系数；T—轴所受的扭矩；K—一个常数，且；U—输出电压；E—电源电压。

式（6）表明全桥测量电路输出电压U与扭矩T之间的关系，即通过实验测得U值后，再根据此关系式计算就可得到扭矩T的大小。

3.2 应变片的布置

在粘贴应变片时，大多都根据自身经验粘贴，具有很大的随机性，而弹性轴本身的结构、尺寸、装配结构等因素都会影响应变片的受力应变情况［6］。为了使应变片粘贴位置更加准确，现结合传动轴结构及受力状况，利用Catia建立液力变矩器输出轴的等效模型并将其导入Ansys Workbench 中进行有限元分析。为了与实际结构（图3（a））一致，对液力变矩器输出轴三维模型（图3（b））进行简化，保留了倒圆角特征。

图3 液力变矩器输出轴Fig.3 Torque Converter Output Shaft

根据实际情况将三维模型装配完成后，将其导入到Ansys Workbench中进行静力学分析。静力学分析时弹性轴的材料属性及边界条件设定情况，如表1、表2所示。

表1 轴的相关参数Tab.1 Axis Related Parameters

表2 边界条件Tab.2 Boundary Conditions

表2中轴承载荷作用在焊接插头四个插孔的表面，载荷大小为50E+3N，方向为图4中的z方向，且同一焊接叉头叉孔表面的轴承载荷值大小相等方向相反，不同焊接叉头同一侧叉孔表面的轴承载荷值大小相等方向相反［7］。由于装载机液力变矩器输出轴采用的是滑动花键连接的方式，因此表2中的给定位移约束需要分以下几种情况进行讨论，讨论的基础是以花键轴端面与花键套端面之间的偏移距离等于零时为初始状态。

（1）当x=0mm，y=0mm，z=0mm 时，即轴处于初始的状态得到液力变矩器输出轴的应力云，如图4 所示。为了便于叙述，将弹性轴分为1、2、3 这三段。由图4 可以看出，当花键轴端面与花键套端面处于分离的临界点时，轴段3 及与其相连的小端焊接叉头会发生严重的扭转变形，当载荷足够大时可能会导致轴发生断裂，造成施工事故，所以在设计时要避免这种情况的发生。

图4 位移x=0mm时轴的应力云图Fig.4 Stress Cloud Diagram of the Axis when the Displacement is x=0mm

（2）当x=±18mm，y=0mm，z=0mm 时，即2 轴右侧端面与3 轴左侧端面处于接触的临界点时得到液力变矩器输出轴的应力云图5。与4图相比，图5中轴段3及与其相连的小端焊接叉头没有发生明显的扭转变形，除此之外两幅应力云图基本一致。

图5 位移x=±18mm时轴的应力云图Fig.5 Stress Cloud Diagram of the Axis when the Displacement is x=±18mm

（3）当x=±50mm，y=0mm，z=0mm时，即在可滑动范围内且保证花键轴与花键套处于啮合状态时得到液力变矩器输出轴的应力云图，如图6 所示。将图6 与图5 对比可以看出，二者基本一致。

图6 位移x=±50mm时轴的应力云图Fig.6 Stress Cloud Diagram of the Axis when the Displacement is x=±50mm

综上所述，装载机液力变矩器输出轴所受的应力大小与花键的滑动距离关系不大。接下来以上述条件式（3）得到的输出轴的应力云图为例，如图6所示。分析各个轴段的具体受力情况，如图7所示。

图7 各轴段剖面图Fig.7 Sectional View of Each Shaft Section

从图6可以看出轴段1、2、3这三段轴的表面应力分布都比较均匀，而由图7（a）可知轴段3处花键齿槽存在明显的应力集中及畸变现象，同样的结合图7（b）图和图7（c）可知，轴段2处的应力梯度变化也比较明显。图7（d）是从轴段1中截取得到的，此图表明，这个位置的轴表面应力分布均匀，没有出现应力集中现象，也没有明显的应力梯度变化。所以，图6中轴段1中的位置段N是黏贴电阻应变片的最佳位置，对输出轴扭矩进行测量时，应将四片应变片粘贴在输出轴上被标记的N区间内，并沿着与圆周轴线呈±45°方向每隔90°作均匀分布。

3.3 传动轴转速的测量

霍尔传感器的安装支架，在装载机上安装支架时将底座1与装载机固定在一起，肋板3是为了降低实验过程中支架的抖动频率，使测量结果更加准确，孔2是霍尔传感器的安装位置，滑动销轴4可以调节霍尔传感器安装的水平位置，如图8所示。测量转速时将转速传感器安装在2处，将感应点放在转动轴上，调整滑动销轴的位置使霍尔传感器的头部正对转动轴轴线处并与感应点的垂直距离保持在10mm以内，将霍尔传感器的引出线与示波器相连，整套装置用24V直流电源供电。根据下式可以计算出传动轴的转速［8］：

图8 转速测量Fig.8 Speed Measurement

式中：n—传动轴转速；f—脉冲信号频率；z—转轴旋转一周霍尔传感器产生的脉冲数。

4 扭矩传感器的设计与标定

4.1 扭矩传感器的设计

为了使传动轴的原始结构不被破坏，同时也为了节约成本，本次研究采用无线传输的方式进行测量。整个无线扭矩测量系统由扭矩传感器、放大滤波电路模块、无线发射电路模块、无线接收电路模块以及计算机五部分组成［9］。前三部分固定在传动轴上，由锂离子电池供电，无线接收模块通过USB接口与计算机相连，通过计算机上采集数据的串口助手来实时采集数据，整套无线接收模块由计算机供电。无线传输模块由Arduino底板和无线数传模块WSN-02组成，整个无线扭矩测量系统体积小巧，便于安装。

4.2 扭矩传感器的标定

为了验证无线扭矩测量系统的准确性，需要对整个测量系统进行标定，标定实验是通过拉压机实现的［10］。标定时将一个阻值为350欧姆的集成应变片粘贴在一块45号钢板上，并将集成应变片的输出端与放大滤波及无线发射模块相连，无线接收模块与电脑连接，实验测得的数据通过串口助手在计算机上显示。根据式（2）、式（5）联立可得应变与输出电压的关系即ε =U ES。用橡皮筋将引伸计也固定在这块钢板上，将实验钢板放在拉压机夹具中夹紧后，接通电源开始进行标定实验。实验时拉力的加载范围是从（0～15）kN，将引伸计的读数记为ε1，无线扭矩测量系统换算得到的应变值记为ε2，如表3所示。拉压机标定实验及标定结果，如图9（a）、图9（b）所示。

表3 扭矩标定Tab.3 Torque Calibration

图9 扭矩传感器的标定实验Fig.9 Torque Sensor Calibration Experiment

由图9（b）可知，在拉力（0～15）kN范围内，通过两种途径测得的两组应变值相差不大，标定实验结果表明设计的扭矩测量系统线性度良好，测量准确度高。

5 测试系统实车实验

为了验证轴功率测试系统的工作性能，现采用某型轮式装载机进行实验。进行实验前，将四片应变片以应变全桥的连接方式用胶水粘贴在传动轴测点处，用透明胶带将无线扭矩测量系统捆绑在传动轴上。用两个卡箍将转速测量支架固定在装载机上，并将霍尔传感器安装在指定的位置上，将各测量设备连接好后进行实验，如图10（a）、图10（b）所示。考虑到现场实验条件的限制，将整个实验过程分为五个阶段，即静止状态（0～t1）、空载启动至怠速运行（t1～t2）、加速阶段（t2～t3）、匀速空载前进（t3～t4）、铲斗开始铲掘（t4～t5）［11］。通过实验采集到的转速和扭矩实时曲线，如图11（a）、图11（b）所示。

图10 装载机实车实验Fig.10 Loader Real Car Experiment

图11 转速和扭矩实时曲线Fig.11 Real-Time Curve of Speed and Torque

在转速实时曲线中t3～t4时间段转速数据波动情况与局部放大图1 和图2 类似，数值大小不同。装载机在启动和加速时传动轴速度会急剧增大，而在匀速运动时，传动轴速度基本处于稳定状态。从扭矩实时曲线可以看出在怠速运行阶段，传动轴只需要克服齿轮间的摩擦阻力，所以液力变矩器输出轴的扭矩值较小，而在空载前进阶段，装载机需要克服地面的滚动阻力才能匀速前进，故输出轴扭矩值会先增大后基本保持稳定，当铲斗与物料接触时，输出轴扭矩值又会进一步增大。由实验测得的数据可知，设计的轴功率测试系统工作稳定，测量结果准确可靠。

6 结论

采用应变型扭矩传感器和霍尔转速传感器分别测得装载机液力变矩器输出轴的扭矩和转速，从而可以实时得到输出轴的功率。通过拉压机对扭矩传感器的标定实验结果表明，设计的扭矩传感器灵敏度良好，测量结果可靠。装载机实车实验结果表明整套输出轴功率测量系统稳定可靠，体积小巧，安装方便，通过该测量系统采集到的数据可以为下一步研究装载机行走部分的节能提供依据。