发动机装配过程扭矩测试研究和应用

范廷雨 李晓敏 徐燕 汤云涛

摘 要：介绍发动机扭矩测试的原理，说明发动机不同装配阶段扭矩表现，并阐述扭矩曲线和数据分析方法及问题解决思路。通过扭矩测试机的合理规划，实现了对发动机整个装配过程的扭矩监控。结合统计的监控数据和曲线，技术人员可对装配过程中的质量问题进行分析。同时，该控制方法在汽车制造业的成功应用也可为其他行业的旋转扭矩监控提供指导。

关键词：发动机扭矩负荷 扭矩测试 数据分析 曲线分析

Abstract：This paper introduces the principle of engine torque test， explains the torque performance of different assembly stages of the engine， and expounds the torque curve， data analysis methods and problem-solving ideas. Through the reasonable planning of the torque testing machine， the torque monitoring of the entire assembly process of the engine is realized. Combined with statistical monitoring data and curves， technicians can analyze quality problems during assembly. At the same time， the successful application of this control method in the automotive industry can also provide guidance for rotational torque monitoring in other industries.

Key words：engine torque load torque test data analysis curve analysis

1 引言

隨着汽车工业的不断发展和环保形势日益严峻，现代汽车对节能减排的要求不断提高。发动机作为汽车的动力核心，其扭矩输出效率直接关系节能减排的效能，因此生产制造中对发动机旋转扭矩的控制和缺陷诊断，越来越受到行业的重视。而随着相关测试技术的不断进步，以及计算机处理能力的迅速提高，越来越多的汽车生产厂家，开始采用具有较快节拍、较高质量检测水平、较低生产成本的扭矩测试设备，来进行发动机装配过程的高精度检测，以更好的保证产品质量。

2 发动机扭矩来源

本论文仅研究发动机自身扭矩负荷（不研究发动机输出扭矩），以下简称发动机扭矩。

通常一台发动机由1000多个零件组成，随着装配的进行，发动机自身扭矩负荷也逐渐增大。总结扭矩来源，主要有以下几个方面。

2.1 曲轴旋转扭矩

曲轴是发动机运转的主轴，是发动机扭矩的输出轴，它通过皮带轮和飞轮，将扭矩传递到全车需旋转驱动的机构。曲轴的轴颈与瓦片（相当于轴承）之间本身存在旋转摩擦副。

2.2 曲柄连杆机构扭矩（活塞连杆）

活塞连杆机构装配后，与曲轴形成典型的曲柄连杆机构，配合燃油燃烧产生驱动力。活塞在缸孔内的滑动摩擦副、连杆轴颈与连杆孔的摩擦副都加大了扭矩负荷。

2.3 凸轮轴及配气机构

曲轴通过正时轮系及链条（或皮带）与凸轮轴连接，然后驱动配气机构动作（主要包括气门和弹簧）。正时轮系旋转摩擦、凸轮轴旋转摩擦、气门滑动摩擦及气门弹簧加大了扭矩负荷。

2.4 缸孔压力

四冲程发动机在运转时，仅有点火燃烧做功冲程产生驱动力，其他三个冲程（进气、压缩、排气）都产生阻力。缸孔内的压力（简称缸压），大大加强了扭矩负荷。

2.5 其他零件阻力

另外还有一些较小影响的因素，也会加大发动机自身扭矩负荷，比如机油、冷却液、涡轮增压器等。

2.6 制造缺陷引起的阻力

除了正常的扭矩负荷以外，还有一些零件来料缺陷、发动机装配缺陷等会产生异常阻力，比如旋转接触面磕碰/划伤、夹带杂质、漏润滑、零件变形等。这些异常情况，就是发动机扭矩测试的关注点。发现这类异常、抓出缺陷正是题中之义。

3 扭矩测试方案

发动机装配线的扭矩测试，不像常规的热机试验那样——能够真实的表现发动机的功率和扭矩，而是通过间接的、针对性的方式考察发动机装配性能。在测试过程中，更多的涉及到各种参数及曲线的分析。因此，测试方案的设计尤为重要，需要在实际生产中通过实践验证和不断优化来最终确定。

在发动机装配的三个不同阶段进行扭矩测试，我们称之为TTT1、TTT2和冷试。每台测试设备不只包含扭矩测试，同时还进行其他测试（比如TTT2还包括振动测试，冷试还包括油压、进气/排气压力测试等），本论文仅对扭矩测试进行阐述和分析。

3.1 TTT1（Torque To Turn 1#）

发动机装配完曲轴之后，进行第一阶段扭矩测试。主要针对主轴瓦片漏装、轴颈或瓦片划伤、夹带杂质、漏润滑等缺陷。

TTT1设备结构通常如下，通过伺服电机驱动设备主轴旋转，主轴连接曲轴法兰端，驱动曲轴旋转。测试系统通过数据采集卡从扭矩传感器上采集数据，数据通过测试台专用软件进行分析，然后将分析结果与测试台已设定好的控制限值进行比较，从而确定发动机是否有异常，见图4。

通过扭矩传感器采集过程数据和波形，然后通过PC软件进行处理分析。正常扭矩波形如图5。

3.2 TTT2（Torque To Turn 2#）

发动机装配完活塞连杆之后，进行第二阶段扭矩测试。主要针对连杆瓦片漏装、连杆轴颈或瓦片划伤、夹带杂质、漏润滑等缺陷。

TTT2设备结构、测试原理、波形都与TTT1相同，参考TTT1。

3.3 冷试机的扭矩测试

发动机装配完正时轮系、缸盖（包含凸轮轴、气门、弹簧等）、加注机油之后，进行第三阶段扭矩测试。主要针对凸轮轴轴颈损伤、夹带杂质、漏润滑、气门/弹簧卡滞及正时轮系卡滞等缺陷。

发动机冷试验是用來检测内燃机装配质量的一种高效、低成本、更环保的方法。采用冷测试技术检测发动机时，发动机不需要燃料驱动，也不需要冷却液进行冷却。冷试机扭矩测试结构通常如下，被测试的发动机进入测试台，各机构自动夹紧发动机，通过伺服电机驱动设备主轴旋转，主轴夹爪抱紧飞轮，驱动曲轴旋转。测试台的伺服电机驱动发动机以不同的速度旋转。

4 扭矩测试项目

我们通常监控三种扭矩信息：启动扭矩、运行扭矩、连续监控扭矩。

4.1 启动扭矩测试（Break Away）

启动扭矩，指发动机从静止状态到开始运动的瞬间所产生的扭矩，又称为脱离扭矩。启动扭矩的测试主要是为了确认发动机内部各运动部件之间是否有卡滞情况，例如轴瓦漏装、活塞错装等。如果启动扭矩过高，设备会自动停止运行并报警，要求操作人员评估故障所在并解决，以避免高速运转造成发动机不可逆转的损坏，降低生产报废成本。

启动扭矩测试项目主要设置以下参数（以1缸参数为例），见表1。

4.2 运行扭矩测试（Break Away）

运行扭矩，指发动机在稳态下旋转所需的扭距。运行扭矩测试，一般选定在几个固定转速下持续运转，监控扭矩是否有异常波动。此步骤用于检测较充分地润滑、磨合后，各运动部件之间的整体性能，比如轴颈与轴盖间有异物、活塞环缺失或尺寸不当等。

运行扭矩测试项目主要设置以下参数（以1缸参数为例），见表2。

4.3 连续监控扭矩

连续监控扭矩，指发动机测试全过程都存在的持续的扭矩监控，包括启动瞬间、加速阶段、匀速阶段、减速阶段。一般监控限值较宽，目的是防止发动机扭矩过大，甚至抱死时，发动机本身或设备本身受到损伤。

连续监控扭矩项目主要设置以下参数（以1缸参数为例），见表3。

5 结语

要获取特殊状态下旋转机构的关键数据，一方面要求有先进、成熟、实用的测试方案和设备，另一方面应将可测性的设计思想纳入旋转机构的设计过程中去。本文介绍的扭矩测试技术具有一定的实用性和使用价值，可以推广到其他产品旋转机构的性能测试中，并进一步的开发和完善以适应各种不同产品和工况的需求。

参考文献：

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