作者：周躍鋼，陽松林，鄒利亞，王建華，王立

挑戰:
發動?機?部件?測試，?需要?創建?測試?方法、?開發?測試?平臺，?解決?常規?測試?方法?無法?實施?的?測量?項目。?目前?可供?發動?機?部件?測試?借鑒?的?試驗?方法?和?測試?技術，?不能?完全?滿足?部件?商品?改進?和?產品?開發?需求，?存在?的?主要?問題： ①?重視?整?車、?整?機?測試，?輕視?部件?測試。?部件?測試?技術?前期?開發?不足，?構?建?測試?系統?應付?了?事。?測試?功能?由?廠商?定義?的?菜單?式?儀器，?不?具備?二次?開發?特性，?設備?資源?利用?率?低。?②?測試?數據?重復?性差。?導致?部件?同一?測量?部位，?同一?測試?工?況?測量?數據?比對?一致性?差。?③?測試?效率?低。?存在?數據?采集?與?計算?存儲?速率?匹配?矛盾，?高?頻?采樣?與?冗?余?數據?產生?矛盾。?④?部件?測試?核心?技術?儲備?不足。?急需?開展?的?部件?測試?因?存在?技術?瓶頸?無法?實施，?開發?測試?方法?面臨?一?無?經驗?二?無?專?項?測試?技術?傳承，?存在?應用?空白。

解決?方案:
創建?基于?cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?開發?用戶?軟件?自?定義、?以?LabVIEW 軟件?為?核心?的?自動?化?測試?系統?架構?設計，?設計?研制?測試?機械?裝置，?開展?部件?測試?傳感器?制作。?在?一個?開放?式?的?cDAQ?平臺?上?集成?多種?I/?O 模?塊?和?測試?功能，?創建?測試?方法、?設計?控制?算法、?編?程?測?控?軟件，?為?發動?機?部件?測試?復雜?技術?問題?提供?軟件?自?定義?的?靈活?解決?方案。?項目?實施?過程?中，?應用?基于?cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?開展?中型?柴油?發動?機?主?軸承?座?及?端?蓋?應力、?中型?和?重型?柴油?發動?機?高壓?油管?應力?測試，?中?重型?柴油?發動?機軸?向?負荷?加?載?止?推?片?溫度、?缸?蓋?溫度、?渦輪?增?壓?器?壓力?溫度?測試，?拓展?應用?于?整?車?車?架?應力?測試，?形成?了?具有?自主?知識?產權?的?一?整套?從?發動?機?部件?測試?系統?開發、?測量?方法?創建?到?測試?應用?評價?體系?建立，?項目?綜合?體現?了?發動?機?部件?測試?系統?最新?測?控?技術?的?實際?應用。

1．?引言
發動?機?質量?水平?依賴?于?各個?部件?質量?優?劣，?部件?測試?越?深入，?整?機?可靠性?耐久性?暴露?問題?越?少。?隨著?商品?發動?機?改進、?新品?發動?機?開發?和?競?品?發動?機?分析?的?測試?需求?增加，?發動?機?部件?測試?的?作用?日趨?凸顯。?這?給?傳統?的?發動?機?部件?測試?帶來?了?前所未有?的?挑戰，?發動?機?部件?測試?必須?與?時?俱?進、?拓展?新?功能?和?進行?方法?的?創新。

發動?機?部件?測試，?一種?是?使用?菜單?式?儀器?拿來?即?用，?無?需?編?程、?使用?簡單。?第二?種?需要?構?建?測試?平臺，?根據?控制?對象?靈活?組合?測?控?模?塊，?在?同一?平臺?實現?軟件?自?定義?的?多?參數?測量?控制?和?不同?采樣?率?設置、?可?定義?的?分析、?可?視?化?和?文件?I/?O，?該?方式?代表?了?當今?國內外?發動?機?部件?測試?的?主流?技術。

開發?基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?首先?一個?通用?平臺?滿足?各種?測試?需求。?用戶?根據?測試?對象?組合?測?控?模?塊，?進行?各種?測試?的?控制?程序?開發，?開展?發動?機?部件?測試?方法?創新。?其次?解決?測試?數據?重復?性差?的?問題。?應用?比值?測量?消除?A/?D 量化?誤差、?比值?計算?增加?測量?數據?穩定，?提高?測量?精度。?第三?解決?如何?提高?測量?效率?的?問題。?創建?基于?隊列?的?數據?采集?和?計算?存儲?方法，?隊列?的?緩沖?作用，?兼顧?數據?采集?與?計算?存儲?的?速率?匹配?矛盾，?采集、?計算?存儲?并行?進行。?創建?自?適應?數據?采集?頻率?設置?測量?方法，?設置?高?頻?采樣?和?降?頻?采樣?頻率，?進行?傅?里?葉?功率?譜?密度?函數、?互?相關?函數、?相關?系數、?均?方?差?計算，?開展?頻?域?時?域?相關?性?分析。?相關?性?吻合?采用?降?頻?采樣?頻率，?減少?無?謂?的?冗?余?數據?海量?計算?存儲。?第四?應用?于?技術?難度?大?過去?無法?實施?的?測試?項目。?發動?機軸?向?負荷?加?載?測試?打破?技術?壁壘?封鎖，?攻克?部件?傳感器?制作?瓶頸?開拓?測試?新?功能，?部分?項目?填補?了?發動?機?部件?測試?的?應用?空白，?是?面向?特殊?測試?的?創新?技術?應用?范?例。

基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統?的?開發?與?應用，?解決?由?使用?固定?軟件?且?功能?廠商?定義?的?測試?平臺?無法?完成?的?測試?難題，?開展?發動?機?部件?測試?系統?開發、?測試?方法?創建?和?測試?應用?評價?體系?的?建立。

2．?測試?系統
2.1 cDAQ 平臺
?cDAQ（Compact Data Acquisition）?平臺，?美國?國家?儀器?公司?創建?的?多功能?便?攜?式?數據?采集?平臺，?見?圖?2.1。?包含?NI CompactDAQ 機?箱、?NI c 系列?熱?插?撥?I/?O 模?塊，?USB 接口?控制，?連接?基于?LabVIEW 圖形?化?編?程?語言?的?主機。?基于?cDAQ 平臺?的?測試?及?控制?解決?方案，?可以?實現?用戶?軟件?定義?的?數據?采集、?數據?記錄、?數據?分析?和?測量?顯示，?適合?于?多功能?的?數據?采集?應用?和?信號?控制。

?圖 2.1 cDAQ 模?塊?化?平臺

?圖 2.2 開發?基于?cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統

?圖 3.1 比值?測量?計算

NI CompactDAQ 機?箱?控制?用戶?自?定義?定?時、?同步?和?多?達?8 個?c 系列?I/?O 模?塊?之間?數據?傳輸，?同時?管理?多個?定?時?引擎，?在?相同?系統?內?運行?多?達?7 個?不同?采樣?率?的?硬件?定?時?I/?O 任務。

NI C 系列?50 多種?熱?插?撥?I/?O 模?塊，?BNC 接口?或?螺絲?端子?接口?直接?連接?傳感器，?模?塊?內?置?抗?混?疊?濾波?器、?信號?調理?和?A/?D 轉換?器，?通道?間?隔離?或?組?隔離、?帶有?終端?連接?器，?測量?信號?包括?溫度、?負荷、?壓力、?應力、?扭矩、?加速度、?數字?I/?O、?計數?和?定?時、?CAN 通訊?等，?適應?不同?類型?的?物理?信號?測試?系統?要求。

cDAQ 平臺?需要?根據?控制?對象?和?檢測?功能?積木?式?組合?I/?O 接口?模?塊，?測試?效率?取決?于?測試?方法?創建、?LabVIEW 軟件?結構?設計?和?編?程?技巧。

2.2 系統?開發

應用?美國?國家?儀器?公司?NI cDAQ 開放?式?模?塊?化?數據?采集?硬件?平臺?和?LabVIEW 圖形?化?編?程?軟件，?開發?用戶?軟件?自?定義?的?發動?機?部件?測試?系統，?見?圖?2.2。?該?系統?體現?以?LabVIEW 圖形?化?編?程?軟件?為?核心?的?自動?化?測試?系統?架構?設計，?在?cDAQ 平臺?上?根據?部件?測?控?參數?組合?接口?模?塊，?用戶?只做?部件?測試?方法、?控制?算法?和?控制?程序?的?頂?層?設計，?以及?部件?測試?機械?裝置?開發?和?測試?傳感器?制作?的?底層?設計，?為?發動?機?部件?測試?復雜?技術?問題?提供?解決?方案。?應用?創新?技術?實現?部件?產品?應力、?壓力、?負荷、?溫度、?轉?速、?扭矩、?數字?I/?O、?振動?和?加速度?等?性能?參數?測試?考核，?解決?由?使用?固定?軟件?且?功能?由?廠商?定義?的?傳統?測試?平臺?無法?完成?的?測試?難題。

基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?包含?NI cDAQ 9172 機?箱?和?NI c 系列?模?塊，?圖形?化?編?程?軟件?LabVIEW2011，?完成?部件?測試?開發?研制?的?發動?機軸?向?負荷?加?載?裝置，?制作?發動?機?缸?蓋、?止?推?片?K 型?熱電?偶?溫度?傳感器?和?高壓?油管?應變?傳感器，?以及?Pt100 鉑?電阻、?1/4 橋?電阻?應變?片?和?應變?花、?壓力?變?送?器、?K?型?鎧?裝?熱電?偶?等?傳統?傳感器。?cDAQ 9172 機?箱?8 槽?位，?能?控制?多?達?8 個?熱?插?撥?c 系列?I/?O 模?塊?之間?數據?傳輸?以及?模?塊?數據?采集?的?定?時、?同步?功能。?NI c 系列?NI 9219、?NI 9234、?NI 9235、?NI 9237、?NI 9477 等?即?插?即?用?模擬、?數字?I/?O 測?控?模?塊，?滿足?發動?機?部件?測試?需求。?未來?還?將?根據?部件?測試?功能?拓展，?在?線?纜?式?cDAQ?平臺?上?增加?NI c 系列?模?塊?或?升級?至?CompactDAQ?控制器。?主機?PC?運行?用戶?自?定義?開發?的?LabVIEW?測?控?程序，?通過?USB 接口?控制?cDAQ 平臺?實現?數據?采集，?在?同一?平臺?實現?多?參數?測量?控制?和?不同?采樣?率?設置。?LabVIEW 測?控?程序?通過?調?用?系統?服務?與?驅動?層?底層?驅動?函數，?與?硬件?I/?O 模?塊?實現?無縫?集成?控制。

3．?測試?技術
3.1 比值?測量?計算?方法

3.1.1 比值?測量

發動?機?臺?架?試驗?扭矩?及?壓力?測量、?軸?向?負荷?加?載?測量、?主?軸承?座?及?端?蓋?應力?測量、?共?軌?壓力?測量?和?燃油?消耗量?稱?重?測量，?以及?整?車?車?架?應力?測量，?所用?傳感器?由?四?個?橋?臂?的?惠?斯通?電?橋?組成。?根據?檢測?組?件?配置?的?單?橋?臂、?雙?橋?臂?或?四?橋?臂?電阻?應變?片，?構成?1/4 橋、?半?橋?或?全?橋?電路，?目前?存在?的?問題：

①?測量?接口?模?塊?與?測?點?應變?傳感器?之間?導線?壓?降，?導致?應變?傳感器?激勵?電壓?和?A/?D 轉換?器?基準?電壓?非?等?電位，?A/?D 轉換?量化?結果?引入?測量?誤差。

② 應變?傳感器?測量?值?計算，?取?激勵?電壓?設定?常數，?激勵?電壓?波動?變化?引入?計算?誤差。

上述?因素，?導致?部件?同一?測量?部位，?同一?測試?工?況?測量?數據?比對?一致性?差。

比值?測量?計算?方法，?見?圖?3.1。?比值?測量，?根據?運算?放大器?輸入?阻抗?高?輸入?電流?為?零?致使?傳輸?導線?不?產生?壓?降?特點、?應用?基準?電壓?檢測?器?檢測?應變?傳感器?激勵?電壓?Vcc，?檢測?值?實?時?跟蹤?激勵?電壓?波動?其?輸出?驅動?作為?A/?D 轉換?器?基準?電壓?Vref。?Vcc 等于?Vref，?A/?D 轉換?補償?激勵?電壓?至?應變?傳感器?導線?電阻?Rlead 產生?的?壓?降?引起?的?增益?誤差，?消除?激勵?電壓?變化?和?溫度?飄移?對?A/?D 量化?結果?的?誤差?影響。

圖 3.2 基于?隊列?的?數據?采集?和?計算?存儲

?圖 3.3 自?適應?數據?采集?頻率?設置

?圖 3.4 重型?發動?機?高壓?油管?應力?測試?頻?譜?分析

比值?測量?方法?的?優勢?增加?測量?穩定?性。?激勵?電壓?變化，?激勵?電壓?被?檢測?并?反饋?到?A/?D 轉換?器?基準?電壓?端，?激勵?電壓?Vcc 與?A/?D 基準?電壓?Vref 等?電位，?A/?D 量化?精度?不受?激勵?電壓?變化?影響。

3.1.2 比值?計算

應用 Vin/?Vcc 比值?計算?方法，?計算?車?架?應力、?發動?機?扭矩、?軸?向?負荷、?缸?體?應力?和?高壓?油管?應力，?將?傳感器?輸出?電壓?對應?的?各種?物理?參數?替換?成?比值?對應，?其?線性?表達?式：

y = kx + b

式?中，?y 為?測量?物理?值，?x 為?應變?傳感器?輸出?比值?Vin/?Vcc，?k 為?增益?系數，?b 為?應變?傳感器?零點?失調?物理?值。

比值?計算?方法?的?優勢?標定?測量?數據?重復?一致性?好。?對應 A/?D 模擬?輸入，?比值?計算?與?傳感器?激勵?電壓?Vcc 變化?無關，?對應?N、?Nm、?lb、?kg、?Pa 及?Psi 各種?物理?量的?檢測?計算?穩定，?減少?重復?標定?次數?或?分段?標定?區域。

發動?機?部件?應變?應力?測量，?應用 NI 9237 模?塊?比值?測量?和?LabVIEW 測?控?程序?比值?計算?算法，?提高?測量?數據?重復?一致性?和?精確?度。

3.2 基于?隊列?的?數據?采集?和?計算?存儲?方法

發動?機?部件?測試，?在?數據?采集?和?計算?存儲?并行?執行?的?程序?結構?中，?通過?局部?變量?傳遞?數據，?數據?采集?速率?大于?數據?計算?存儲?速率，?產生?遺漏?計算?采集?數據；?數據?采集?速率?小?于?數據?計算?存儲?速率，?產生?重復?計算?采集?數據。?由于?存在?數據?采集?與?實?時?計算?存儲?的?速度?匹配?瓶頸，?導致?測試?效率?降低。

設計?基于?隊列?的?數據?采集?和?計算?存儲?方法，?見?圖?3.2。?生產?者?主?循環?實現?數據?采集，?并?將?數據?放入?隊列；?消費?者?從?循環?依次?從?隊列?中?取出?數據，?實現?數據?計算?存儲。?聯?接?兩?個?循環?的是?基于?隊列?的?數據?管道，?主?循環?數據?通過?隊列?傳遞?給?從?循環，?主?循環?與?從?循環?并行?執行。

基于?隊列?的 LabVIEW 生產?者 /?消費?者?循環?數據?結構，?利用?隊列?構?建?的?FIFO（先入?先?出）?將?數據?進行?緩?存，?當?消費?者?的?計算?存儲?執行?速率?小?于?生產?者?數據?采集?速率，?隊列?長度?將?不斷?增加，?不會?遺漏?讀?取?采集?數據。?當?消費?者?的?計算?存儲?執行?速率?大于?生產?者?數據?采集?速率，?從?隊列?中?每?取?完?一?組?數據?隊列?長度?即為?空，?不會?重復?讀?取?采集?數據。?由于?隊列?的?緩?存?作用，?不管?消費?者?模式?的?計算?存儲?運行?速率?如何，?生產?者?消費?者?模式?始終?保證?消費?者?循環?處理?的是?正確?的?數據。

3.3 自?適應?數據?采集?頻率?設置?測量?方法

高速?數據?采集，?導致?大量?冗?余?數據?涌?入。?海量?數據?計算?和?冗?余?數據?存儲，?增加?數據?處理?計算?負荷。?必須?杜絕?發動?機?部件?采樣?頻率?僅?憑?經驗?或?靠?感覺?確定?的?弊端，?減少?冗?余?數據?量?無?謂?計算、?節省?存儲?空間?并?提高?數據?處理?分析?效率。

設計?自?適應?數據?采集?頻率?設置?測量?方法，?見?圖 3.3，?應用?傅立葉?功率?譜?函數?和?相關?性?函數?分析，?確定?測量?信號?頻率。?根據?信號?頻率?設置?采樣?率，?達到?試驗?研究?和?測試?結果?所需?精度?要求。

信號?參數?的?頻率?響應?范圍，?設定?第一?高?頻?采樣 X0（t）?和?第二?降?頻?采樣?X1（t），?作?時?域、?頻?域?分析。?首先?應用?FFT 傅立葉?功率?譜?密度?函數?進行?頻率?響應?分析?計算，?求?出?被?測?參數?信號?響應?頻率，?以?重型?柴油?發動?機?高壓?油管?應力?測試?為?例，?設定?采集?頻率?5KHz，?發動?機?轉?速?1900r/?min，?外?特性?試驗?的?采集?數據，?進行?傅立葉?功率?譜?密度?函數?頻率?響應?計算?分析，?見?圖?3.4，?應變?信號?響應?頻率?16Hz。?若?不同?采樣?頻率?的?信號?可以?互換，?等?價?條件?為?功率?譜?圖?相鄰?最?大幅?值?間?的?頻率?相同。

其次?進行?相關?性?判斷，?互?相關?函數?反映?兩?個?樣本?在?不同?時刻?之間?的?相互?依存?關系。?運用?互?相關?函數、?相關?系數、?均?方?差?計算?兩?種?信號?波形?在?不同?時刻?的?相似?性?和?關聯?性，?判斷?是否?具有?互換?性。?如果?高?頻?采樣?X0（t）?和?降?頻?采樣?X1（t）?二者?具有?極?高?相關?性，?且?相關?系數?和?均?方?差?值?計算?沒有?超出?門檻?值，?應用?降?頻?采樣。

如果?在?某些?特征?參量?上?差異?超出?設定?門檻?值，?使用?原?頻率?采樣。

以?中型?柴油?發動?機?主?軸承?座?應力?測量?為?例，?兩?組?不同?采樣?頻率?的?主?軸承?座?應力?信號?波形?互?相關?分析，?見?圖?3.5。?圖?3.5a 兩?組?應力?信號?采樣?頻率?同?為?10kHz，?相關?系數?計算?等于?1，?均?方?差?計算?等于零，?信號?波形?完全?相同。?圖?3.5b 為?第一?高?頻?10kHz 采樣?和?第二?降?頻?9kHz 采樣?的?信號?波形?互?相關?性?分析，?相關?系數?＜?1，?均?方?差?計算?＞?0，?兩?組?信號?波形?高度?吻合。?圖?3.5c 為?第一?高?頻?10kHz 采樣?和?第二?降?頻?40Hz 采樣?的?信號?波形?互?相關?性?分析，?相關?系數?計算?近似?等于零，?均?方?差?計算?誤差?超出?門檻?值?出現?錯誤?警示，?兩?組?信號?波形?風馬牛?不相?及、?毫不?相關。

自?適應?數據?采集?頻率?設置?測量?方法，?根據?LabVIEW 信號?處理、?數據?分析?軟件?FFT 傅立葉?頻?譜?分析?和?相關?函數?計算，?尋找?最優?采樣?頻率，?使?采樣?頻率?真實?接近?測試?參數?響應?頻率?的?整數?倍。?即?真實?反映?信號，?又?不?出現?數據?冗?余。

3.4 發動?機軸?向?負荷?加?載?控制?方法

發動?機?部件?測試，?除?需?建立?測試?平臺?外、?還?需?研制?測試?裝置、?制作?部件?傳感器，?遠?比?具有?現成?檢測?設備?的?整?機?臺?架?測試?準備?工作?復雜?的?多。?部件?測試?開發，?沒有?現成?的?技術?方法?可以?借鑒，?沒有?全套?齊全?的?設備?能夠?買到，?部件?測試?裝置?的?開發?源?于?創新。

發動?機軸?向?加?載?測試?裝置?設計，?見?圖 3.6。?氣缸?支架、?聯?接?桿?支座?安裝?在?發動?機?試驗?室?鐵?地板?上，?止?推?軸承?裝配?在?止?推?軸承?套?座?內，?止?推?軸承?套?座?用?螺栓?固定?在?發動?機?曲軸?法?蘭?盤?前端。?通過?cDAQ 平臺?NI9477 控制?氣缸?氣壓?壓力?實現?軸?向?推?拉力?雙向?加?載、?NI 9237 檢測?軸?向?加?載?負荷，?拉?壓力?傳感器?承載?氣缸?活塞?直線?行程?的?推?拉力，?并?將?力矩?傳遞?給?聯?接?桿。?止?推?軸承?承載?聯?接?桿?直線?行程?的?推?拉力，?并?將?力矩?作用?至?旋轉?的?發動?機?曲軸?法?蘭?盤?端面，?完成?發動?機?運轉?時?軸?向?負荷?推?拉力?加?載?的?試驗?考核。

發動?機軸?向?負荷?加?載?測試，?應用?于?發動?機?曲軸?端面、?氣缸?體?端面、?軸?瓦?端面、?飛?輪?端面、?變速箱?端面?施加?軸?向?負荷?推?拉力?加?載，?考核?發動?機?部件?產品?耐久性?能?的?專?項?測試。

3.5 發動?機?部件?傳感器?制作?方法

3.5.1 高壓?油管?應變?傳感器?制作

發動?機?部件?測試，?除?應用?傳統?的?商品?傳感器?外，?亦?需要?專?項?制作?部件?傳感器。?部件?傳感器?制作?缺陷，?往往?導致?部件?測試?系統?的?應用?功?虧?一?簣。

共?軌?柴油?發動?機?燃油?供給“大動脈”高壓?油管，?使用?過程?中?若?出現?斷裂?或?漏油?等?失效?故障，?不僅?影響?發動?機?可靠性，?而且?直接?關系?人身?和?車輛?安全。?在?發動?機?高壓?油管?應變?測試?實踐?中，?如何?選?型?應變?片?和?制作?應變?傳感器，?是?保障?測試?成功?的?關鍵。

應變?片?選擇，?采用?輸出?阻抗?120Ω?兩?軸?90°?垂直?應變?花，?測量?高壓?油管?軸?向?和?徑?向?應變，?計算?應變?合力。?根據?高壓?油管?管?徑?與?長度，?選擇?敏感?柵?長度?3mm 以上、?自我?溫度?補償?（敏感?柵?材料?與?被?測?物?材料?熱?膨脹?系數?相對?應）?的?3 線?制?金屬?箔?式?應變?片，?消除?應變?片?阻值?和?引線?電阻?隨?溫度?變化?的?影響。

高壓?油管?應變?片?粘貼?部位，?選擇?能?最大?感受?油管?應力?的?管?件?端?頭?部位，?其中?兩?軸?90°?應變?花?粘貼?位置，?距?高壓?油管?端?頭?距離?20mm，?見?圖?3.7a。?針對?細?徑?圓?管?和?不?規則?彎曲?形狀，?為?真實?檢測?應力?和?防止?應變?片?粘貼?不?實?振動?脫落，?設計?了?應變?傳感器?制作?方法。?①?檢查?分?選；?②?管?件?打磨；?③?劃?線?定位；?④?貼?面?清洗；?⑤?涂?劑?粘?片；?⑥?加?壓?固定；?⑦?質量?檢查；?⑧?防護?處理。?制作?完成?的?高壓?油管?應變?傳感器，?見?圖?3.7b 和?3.7c。

應用 cDAQ 平臺?NI 9235、?NI 9237 及?附件?NI 9944 接口?模?塊，?開展?高壓?油管?動態?應變?測量，?制作?合格?的?高壓?油管?應變?傳感器，?頻?譜?分析?能夠?捕捉?并?呈現?與?發動?機?轉?速?基?頻?對應?的?最?大幅?值?和?周期，?見?圖?3.4。

3.5.2 止?推?片?溫度?傳感器?制作

發動?機?止?推?片?表面?磨損，?導致?發動?機?曲軸?竄?動、?活塞?拉?缸、?離合?器?掛?檔?分離?困難?和?運轉?異?響，?止?推?片?磨損?過程?中?溫度?異常?上升?還?會?產生?嚴重?燒?蝕?或?抱?軸；?造成?曲軸?止?推?面?和?缸?體?軸承?座?側面?摩擦?磨損、?缸?體?和?曲軸?報廢?的?嚴重?故障。?在?考核?止?推?片?材料?的?止?推?耐磨?性能?試驗?中，?如何?向?發動?機?曲軸?端面?施加?軸?向?負荷?加?載，?怎樣?制作?和?安裝?止?推?片?溫度?傳感器，?如何?準確?檢測?止?推?片?溫度，?是?實現?止?推?片?性能?測試?的?關鍵?技術。

（a）?兩?種?采樣?信號?波形?相關 （b）?兩?種?采樣?信號?波形?高度?近似?相關 （c）?兩?種?采樣?信號?波形?不?相關
?圖 3.7 高壓?油管?應變?傳感器?制作

沿?發動?機?曲軸?縱?向?方向，?在?發動?機?主?軸承?座?和?主?軸承?座?端?蓋?前后?各有?2 片上、?下?止?推?片。?發動?機?止?推?片?傳感器?制作，?見?圖?3.8。?沿?止?推?片?圓周?30o、?90o、?150o?處，?在?上、?下?止?推?片?壁?厚?2.5mm 中?線?位置?各?鉆?Ф1.1、?深?7mm 小?孔?3 個，?沿?壁?厚?圓?弧?面?加工?寬?1mm、?深?4mm 溝?槽，?在?小?孔?內?安裝?點?焊?后?的?鎳?鉻?鎳?硅?K?型?熱電?偶?絲，?沿?溝?槽?引出?并?用?密封?膠?填充?固定。?止?推?片?溫度?傳感器?篩選，?設定?測量?誤差?≤?±2℃，?合格?產品?作為?發動?機?止?推?片?試驗?樣品。

4．?部件?測試
4.1 發動?機軸?向?負荷?加?載?止?推?片?溫度?測試

中?重型?發動?機軸?向?負荷?加?載?止?推?片?溫度?測試?系統，?NI cDAQ 9172 測試?平臺，?含?8 種?軸?向?推?拉力?加?載?控制?NI 9477 模?塊、?軸?向?力?檢測?NI 9237 模?塊、?3 組?12 通道?K 型?熱電?偶?溫度?檢測?NI 9219 模?塊，?見?圖?4.1。

圖 3.7 ?高壓?油管?應變?傳感器?制作 （b）?泵?至?軌?油管?應變?傳感器

圖 3.7 ?高壓?油管?應變?傳感器?制作 （c）?軌?至?嘴?油管?應變?傳感器

止?推?片?溫度?傳感器?安裝，?見?圖 4.2。?首先?在?發動?機?主?軸承?座?安裝?上?止?推?片，?裝入?曲軸，?安裝?主?軸承?座?端?蓋?的?同時?裝入?下?止?推?片。

發動?機軸?向?負荷?加?載?測量，?采用?電阻?應變?橋?式?拉?壓力?傳感器。?應用?Vin/?Vcc 比值?測量?計算?方法，?見?圖?4.4。?拉?壓力?傳感器?激勵?電壓?變化?時，?接口?模?塊?A/?D 轉換?器?參考?電壓?同步?變化，?A/?D 轉換?器?模擬?輸入?與?激勵?電壓?的?比值?Vin/?Vcc 保持?恒定，?測量?精度?不受?激勵?電壓?波動?的?影響。

應用?基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?止?推?片?可靠性?測試?界面?見?圖?4.5。?開展?發動?機?穩定?工?況、?帶?負荷?起動?正常?潤滑?工?況?和?邊緣?潤滑?工?況?軸?向?負荷?加?載?12 通道?止?推?片?溫度?測試，?考核?發動?機?止?推?片?受?軸?向?負荷?作用?下?的?溫?升?及?磨損，?對?止?推?片?可靠性?進行?判斷。

發動?機軸?向?負荷?加?載?止?推?片?溫度?測試，?穩定?工?況?下?止?推?片?最高?溫度?為?131.90℃，?見?表?4.1。?穩定?工?況?試驗，?止?推?片?表面?未?出現?擦傷?痕跡，?亦?未?出現?明顯?的?摩擦?痕跡。

本?項目?開發?與?應用，?攻克?發動?機?止?推?片?性能?測試?軸?向?負荷?加?載?控制、?止?推?片?溫度?傳感器?制作?和?安裝?的?技術?瓶頸，?填補?發動?機?部件?專?項?測試?的?應用?空白，?是?面向?特殊?測試?的?創新?技術?應用?范?例。

4.2 發動?機?主?軸承?座?及?端?蓋?應力?測試

發動?機?動力?性、?經濟?性?和?降低?排放?的?整體?性能?指標?提升，?要求?發動?機?缸內?燃燒?壓力?隨?之?增加，?缸內?最大?爆發?壓力?導致?發動?機?疲勞?應力?分布?主要?集中?在?主?軸承?座?區域。

為?考核?發動?機?缸?體?軸承?座?所?承受?的?應力，?開展?臺?架?試驗?中型?柴油?發動?機?主?軸承?座?及?端?蓋?應力?測試。?發動?機?主?軸承?座?1 缸?側?粘貼?1/4 橋?120Ω?電阻?應變?片，?主?軸承?端?蓋?粘貼?1/4 橋?120Ω?電阻?應變?片?及?90°?電阻?應變?花，?見?圖?4.6。

應用?基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?主?軸承?座?應變?應力?測試?系統，?見?圖?4.7，?NI 9219、?NI 9237 和?NI 9944?組成?1/4 橋?應變?測量?接口?模?塊。?建立?臺?架?試驗?工?況?主?軸承?座?應力?分析、?主?軸承?座?應力?隨?爆?壓?變化?規律?分析?的?測試?應用?評價?體系。?開展?主?軸承?座?端?蓋?螺栓?安裝?應力，?外?特性?工?況?主?軸承?座?應力，?負荷?特性?工?況?主?軸承?座?應力?測量。

圖 3.8 ?發動?機?止?推?片?傳感器?制作 （b）?止?推?片?K 型?熱電?偶?傳感器

圖 4.1 ?基于?cDAQ 平臺?的?發動?機軸?向?負荷?加?載?止?推?片?溫度?測試 （a）?NI cDAQ9172 平臺

圖 4.1 基于?cDAQ 平臺?的?發動?機軸?向?負荷?加?載?止?推?片?溫度?測試 （b）?cDAQ 平臺?模?塊?接口

發動?機?轉?速 2400r/?min 負荷?特性?工?況，?主?軸承?座?應力?峰值?測量，?見?圖?4.8。?發動?機?主?軸承?座?應力?響應?主要?由?缸?壓?作用?產生，?應力?峰值?的?大小?與?爆?壓?壓力?大小?有關。

發動?機?轉?速 2400r/?min 外?特性?工?況，?主?軸承?座?應力?測試?的?采集?數據，?應用?傅立葉?功率?譜?密度?函數?進行?信號?頻率?響應?計算，?見?圖?4.9，1/4 橋?應變?片?應變?信號?響應?頻率?20Hz，?對應?發動?機?轉?速?2400r/?min 的?基?頻。

4.3 發動?機?高壓?油管?應力?測試

高壓?油管?產品?設計、?材料?選?型、?仿真?計算、?可靠性?評價，?需要?進行?應力?測試?驗證。?而?對?這?方面?的?測試?技術、?試驗?方法、?數據?分析?過去?往往?缺乏?認識，?具體?測試?過程?出現?的?問題?未能?解決。?為此，?進行?共?軌?柴油?發動?機?高壓?油管?應力?測試?系統?的?開發，?開展?測試?技術?創新?和?試驗?方法?研究，?解決?多?通道?數據?采集?與?實?時?計算?存儲?的?速度?匹配?瓶頸、?高速?數據?采集?與?冗?余?數據?產生?導致?測試?效率?低下?問題。

應用?基于 cDAQ 平臺?的?NI cDAQ9172 機?箱、?NI 9235 1/4 橋?應變?測量?模?塊、?NI 9237 和?NI 9944 1/4?橋接?線?座，?組成?中、?重型?共?軌?柴油?發動?機?高壓?油管?應變?應力?測試?系統。

建立?高壓?油管?應力?測試?評價?體系，?開展?安裝?強度?應力?和?運行?疲勞?應力?測試。?數據?分析，?應用?Goodman?曲線?進行?產品?強度?應力?和?疲勞?應力?可靠性?評價。?同時?對?運行?應力?測試?數據?開展?頻?譜?分析，?分析?疲勞?應力?產生?原因?及?確定?自?適應?數據?采集?頻率。?重型?柴油?發動?機?高壓?油管?應力?測試?部位，?見?圖?4.10、?4.11。

應用?自?適應?數據?采集?頻率?設置?測量?方法，?設定?第一?高?頻?采樣 10kHz 和?第二?降?頻?采樣，?進行?FFT 功率?譜?密度?函數?頻率?響應?分析?和?信號?相關?性?計算，?減少?無?謂?的?冗?余?采集?數據?海量?計算?存儲，?提高?測試?效率。?采樣?頻率?5KHz，?對?圖?4.11 重型?發動?機?第?6 缸?軌?至?嘴?高壓?油管?噴?嘴?端?90°?應變?花?1-1 和?1-2 測?點、?共?軌?端?90°?應變?花?1-3 和?1-4 測?點?開展?軸?向?和?徑?向?應力?頻?譜?分析，?見?圖?4.12。?2 組?軸?向?和?2 組?徑?向?應力?響應?頻率?均?為?15.83Hz，?運行?應力?周期?0.063s，?與?發動?機?轉?速?1900r/?min 的?基?頻?吻合。

高壓?油管?運行?應力?測試?頻?譜?分析?表明，?發動?機?軌?壓?建立?過程，?油管?工作?時?受到?的?周期?應力、?以及?發動?機?運行?振動?導致?的?油管?應力?幅?值?變化，?是?產生?油管?疲勞?失效?的?主要原因。?疲勞?應力?一方面?受到?管內?軌?壓?的?作用，?另一方面?亦?受到?噴?油、?供?油?壓力?波動?的?作用。?在?疲勞?應力?的?基礎?上，?還有?與?發動?機?轉?速?基?頻?對應?的?周期性?應力?響應。

多?通道?數據?采集?和?存儲?計算，?設計?基于?隊列?的?數據?采集?和?計算?存儲?方法，?見?圖?4.13。?首先?對?cDAQ 平臺?接口?模?塊?設置?初始?化，?創建?數據?采集?任務、?設定?采樣?頻率、?啟動?定?時?采集，?循環?讀?取?采集?數據，?數據?采集?結束?刪除?任務?釋放?資源。?多?任務?并行?處理?采用?LabVIEW 生產?者 /?消費?者?循環?數據?結構，?生產?者?循環?使用“元素?入?隊列”函數?向?數據?簇?隊列?中?添加?采集?數據，?消費?者?循環?使用“元素?出?隊列”函數?從?數據?簇?隊列?中?取出?數據。?當?數據?采集?速率?快?于?數據?計算?存儲?速率，?來不及?處理?的?數據?緩?存?于?隊列?中，?保證?采集?數據?不?丟失。?基于?隊列?的?循環?間?數據?傳輸，?采集、?計算、?存儲?多個?任務?并行?執行，?消除?后?續?離?線?數據?處理?分析，?具有?更高?測試?吞吐量，?提高?程序?效率。?運籌?于?帷幄?之中，?決?勝?于?千里?之外。

重型?發動?機?高壓?油管?晶粒?鋼?材料?PP600，?極限?抗?拉?強度?800Mpa，?屈服?強度?700Mpa，?疲勞?極限?240Mpa，?0.1RPH（0.1%?失效?率?下?的?疲勞?極限）?152Mpa。?應用?Goodman 應力?分析?評價?見?圖?4.14。?安裝?平均?應力?值?（強度?應力）?作為?橫坐標、?運行?平均?應力?值?（疲勞?應力）?作為?縱?坐標，?0.1%?失效?的?疲勞?極限?與?橫坐標、?坐標?原點?及?縱?坐標?所?組成?的?區間?為?安全?工作?區。

重型?發動?機?高壓?油管?應力?測量?值?分布?在 0.1%?失效?的?疲勞?極限?線?以下，?測量?應力?滿足?Goodman 曲線?材料?強度?與?疲勞?強度?限?值?要求。

應用 cDAQ 平臺?和?LabVIEW 測?控?程序，?開展?高壓?共?軌?中型?柴油?發動?機?泵?至?軌?高壓?油管?安裝?應力?和?運行?應力?測試，?見?圖?4.15。

發動?機?轉?速 2400r/?min 外?特性?試驗?工?況，?數據?采樣?頻率?5kHz。?應用?Goodman 曲線?判斷?高壓?油管?安裝?應力?和?運行?應力?分布?狀況，?見?圖?4.16。

發動?機?高壓?油?管材?質 PP600 PPSH Q 級，?彈性?模?量?E=212，?泊?松?比?μ=0.285，8 路?應力?測量?平均值?分布?在?0.1%?失效?的?疲勞?極限?線上?下?區間，?2 路?測量?應力?值?略?超過?0.1%RPH 限?值、?小?于?疲勞?極限?值?要求。

4.4 發動?機?缸?蓋?溫度?測試

發動?機?缸?蓋?設計，?鼻梁?區?熱?應力?情況、?水流?場?工作?情況、?材料?選?型?等?基礎?工作?和?仿真?計算，?需要?開展?缸?蓋?溫度?測試，?以?適應?發動?機?功率?提升?的?高?爆?壓?要求。

應用?基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?開展?中?重型?柴油?發動?機?缸?蓋?溫度?測試，?見?圖?4.17。?缸?蓋?溫度?K 型?熱電?偶?傳感器，?安裝?在?缸?蓋?進、?排?氣?道?的?鼻梁?區間，?K 型?熱電?偶?溫度?測量?模?塊?NI 9219。

外?特性?工?況?下?控制?發動?機?出水?溫度 88℃，?開展?缸?蓋?溫度?測量、?缸?蓋?溫度?梯度?計算，?以及?全?負荷?工?況?下?改變?出?水溫?進行?缸?蓋?測?溫，?數據?采集?頻率?1Hz。

發動?機?外?特性?工?況、?缸?蓋?測?點?溫度?及?溫度?梯度?變化，?見?圖?4.18。?1 缸?排排?3mm 測?點?位置、?1700r/?min-2300r/?min 區域，?缸?蓋?平均?溫度?340℃?以上，?最高?溫度?349.1℃。?1700r/?min?～?2300r/?min 區域，?1 缸?排排?斷面?測?點?位置，?缸?蓋?溫度?梯度?≥17℃/?mm。?據此?計算，?1 缸?排排?缸?蓋?表面?平均?溫度?在?391℃?以上

（340℃?+17℃/?mm×3 mm =391℃）。

4.5 發動?機?渦輪?增?壓?器?壓力?溫度?測試

高壓?共?軌?柴油?發動?機，?使用?渦輪?增?壓?器?回收?發動?機?排?氣?能量，?驅動?排氣管?道?的?渦輪?帶動?同?軸?的?進?氣?管道?的?葉輪，?葉輪?壓?送?由?空氣?濾清?器?管道?吸?進?的?空氣，?使?之?增?壓?進入?氣缸。?提高?發動?機?升?功率?和?燃油?經濟?性，?降低?發動?機?油耗?和?排放，?提供?高原?功率?補償。?渦輪?增?壓?器?出口?與?發動?機?進?氣管?之間?的?中?冷?器，?對?進入?氣缸?的?空氣?進行?冷卻。?整?車?道路?試驗，?發動?機電?控?單元?EECU 的?軌?壓、?主?噴、?預?噴?和?后?噴、?渦輪?增?壓?器?限?熱?模式?參數?調整，?需要?監測?渦輪?增?壓?器?相關?參數?驗證。?中?重型?柴油?發動?機?渦輪?增?壓?器?壓力?溫度?測試?部位，?見?圖?4.19。

基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?渦輪?增?壓?器?壓力?溫度?測試，?見?圖?4.20。?NI cDAQ9172 測試?平臺，?壓力?接口?模?塊?NI 9234，?接口?激勵?電壓?24V 輸出?量程?0?～?5V 的?壓力?變?送?器，?測量?中?冷?后?壓、?排?氣?背?壓?和?進?氣?壓力；?溫度?接口?模?塊?NI 9219，?接口?量程?±100℃?的?Pt100 鉑?電阻?測量?進?氣?溫度，?接口?K 型?鎧?裝?熱電?偶?測量?中?冷?后?溫、?渦?前排?溫和?渦?后排?溫。

發動?機?渦輪?增?壓?器?壓力、?溫度?測試?數據?采集?控制?程序，?見?圖 4.21。

4.6 車?架?應力?測試

在?車輛?研發?過程?中，?對?車?架?進行?應力?測量?是?進行?靜態?和?動態?結構?強度?評估?的?不可?缺少?的?環節。?應用?cDAQ 平臺?NI cDAQ9172 機?箱、?NI 9235 應變?片?測量?接口?模?塊，?開展?整?車?車?架?應力?測量。?1/4 橋?應變?片?粘貼?在?車?架?縱?梁?正下方，?測試?部位?見?圖?4.22。?車?架?縱?梁?材料?DL590 大梁?鋼，?強度?極限?590MPa、?屈服?極限?450MPa，?整?車?進行?空?載 -?怠?速 -?加?載 -?滿載?運?料?行駛，?測試?工?況?見?圖?4.23。

車?架?大梁 6 組?應變?測量?數據?曲線，?見?圖?4.24。?根據?測?點?的?數據?分析?對比，?車?架?的?應力?分布?從?前端?至?后?端?呈現“前?拉?后?壓”的?分布?趨勢。

5．?結論
開發?基于 cDAQ 平臺?的?發動?機?部件?測試?系統，?應用?美國?國家?儀器?公司?NI cDAQ 平臺?和?圖形?化?編?程?語言?LabVIEW 開發?軟件，?開展?發動?機?部件?測試?方法?的?基礎?技術?研究?和?技術?創新，?應用?比值?測量?消除?A/?D 量化?誤差、?比值?計算?增加?測量?數據?穩定，?創建?基于?隊列?的?數據?采集?和?計算?存儲?方法?以及?自?適應?數據?采集?頻率?設置?方法?提高?測試?效率，?創建?發動?機軸?向?負荷?加?載?控制?方法?攻克?技術?瓶頸，?創建?部件?傳感器?制作?方法?完成?以往?無法?實施?的?測量?項目，?應用?創新?技術?實現?發動?機?部件?產品?性能?的?測試?考核，?項目?成果?可以?拓展?到?整?車、?變速箱、?底盤?傳?動?系?部件?測試。

本?項目?應用 NI cDAQ9172 平臺，?經受?了?發動?機?臺?架?試驗、?整?車?道路?試驗?嚴酷?的?電磁?環境?干擾、?高原、?高溫?和?振動?考核。?臺?架?試驗?cDAQ 平臺?與?運轉?的?發動?機?近在咫尺，?通過?10?～?15m 功率?放大?的?USB 傳輸?線?連接?控制?室?的?電腦，?發送?指令?接收?數據?傳輸?不?中斷。?cDAQ 平臺?的?高?性?價?比、?高性能、?物?盡其?用、?易?于?上手?的?品質?特點，?在?發動?機?部件?測試?中?充分?體現?了?其?應用?效果。

編輯:hfy