凸轮轴相位调节器回位弹簧应变测试方法

万志刚

（1．同济大学汽车学院，上海 201804；2．舍弗勒大中华区发动机研发部，上海 201804）

凸轮轴相位调节器回位弹簧应变测试方法

万志刚1，2

（1．同济大学汽车学院，上海 201804；2．舍弗勒大中华区发动机研发部，上海 201804）

为了测试发动机凸轮轴相位调节器回位弹簧在工作时的应变，设计了半桥惠斯顿电桥，将应变片桥路布置在弹簧和相位调节器表面，以倒拖电机台架为发动机载体，采用了无线遥感测试系统以及高频采集设备测量并记录发动机在运转时的回位弹簧动态应变值。 通过测量结果发现发动机转速为3500r/min左右时，回位弹簧应变值突然增大，最大应变值可达约1500μm/m。

凸轮轴相位调节器；回位弹簧；应变；无线遥感测试系统

1 研究背景

随着汽车尾气排放法规越来越严格，凸轮轴相位调节器在汽油发动机上得到了广泛的应用。由于凸轮轴相位调节器能够对气门重叠角进行无级调节，从而使得发动机的充气效率和缸内残余废气量可以被灵活有效地控制，对提升发动机功率扭矩以及降低CO、NOx、HC等有害排放物起到了非常显著的作用。

1.1 工作原理简述

在实际运用中，发动机停机状态下，一般进气相位调节器处于最滞后的位置，而排气相位调节器处于最提前的位置。发动机凸轮轴在逆时针正向扭矩的作用下朝滞后的方向旋转，对于排气相位调节器来说，它的初始位置在最提前位置，因此发动机停机时要回到初始位置就必须要克服凸轮轴扭矩。为了使排气相位调节器能正常回位，通常在其上安装一个回位弹簧，其扭矩方向与凸轮轴的正向扭矩方向相反。发动机在工作时，随着工作情况的不断变化，凸轮轴的相位需要不断进行调节，而回位弹簧则会随着相位的调节而正反交替地扭转运动，进而有可能会发生疲劳断裂，因此需对回位弹簧在工作时所产生的最大应变进行测试，以确定弹簧疲劳安全系数。

1.2 回位弹簧介绍

凸轮轴相位调节器的回位弹簧采用的是涡卷形盘簧，回位弹簧一端固定在相位调节器的定子上，另一端固定在转子上，如图1所示。当相位调节器调节时，相位器的转子向滞后或者提前方向运动，回位弹簧则一直对转子施加往提前方向的扭矩。

本文以排气相位器回位弹簧为测试对象，介绍使用无线遥感测试设备以及电阻式应变片对弹簧的应变进行测量。

图1 回位弹簧及其安装图

2 测试系统

2.1 测试台架

本试验使用了电机倒拖台架系统，其结构如图2所示。将凸轮轴相位调节器按原机状态安装在国内某款发动机上进行测试，使用大功率电机倒拖驱动发动机运转，试验过程中发动机不点火。台架主要由大功率倒拖电机、台架控制系统和加热系统组成。电机最大功率为47 kW，可驱动发动机达到最高9000 r/min的转速。加热系统可将发动机润滑油温度稳定地控制在-20～150 ℃。控制系统采用了西门子公司的触摸式操作控制系统，可以对发动机转速和润滑油温度进行设置。

2.2 相位控制系统

试验需要采集回位弹簧在所有工作状态下的应变，因此必须能够对相位器进行控制和调节。本次试验使用的相位控制系统包含了ECU、数据采集器以及测试微机，其工作原理如图2所示。其中，采集器使用了AFT公司开发的高速数据采集器，最高采样频率可达500 kHz。ECU可从发动机曲轴和凸轮轴传感器读取相位信息，并通过比例电磁阀对相位角进行控制。所有数据的设置、记录和保存均可通过测试微机中的软件来实现。

图2 测试系统结构图

2.3 应变测量系统

2.3.1 应变测量系统简介

应变测量系统主要由应变片惠斯顿电桥和无线测试装置组成。试验中，将电阻式应变片粘贴在回位弹簧表面测量其应变,但是由于发动机运转时，回位弹簧随凸轮轴相位器一起旋转，使用传统的有线 装置无法接收应变片的输出信号，因此本次试验采用了无线遥感测试装置来测量应变片的输出信号。

2.3.2 回位弹簧应变仿真计算

为了确定应变片的粘贴位置，试验前对回位弹簧静态时的应力进行了仿真计算，在初始预紧状态M1以及最大调节状态M2时，最大应变点均出现在弹簧线长67 mm（P1）和446 mm（P2）处，所以选取这2个点为应变测量点，如图3、4所示。

图3 静态下回位弹簧应变仿真计算结果

图4 应变片粘贴点P1及P2

2.3.3 电阻式应变片粘贴

由于弹簧主应力为单向拉压应力，因此选用单向应变片便可满足测量要求。此外，回位弹簧工作时会接触较多的高温润滑油，因此应变片导线及粘结剂采用的均为耐高温耐油材质，并且在应变片及导线外层涂抹一层保护膜进行保护。应变片主要参数见表1。

表1 应变片主要参数

除了粘贴在弹簧表面的主应变片外，在相位器外壳上粘贴了仅用来感受温度变化的副应变片，从而与主应变片及2个定值电阻形成半桥惠斯顿电桥，如图5所示。这样一来可以消除试验中温度高低变化对应变片电阻的影响，保证应变测试结果的可靠性。

图5 应变片粘贴

2.4 无线遥感测试系统

2.4.1 无线遥感测试系统简介

试验所使用的无线遥感测试系统是德国MANNER公司生产的双通道telemetry系统，可同时测量2组信号。系统主要由信号发射器、信号接收器和信号分析单元这3部分组成，如图6所示。其中，信号发射器（转子）一般与被测旋转件通过工装连接在一起旋转，被测信号引线可焊接在发射器的针脚上，从而将测量信号无线发送给信号接收器；信号接收器（定子）一般固定不动，将信号传输给信号分析单元。信号发射器与信号接收器间不接触，间隙为0.5～1 mm。

图6 Telemetry系统组成

Telemetry系统将传感器与无线通信技术结合在一起，实现了数据的无线传输。应变电信号由信号处理电路进行放大，并经A/D模数转换之后，编码器将采集到的数字量以PCM（脉冲编码调制）形式传送给转子再发送给定子，定子接收到数据后，再将数据发送给信号分析单元，进行D/A数模转换并以模拟信号的形式对外输出，最后利用PIKESPEAK对该模拟信号进行采集记录。其工作原理如图7所示。

2.4.2 无线遥感测试系统运用

在本次试验中，通过特定的工装设计，将转子和相位调节器固定在一起，如图8所示。其中，工装一头与转子通过螺栓紧密连接，另外一头通过热压的方式固定在相位调节器的壳体外圈上。应变片电桥的引线从回位弹簧上引出之后，用粘结剂依次粘结在相位器外壳、工装外表面、工装内表面上，最后将引线焊接到转子针脚上。定子则利用简易牢固的支架直接固定在发动机的外壳上。最后，将改装之后的相位调节器安装在发动机上，如图9所示。

图7 Telemetry系统原理图

图8 转子与相位调节器的固定

图9 Telemetry系统安装图

3 测试方法及结果分析

3.1 测试方法

1）发动机机油温度设定为85±5℃。2）相位调节器调节到指定工作状态。

3）保持发动机怠速转速10 s，然后60 s内匀速上升到最高转速，最高转速时保持10 s，再在60 s内匀速下降至怠速转速。

4）怠速转速保持10 s，相位调节器保持初始位置。3.2 工作状态

相位调节器在以下各个工作状态下重复上述步骤3和4进行试验。

1） 初始位置 最提前位置，相位器不调节。

2） 中间位置 本次试验用相位调节器最大调节角度为60°曲轴转角，故中间位置为30°曲轴转角位置。

3） 最滞后位置 即60°曲轴转角位置。

4）通过改变PWM（占空比），将相位器从初始位置到最滞后位置来回调节50个循环，每个循环8 s，其中初始位置保持4 s，最滞后位置保持4 s。

3.3 结果分析

测试结果如图10所示。从图10中可以看出弹簧主要是受压应力作用。在各种工作状态下，回位弹簧的应变随着转速的升高而增大，这是由于随着转速的升高，凸轮轴的扭矩逐渐增大，从而使得弹簧受力增大而导致的。当凸轮轴转速为1750 r/min时（曲轴转速为3500 r/min），回位弹簧应变出现比较大的波动。其中，在相位调节器处于来回调节状态时，P1及P2出现最大峰值分别为-1245.7μm/m和-1498.6μm/m，见表2。产生这种现象的原因有2种，一是发动机发生异常抖动，比如共振或者爆震；二是弹簧本身发生共振。而从图10中我们发现凸轮轴的角度波动基本在5°曲轴转角左右，因此发动机异常抖动的可能性较小，基本可以判断在该转速下应变的突变是由于弹簧受到外界激励而产生共振。

表2 应变测试最值 μm/m

4 结束语

针对凸轮轴相位调节器回位弹簧工作时高速旋转，无法使用有线设备直接测量的特点，采用了先进可靠的无线遥感测试设备对回位弹簧的动态应变进行了有效测量。

［1］ MANNER Sensortelemetrie GmbH.Operating Manual,Telemetry System［Z］.2014.

［2］ Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH.Strain Gages and Accessories［Z］.2008.

［3］ 屠卫星.可变气门正时系统结构原理与维修［M］.南京：江苏科学技术出版社，2008.

图10 测试结果

（编辑 杨 景）

Test Method of the Return Spiral Spring Strain on Camshaft Phaser

WAN Zhi-gang1，2
（1. School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804；2. Engine R＆D，Schaeffler Greater China，Shanghai 201804，China）

In order to test the strain of return spiral spring of the variable camshaft phaser，we design the half-bridge Wheatstone bridge circuit，and attach the strain gage on surface of the spring; through a motored-engine test rig，we use the telemetry system and high frequency measuring device to record all the tested strain data. According to the test result，it is found that the strain of the return spiral spring would suddenly hits the highest value，when the engine speed reaches 3500 rpm，which is about 1500μm/m.

variable camshaft phaser；return spiral spring；strain；telemetry system

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0072-05

2017-06-01