支持发动机开发的智能滑动轴承

【德】 R.AUFISCHER S.SCHALLMEINER A.WIMMER M.ENGELMAYER

0 前言

研究人员在开发新型发动机时，必须考虑到持续变化的环境法规和效率目标，同时还要考虑如何降低开发、验证和运行的成本。因此，除了摩擦损失外[1]，研究人员也应对机型的开发、验证和上市时间等因素进行重点考虑。

考虑到曲柄连杆机构的复杂性，研究人员应始终考虑到设计过程期间可能遇到的折中问题，并非所有关键设计特征都能以所要求的精度实现仿真。研究人员在仿真过程中虽然会考虑到运行条件、工况及与生产密切相关的特征，但仍需要在发动机试验程序中对总体情况进行验证。

特别是在进行样机试验时，发动机的可用性和安全运行对于成本和时间要求至关重要。在验证阶段，研究人员可以通过提供各种滑动轴承的运行参数来支持开发步骤，从而有助于实现上述目标。

1 数字化概念与信息

研究人员为智能滑动轴承集成了轴承传感器、信息传输和数据分析功能，包括发动机曲柄连杆机构中的所有轴承，从而可对其进行评估。活塞销衬套目前不在研究人员的开发范围之内，但必要时仍可将该部件实现集成。研究人员目前正在考虑将旋转部件或运动部件的无线传输和通信的标准协议集成到电子发动机环境中[2]。图1为该概念的示意图。

图1 智能滑动轴承概念框图

当研究人员采用了传感器技术和传输部件后，需要对部件进行特殊调整，以应对工作状态下发动机的严苛运行条件。

研究人员需要建立1个将物理值和经验值与大数据分析相结合的混合评估系统，以评估轴承传感器所提供的数据。该指标可以通过智能接收器实现，或者由接收器与发动机控制系统或监控系统实现共享(图2)。

图2 数据分析——实施选项

2 智能滑动轴承系统的组件

目前，研究人员可通过多种方式监控发动机轴承。借助润滑剂，在润滑剂通过轴承之后直接在轴承上或轴承中进行测量(例如通过喷溅润滑系统)；也可采用完全独立的系统(例如油雾检测器)进行监控。

3 针对不同轴承设计和评估数据的轴承传感器

研究人员关注的重点是布置了轴承上或轴承内的系统部件。表1概述了关于传感器读数和轴承设计的传感器选项。由表1可知，传感器技术必须与不同的轴承设计相匹配，并且特定的传感器只能传递限定的物理量和数据。

表1 适用于不用轴承类型的传感器

第1种方法采用了温度传感器。此外，研究人员还开发了薄膜传感器技术，从而可以在表面附近进行更直接的测量[3]。

图3 安装多个传感器，以识别形状偏差和其他局部轴承现象

研究人员为了更好地了解轴承的运行状态，可以采用多个传感器，并将其数据传输到智能接收器中进行评估。从而可识别出原型中的偏差，例如形状偏差。图3示出了采用多个温度传感器的典型应用，并将其用于识别形状偏差和局部轴承现象，例如摩擦引起的临时磨损。

为了更接近轴承表面，研究人员目前正在开发1种薄膜传感器，并已成功通过了第1步鉴定过程。图4示出了这种薄膜传感器的横截面，该传感器可用于轴承内的不同区域。该图还示出了无铅溅射轴承的不同功能层的结构。传感器区域中的轴承在厚度仅有几微米的薄膜上运行。因此，传感器开发的最大挑战之一是减小传感器厚度，以避免影响测量信号。

图4 传感器成品的层状结构横截面示例

如图4所示，研究人员设计了1个非常薄的传感器并对其进行了首次试验。这种薄膜传感器不仅可提供温度值，还可提供压力值，因此也能用于轴承-曲柄系统的设计与负荷标定。研究人员同时还对其他与轴承无关的系统进行了监测，但到目前为止，尚未找到评估依据。

4 无线信号传输

主动或被动无线信号的传输过程具有多种选择，其均适用于热机油、高加速度和使用空间极其有限的特殊环境。此外，不同的传感器信息需要不同的传输频率，例如，与遵循运行周期的压力相比，温度通常具有较低的频率要求。表2概述了旋转部件的数据传输选项。

表2 旋转部件的数据传输选项

自备电源意味着旋转部件上必须布设有电源。由于还需要传输高频测量值，因此自带电源的主动系统通常优于被动系统。图5示出了用于发动机试验装置的系统(安装在试验连杆上)及对发生器壳体进行的设计过程。为了将传输数据降至最低，研究人员直接在发生器中进行模拟/数字(A/D)转换。

图5 载重汽车用发动机连杆及发生器壳体设计(均来自LEC公司)

针对整个发动机运行周期，研究人员在发动机试验台上对直列6缸发动机进行了多次试验，充分证明了其在极端温度条件下(含油环境)的性能。通过试验证明，能量收集系统能为在恶劣工作状态下的发动机提供所需功率。

5 发动机控制与监测系统的接收器和接口

目前，接收器直接与发动机和试验台控制系统相连接。尽管如此，除了基本的接收器功能外，智能接收器还将为曲柄连杆机构监测系统的各个级别提供部分或完整的评估过程。通过各种有线或无线接口，例如蓝牙、控制器局域网络(CAN)和通用异步收发传输器(UART)连接到整个监控系统，其中蓝牙连接用于遥测系统。

该项设置适用于开发过程，并具有良好的性能。研究人员可对所有组件进行开发且不会使其受到相互影响。然而，为了确保系统中的某些智能化功能，研究人员需要将所有测量值和一些发动机系统数据集成到数据分析系统中，以进行下一步计算。

6 数据分析与曲柄连杆机构评估系统

软件设计采用含有3个级别的分层方法。图6为流程示意图，其中也包含用于数据评估的各种输入。

图6 智能传感器流程图

级别1——传感器错误检测：首先，研究人员必须按顺序正确地记录测量结果，然后针对短期和长期性能的不同，并将其转换到各种算法中。传感器的性能通常受运行条件的限制，并且还可能受到其他设备的干扰。在监测过程中可能会出现许多不同的传感器错误，例如异常值、缺失值、因干扰造成的误差，以及完全故障等。检测异常和错误的方法包括：(1)简单的统计方法，例如滑动平均、低通滤波、自回归滑动平均和卡尔曼滤波等；(2)基于机器学习的方法[4]，例如基于密度的、基于聚类的和基于支持向量机的异常检测。在第1个原型中，研究人员通常采用滑动平均算法来检测是否存在失误。

级别2——评估运行风险和偏差：要分析运行风险和短期性能，必须了解轴承类型在最佳运行和故障之间的基本特性。研究人员将用于确定物理极限的现有数据(例如在轴承试验台上获得的数据)与各种算法结合在一起，以便将这些极限值传输到实际的发动机环境中。为了确定偏差，需要采用包含多个传感器的方法。传感器测量值的局部差异有利于评估形状偏差和局部轴承现象。

级别3——剩余使用寿命：可以根据轴承类型和实际使用的传感器，通过集成数学方法评估长期性能[4]。根据历史记录和发动机实际运行情况进行预测，以优化轴承使用寿命。

7 系统验证

研究人员采用了各种方法来验证系统的功能和稳定性。第1步是在试验室环境中证明新技术的适用性。如果成功，下一步就是将轴承试验台中的功能结合在一起，其中的温度、负荷和机油状态等相关参数反映了发动机轴承所处的环境[5]。图7示出了适用于载重汽车发动机用滑动轴承的典型试验台配置。

图7 发动机轴承试验台，可使滑动轴承过载以进行功能试验并缩短试验时间

在LEC公司的发动机试验台上[6]，研究人员对13 L MAN D2676欧6发动机进行了稳定性和功能原理的最终验证。适用性试验涵盖了各个工况点及基于全球重型卡车试验循环(WHDTC)的瞬态试验。图8示出了发动机及相应的试验室。

图8 MAN试验机和LEC试验台布置

尽管研究人员最初并未设置疲劳强度，但这些组件已经提供了预期的信息。由于已完成所用传感器和信号传输的改进优化，因而可以为客户进行初始安装。

8 结语和展望

研究人员基于智能滑动轴承而开发了1种曲柄连杆机构监测系统，该系统集成了轴承传感器、有线和无线传输及全新的数据分析方法。在试验室、轴承试验台和工作状态下，研究人员对发动机几种不同的组件分别进行了试验。为了完成曲柄连杆机构评估的所有3个级别，传感器必须与轴承类型和发动机应用相匹配，并且需要进一步开发数据分析，数据分析还可以充分反映长期影响。

目前为止，所有信息均已得到证实，在发动机开发中采用轴承监测，有利于通过避免和减少曲柄连杆机构故障来提高原机型的可用性。通过相应的传感器设计和安装，还可以获得偏差信息，从而优化结构。

李媛媛 译自 MTZ，2019，80(12)

伍赛特 编辑

(收稿时间：2020-04-22)