CN109632314B - 一种发动机扭矩测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种发动机扭矩测量装置，包括扭矩计算单元和分别与扭矩计算单元连接的四个发动机支腿压力传感器、发动机转速传感器和重力传感器；所述压力传感器用于测量发动机四个支腿A、B、C、D处的压力，并将测得的压力数据转化为电信号传送至扭矩计算单元；所述转速传感器用于测量发动机的转速，并将数据转化为电信号传送至扭矩计算单元，扭矩计算单元根据传输入的数据计算出发动机的转动角加速度β；所述重力传感器用于测量发动机工作时机体的倾斜角度α；所述扭矩计算单元用于分析各元件传输入的数据并根据内置公式最终计算出发动机的实时输出扭矩MD，本发明能够以较低成本计算发动机的实时输出扭矩，计算结果准确，并能达到批量生产使用的条件。

Description

一种发动机扭矩测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及发动机扭矩测量装置及测量方法，尤其是一种通过测量发动机的支腿受力和转速来计算实时扭矩的测量装置和测量方法。
背景技术
发动机是车辆、工程机械、发电机组、船舶等的主要动力装置，输出扭矩是发动机工作时的一个主要状态指标，通过对实时工作扭矩的测量，不仅能获得负载数据、发动机工作状况，还可以将扭矩数据纳入发动机控制***，改善发动机响应特性，降低油耗，对于现代汽车而言，随着自动变速箱和车载CAN总线的应用，发动机扭矩数据已成为必不可少的控制信号。
目前获取发动机扭矩的方法主要有三种：首先是在曲轴或传动轴上安装扭矩传感器；第二种方法是用爆压传感器测量缸内压力，计算出发动机扭矩；第三种方法为扭矩估算，即通过获取转速、喷油量、进气量等数据，通过查表计算等方法估算出发动机扭矩。
在曲轴或传动轴上安装扭矩传感器，由于曲轴工作时高速旋转，现在尚无可以满足批量生产和寿命要求的扭矩传感器可以使用；用爆压传感器测量缸内压力，计算发动机扭矩，由于缸压传感器价格较贵，这种方法成本高昂，特别是对多缸发动机尤为突出，而且在汽缸盖上安装爆压传感器工艺繁琐可靠性差，因此无法批量使用；扭矩估算在瞬态响应和发动机故障时误差较大，由于需要大量计算，对硬件资源要求高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种发动机扭矩测量装置及测量方法，能够准确测量发动机的实时输出扭矩，且成本较低，能够批量生产使用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种发动机扭矩测量装置，包括扭矩计算单元和分别与扭矩计算单元连接的四个发动机支腿压力传感器、转速传感器和重力传感器；
所述压力传感器用于测量发动机四个支腿A、B、C、D处的压力，并将测得的压力数据转化为电信号传送至扭矩计算单元；
所述转速传感器用于测量发动机的转速，并将转速数据转化为电信号传送至扭矩计算单元，所述扭矩计算单元根据传输入的数据计算出发动机的转动角加速度β；
所述重力传感器用于测量发动机工作时机体的倾斜角度α；
所述扭矩计算单元用于分析各元件传输入的数据并根据内置公式最终计算出发动机的实时输出扭矩MD。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述发动机支腿A与B和支腿C与D关于曲轴中心线对称布置。
一种发动机扭矩测量方法，包括如下步骤：
A、在发动机不工作的情况下根据各支腿压力传感器的读数FA1、FB1、FC1、FD1，计算出发动机的重力G；
B、在发动机工作的情况下通过重力传感器测量出倾斜角度α，根据三角函数关系可以计算出各支腿所受发动机的重力分力GA、GB、GC、GD；
C、根据各支腿压力传感器的读数FA2、FB2、FC2、FD2和各支腿所受的重力分力GA、GB、GC、GD，计算出负载给发动机的反扭矩在各支腿的分力FA3、FB3、FC3、FD3：FA2＝FA3+GA、FB2＝FB3+GB、FC2＝FC3+GC、FD2＝FD3+GD；
D、根据发动机对曲轴中心线的总扭矩为零，即可计算出负载给发动机的反扭矩ML：
ML+(FA3+FB3)×L/2-(FC3+FD3)×L/2＝0；
E、根据发动机曲轴的运动方程：
MD+ML-E·β＝0；
即可求出发动机的实时输出扭矩MD，其中，E为曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量，β为转动角加速度。
本发明技术方案的进一步改进在于：当发动机不工作时，支腿受到重力和支持力的作用，所述步骤A中发动机的重心O位于曲轴中心线上，因此FA1＝FC1，FB1＝FD1，根据力的平衡FA1+FB1+FC1+FD1+G＝0即可求出发动机的重力G。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B中发动机对B-D连线的总力矩∑M＝0：(FA1'+FC1')×S+G×H＝0，发动机对A-C连线的总力矩∑M＝0：(FB1'+FD1')×S+G×(S-H)＝0,根据计算出的FA1'+FC1'和FB1'+FD1'的数值与各支腿压力传感器的读数对比即可验证各支腿的压力传感器是否正常，其中S为A-C连线到B-D连线的水平距离，H为重心O到B-D连线的水平距离，G为步骤A中计算出的发动机重力。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B中根据发动机对A-C连线和B-D连线的总力矩∑M＝0即可求出各支腿所受发动机的重力分力GA、GB、GC、GD：(GA+GC)×S+G×cosα×H＝0，(GB+GD)×S+G×cosα×(S-H)＝0，其中α为重力传感器(4)测量出的倾斜角度，发动机的重心O位于曲轴中心线上，因此GA＝GC，GB＝GD。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤F中E为曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量，根据发动机台架实验，记录发动机负载扭矩M1和转速变化数据形成转速波形图，计算出转速变化率δ，根据曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量公式E＝M1/δ,即可求出E。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：能够通过测量发动机的四个支腿受力和转速计算发动机的实时输出扭矩，计算结果准确，步骤简单，测量装置为压力传感器、重力传感器和转速传感器，装置简单，成本低，使用寿命长，实用性强，能够批量生产使用。
附图说明
图1是本发明扭矩测量装置结构图；
图2是本发明扭矩计算流程图；
图3是本发明发动机受力简化图；
图4是本发明实施例一中转速波形图；
其中，1、扭矩计算单元，2、压力传感器，3、转速传感器，4、重力传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
一种发动机扭矩测量装置，如图1所示，包括扭矩计算单元1和分别与扭矩计算单元1连接的四个发动机支腿压力传感器2、转速传感器3和重力传感器4，压力传感器2位于发动机四个支腿下方，分别测量四个支腿A、B、C、D处的压力，并将测得的压力数据转化为电信号传送至扭矩计算单元1，如图3所示，发动机的支腿A与B和支腿C与D关于曲轴中心线对称布置，重心O位于曲轴中心线上，重心O到B-D连线的水平距离为H，A-C连线到B-D连线的水平距离为S，支腿B到支腿D的垂直距离为L。
一种发动机扭矩测量方法，如图2～3所示，包括如下步骤：
A、当发动机不工作时，发动机的四个支腿受到发动机重力G和各支腿压力传感器2对支腿的支持力(数值即为压力传感器2的读数)的作用：发动机的重心O位于曲轴中心线上，因此FA1＝FC1，FB1＝FD1，根据发动机各支腿压力传感器2的读数FA1、FB1、FC1、FD1及力的平衡原理即可求出发动机的重力G：FA1+FB1+FC1+FD1+G＝0，其中，压力传感器2用于测量发动机四个支腿A、B、C、D处的压力，并将测得的压力数据转化为电信号传送至扭矩计算单元1；
B、当发动机工作时，机体倾斜，倾斜方向为任意方向，倾斜角度为α，可以通过重力传感器4测出，重力传感器4安装在发动机曲轴箱或飞轮壳或附件托架上，根据发动机对A-C连线和B-D连线的总力矩∑M＝0：(GA+GC)×S+G×cosα×H＝0，(GB+GD)×S+G×cosα×(S-H)＝0，其中S为A-C连线到B-D连线的水平距离，H为重心O到B-D连线的水平距离，G为步骤A中计算出的发动机重力，发动机的重心O位于曲轴中心线上，因此GA＝GC，GB＝GD，带入上述公式中即可求出各支腿所受发动机的重力分力GA、GB、GC、GD；
C、发动机自身存在三个力：旋转离心力、一次惯性力和二次惯性力，通过设计最终使其平衡，不再作用在发动机支腿上，因此发动机四个支腿只受到发动机的重力分力GA、GB、GC、GD和负载给发动机的反扭矩作用力的分力FA3、FB3、FC3、FD3，根据各支腿压力传感器2的读数FA2、FB2、FC2、FD2和各支腿所受的重力分力GA、GB、GC、GD，计算出负载给发动机的反扭矩在各支腿的分力FA3、FB3、FC3、FD3：FA2＝FA3+GA、FB2＝FB3+GB、FC2＝FC3+GC、FD2＝FD3+GD；
D、根据发动机对曲轴中心线的总扭矩为零，即可计算出负载给发动机的反扭矩ML：
ML+(FA3+FB3)×L/2-(FC3+FD3)×L/2＝0；
E、根据发动机曲轴的运动方程：
MD+ML-E·β＝0；
即可求出发动机的实时输出扭矩MD，其中，β为转动角加速度，通过转速传感器3测量发动机的转速，并将转速数据转化为电信号传送至扭矩计算单元1，扭矩计算单元1根据传输入的数据进行微分计算即可求出发动机的转动角加速度β，转速转速传感器3安装在发动机飞轮或凸轮轴上，E为曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量，根据E＝M1/δ,因此只要确定负载扭矩M1和转速的变化率δ即可获得E，根据发动机台架实验，加载200～300Nm的负载，通过切换开关使负载扭矩突降为0，记录转速变化数据形成转速波形图和输出扭矩M1，取负载突降为0后转速波形线性度较好的一段对应的数据，根据δ＝(转速T2-转速T1)/(T2-T1)计算出转速变化率δ，根据曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量公式E＝M1/δ,即可求出E。
根据发动机对B-D连线的总力矩∑M＝0：(FA1'+FC1')×S+G×H＝0、发动机对A-C连线的总力矩∑M＝0：(FB1'+FD1')×S+G×(S-H)＝0，带入步骤A中计算出的重力G，通过对比计算出的FA1'+FC1'和FB1'+FD1'的数值与各支腿压力传感器2的读数，可以验证各支腿的压力传感器2是否正常。
计算发动机曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量E的具体实施方法：
根据发动机台架试验，加载250Nm的负载，通过切换开关使负载扭矩突降为0，记录转速变化数据，形成转速波形如图4所示，取负载突卸后波形线性度较好的一段对应的数据，根据δ＝(转速T2-转速T1)/(T2-T1)，计算出转速变化率为257.53rpm/s，测得发动机输出扭矩M1为52.98Nm,对转速记录数据进行处理，根据E＝M1/δ计算出发动机曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量E＝2.0572kgm2。

Claims (5)

1.一种发动机扭矩测量方法，其特征在于：测量装置包括扭矩计算单元(1)和分别与扭矩计算单元(1)连接的四个发动机支腿压力传感器(2)、转速传感器(3)和重力传感器(4)；
所述压力传感器(2)用于测量发动机四个支腿A、B、C、D处的压力，并将测得的压力数据转化为电信号传送至扭矩计算单元(1)，所述发动机支腿A与B和支腿C与D关于曲轴中心线对称布置；
所述转速传感器(3)用于测量发动机的转速，并将转速数据转化为电信号传送至扭矩计算单元(1)，所述扭矩计算单元(1)根据传输入的数据计算出发动机的转动角加速度β；
所述重力传感器(4)用于测量发动机工作时机体的倾斜角度α；
测量方法具体步骤如下：
A、在发动机不工作的情况下根据各支腿压力传感器(2)的读数FA1、FB1、FC1、FD1，计算出发动机的重力G；
B、在发动机工作的情况下通过重力传感器(4)测量出倾斜角度α，根据三角函数关系可以计算出各支腿所受发动机的重力分力GA、GB、GC、GD；
C、根据各支腿压力传感器(2)的读数FA2、FB2、FC2、FD2和各支腿所受的重力分力GA、GB、GC、GD，计算出负载给发动机的反扭矩在各支腿的分力FA3、FB3、FC3、FD3：FA2＝FA3+GA、FB2＝FB3+GB、FC2＝FC3+GC、FD2＝FD3+GD；
D、根据发动机对曲轴中心线的总扭矩为零，即可计算出负载给发动机的反扭矩ML：
ML+(FA3+FB3)×L/2-(FC3+FD3)×L/2＝0；
E、根据发动机曲轴的运动方程：
MD+ML-E·β＝0；
即可求出发动机的实时输出扭矩MD，其中，E为曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量，β为转动角加速度。
2.根据权利要求1所述的一种发动机扭矩测量方法，其特征在于：当发动机不工作时，支腿受到重力和支持力的作用，所述步骤A中发动机的重心O位于曲轴中心线上，因此FA1＝FC1，FB1＝FD1，根据力的平衡FA1+FB1+FC1+FD1+G＝0即可求出发动机的重力G。
3.根据权利要求1所述的一种发动机扭矩测量方法，其特征在于：所述步骤B中发动机对B-D连线的总力矩∑M＝0：(FA1'+FC1')×S+G×H＝0，发动机对A-C连线的总力矩∑M＝0：(FB1'+FD1')×S+G×(S-H)＝0,根据计算出的FA1'+FC1'和FB1'+FD1'的数值与各支腿压力传感器的读数对比即可验证各支腿的压力传感器是否正常，其中S为A-C连线到B-D连线的水平距离，H为重心O到B-D连线的水平距离，G为步骤A中计算出的发动机重力。
4.根据权利要求1所述的一种发动机扭矩测量方法，其特征在于：所述步骤B中根据发动机对A-C连线和B-D连线的总力矩∑M＝0即可求出各支腿所受发动机的重力分力GA、GB、GC、GD：(GA+GC)×S+G×cosα×H＝0，(GB+GD)×S+G×cosα×(S-H)＝0，其中S为A-C连线到B-D连线的水平距离，H为重心O到B-D连线的水平距离，α为重力传感器(4)测量出的倾斜角度，发动机的重心O位于曲轴中心线上，因此GA＝GC，GB＝GD。
5.根据权利要求1所述的一种发动机扭矩测量方法，其特征在于：所述步骤F中E为曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量，根据发动机台架实验，记录发动机负载扭矩M1和转速变化数据形成转速波形图，计算出转速变化率δ，根据曲轴—飞轮—传动轴总转动惯量公式E＝M1/δ,即可求出E。
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