基于虚拟仪器技术的发动机功率与扭矩的测量

1、基于虚拟仪器技术的发动机功率与扭矩的测量    论文导读：而汽车发动机无论是研发乃至维修阶段。以虚拟仪器LabVIEW为开发平台。扭矩测量，基于虚拟仪器技术的发动机功率与扭矩的测量。 关键词：虚拟仪器，发动机，扭矩测量，功率测量    1引言 近年来，随着中国的汽车销售业进入爆炸式的增长，汽车走进了寻常百姓家。论文大全，扭矩测量。2009年，中国乘用车销售首次超过美国，成为世界第一大汽车市场。在一些大城市，汽车的人均占有量很高，如广州平均14人拥有一辆汽车，因此汽车的研发、生产销售乃至维修都进入黄金发展时期。而汽车

2、发动机无论是研发乃至维修阶段，其中主要参数就是发动机的功率和扭矩，它直接决定着汽车的使用性能。再好的汽车，若发动机的功率和扭矩达不到要求，对汽车使用者有最直接的影响。在汽车的维修和二手车交易过程中，发动机的功率和扭矩能否达到发动机所设计的额定状态，通常是一些设备所不能检测的，“亚健康”的发动机对汽车的使用性能有很大影响。这就需要一种设备可以检测出发动机在各种工作状态下的扭矩和功率是否能够达到要求，为发动机的研发与检测维修提供便利。 基于上述原因，笔者设计一款发动机的工况测试系统。本系统采用ADLINK公司的工控机和DAQ2214的数据采集卡，以虚拟仪器Lab VIEW为开发平台。该系统具有可视

3、化效果强，控制方式和数据都可以虚拟显示，省去很多硬件设备，无缝集成强，随时可以添加其它测量参数。电涡流缓速器作为负载，可以模拟实现发动机的各种运行工况。采用拉压传感器进行数据测量，操作者可根据需要自行选择测试方式，测量的数据可以实时保存，需要时还能绘制各种图表。论文大全，扭矩测量。 2 测量原理 扭矩测量的基本方法有能量转换法、传递法和平衡力法。能量转换法按照能量守恒定律测量扭矩，通过测量其他与扭矩有关的能量系数来确定被测量的扭矩的大小；传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量扭矩的；平衡力法是根据匀速运转发动机的传动轴对外输出一定大小的转矩时，机壳上必

4、定作用一个大小相等、方向相反的平衡力矩来实现测量扭矩。能量法的间接测量因素太多，且误差大，传递法比较复杂。因此根据汽车发动机性能试验方法的要求，本设计采用平衡力法测量发动机的扭矩，而功率则根据扭矩转化过来。具体为：电涡流缓速器作为制动负载与发动机相连，在电涡流缓速器的定子上安装一个长75厘米的标准力臂，力臂的另一端连着YZC-516 S型拉压传感器。当发动机工作时，华泰电源给缓速器加电流，缓速器的定子产生电涡流，由于转子是带磁性的铸铁，运动时产生切割磁力线的制动力，从而实现对发动机施加负载的作用。由力的作用原理可知转子受到制动力，定子就受到反作用力，这反作用力就作用在拉压传感器上。论文大全，扭

5、矩测量。因此将拉压传感器上受到的力测出后乘以力臂就是发动机的输出扭矩，再通过公式转化求出功率。 3 硬件选择、测量原理及传感器标定 本系统的加载设备是M7-35型电涡流缓速器，其最大扭矩3500N·m，额定电流15A，额定电压200V。电源设备系统采用华泰WYK-20030K直流稳压电源，为电涡流缓速器提供加载电流，最大输出电流30A，最大输出电压200V。系统通过软件自动实现从 0-5V控制电压对应电源的电流输出0-30A，实现对电涡流缓速器加载。采用Lab VIEW中的子VI模拟电压输出，可以设置成自动输出或手动输出。在处理数据时，结合0-5V对应的0-30A电流，换算为对应的函

6、数关系式，从而实现对测功机系统的控制。系统开发的过程设置两种加载模式：当系统手动进行测量时，可以通过手动操作给电涡流缓速器加载，从而实现恒扭矩试验；当系统选择自动控制时，系统自动给电涡流测功机施加负载。 转速测量选用磁电式传感器，在发动机的输出轴上安装一个均布60个齿的转盘，把传感器安装在转盘的齿的正对面，使传感器能在发动机运转时采集到交变的毫伏级的电压信号，经过整形放大后转化为0-5V的交变信号，运用Lab VIEW开发平台，用软件的形式进一步整理滤波后，转变为一个0-5V的方波信号。运用Lab VIEW程序中的SINAD Analyzer子VI结合设置的采样率的设置，得出相应的频率f，转速

7、n可以通过公式（1）求出相应的发动机的转速值。 （其中为齿数）（1） 发动机油门的控制是通过步进电机的正、反转实现的，通过位移传感器测量油门的开度，通过接近开关控制油门的最大及最小位置，利用软件实现自动返回运行或自动停止。 拉压传感器的数据采集，当发动机的输出扭矩与电涡流缓速器制动负载平衡时，系统对传感器的压力就是制动力，由于扭矩传感器输出的是毫伏级电压信号，容易受到外界干扰且不便数据采集处理，因此采用隔离放大模块，把输出信号进一步放大，这时经过数据采集卡后，就可以读出单位扭矩下所对应的电压信号，扭矩由公式（2）求出（为扭矩，U为所读电压，a、b为参数） =a*U+b （2） 由于转速n已经测

8、量出，功率参数Pe也可以根据公式（3）求出 （3） 由于传感器的电压输出信号经过隔离放大模块的隔离放大，需要重新对其所对应量程及所对应的输出到数据采集卡的电压进行标定。在进行扭矩标定时，在电涡流缓速器的标准力臂的另一端加平衡的等长的标准臂，相当于等力臂杠杆，用可以上下自由拉动且能自锁的台架作为加载装置，本试验使用浙江蓝箭称重技术有限公司生产的电子吊秤OCS-XZ-AAE读取所加力的大小（液晶显示电子读数，精度5级，最小显示值0.5kg,最大量程1000kg）。论文大全，扭矩测量。这样每一个加载力就有相应的一个电压值与其对应，连续加载直到达到发动机的最大扭矩值，运用Excel进行标定分析，既可求

9、出公式（2）中的参数，代入公式（3）就可求出发动机的功率。 4 系统设计 根据GB/T 182972001汽车发动机性能试验方法的要求，在进行功率、负荷等特性试验时，笔者设计几个子程序。运用Lab VIEW进行软件设计，兼顾可靠性等，可分为试验设置、主程序、通道及参数设置。试验设置包括发动机的参数设置、电涡流缓速器的参数设置、基本参数设置如试验人员、试验条件等数据。主程序见图（1）分为：系统总开关控制、油门控制、报警装置、PID参数设置以及图表绘制等设置。系统总开关控制整个系统，油门控制是控制发动机油门，系统出现问题时主界面会自动报警。PID参数具体程序模块见图（2）：主要是实现对整个发动机扭

10、矩和功率的自动测量。通道及参数设置模块是数据采集通道及传感器参数设置的窗口，通过通道设置，可以规定数据采集卡的采集通道所对应的传感器名称，并对传感器进行标定。论文大全，扭矩测量。 图（1） 图（2） 5 结语 本系统可以实现对发动机的扭矩和功率的稳定测量。在汽车发动机性能试验方法的要求下，可以实现对发动机不同工况下的测试，并保存所测数据或绘制各种工况下的图表。论文大全，扭矩测量。另外还可根据测试系统的要求，添加发动机的其他工况数据。    参考文献： 1吕彩琴等，发动机转速与扭矩测量系统设计，J.机械工程与自动化，2009，（143）； 2GB/T 182972001，汽车发动机，