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「发动机质量控制」冷试转矩测试你了解吗?
时间:2022-04-09 21:24 点击次数:193

  冷试台架有专门的电气系统及机械机构,使用交流伺服电动机通过特殊机构与发动机的曲轴相连接,以不同的转速来拖动被测试发动机。

  在发动机不喷油、不燃烧的情况下使用传感器收集各项数据,并通过特殊的算法对采集的数据进行处理,并将处理结果与指定的限定值比较,进而评判该发动机装配、零部件是否存在缺陷。

  转矩测试是检测非燃烧状态,发动机四个行程作用在曲轴上的作用力与反作用力。在测试时,进排气道均与大气相通,通过驱动电动机与曲轴之间的转矩传感器来检测作用力。转矩测试的主要测试项有转矩最大值、转矩最大值位置、转矩最小值、转矩最大值跨度和转矩最小值跨度等,可评判发动机各处的密封性。冷试台架上与转矩测试相关的主要机构如图1所示。

  1)进排气封堵机构。进排气封堵机构上的球阀控制测试过程中进排气道是否与大气相通;压力传感器检测进排气道的气压;消声器用于减少噪声并过滤空气的杂质。

  2)夹紧机构。夹紧机构上的定位板及定位销用于发动机在冷试台架上起到定位及支持作用;液压夹紧臂用于固定发动机。

  3)驱动机构。驱动机构上的夹爪夹紧工艺飞轮用于连接并驱动曲轴;转矩传感器用于检测作用力;驱动伺服电动机是驱动曲轴旋转的动力源。

  在转矩测试过程中,发动机进排气道需要与大气相通,伺服电动机通过驱动曲轴,模拟发动机进气、压缩、做功及排气四个行程,波形如图2。

  当伺服电动机主动作用于曲轴上时,这一作用力取值为正,当伺服电动机承受反作用力时,取值为负。以常见的直列四缸汽油发动机举例,点火顺序为:一缸→三缸→四缸→二缸(表1)。

  在压缩行程,伺服电动机持续给曲轴施加力矩,让气体压缩,因此在压缩行程冷试转矩测试的波形为正值。当压缩行程活塞处于上止点时,伺服电动机作用在曲轴上的力最大,可以认为转矩最大值位置对应压缩上止点位置。过了压缩上止点,进入“做功”阶段,由于压缩气体自行急剧膨胀,推动活塞下行,这时候是曲轴给伺服电动机施加力矩,因此在冷试转矩测试的波形为负值。由于发动机四个缸相互作用,当一缸进入做功行程时,三缸开始进入压缩行程,所以转矩最小值位置不能代表是活塞下止点,而是活塞下行,接近下止点的某个位置。

  根据以上转矩测试原理的基本信息,可通过转矩测试波形的变化来对应发现关联零件及制造过程的潜在缺陷。表2列出一些常见的缺陷与转矩测试的对应表现,结合发动机工作原理与冷试转矩测试的基本原理可以分析出相关零件及制造存在缺陷时转矩测试波形的表现,本文暂不对该部分内容进行详细分析及阐述。

  在多年生产运行过程中,遇到一个较为典型的转矩测试波形异常问题,当时排查了发动机零件、绝大多数冷试台架的机械结构,最后是运用“红叉”这一分析工具进行多因素排查,才最终锁定其根本原因是进气封堵消声器脏造成的,这大大出乎攻关团队成员的意料。具体转矩测试表现的波形如图3所示,一缸转矩最大值明显比其他三个缸大,设备各缸转矩最大值跨度超上限不合格。查询半年各缸转矩最大值跨度的批量数据(图4),发现是逐步变大的趋势。

  受篇幅所限,本文直接分享“消声器脏”造成各缸转矩最大值不同的原因。进气封堵四个缸的堵头是独立的,但过了球阀,把所有的气道引到一个方形铁盒子,然后在该方形铁盒子一端接消声器与外界大气相通(图5)。

  发动机的点火顺序为一缸→三缸→四缸→二缸,在转矩测试开始时,一缸先进气,由于转矩测试开始前,进气封堵方形铁盒子里就已经充满气体,且消声器离一缸进气道比较近,进气阻力小,能有足够的气体被吸入一缸内,因此一缸在压缩上止点时的转矩值较大。其他缸的吸气都在一缸之后,因为消声器脏,导致进气不畅,再加上进气道相对变长,导致吸入气体变少,从而压缩时伺服电动机给曲轴施加的力矩变小。更换新的消声器后,转矩波形立刻恢复正常(图6),各缸转矩的最大值基本接近,同时跟踪一段时间生产数据,各缸转矩最大值跨度有了明显的“断崖式”改善(图7)。

  分析本次问题表现,需要增加消声器的定期点检,避免类似问题重复发生。消声器脏不仅影响产能数据,而且影响冷试台架对于质量判定的准确性。问题发生时,转矩测试波形表现是二、三缸的转矩偏小,花费很长时间排查二、三缸专用机构。为了避免进气封堵之间的相互干扰,减小问题解决时的难度,在以后新的冷试台架中,要求每个缸之后单独接消声器然后与大气相通。

  冷试转矩测试与发动机本体运动副的零件有密切关联,而发动机运动副的零件状态及装配状态很大程度上影响着发动机的使用寿命,因此测试工程师要足够重视转矩测试的变化。根据多年经验,在零件状态及制造工艺没有大变更的情况下,转矩测试的波形是相当稳定的。各项详细测试参数要适当收严控制范围,及时发现并锁定零件、制造过程转矩冷试台架本身的变异点,以提高冷试在线质量控制能力。

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