徐 宜， 王 敏， 李建東， 張國偉， 張 鑫， 宋美球

(1.中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室, 北京 100072；2.中國兵器計算機應用技術研究所, 北京 100089；3.中北大學 材料科學與工程學院, 太原 030051)

履帶裝甲車輛傳動系統(tǒng)性能的好壞直接影響車輛的整體作戰(zhàn)性能及產(chǎn)品的競爭能力.由于履帶車輛的傳動裝置工作環(huán)境復雜，并且所受的動態(tài)扭矩變化范圍較大，內(nèi)部的傳動軸常常發(fā)生疲勞失效[1-2].因此，對傳動裝置的扭矩測試就顯得尤為重要.然而傳動裝置的工作環(huán)境惡劣、溫度變化范圍大、內(nèi)部空間狹小等條件限制造成目前市場上的標準扭矩測試裝置安裝困難、難以滿足測試工況.

尤其是近年來，履帶車輛傳動裝置性能不斷提高，具有高功率密度、高集成度和高轉(zhuǎn)速的發(fā)展特點[3].這使得履帶車輛傳動裝置供扭矩測試用的空間更加狹小，工作溫度更高，給傳動裝置的扭矩測試帶來了更多問題[4].本研究開發(fā)了基于集中光扭矩測量傳感器(RFTS， Remote Fiber Testing System)的履帶車輛傳動軸動態(tài)扭矩載荷測量系統(tǒng)，分別對3種工況條件下的履帶車輛傳動軸扭矩進行測試，并與計算結(jié)果對比，進而分析了測試裝置的準確性.

1 動態(tài)扭矩測試原理

履帶車輛傳動系統(tǒng)空間小、功率密度大、工作環(huán)境苛刻的特點造成樣車傳動軸扭矩測試比較困難，為此結(jié)合現(xiàn)有集中光扭矩測量傳感器[5-6]，采取嵌入式安裝方法，將其安裝于變速箱輸出軸上，組成履帶車輛行駛過程傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試專用裝置，如圖1所示.

圖1 傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試裝置

傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試裝置工作原理為：首先，粘貼在被測彈性傳動軸上的扭矩測量應變片組成應變電橋，應變電橋?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)化為電信號；然后，電信號經(jīng)過放大、濾波處理后被定子和轉(zhuǎn)子上相互匹配的傳輸單元傳遞給定子上的扭矩信號處理單元[7-8]；最后，通過采集設備采集多個軸上的扭矩數(shù)據(jù)并記錄保存.

測試裝置的電能及信號傳輸是由一組帶間隙的光電對射板完成的，信號無線傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性決定了扭矩測試的最大采樣頻率和準確性，是傳動軸動態(tài)扭矩測試裝置的核心[9-10].表1是本研究傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試裝置的信號無線傳輸部分技術特性參數(shù).

表1 測試裝置信號無線傳輸部分技術特性參數(shù)

2 試驗方案

為了驗證測試裝置能否滿足履帶車輛在多種工況行駛過程中傳動軸動態(tài)扭矩測試的需求，建立了現(xiàn)場試驗方案，并開展相關試驗.

將配備了動態(tài)扭矩實時在線測試裝置的傳動軸安裝在車輛傳動系統(tǒng)中.并根據(jù)測試路況的特點，對外部信號處理裝置加裝相關的保護措施，組成履帶車輛動態(tài)扭矩測試平臺，其主要參數(shù)如表 2所示.

表2 動態(tài)扭矩測試平臺主要參數(shù)

根據(jù)履帶車輛行駛過程特點，設計起步過程、原地轉(zhuǎn)向和隨機行駛3種工況的試驗條件.在各個工況分別測試傳動軸所承受的動態(tài)扭矩，同時根據(jù)測試的發(fā)動機的功率、轉(zhuǎn)速和傳動比等參數(shù)計算傳動軸承受的扭矩理論值.通過對比分析扭矩的測試值和計算值，來檢驗傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試裝置的測試準確性.

1)起步工況.測試車輛在瀝青混凝土路面用一擋起步過程中，傳動軸所受動態(tài)扭矩，測試3次.同時，計算車輛起步時傳動軸承受的扭矩，分析對比試驗結(jié)果與理論計算值之間的誤差.

2)原地轉(zhuǎn)向工況.分別測試車輛在瀝青混凝土路面做原地左轉(zhuǎn)向和原地右轉(zhuǎn)向完整動作過程中傳動軸所受的扭矩載荷，測試3次.然后，對測試扭矩載荷進行降噪和特點統(tǒng)計，并與理論計算值對比分析.

3)隨機行駛工況.測試車輛在土路且以2擋和3擋，分別做加速運動時傳動軸承受的扭矩，測試3次.同時，將扭矩測試值與理論計算值進行對比分析.

3 測試結(jié)果及分析

3.1 車輛起步工況的測試結(jié)果

車輛起步過程包括瞬時啟動和加速兩個階段.當履帶車輛開始瞬間啟動時，傳動軸受到的扭矩值最大，扭矩曲線會出現(xiàn)一個峰值.此時，車輛的加速度也最大.之后，駕駛員開始逐漸踩油門加速，在此過程中離合器慢慢閉合.在車輛起步過程中路面被認為是平滑的高度不變.因此，排除了路面不平整造成對扭矩測試的影響.圖2為車輛在瀝青混凝土路面一擋起步時的傳動軸扭矩計算值與測量值隨時間的變化情況.

圖2 實測扭矩與計算扭矩的對比

從圖2中摘取車輛起步工況3次啟動瞬間傳動軸所承受扭矩的計算值和測試值，并繪制成如圖3所示的條形圖.從圖中可以看出：第一組實測扭矩比第二組和第三組的實測扭矩大致高40%.這是因為車輛在起步工況開始的時候，離合器處于半接觸狀態(tài)，油門的開度值為28%，而第二組和第三組測的油門開度為 10%，小于第一組.總之，在車輛起步工況的3次測試中，忽略車輛由靜到動的瞬間所受的外界影響，實際測試的傳動軸扭矩峰值與理論計算值之間的差異小于10%，即在原地起步工況傳動軸動態(tài)扭矩實時測試準確度高于90%.

圖3 起步工況扭矩測試值和計算值對比

3.2 原地轉(zhuǎn)向工況的測試結(jié)果

履帶車輛在轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)側(cè)履帶圍繞瞬時轉(zhuǎn)向中心做旋轉(zhuǎn)運動，外側(cè)履帶做平移運動.因此，車輛轉(zhuǎn)向過程中既受到地面滾動阻力矩，又受到轉(zhuǎn)向的阻力矩[11].履帶外側(cè)接地段所受的總阻力即牽引力大小為

(1)

式中：f為地面(土路)變形阻力；G為車輛重力；L為履帶接地長；B為履帶中心距；μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù).目前μ常用的經(jīng)驗計算公式為

(2)

式中：μmax為路面最大阻力系數(shù)；ρ為相對轉(zhuǎn)向半徑.

試驗場地選取瀝青混凝土路面.履帶車輛依次開展3次原地左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向運動，同時記錄傳動軸所受的扭矩，然后將記錄結(jié)果與同等條件下的計算結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出，車輛在瀝青混凝土路面上做原地左、右轉(zhuǎn)向運動過程中，測試的傳動軸扭矩值與計算值相差很小，并且扭矩測試值與理論計算值之間的差異小于10%，在合理的工程要求范圍內(nèi).說明在車輛轉(zhuǎn)向工況傳動軸動態(tài)扭矩實時測試裝置測試結(jié)果準確.

圖4 原地轉(zhuǎn)向工況扭矩測試值與計算值對比

3.3 隨機行駛工況的測試結(jié)果

測試車輛在土路且以2擋和3擋分別做加速運動時傳動軸承受的扭矩.圖5、圖6分別為車輛在2擋和3擋加速行駛過程中傳動軸扭矩測試和計算結(jié)果隨時間變化的情況.

圖5 2擋加速行駛實測扭矩與計算扭矩對比

圖6 3擋加速行駛實測扭矩與計算扭矩對比

從圖5和圖6可以看出，履帶車輛在相同復雜的土路面上以2擋和3擋做加速行駛時，實測扭矩值與理論計算值相差比較大，平均差異達25%.這是由于土路路面不平導致的車輛在行駛過程中起伏不定影響了慣導傳感器對車輛加速度的測量精度，進而導致車輛行駛過程中的傳動軸扭矩理論計算值偏大.但是通過對比在同一路況、相同擋位條件下測試的多組傳動軸扭矩數(shù)據(jù)，可以看出測試裝置所測的多組傳動軸扭矩數(shù)值比較一致，如圖7、圖8所示.通過計算可知每組扭矩實測值與它們的平均值之間的差別小于5%，說明扭矩傳感器測得的扭矩信號比較穩(wěn)定.

圖7 2擋加速工況扭矩測試值與計算值對比

圖8 3擋加速工況扭矩測試值與計算值對比

4 結(jié) 論

結(jié)合傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試裝置，建立了履帶車輛傳動軸動態(tài)扭矩測試方案，開展了履帶車輛在起步、原地轉(zhuǎn)向和隨機行駛3種工況下的傳動軸動態(tài)扭矩測試研究.對比分析實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)有以下結(jié)論：

1)車輛在起步及原地轉(zhuǎn)向時，傳動軸扭矩測試值與理論計算值偏差均在10%之內(nèi)，滿足工程需求.

2)車輛在隨機加速工況行駛時，處于不同擋位的傳動軸扭矩測試值與理論計算值平均偏差為25%；而在相同擋位加速行駛時，不同組別的傳動軸扭矩測試值差異小于5%.

履帶車輛在起步過程、原地轉(zhuǎn)向和隨機行駛3種工況下的傳動軸扭矩測試數(shù)據(jù)均滿足工程測試需求，驗證了傳動軸動態(tài)扭矩實時在線測試裝置的可行性和準確性.