裝載機液力變矩器輸出軸功率測試系統的研究

劉玉芬，楊 敬

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

輪式裝載機屬于工程車輛，它的作業環境比較惡劣，當裝載機鏟斗突遇障礙物時，傳動軸受到的扭矩載荷會急劇增大，為了緩和沖擊，避免傳動軸發生斷裂，裝載機一般采用液力變矩器進行機械傳動，但是它的傳遞效率不高［1］。液力變矩器輸出軸的軸功率是反映機械傳動系統性能的重要指標，是評價裝載機能耗特性的重要參數，對輸出軸的功率進行實時的動態監測和測量，可以保證車輛在施工過程中能夠安全穩定的運行，幫助我們及早發現輸出軸潛在的故障，增大輸出軸的使用壽命，為下一步研究裝載機行走部分節能提供依據。

2 裝載機的組成及軸功率測量原理

2.1 裝載機的組成

裝載機是一種大型土石方機械，它由鏟斗總成、電氣系統、液壓系統以及傳動軸組成［2］。裝載機在作業時的動力傳遞過程依次為：發動機—液力變矩器—變速箱—傳動軸—主減速器—輪邊減速器。裝載機示意圖，如圖1所示。

圖1 裝載機示意圖Fig.1 Loader Schematic

2.2 裝載機液力變矩器輸出軸功率測量原理

目前，傳動軸系軸功率是通過間接測量軸系的扭矩和轉速得到的，計算公式如下［3］：

式中：P—軸功率（kW）；

T—軸系輸出軸扭矩（N·m）；

n—輸出軸轉速（r∕min）。

這里采用電阻應變式扭矩傳感器和霍爾式轉速傳感器分別對輸出軸的扭矩和轉速進行測量。

3 液力變矩器輸出軸的轉矩和轉速測量

3.1 傳動軸扭矩測量原理

應變型扭矩傳感器的測量原理是通過惠斯通直流全橋電路和一系列的測量電路，將應變片的電阻變化轉化為電壓信號，通過實驗測得電壓值后經過公式轉化最終得到扭矩值。由文獻［4］可知彈性軸的表面在與軸線呈±45°方向上會產生最大剪應變且應變片內電阻絲的阻值相對變化與軸向應變成正比，其關系式為：

設電阻應變片的應變為ε，由文獻［5］可知扭矩大小與應變的關系為：

聯立式（2）、式（3）兩式整理得：

由式（4）可知T的值與ΔR呈正比，因此通過應變片測量彈性軸的扭矩在理論上是可行的。又因為ΔR不能直接測得，所以需要通過惠斯通直流全橋電路將電阻改變量ΔR轉化為可測的電壓信號U，如圖2所示。它們之間的關系為：

圖2 惠斯通全橋電路圖Fig.2 Wheatstone Full Bridge Circuit Diagram

聯立式（2）、式（3）、式（5）式整理得：

式中：S—金屬電阻絲的靈敏度系數；Ee—導體彈性模量；μ—泊松比；ε—彈性體的應變；Wp—抗扭截面系數；T—軸所受的扭矩；K—一個常數，且；U—輸出電壓；E—電源電壓。

式（6）表明全橋測量電路輸出電壓U與扭矩T之間的關系，即通過實驗測得U值后，再根據此關系式計算就可得到扭矩T的大小。

3.2 應變片的布置

在粘貼應變片時，大多都根據自身經驗粘貼，具有很大的隨機性，而彈性軸本身的結構、尺寸、裝配結構等因素都會影響應變片的受力應變情況［6］。為了使應變片粘貼位置更加準確，現結合傳動軸結構及受力狀況，利用Catia建立液力變矩器輸出軸的等效模型并將其導入Ansys Workbench 中進行有限元分析。為了與實際結構（圖3（a））一致，對液力變矩器輸出軸三維模型（圖3（b））進行簡化，保留了倒圓角特征。

圖3 液力變矩器輸出軸Fig.3 Torque Converter Output Shaft

根據實際情況將三維模型裝配完成后，將其導入到Ansys Workbench中進行靜力學分析。靜力學分析時彈性軸的材料屬性及邊界條件設定情況，如表1、表2所示。

表1 軸的相關參數Tab.1 Axis Related Parameters

表2 邊界條件Tab.2 Boundary Conditions

表2中軸承載荷作用在焊接插頭四個插孔的表面，載荷大小為50E+3N，方向為圖4中的z方向，且同一焊接叉頭叉孔表面的軸承載荷值大小相等方向相反，不同焊接叉頭同一側叉孔表面的軸承載荷值大小相等方向相反［7］。由于裝載機液力變矩器輸出軸采用的是滑動花鍵連接的方式，因此表2中的給定位移約束需要分以下幾種情況進行討論，討論的基礎是以花鍵軸端面與花鍵套端面之間的偏移距離等于零時為初始狀態。

（1）當x=0mm，y=0mm，z=0mm 時，即軸處于初始的狀態得到液力變矩器輸出軸的應力云，如圖4 所示。為了便于敘述，將彈性軸分為1、2、3 這三段。由圖4 可以看出，當花鍵軸端面與花鍵套端面處于分離的臨界點時，軸段3 及與其相連的小端焊接叉頭會發生嚴重的扭轉變形，當載荷足夠大時可能會導致軸發生斷裂，造成施工事故，所以在設計時要避免這種情況的發生。

圖4 位移x=0mm時軸的應力云圖Fig.4 Stress Cloud Diagram of the Axis when the Displacement is x=0mm

（2）當x=±18mm，y=0mm，z=0mm 時，即2 軸右側端面與3 軸左側端面處于接觸的臨界點時得到液力變矩器輸出軸的應力云圖5。與4圖相比，圖5中軸段3及與其相連的小端焊接叉頭沒有發生明顯的扭轉變形，除此之外兩幅應力云圖基本一致。

圖5 位移x=±18mm時軸的應力云圖Fig.5 Stress Cloud Diagram of the Axis when the Displacement is x=±18mm

（3）當x=±50mm，y=0mm，z=0mm時，即在可滑動范圍內且保證花鍵軸與花鍵套處于嚙合狀態時得到液力變矩器輸出軸的應力云圖，如圖6 所示。將圖6 與圖5 對比可以看出，二者基本一致。

圖6 位移x=±50mm時軸的應力云圖Fig.6 Stress Cloud Diagram of the Axis when the Displacement is x=±50mm

綜上所述，裝載機液力變矩器輸出軸所受的應力大小與花鍵的滑動距離關系不大。接下來以上述條件式（3）得到的輸出軸的應力云圖為例，如圖6所示。分析各個軸段的具體受力情況，如圖7所示。

圖7 各軸段剖面圖Fig.7 Sectional View of Each Shaft Section

從圖6可以看出軸段1、2、3這三段軸的表面應力分布都比較均勻，而由圖7（a）可知軸段3處花鍵齒槽存在明顯的應力集中及畸變現象，同樣的結合圖7（b）圖和圖7（c）可知，軸段2處的應力梯度變化也比較明顯。圖7（d）是從軸段1中截取得到的，此圖表明，這個位置的軸表面應力分布均勻，沒有出現應力集中現象，也沒有明顯的應力梯度變化。所以，圖6中軸段1中的位置段N是黏貼電阻應變片的最佳位置，對輸出軸扭矩進行測量時，應將四片應變片粘貼在輸出軸上被標記的N區間內，并沿著與圓周軸線呈±45°方向每隔90°作均勻分布。

3.3 傳動軸轉速的測量

霍爾傳感器的安裝支架，在裝載機上安裝支架時將底座1與裝載機固定在一起，肋板3是為了降低實驗過程中支架的抖動頻率，使測量結果更加準確，孔2是霍爾傳感器的安裝位置，滑動銷軸4可以調節霍爾傳感器安裝的水平位置，如圖8所示。測量轉速時將轉速傳感器安裝在2處，將感應點放在轉動軸上，調整滑動銷軸的位置使霍爾傳感器的頭部正對轉動軸軸線處并與感應點的垂直距離保持在10mm以內，將霍爾傳感器的引出線與示波器相連，整套裝置用24V直流電源供電。根據下式可以計算出傳動軸的轉速［8］：

圖8 轉速測量Fig.8 Speed Measurement

式中：n—傳動軸轉速；f—脈沖信號頻率；z—轉軸旋轉一周霍爾傳感器產生的脈沖數。

4 扭矩傳感器的設計與標定

4.1 扭矩傳感器的設計

為了使傳動軸的原始結構不被破壞，同時也為了節約成本，本次研究采用無線傳輸的方式進行測量。整個無線扭矩測量系統由扭矩傳感器、放大濾波電路模塊、無線發射電路模塊、無線接收電路模塊以及計算機五部分組成［9］。前三部分固定在傳動軸上，由鋰離子電池供電，無線接收模塊通過USB接口與計算機相連，通過計算機上采集數據的串口助手來實時采集數據，整套無線接收模塊由計算機供電。無線傳輸模塊由Arduino底板和無線數傳模塊WSN-02組成，整個無線扭矩測量系統體積小巧，便于安裝。

4.2 扭矩傳感器的標定

為了驗證無線扭矩測量系統的準確性，需要對整個測量系統進行標定，標定實驗是通過拉壓機實現的［10］。標定時將一個阻值為350歐姆的集成應變片粘貼在一塊45號鋼板上，并將集成應變片的輸出端與放大濾波及無線發射模塊相連，無線接收模塊與電腦連接，實驗測得的數據通過串口助手在計算機上顯示。根據式（2）、式（5）聯立可得應變與輸出電壓的關系即ε =U ES。用橡皮筋將引伸計也固定在這塊鋼板上，將實驗鋼板放在拉壓機夾具中夾緊后，接通電源開始進行標定實驗。實驗時拉力的加載范圍是從（0～15）kN，將引伸計的讀數記為ε1，無線扭矩測量系統換算得到的應變值記為ε2，如表3所示。拉壓機標定實驗及標定結果，如圖9（a）、圖9（b）所示。

表3 扭矩標定Tab.3 Torque Calibration

圖9 扭矩傳感器的標定實驗Fig.9 Torque Sensor Calibration Experiment

由圖9（b）可知，在拉力（0～15）kN范圍內，通過兩種途徑測得的兩組應變值相差不大，標定實驗結果表明設計的扭矩測量系統線性度良好，測量準確度高。

5 測試系統實車實驗

為了驗證軸功率測試系統的工作性能，現采用某型輪式裝載機進行實驗。進行實驗前，將四片應變片以應變全橋的連接方式用膠水粘貼在傳動軸測點處，用透明膠帶將無線扭矩測量系統捆綁在傳動軸上。用兩個卡箍將轉速測量支架固定在裝載機上，并將霍爾傳感器安裝在指定的位置上，將各測量設備連接好后進行實驗，如圖10（a）、圖10（b）所示。考慮到現場實驗條件的限制，將整個實驗過程分為五個階段，即靜止狀態（0～t1）、空載啟動至怠速運行（t1～t2）、加速階段（t2～t3）、勻速空載前進（t3～t4）、鏟斗開始鏟掘（t4～t5）［11］。通過實驗采集到的轉速和扭矩實時曲線，如圖11（a）、圖11（b）所示。

圖10 裝載機實車實驗Fig.10 Loader Real Car Experiment

圖11 轉速和扭矩實時曲線Fig.11 Real-Time Curve of Speed and Torque

在轉速實時曲線中t3～t4時間段轉速數據波動情況與局部放大圖1 和圖2 類似，數值大小不同。裝載機在啟動和加速時傳動軸速度會急劇增大，而在勻速運動時，傳動軸速度基本處于穩定狀態。從扭矩實時曲線可以看出在怠速運行階段，傳動軸只需要克服齒輪間的摩擦阻力，所以液力變矩器輸出軸的扭矩值較小，而在空載前進階段，裝載機需要克服地面的滾動阻力才能勻速前進，故輸出軸扭矩值會先增大后基本保持穩定，當鏟斗與物料接觸時，輸出軸扭矩值又會進一步增大。由實驗測得的數據可知，設計的軸功率測試系統工作穩定，測量結果準確可靠。

6 結論

采用應變型扭矩傳感器和霍爾轉速傳感器分別測得裝載機液力變矩器輸出軸的扭矩和轉速，從而可以實時得到輸出軸的功率。通過拉壓機對扭矩傳感器的標定實驗結果表明，設計的扭矩傳感器靈敏度良好，測量結果可靠。裝載機實車實驗結果表明整套輸出軸功率測量系統穩定可靠，體積小巧，安裝方便，通過該測量系統采集到的數據可以為下一步研究裝載機行走部分的節能提供依據。