無線遙測在動力總成測試中的應用

陳昱錦，于士博，李云虹，蘇漢新，熊潤祥，郭訓鵬

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511400）

0 引言

車用動力總成在工作過程中存在大量高速運動部件，如高速旋轉的曲軸、飛輪、離合器，高速運動的活塞、連桿等，在動力總成開發及測試過程中，往往需要對此類運動部件的溫度、速度、應力應變及振動等信號進行測量，但此類部件工作環境惡劣，具有很大的運行速度及加速度，難以使用傳統接觸式測量方法開展測量。僅部分場景下可采用滑環等替代方案開展測量，但該種結構在高速大加速度場景下可靠性較差，具有較大的應用限制。近些年來，隨著無線通訊技術的發展，由于其信號無線傳輸的特點，不受傳輸線纜的限制，無線遙測技術越來越多地受到關注并應用于各類工業場景中[1-4]。但由于車用動力總成結構緊湊、應用環境惡劣等因素限制，該技術在動力總成測試過程中應用推廣難度較高。

本文通過研究無線遙測技術的原理及特性，探討了該技術在動力總成測試中的應用場景，針對各應用需求場景的安裝空間尺寸要求、溫度分布要求及油污環境要求的特點，使用無線遙測技術設計測試方案。完成了活塞瞬態溫度測量、皮帶輪橡膠溫度測量設計應用，展示了無線遙測技術的應用方案方法。測試方案結果表明，采用無線遙測技術可實現對活塞溫度、皮帶輪橡膠溫度的實時測量，可為車用動力總成的精確設計提供數據支撐，也體現了該技術在動力總成測試中的拓展應用前景。

1 無線遙測技術

1.1 技術介紹

無線遙測技術是通過非接觸式無線通訊的方式，將測試結果傳輸至接收端處理并保存的測試技術，主要應用于運動部件等不方便布置傳輸線纜或人員無法到達現場的測試環境中。常用的無線傳輸方式有藍牙技術、ZigBee技術、Wi Fi技術、GSM技術、IrDA技術、UWB技術、低功率短距離無線射頻通訊技術等[5-7]。

1.2 原理及系統組成

無線遙測技術的基本工作原理簡圖如圖1所示。

圖1 無線遙測技術原理

相比于傳統測試方式，無線遙測技術的應用擺脫了線纜硬連接的限制，可通過非接觸的方式將測試結果傳輸，其結構可分為信號測量發送端及信號處理保存端兩部分。發送端主要采集測量所需信號，并通過無線方式傳輸。而接收端接受發送端數據，處理保存并根據需求傳輸至PC或其測量設備上。

2 無線遙測技術在動力總成測試中的應用

2.1 活塞瞬態溫度場測量

2.1.1 測量背景及目的

活塞是發動機中運行環境最惡劣的零部件之一，其既直接承受燃燒帶來的高爆壓，又直接承受燃燒造成的高溫度，而隨著發動機小型強化的普及，其爆發壓力及燃燒溫度越來越高，活塞的強度設計越來越需要準確的溫度場數據作為設計輸入。當前各主機廠大多數使用溫度塞作為活塞溫度場的測量方法，誤差較大（±20℃），且僅可測量單一工況的最高穩定溫度，現有測量手段已越來越無法滿足活塞強度設計的需求。

采用無線遙測的方法開展活塞溫度的測試，可以對發動機各運行工況下的活塞燃燒面及銷孔等位置的溫度進行實時測量，完成活塞溫度場MAP，可快速識別需要啟動機油冷卻噴嘴區域，并且可進行噴嘴流量的選型匹配，有助于油泵、機油冷卻噴嘴以及活塞強度的設計校核[8-9]。

2.1.2 總體方案設計

活塞安裝空間緊湊，工作環境惡劣，對于發動模塊的設計需要考慮以下幾個因素：

（1）發送模塊需避開連桿及曲軸的運動軌跡避免造成碰撞干涉；

（2）活塞工作時溫度較高，需對發送模塊進行耐高溫設計；

（3）活塞運行環境機油油污嚴重，需對發送端及接收端進行耐油污設計。

（4）活塞運動瞬時加速度較高，需對發送端的安裝進行加固設計。

基于以上原則，活塞瞬態溫度場的總體方案如圖2所示。

圖2 活塞瞬態溫度場方案

測量發送端安裝在活塞底部，處于活塞溫度最低的位置。為避開連桿及曲軸的運動軌跡，發動端設計為半圓環形，同時留出螺栓安裝孔位，可緊密地安裝在活塞上。

由于發動機缸體缸蓋均為金屬殼體，無線信號無法穿透發動機，故接收端安裝在發動機油底殼內，油底殼打孔并引出數據線連接至PC上。

2.1.3 測試硬件設計方案

由于在總體設計方案中將發送端硬件安裝在活塞底部隨活塞同步運動，該處安裝空間緊湊，根據活塞底面空間將測試硬件設計為半圓環形以避開連桿及曲軸的運動軌跡，如圖3所示。硬件選型上選用樂鑫信息科技生產的ESP8266作為主控芯片，Maxim公司生產的MAX31855作為熱電偶處理芯片，并增加CD4051芯片作為通道選擇芯片，以實現對8路溫度數據的巡回采集，以節省成本及空間。主控芯片電路及溫度采集電路設計如圖4～5所示。

圖3 發射板硬件板路與活塞的匹配

圖4 主控芯片電路原理

圖5 溫度采集模塊原理

2.1.4 測試準確性驗證

為驗證測試系統測量準確性，將裝配完成的活塞放置在溫度環境箱中加熱，測試加熱過程中的溫度測量準確性，測試結果與標準溫度測試儀結果對比如表1所示。

表1 測試結果誤差

從測試結果可知，此測試方案測試誤差均在±1℃以內，較采用傳統溫度塞測試方法（誤差±20℃）相比，精確度提升明顯。

2.1.5 測試結果

將該測試裝置安裝在某1.5 T發動機活塞底部并裝配至發動機開展實際運行測試，測得發動機在外特性條件下的活塞各部位溫度如圖6所示。

圖6 某1.5 T發動機活塞溫度場結果

試驗結果表明，活塞運行最高溫度出現在頂部中心位置，最高發生在額定轉速5 000 r/min工況，為289℃，此結果可為油泵、機油冷卻噴嘴以及活塞強度設計提供精確的數據支撐。

2.2 曲軸扭轉減振器橡膠工作溫度測量

2.2.1 測試背景與目的

某款發動機在開發過程耐久試驗時曾發生曲軸扭轉減振器橡膠開裂故障。為排查故障原因，需求對工作過程中的曲軸扭轉減振器橡膠溫度開展測量。

曲軸扭轉減震器隨發動機曲軸高速旋轉運動，且此款發動機設計附件如空調壓縮機、水泵等均采用電力驅動，扭轉減振輪無須承擔驅動附件的工作，為提高產品緊湊型及輕量化需求，本款發動機將扭轉減振輪設計在發動機曲軸箱內。相較于外置曲軸扭轉減振輪，曲軸箱內溫度、散熱以及油污環境更加惡劣，扭轉減振器的安裝位置空間更加狹小，這些因素都限制了使用傳統方式測量橡膠溫度的可行性[10-12]。

因此，為測量曲軸扭轉減振器橡膠的工作溫度，作者設計了無線遙測的溫度測量方案，實際測試了系統工作過程中的橡膠溫度，幫助排查了故障原因。

2.2.2 總體設計方案

由于扭轉減振輪安裝在曲軸箱內，安裝位置緊湊，較難直接安裝發送端設備，為保證設備與發動機零部件不存在運動干涉，設計了一枚專用加長螺栓引出發動機外，可將測量發送端設備安裝在該螺栓上，該螺栓中空，可用于溫度傳感器線路的走線，具體方案如圖7所示。發送端及溫度傳感器可隨曲軸旋轉，接收端設備可隨意安置在可接受信號的任意位置。

圖7 扭轉減振輪橡膠工作溫度測試方案

2.2.3 方案測試

將測試設備安裝調試完畢后，測試發動機工作狀態下的扭轉減振輪橡膠的溫度。結果如圖8所示。

圖8 扭轉減振輪橡膠工作溫度測試結果

此扭轉減振輪橡膠設計工作溫度為150℃，而從結果可以看出，發動機在4 700～5 300 r/min工作范圍內，橡膠溫度超過設計溫度，因此可判斷工作溫度超溫為該款發動機扭轉減振輪橡膠開裂的重要原因。

3 無線遙測在動力總成測試中的拓展應用前景

前文詳細介紹了活塞瞬態溫度測試及曲軸扭轉減振輪橡膠溫度測試應用場景及方案，得益于無線遙測技術靈活的拓展特性，測試信號除了溫度外，也可以設計相應的測試方案，對待測物品的電壓、應力應變、位移及速度、振動等開展測量[13-14]。

可探討推廣的動力測試應用場景舉例如下：（1）動態飛輪扭矩測量；（2）連桿溫度測量；（3）連桿應力測量；（4）離合器工作溫度測量；（5）曲軸應力測量。

本節以動態飛輪扭矩為例，介紹無線遙測技術在動力總成測試中的拓展應用前景。

發動機作為車輛驅動的動力來源，其實時輸出扭矩直接影響到后端輸出匹配性能及車輛的運行表現，動力總成及整車上均采用模型預估發動機輸出扭矩測量，預估精度有限，若預估扭矩與發動機實際輸出扭矩差別較大，則可能導致車輛駕駛性偏差，換擋品質降低，嚴重時甚至損壞發動機或變速器。

為提高整車動力性標定駕駛性及換擋品質，需要對發動機飛輪端的實時輸出扭矩開展實時準確測量[15]。扭矩測試裝置需安裝在發動機飛輪上，安裝空間有限，需根據其實際空間設計測試方案。為避免其與發動機缸體、轉速傳感器等的運動干涉，發送端設計為圓環形。扭矩的測量采用應變橋式電路，由發送端提供電源及輸出電壓采集，并轉化為扭矩結果并以無線信號發出。接收端安裝在發動機缸體上，并引出數據傳輸線可連接至PC，實現飛輪扭矩的無線測量。測試方案設計如圖9所示。

圖9 飛輪扭矩測量方案（裝配前）

4 結束語

根據動力總成開發及驗證需求，往往需要對曲軸、活塞、離合器等運動部件的溫度、速度、應力應變及振動等信號進行測量研究與分析，而此類零部件運動高速，布置空間緊湊，運行環境惡劣，較難通過傳統有線方式開展測量。將無線遙測技術應用于此類場景的測試工作中，可實現方便、可靠的數據測量。

本文介紹了活塞瞬態溫度及曲軸扭轉減振輪橡膠溫度無線遙測詳細技術方案及測試成果，測試結果表明，采用無線遙測技術可實現對活塞溫度、皮帶輪橡膠溫度的精確測量，為車用動力總成的精確設計提供數據支撐，也體現了該技術在動力總成測試中的拓展應用前景。