Бесконтактный оптоэлектрический крутильный динамометр для испытаний ДВС

Внедрение: 2018 г.

В лаборатории автомобильных двигателей кафедры «Техническая эксплуатация и сервис автомобилей, технологических машин и оборудования» Донбасской национальной академии строительства и архитектуры разработан и внедрен крутильный торсионный динамометр с целью определения эффективных показателей автомобильного ДВС, оснащенного комплексной микропроцессорной системой управления впрыском топлива и зажиганием, на неустановившихся режимах работы (рисунки 1, 2) [1].

Рисунок 1. Схема динамометра и осциллограмма напряжений на датчиках: 4 – торсионный вал; 5 – измерительные диски; 6 – корпус; 7 – подшипниковые узлы; 8 – ведущий вал; 9 – ведомый фланец; 10 – прорези.

На рисунке 2 приведен продольный разрез и модель инженерного решения динамометра, рабочий процесс которого рассмотрен в статье [1]. Устройство является бесконтактным электронно-оптическим торсионным крутильным динамометром.

Рисунок 2. Продольный разрез динамометра и его графическая модель. Цифровые позиции соответствуют таковым на рисунке 1.

Механика. Торсионный вал имеет рабочую длину 462 мм и диаметр 23,4 мм. Измерительные диски дюралюминиевые, рабочий диаметр 224 мм. Датчики представляют собой оптопары модели KTIR 0221DS. Диапазон измерений динамометра: M = -40…300 Н·м, n = 100…10⁴ мин^-1; предельная допустимая нагрузка 500 Н·м, разрушающая 1000 Н·м.

На рисунке 3 показан процесс выбора параметров, а также зависимость крутящего момента M и угла скручивания торсиона φ_С от калибровочного параметра A.

Рисунок 3. Фрагмент листинга программы для подбора конструкционных параметров прибора (система компьютерной алгебры Mathcad).

Электроника. Первичной задачей электронного измерительного комплекса прибора является регистрация двух периодов времени: между спадами напряжений датчиков № 1 и № 2 (t12), а также между спадами напряжений датчиков № 1 и № 3 (t13) . На рисунке 4 показана схема подключения датчиков динамометра к автоматизированной системе сбора данных (АССД) модели E14‑140М фирмы L‑Card (поз. 4, б) через монтажный блок (поз. a).

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема подключения датчиков: a – монтажный блок; b – автоматизированная система сбора данных E14‑140M (неиспользуемые аналоговые входы АССД, а также «цифровая земля» соединены с цепью GND).

Частотно-широтномодулированный сигнал, формируемый на клеммах 3 и 4 оптической пары, поступает на соответствующий аналоговый вход АССД (от X1 до X3), в которой осуществляется аналого-цифровое преобразование. АССД имеет подключение к персональному компьютеру через USB-интерфейс. ПО было написано на языке «G» в среде LabViEW National Instruments. На рисунке 5 приведено изображение лицевого окна программы и участка расчета параметров потока передаваемой динамометром механической мощности.
 

Рисунок 5. Виртуальные приборы динамометра и фрагмент алгоритма расчета частоты вращения, крутящего момента и мощности (среда LabViEW National Instruments).

На левом изображении рисунка 6 показан разработанный динамометр, расположенный в трансмиссии модернизированного обкаточно-тормозного стенда КИ‑5543 ГОСНИТИ при испытаниях двигателя УМЗ‑4216 автомобиля «ГАЗель Бизнес». На правом верхнем изображении рисунка 6 приведены передний сборочный узел динамометра с торсионным валом, установленные на испытуемом ДВС. Фрагмент заднего сборочного узла с расположенными около измерительного диска датчиками № 2 и № 3 приведен на правом нижнем рисунке.

Рисунок 6. Лабораторный образец динамометра и его применение при испытаниях УМЗ‑4216.

В статье [1] выполнен теоретический анализ и приведены результаты практического применения разработанного бесконтактного оптоэлектрического крутильного динамометра, предназначенного для измерения крутящего момента автомобильного поршневого ДВС при его работе на неустановившемся режиме в условиях стендовых или дорожных испытаний.  

Авторы замечают, что точность измерения можно улучшить за счет применения АССД с большей рабочей частотой либо с возможностью выполнения синхронного сбора данных с цифровых входов, а также большим количеством прорезей на измерительных дисках. Примечание от L‑Card: подобные задачи могут быть решены, например, с применением модуля-частотомера LTR51, а также модулей L‑502 или E‑502 с синхронным цифровым вводом.

Источник:
Горожанкин С.А., Бабанин А.Я., Савенков Н.В., Понякин В.В. Измерение крутящего момента поршневого ДВС колесной машины при его работе на неустановившемся режиме с помощью торсионного крутильного динамометра // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2018. – № 1 (120). – С. 138‑147.

Разработчик: С.А. Горожанкин, А.Я. Бабанин, Н.В. Савенков, В.В.Понякин (Донбасская национ. академия строительства и архитектуры, г. Макеевка)