利用连杆应变特性测量往复机中活塞与气缸之间的摩擦力外文翻译资料

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利用连杆应变特性测量往复机中活塞与气缸之间的摩擦力

Leonardo Cervelin a, Carlos A. Flesch a, Rodolfo C.C. Flesch b,*, Julio N. Scussel a, Cesar A. Penz c

a圣卡塔琳娜联邦大学，麦加恩根哈里亚分校。505388040-970佛罗里达波利斯，南加州，巴西

b巴西圣卡塔里纳联邦大学汽车协会，邮编：88040-900

c巴西弗罗里亚波利斯联邦圣卡塔里纳研究所Eletroteacute;cnica部，邮编：88020-300

关键字：烧结连杆、力学、IMEP瞬时、功率损耗、信号调节

摘要

曲柄滑块机构的设计通常是在实验的支持下进行数值模拟，以验证单个零件和整体装配的结果。在这个过程中，最大的挑战是建立参数，以利用实验结果评估模拟。连杆应变的动态测量可以提供作用在活塞上的力的重要信息，如摩擦力和压力引起的力。然而，这种测量具有挑战性，因为它是在存在油、高温变化和振动的不利环境中进行的。本文提出了用应变计三通花环桥测量连杆的概念，并提出了测量活塞与气缸间摩擦力的信号调理方法。为了解决最坏的情况，使用了一个小型烧结连杆来验证所提出的方法是否适用于广泛的设备。所得到的结果至少与文献中的结果相当，但所提出的方法使用了更简单的设置，并允许在其应用条件下使用电机进行测试。此外，所提出的方法允许观察高频现象，例如在一个周期内的碰撞，这些现象不能用文献中提出的方法来表征。

1、介绍

在诸如内燃机，活塞泵和往复式压缩机的往复式机器中，活塞和气缸的正确设计对于达到良好的效率很重要[1]。通过减小径向间隙，运动部件中的机械摩擦而造成的损失会增加。但是，如果径向间隙增加，则可能发生活塞环的泄漏，这也会增加损失。正如Jost所说[2]，通过更好的摩擦学实践，可以在内燃机行业实现显著的经济效益，这需要在研发方面进行大量投资。

根据Holmberg，Andersson和Erdemir的说法[3]，在汽车中，三分之一的燃烧能量被用来克服发动机，轮胎和刹车处的摩擦。一些参考文献指出，这些损失的30％至35％是由于发动机摩擦[4-11]，发动机摩擦造成的大部分损失是在一对活塞气缸上，并且有许多研究来描述汽车行业中的活塞气缸摩擦行为[7-12]，燃油效率，降噪和发动机性能的重要性日益提高，不断迫使研究人员和制造商进一步研究活塞动力学的机理和有效参数，例如噪声，振动和粗糙度[13]。如[14]所述，这些参数可以用于燃烧过程的实时诊断，并且可以大大有助于遵守关于污染物排放和燃料消耗的严格规定。

Dolatabadi、Theodossiades和Rothberg[13]研究了识别和表征活塞撞击事件的方法，以及它们对内燃机性能和噪声的影响。该方法基于计算活塞惯性力和反作用力的仿真模型，并在单缸汽油机试验台上进行了验证。Tan和Ripin的工作[15]展示了一个试验台，专用于识别点火后循环中的活塞筒摩擦。摩擦力是用一个安装在气缸的支架上的测力传感器来测量的。位移传感器负责在整个循环中测量偏差和活塞位置。[16]评估了柴油机活塞和气缸的改装对摩擦的影响。为此，他们在其中一个发动机气缸的顶部增加了一个新的活塞-气缸对，并通过连接新活塞-气缸对和发动机缸体的区域测量摩擦力。ORourke、Radford、 Stanglmaier[17]和Gore等人[18]利用缸套测量活塞与气缸间的瞬时摩擦力。在测量中，作者使用了浮动衬套机构，该机构使用测力传感器作为气缸衬套和曲轴箱之间的紧固装置。Peragoacute;n等人[19]提出了一种利用发动机瞬时角速度预测内燃机机械损失的方法。

观察参考文献[15-19]中报道的研究，它们都使用侵入式方法来测量内燃机内部的力或其影响，这在大多数情况下会导致破坏性测试。此外，使用侵入式方法会直接影响测量变量，从而导致测量误差。Uras和Paterson[20,21]提出了一种基于应变片的非侵入式方法来表征活塞和环组件的瞬时摩擦特性，并将其命名为瞬时指示平均有效压力（IMEP）。该方法基于在活塞轴向上的力平衡，从而可以将摩擦力与测量的连杆总力分离开。该方法可以在发动机中测量活塞总成的摩擦力而无需进行较大改动，但是所测力的准确性通常较低。一些旨在提高IMEP方法准确性的研究侧重于各种测量的同步[22]，使用特殊的压力传感器[23]，以及使用无线遥测系统测量连杆轴向力[24]。此外，根据实验结果，Sethu等人[25]得出结论认为，提高测量结果质量的最重要方面之一是增加连杆测力的信噪比。在[26]中已经观察到了同样的情况，它选择了机械尺寸来突出弯曲变形，从而产生较大的信噪比，但限制了该策略在实际连杆中的使用并限制了可以测量的动态特性。随着将烧结材料用于制造连杆的既定趋势，提高信噪比的挑战越来越大。烧结的材料较轻，在制造过程中减少了原材料损失，制造步骤较少，通常比钢铁更坚固[27,28]。尽管它们更适合制造连杆，但烧结材料的杨氏模量越高，在工作状态下测量应变越具挑战性。

本文提出了一种信号调理方法，使瞬时IMEP方法具有更高的精度。因此，本文所提出的方法是对文献[20-26]中的方法的改进，着重于提高连杆测力精度信号调理步骤。它使用六线惠斯通电桥电路中的应变片与交流电压激励进行适当的连接，并对测量信号进行解调和滤波。提出了一种信号调节系统的逐步设计方法，以使所提出的方法适应不同的应用。建立了一个实验测试台，以分析在烧结连杆跨中使用粘结的应变片桥，通过连杆应变特性产生的摩擦力的可行性。因此，本文提出的实验评估是在考虑最坏的情况下进行的，并为此目的使用了家用压缩机，因为除烧结连杆外，它还具有以下特征：

• 长度与面积的比例小；
• 应变片粘接的可用空间小；
• 高速旋转，导致应变仪导线过度疲劳；
• 应变计导线必须重量轻，因此不能被屏蔽；
• 电机对测量的电气干扰；

本文的主要创新之处在于提出一种信号调理方法，以提高瞬时IMEP方法的精度，从而即使使用烧结连杆也可以进行可靠的测量。此外，其在实际往复式机械连杆测力中的非侵入性并不局限于具有大信噪比的实验装置。通过使用所提出的方法，可以基本上使用与最终装配中使用的装置相同的装置来更好地描述往复式机械的摩擦力。另一个好处是本文介绍了烧结连杆的往复式机械的瞬时IMEP方法的实验结果。

本文分为五个部分。第二节介绍了与测量电压与轴向应变及摩擦力相关的分析模型、主要干扰成分的分析，以及测量滤波器的设计准则。第三节详细介绍了使用应变计测量连杆的仪器和为评估所提出的测量方法而开发的试验台。第四节介绍并讨论了实验结果，并与Thompson和Tao的结果进行了比较[26]。最后，第五节给出了本研究的结论。

2、模型说明

本节介绍了所提出的测量系统的数学模型、影响测量的主要噪声源以及保证精确测量所需滤波器的分析开发。

2.1连杆应变测量

该测量系统采用电动机来驱动家用往复式制冷压缩机的曲柄滑块机构。在曲柄滑块机构的运动过程中，连杆受到四个分力的作用，这些分力会在连杆上产生应力[20-25]。这四个分量是惯性（由活塞质量在瞬时加速度下的往复运动产生的），压力（由气缸内部的瞬时压力产生的），摩擦力（由相对运动过程中气缸与活塞或活塞环的接触产生的）和法向力（由气缸与活塞或活塞环之间的横向力产生），分别由Fi，Fp，Ff和FN组成，如图1所示。电机的驱动力未在图1中表示，因为它在连杆上产生应力的分量在大小和方向上都等于已经示出的力之和。另外，连杆在两个销钉处的摩擦力被认为是零，因为实际上它们的大小要比其他力分量小得多。图1（a）是该机构的俯视图和在连杆上产生应力的力。图1（b）详细描述了活塞和连杆之间的耦合，以更好地说明力的传递。

在连杆的每个点处，总应变可以表示为与每个力分量相关的应变的组合，如：， （1）

其中

：总应变[mu;m =m];

：惯性应变[mu;m=m];

：压力应变[mu;m=m];

图1.曲柄滑块机构：（a）曲柄滑块机构的俯视图；（b）连杆中的反作用力。Ff：摩擦力， Fi：惯性力，Fp：压力，FN：法向力，：连杆和线性位移轴之间的角度。

：摩擦应变[mu;m=m]

如果已知缸体内的瞬时压力并且可以计算出惯性力，则可以将摩擦力与图1(b)中所产生的力可以分解成其轴向分量和法向分量两部分，分别引起连杆的压缩和弯曲。因此，如果测量了总压缩应变，则可以通过分离式（1）中的摩擦应变并使用应变灵敏度（S）来确定摩擦力，该应变灵敏度需要由连杆特性或使用拉伸和压缩试验台来表征。摩擦力可以写成：

， （2）

其中

：摩擦力[N]；

：惯性力[N]；

：压力[N]；

：总压缩应变[mu;m=m];

S：应变敏感性[MN];

：连杆与线性位移轴之间的角度[rad]

等式（2）考虑在图1(b)中定义的方向。

测量应变的经典方法是使用粘贴在必须测量应变的表面上的应变计。这种传感器的电阻与它所承受的应变量成比例地变化[29,30]。由于与应变仪的标称电阻相比，电阻变化较小，因此通常的做法是使用惠斯通电桥结构将电阻变化转换为零附近的电压值[30]。

在测量过程中，热变化会同时影响应变计和应变计所连接的物体。补偿温度对应变测量的影响的一种常见做法是使用自温度补偿的应变计，但是那些补偿的应变计仅适用于某些特定的基础材料，而不是复合材料。因此，为了减少这些对测量应变的影响，必须在承受相同温度的区域内，至少将两个应变计连接到同一材料上[29,30]。因此，热变化将以相同的方式影响所有仪表，从而将温度漂移对测量结果的影响降至最小。由于连杆的长度与面积之比很小，并且仪表空间有限，因此放弃了使用全桥惠斯通结构，而是选择了半桥配置。如果选择全桥惠斯通配置，则可以用来补偿弯曲对测量应变的影响。由于可以确定烧结材料的泊松比，因此最好使用两件式90°T形花环，因为一个量具可以与主力方向对齐，而另一个量具可以用于测量横向应变（泊松效应），如图2所示。除了补偿温度变化外，这种结构还提高了对四分之一电桥结构的灵敏度。

在半桥配置中，系统由电压源激励。如图3所示，该应变引起连接到连杆的应变计上的电阻变化，从而在横跨电桥上产生电压变化。用于连接电桥和放大器的导线具有其自身的电阻，这会影响测量。如图3所示，六线结构显著降低了将应变计连接到激励电压的导线的电阻对测量的影响。另外，在测试过程中，激励电压的任何波动都由传感回线（Vsense）进行补偿，该回线会随着激励电压的变化而改变用于计算放大器应变值的参考激励值。最后，为减轻电阻对电桥零位和灵敏度值的影响，必须对零位和增益进行调整，包括引线[29,30]。

可以将90°定位的半桥测量的电压变化方程写为[30]：

（3）

图2.受到牵引力的连杆

图3.应变片半桥六线配置

其中

：测量电压[V]；

K：规格系数；

：轴向应变[

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