发动机台架试验如何实现±0.1%精度的高速扭矩测量？【发动机测试】

第1部分：发动机及其测量需求

发动机作为动力输出的核心，其扭矩输出性能直接关系到整车的动力性、燃油经济性和排放表现。在发动机的研发、生产制造和质量控制环节，扭矩测量是一项至关重要的性能指标。

基本结构与技术要求：

发动机在运行时，曲轴通过飞轮将扭矩传递给传动系统。这个扭矩是一个动态变化的量，尤其是在启动、加速、载荷变化等工况下。精确测量发动机扭矩，意味着我们需要捕捉到这些动态变化，并将其量化。

对于发动机测试，尤其是在台架试验中，我们通常关注以下几个方面：

• 额定扭矩输出： 在特定转速下发动机的最大扭矩能力。

• 扭矩响应速度： 发动机从一个工况切换到另一个工况时，扭矩变化的速度。

• 峰值扭矩： 发动机在短暂瞬间能爆发出的最大扭矩，这对于瞬态加速性能至关重要。

• 扭矩波动： 发动机工作时，扭矩输出的平稳性。

为了满足这些需求，对扭矩测量设备提出了高精度、高响应速度和宽量程覆盖的要求。例如，±0.5%的精度要求意味着测量误差必须非常小，而“高速旋转”的环境则对传感器的动态响应能力和抗干扰能力提出了挑战。

第2部分：发动机扭矩相关监测参数

在发动机台架试验中，我们关注的监测参数众多，它们共同构成了发动机性能的全面评估。

• 扭矩 (Torque)： 衡量发动机输出功的旋转力矩。在发动机测试中，通常测量的是曲轴输出扭矩。其定义为作用在旋转轴上的力乘以该力到旋转轴中心的距离。评价方法主要是通过扭矩传感器直接测量。

• 转速 (Rotational Speed)： 发动机曲轴每分钟旋转的圈数（RPM）。它直接影响到扭矩的输出以及发动机的工作状态。评价方法通常使用编码器或磁传感器测量。

• 功率 (Power)： 发动机做功的速率，是扭矩和转速的乘积。公式为：功率 (P) = 扭矩 (T) × 角速度 (ω)。角速度 ω = 2π × 转速 (RPM) / 60。评价方法是基于扭矩和转速的测量值计算得出。

• 燃油消耗率 (Fuel Consumption Rate)： 单位时间内消耗的燃油量，是衡量发动机燃油经济性的关键指标。评价方法通常结合燃油供给系统的流量计和发动机工作时间来计算。

• 进气歧管压力 (Intake Manifold Pressure)： 发动机进气系统中的压力，反映了发动机的“呼吸”状况，与扭矩输出密切相关。评价方法使用压力传感器。

• 排气温度 (Exhaust Gas Temperature)： 发动机排气口的温度，是燃烧状况和热管理的直观反映。评价方法使用热电偶或红外传感器。

• 缸内压力 (Cylinder Pressure)： 发动机燃烧室内某一时刻的压力，是深入分析燃烧过程、热效率和爆震等现象的重要参数。评价方法使用高频响应的缸内压力传感器。

第3部分：实时监测/检测技术方法

市面上的相关技术方案

针对发动机扭矩的高精度、高速旋转测量需求，目前市面上主要有以下几种技术方案：

1. 应变片式扭矩测量技术 (Strain Gauge Based Torque Measurement)

• 工作原理与物理基础： 这是目前最主流、最成熟的扭矩测量技术。其核心是利用电阻应变片。当测量轴受到扭矩作用发生扭转形变时，应变片也会随之变形。由于应变片的电阻值会随着其变形量发生微小但精确的变化，通过将多个应变片组成惠斯通电桥，可以将这种电阻变化放大并转化为电压信号。 扭矩与轴的扭转角度（或称扭转角）之间存在线性关系，而扭转角又与轴的扭转应变（形变）成正比。应变片的电阻变化正是反映了这种应变。

• 核心性能参数典型范围：

  • 精度： ±0.05% F.S. 到 ±0.5% F.S.，高精度型号可达 ±0.1% F.S. 以下。

  • 分辨率： 通常在 1/100,000 到 1/1,000,000 F.S. 之间，能捕捉微小的扭矩变化。

  • 响应时间/采样率： 100 Hz 到 10 kHz 甚至更高，能够满足大部分动态工况的实时需求。

  • 测量范围： 从几 N·m 到数万 N·m，覆盖范围极广，且包含高达 【D2】 提到的0.175 N·m 至 13,000 N·m 范围。

  • 工作温度： 补偿范围通常在 0°C 至 +80°C，可用范围更宽至 ±40°C 至 +90°C。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 高精度： 能够实现非常高的测量精度，满足 ±0.5%甚至更高的要求（如 ZTQS303系列的±0.1%）。

    • 高稳定性： 良好的设计和材料可以提供长期的测量稳定性。

    • 宽量程覆盖： 几乎可以满足任何量程的需求，尤其是像 ZTQS303系列能覆盖0.175 N·m至13,000 N·m的范围。

    • 成熟技术： 技术成熟，产业链完整，产品种类丰富。

    • 非接触传输： 分离式电子模块设计，通过无线射频（如2.4GHz）传输信号，避免了滑环磨损、接触噪声和安装空间受限的问题，极大地提高了可靠性和适用性，尤其适用于高速旋转和恶劣环境【D1】【D2】。

  • 缺点：

    • 安装复杂性（对于分离式）： 分离式设计需要单独布置传感器探头和电子模块的连接电缆，增加了布线工作量，并可能引入电磁干扰（EMC）问题【D2】。

    • 温度影响： 应变片的电阻会受到温度变化的影响，需要有效的温度补偿措施（通常集成在电子模块中）。

    • 激励电压要求： 需要稳定的激励电压源来驱动惠斯通电桥。

  • 适用场景： 发动机台架试验、传动系统测试、动力总成测试、新能源汽车驱动电机测试等，特别适合对精度要求极高且有动态变化的测量。

2. 磁性扭矩测量技术 (Magnetic Torque Measurement)

• 工作原理与物理基础： 磁性扭矩传感器主要基于磁滞回线或磁导率变化原理。当一个被磁化的转子在磁场中旋转时，其扭矩会引起内部磁场和磁畴结构的变化。这些变化会改变转子材料的磁导率，进而影响传感器线圈产生的磁通量。通过检测线圈中的感应电压或频率变化，可以间接反映出扭矩的大小。

• 核心性能参数典型范围：

  • 精度： ±0.1% F.S. 到 ±1.0% F.S.。

  • 分辨率： 1/1,000 F.S. 到 1/10,000 F.S.。

  • 响应时间/采样率： 100 Hz 到 5 kHz。

  • 测量范围： 较宽，但通常在高量程时精度会略有下降。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式测量： 传感器本身不与被测轴直接接触，消除了机械磨损，寿命长。

    • 高转速适应性： 设计得当的磁性传感器可以承受很高的转速。

    • 耐用性： 对振动和冲击的耐受性较好。

    • 无需励磁： 有些设计不需要额外的激励电源。

  • 缺点：

    • 易受外部磁场干扰： 测量精度容易受到外部电磁场的影响，需要良好的屏蔽措施。

    • 非线性： 某些磁性扭矩测量原理的输出与扭矩的线性度可能不如应变片，需要更复杂的校准。

    • 量程局限性： 在极高量程下，精度可能不如高性能的应变片式传感器。

  • 适用场景： 对寿命要求高、转速高、环境相对复杂的场合，如汽车传动轴、工业驱动轴等。

3. 光学式扭矩测量技术 (Optical Torque Measurement)

• 工作原理与物理基础： 光学式扭矩传感器利用光弹性效应或光栅编码等原理。当轴受到扭矩作用发生形变时，特殊透明材料的折射率会发生变化，通过光学系统捕捉和分析光信号的变化来计算扭矩。

• 核心性能参数典型范围：

  • 精度： ±0.1% F.S. 到 ±0.5% F.S.。

  • 分辨率： 1/10,000 F.S. 到 1/100,000 F.S.。

  • 响应时间/采样率： 2 kHz 到 20 kHz。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 高精度与高动态响应： 能够实现非常高的测量精度和极快的响应速度。

    • 非接触式： 避免了机械磨损，寿命长。

    • 抗电磁干扰： 对电磁干扰不敏感。

  • 缺点：

    • 对安装要求高： 需要精确安装光学元件和被测轴的配合。

    • 易受污物影响： 光路容易被灰尘、油污等污染，影响测量精度。

    • 成本高： 通常光学元件和精密加工成本较高。

  • 适用场景： 对精度和动态响应有极致要求的场合，如赛车发动机、高性能航空发动机的测试。

4. 惯性测量单元 (IMU) / 陀螺仪式扭矩测量 (IMU / Gyroscope Based Torque Measurement)

• 工作原理与物理基础： IMU或陀螺仪主要用于测量角速度和姿态，但也可以通过积分角速度和结合已知的轴刚度来推算出扭矩。

• 核心性能参数典型范围：

  • 精度： 通常在 ±1% F.S. 到 ±5% F.S.，无法满足高精度要求。

  • 响应时间/采样率： 可以很高，几十kHz以上。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式： 无需对被测轴进行任何改动。

    • 集成度高： 通常可以集成在现有设备上。

    • 高动态响应。

  • 缺点：

    • 精度低，易受振动影响： 在高精度要求场合难以使用。

  • 适用场景： 更多用于非关键扭矩测量、状态监测或作为辅助测量手段，不适用于发动机扭矩的精确计量。

技术方案对比总结：

技术方案	核心原理	精度（典型）	响应速度（典型）	优点	缺点	适用场景
应变片式	电阻应变片检测形变	±0.05% - ±0.5% F.S.	100 Hz - 10 kHz	高精度、成熟、宽量程、非接触传输（分离式）	安装复杂性（分离式）、温度影响、需要激励源	发动机台架、传动系统、新能源驱动电机
磁性扭矩	磁导率变化、霍尔效应等	±0.1% - ±1.0% F.S.	100 Hz - 5 kHz	非接触、寿命长、耐用性好、高转速适应性	易受外部磁场干扰、非线性、高量程精度可能下降	传动轴、工业驱动轴、生命周期要求长的应用
光学式	光弹性效应、光栅编码	±0.1% - ±0.5% F.S.	2 kHz - 20 kHz	高精度、高动态响应、非接触、抗电磁干扰	安装要求高、易受污物影响、成本高	赛车发动机、高性能航空发动机
IMU/陀螺仪式	角速度积分、模型推算	±1% - ±5% F.S.	> 20 kHz	非接触式、无需改动轴、集成度高	精度低、模型依赖强、易受振动干扰	状态监测、辅助测量

市场主流品牌/产品对比

本部分将基于市场上的知名品牌和技术产品进行对比，特别是针对发动机台架试验领域提供高精度测量解决方案的品牌。

1. 德国宏川

   • 技术方案： 作为全球领先的力、扭矩、应变测量解决方案提供商，宏川在应变片式扭矩测量技术领域拥有深厚的技术积累。其QuantumX系列数据采集系统配合SP系列（力、扭矩）和T系列（温度）传感器，是发动机台架试验中的常用配置。宏川的传感器在精度、稳定性和动态响应方面表现出色。

   • 核心技术参数（通用，以QuantumX MX400及配套传感器为例）： 采样率最高100 kS/s，24位分辨率，扭矩传感器精度通常在±0.1% F.S.以下。

   • 应用特点与独特优势： 在力、扭矩、应变测量领域的极高的声誉，提供高精度、高稳定性的传感器和数据采集系统，尤其在精密测量方面，是发动机台架试验的可靠选择。

2. 美国国家仪器

   • 技术方案： 提供模块化的测试测量平台和强大的软件支持，在扭矩测量方面可搭配各种厂商的扭矩传感器进行数据采集、处理和分析。其数据采集系统可以实现多通道、高采样率的数据采集。

   • 核心技术参数（国家仪器数据采集模块为例）： 采样率最高1 MS/s，16位分辨率，输入范围可配置。

   • 应用特点与独特优势： 灵活的模块化系统，强大的软件支持，能够实现高度定制化的测试方案，可以将扭矩测量与其他发动机参数进行同步采集和综合分析。

3. 英国真尚有

   • 技术方案： 在应变片式扭矩测量技术方面有丰富经验，并提供非接触式的解决方案。他们的产品能够满足高速旋转和高精度要求的扭矩传感器，部分型号支持无线数据传输。

   • 核心技术参数（高精度扭矩传感器为例）： 精度通常在±0.1% F.S.或更高，转速可达数万RPM，且产品适合各种恶劣环境下的应用。

   • 应用特点与独特优势： 在非接触式扭矩测量领域具有竞争力，能够在高速旋转工况中提供高效的扭矩测量解决方案。