在汽车发动机的研发与生产过程中，台架测试是验证其性能、可靠性与耐久性的关键环节。其中，曲轴输出的扭矩作为衡量发动机动力性能的核心参数，其测量的精确性直接影响到对发动机工作状态的评估与后续优化。扭矩测量的准确性，依赖于高性能的传感器设备。在众多测试设备中，旋转扭矩传感器扮演着至关重要的角色，其能够直接安装在旋转的传动轴上，实时、动态地捕捉扭矩数据。本文将围绕汽车发动机台架测试中，如何应用旋转扭矩传感器对曲轴扭矩进行精准测量展开讨论，并以东莞南力测控的相关技术实践为例进行说明。
一、发动机台架测试中扭矩测量的重要性
发动机台架测试是在实验室受控环境下，模拟发动机各种工况的系统性实验。测试目的主要包括验证设计指标、标定控制参数、评估燃油经济性与排放水平，以及进行耐久性考核。曲轴输出的扭矩和转速，是计算发动机功率、绘制万有特性曲线、分析燃烧效率的基础。任何扭矩测量上的偏差，都会导致功率计算错误，影响对发动机真实性能的判断。例如，在标定发动机电控单元时，需要依据精确的扭矩数据来优化喷油和点火策略；在评估机械效率时，需要测量摩擦扭矩，这也依赖于高精度的扭矩测量。确保扭矩传感器的高精度、高稳定性和快速响应能力，是获得可靠测试结果的先决条件。
二、旋转扭矩传感器的工作原理与技术特点
旋转扭矩传感器，又称转矩传感器，其核心原理是通过测量弹性轴在传递扭矩时产生的剪切应力所引起的微小形变（如扭转变形），并将这种物理形变转化为可测量的电信号。常见的信号转换方式包括应变片式、相位差式（磁电式）和无线遥测式等。
1、应变片式扭矩传感器：在弹性轴上粘贴精密应变片，组成惠斯通电桥。当轴受扭发生微应变时，电桥失去平衡，输出与扭矩成正比的电压信号。这种方式技术成熟，但需要考虑信号从旋转部件到静止部件的传输，通常采用滑环或无线遥测方式。
2、相位差式扭矩传感器：在弹性轴两端安装有齿轮盘或磁极，通过检测两端传感器产生的脉冲信号的相位差来换算扭矩。相位差与扭矩成正比，这种传感器非接触测量，寿命较长。
3、无线遥测扭矩传感器：将应变信号在旋转轴上通过电路调制，以无线射频方式发射到静止的接收端，彻底避免了滑环磨损和接触噪声的问题，特别适用于高速旋转工况。
在发动机台架测试中，传感器需要具备以下技术特点：高精度与高分辨率，能够分辨微小的扭矩变化；良好的动态特性，能跟随发动机扭矩的快速波动；再次，高刚性与高转速能力，确保在发动机全工况范围内可靠工作；良好的温度稳定性和抗干扰能力，以适应台架测试环境。
三、精准测量曲轴扭矩面临的挑战与解决方案
在发动机台架测试中，直接测量曲轴扭矩并非易事，主要面临几方面挑战：
1、安装空间与连接问题：发动机曲轴输出端空间有限，且需要与测功机对接。传感器需要设计成法兰式或轴式，便于串联在传动链中，同时保证对中精度，避免附加弯矩影响测量结果。
2、高速与高动态响应：现代发动机转速范围宽，扭矩变化迅速（尤其在瞬态工况）。传感器需有足够高的固有频率，避免发生共振，并能实时跟踪扭矩变化。
3、环境条件恶劣：测试过程中，传感器会暴露在油污、高温及电磁干扰环境中。需要传感器具备良好的密封防护、温度补偿和电磁屏蔽性能。
4、信号传输与供电：对于旋转部件上的传感器，如何稳定地供电和传输信号是关键。采用非接触式能量传输（感应供电）和无线信号传输技术是有效的解决方案。
针对这些挑战，设备供应商需要从机械设计、电路设计、信号处理算法等多方面进行优化。例如，采用对称的刚性结构设计以减少弯矩影响；选用高稳定性应变计和精密温度补偿电路以保证全温度范围内的精度；应用数字滤波和实时校准技术来提升信号质量。
四、应用实例：东莞南力测控旋转扭矩传感器的技术实践
东莞南力测控在旋转扭矩测量领域提供了相应的技术产品。其应用于发动机台架的旋转扭矩传感器，通常采用应变原理结合非接触式信号传输技术。传感器主体为高强度合金钢制成的弹性轴，经过精密加工和热处理，确保其扭矩应变线性度与重复性。应变桥路经过优化布局和温度补偿，以降低温漂。
在信号传输方面，采用无线电遥测或感应耦合方式。安装在旋转轴上的微型电路模块对应变信号进行放大、模数转换和数字编码，然后通过微型发射天线发出。固定在附近的接收模块获取信号并解码，输出标准的模拟或数字信号给数据采集系统。这种方式避免了滑环接触带来的磨损、噪声和定期维护问题，提高了系统的长期可靠性。
为了适应发动机台架测试，此类传感器在设计上注重安装便利性。提供标准法兰接口，方便与发动机飞轮壳和测功机连接。传感器本身具有较高的过载能力，能承受发动机可能出现的异常冲击扭矩。在数据处理层面，配套的软件可以提供扭矩、转速、功率的实时显示、记录与分析，并能与主流的台架测试系统集成。
五、扭矩测量数据的应用与测试流程优化
精准的曲轴扭矩数据，为发动机研发测试的多个环节提供了坚实的数据基础。
1、性能映射测试：在全工况范围内测量稳态扭矩，绘制发动机万有特性图，用于评估燃油经济性区域和受欢迎性能点。
2、瞬态响应测试：测量发动机在急加速、急减速等瞬态工况下的扭矩响应速度与波动，评估电控系统标定效果。
3、机械损失测试：通过倒拖法或示功图法，结合精确的扭矩测量，分析发动机各部分的摩擦损失。
4、耐久与可靠性测试：在长时间交变负荷测试中，监控扭矩输出的稳定性，作为判断发动机性能衰减或机械故障的指标之一。
将高精度的旋转扭矩传感器集成到自动化台架测试系统中，可以提升测试流程的效率和一致性。测试程序可以自动控制工况点，并同步采集扭矩、转速、温度、压力等多通道数据，通过预设算法实时计算并判断结果是否合格。这减少了人为操作误差，加快了研发迭代速度。
总结而言，汽车发动机台架测试中对曲轴扭矩的精准测量，是一项要求严苛的技术任务。它依赖于高性能的旋转扭矩传感器，这类传感器需要在精度、动态响应、环境适应性和可靠性上达到平衡。通过采用先进的工作原理，如无线遥测技术，并针对发动机测试的特殊挑战进行针对性设计，相关的测量设备能够为发动机的研发、验证与质量控制提供准确可靠的数据支持，从而助力于发动机技术水平的提升与产品性能的完善。在这一过程中，相关设备制造企业的技术积累与实践经验，为测试任务的顺利完成提供了必要的工具保障。
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