支持發動機開發的智能滑動軸承

【德】 R.AUFISCHER S.SCHALLMEINER A.WIMMER M.ENGELMAYER

0 前言

研究人員在開發新型發動機時，必須考慮到持續變化的環境法規和效率目標，同時還要考慮如何降低開發、驗證和運行的成本。因此，除了摩擦損失外[1]，研究人員也應對機型的開發、驗證和上市時間等因素進行重點考慮。

考慮到曲柄連桿機構的復雜性，研究人員應始終考慮到設計過程期間可能遇到的折中問題，并非所有關鍵設計特征都能以所要求的精度實現仿真。研究人員在仿真過程中雖然會考慮到運行條件、工況及與生產密切相關的特征，但仍需要在發動機試驗程序中對總體情況進行驗證。

特別是在進行樣機試驗時，發動機的可用性和安全運行對于成本和時間要求至關重要。在驗證階段，研究人員可以通過提供各種滑動軸承的運行參數來支持開發步驟，從而有助于實現上述目標。

1 數字化概念與信息

研究人員為智能滑動軸承集成了軸承傳感器、信息傳輸和數據分析功能，包括發動機曲柄連桿機構中的所有軸承，從而可對其進行評估?；钊N襯套目前不在研究人員的開發范圍之內，但必要時仍可將該部件實現集成。研究人員目前正在考慮將旋轉部件或運動部件的無線傳輸和通信的標準協議集成到電子發動機環境中[2]。圖1為該概念的示意圖。

圖1 智能滑動軸承概念框圖

當研究人員采用了傳感器技術和傳輸部件后，需要對部件進行特殊調整，以應對工作狀態下發動機的嚴苛運行條件。

研究人員需要建立1個將物理值和經驗值與大數據分析相結合的混合評估系統，以評估軸承傳感器所提供的數據。該指標可以通過智能接收器實現，或者由接收器與發動機控制系統或監控系統實現共享(圖2)。

圖2 數據分析——實施選項

2 智能滑動軸承系統的組件

目前，研究人員可通過多種方式監控發動機軸承。借助潤滑劑，在潤滑劑通過軸承之后直接在軸承上或軸承中進行測量(例如通過噴濺潤滑系統)；也可采用完全獨立的系統(例如油霧檢測器)進行監控。

3 針對不同軸承設計和評估數據的軸承傳感器

研究人員關注的重點是布置了軸承上或軸承內的系統部件。表1概述了關于傳感器讀數和軸承設計的傳感器選項。由表1可知，傳感器技術必須與不同的軸承設計相匹配，并且特定的傳感器只能傳遞限定的物理量和數據。

表1 適用于不用軸承類型的傳感器

第1種方法采用了溫度傳感器。此外，研究人員還開發了薄膜傳感器技術，從而可以在表面附近進行更直接的測量[3]。

圖3 安裝多個傳感器，以識別形狀偏差和其他局部軸承現象

研究人員為了更好地了解軸承的運行狀態，可以采用多個傳感器，并將其數據傳輸到智能接收器中進行評估。從而可識別出原型中的偏差，例如形狀偏差。圖3示出了采用多個溫度傳感器的典型應用，并將其用于識別形狀偏差和局部軸承現象，例如摩擦引起的臨時磨損。

為了更接近軸承表面，研究人員目前正在開發1種薄膜傳感器，并已成功通過了第1步鑒定過程。圖4示出了這種薄膜傳感器的橫截面，該傳感器可用于軸承內的不同區域。該圖還示出了無鉛濺射軸承的不同功能層的結構。傳感器區域中的軸承在厚度僅有幾微米的薄膜上運行。因此，傳感器開發的最大挑戰之一是減小傳感器厚度，以避免影響測量信號。

圖4 傳感器成品的層狀結構橫截面示例

如圖4所示，研究人員設計了1個非常薄的傳感器并對其進行了首次試驗。這種薄膜傳感器不僅可提供溫度值，還可提供壓力值，因此也能用于軸承-曲柄系統的設計與負荷標定。研究人員同時還對其他與軸承無關的系統進行了監測，但到目前為止，尚未找到評估依據。

4 無線信號傳輸

主動或被動無線信號的傳輸過程具有多種選擇，其均適用于熱機油、高加速度和使用空間極其有限的特殊環境。此外，不同的傳感器信息需要不同的傳輸頻率，例如，與遵循運行周期的壓力相比，溫度通常具有較低的頻率要求。表2概述了旋轉部件的數據傳輸選項。

表2 旋轉部件的數據傳輸選項

自備電源意味著旋轉部件上必須布設有電源。由于還需要傳輸高頻測量值，因此自帶電源的主動系統通常優于被動系統。圖5示出了用于發動機試驗裝置的系統(安裝在試驗連桿上)及對發生器殼體進行的設計過程。為了將傳輸數據降至最低，研究人員直接在發生器中進行模擬/數字(A/D)轉換。

圖5 載重汽車用發動機連桿及發生器殼體設計(均來自LEC公司)

針對整個發動機運行周期，研究人員在發動機試驗臺上對直列6缸發動機進行了多次試驗，充分證明了其在極端溫度條件下(含油環境)的性能。通過試驗證明，能量收集系統能為在惡劣工作狀態下的發動機提供所需功率。

5 發動機控制與監測系統的接收器和接口

目前，接收器直接與發動機和試驗臺控制系統相連接。盡管如此，除了基本的接收器功能外，智能接收器還將為曲柄連桿機構監測系統的各個級別提供部分或完整的評估過程。通過各種有線或無線接口，例如藍牙、控制器局域網絡(CAN)和通用異步收發傳輸器(UART)連接到整個監控系統，其中藍牙連接用于遙測系統。

該項設置適用于開發過程，并具有良好的性能。研究人員可對所有組件進行開發且不會使其受到相互影響。然而，為了確保系統中的某些智能化功能，研究人員需要將所有測量值和一些發動機系統數據集成到數據分析系統中，以進行下一步計算。

6 數據分析與曲柄連桿機構評估系統

軟件設計采用含有3個級別的分層方法。圖6為流程示意圖，其中也包含用于數據評估的各種輸入。

圖6 智能傳感器流程圖

級別1——傳感器錯誤檢測：首先，研究人員必須按順序正確地記錄測量結果，然后針對短期和長期性能的不同，并將其轉換到各種算法中。傳感器的性能通常受運行條件的限制，并且還可能受到其他設備的干擾。在監測過程中可能會出現許多不同的傳感器錯誤，例如異常值、缺失值、因干擾造成的誤差，以及完全故障等。檢測異常和錯誤的方法包括：(1)簡單的統計方法，例如滑動平均、低通濾波、自回歸滑動平均和卡爾曼濾波等；(2)基于機器學習的方法[4]，例如基于密度的、基于聚類的和基于支持向量機的異常檢測。在第1個原型中，研究人員通常采用滑動平均算法來檢測是否存在失誤。

級別2——評估運行風險和偏差：要分析運行風險和短期性能，必須了解軸承類型在最佳運行和故障之間的基本特性。研究人員將用于確定物理極限的現有數據(例如在軸承試驗臺上獲得的數據)與各種算法結合在一起，以便將這些極限值傳輸到實際的發動機環境中。為了確定偏差，需要采用包含多個傳感器的方法。傳感器測量值的局部差異有利于評估形狀偏差和局部軸承現象。

級別3——剩余使用壽命：可以根據軸承類型和實際使用的傳感器，通過集成數學方法評估長期性能[4]。根據歷史記錄和發動機實際運行情況進行預測，以優化軸承使用壽命。

7 系統驗證

研究人員采用了各種方法來驗證系統的功能和穩定性。第1步是在試驗室環境中證明新技術的適用性。如果成功，下一步就是將軸承試驗臺中的功能結合在一起，其中的溫度、負荷和機油狀態等相關參數反映了發動機軸承所處的環境[5]。圖7示出了適用于載重汽車發動機用滑動軸承的典型試驗臺配置。

圖7 發動機軸承試驗臺，可使滑動軸承過載以進行功能試驗并縮短試驗時間

在LEC公司的發動機試驗臺上[6]，研究人員對13 L MAN D2676歐6發動機進行了穩定性和功能原理的最終驗證。適用性試驗涵蓋了各個工況點及基于全球重型卡車試驗循環(WHDTC)的瞬態試驗。圖8示出了發動機及相應的試驗室。

圖8 MAN試驗機和LEC試驗臺布置

盡管研究人員最初并未設置疲勞強度，但這些組件已經提供了預期的信息。由于已完成所用傳感器和信號傳輸的改進優化，因而可以為客戶進行初始安裝。

8 結語和展望

研究人員基于智能滑動軸承而開發了1種曲柄連桿機構監測系統，該系統集成了軸承傳感器、有線和無線傳輸及全新的數據分析方法。在試驗室、軸承試驗臺和工作狀態下，研究人員對發動機幾種不同的組件分別進行了試驗。為了完成曲柄連桿機構評估的所有3個級別，傳感器必須與軸承類型和發動機應用相匹配，并且需要進一步開發數據分析，數據分析還可以充分反映長期影響。

目前為止，所有信息均已得到證實，在發動機開發中采用軸承監測，有利于通過避免和減少曲柄連桿機構故障來提高原機型的可用性。通過相應的傳感器設計和安裝，還可以獲得偏差信息，從而優化結構。

李媛媛 譯自 MTZ，2019，80(12)

伍賽特 編輯

(收稿時間：2020-04-22)