一种测量车用涡轮增压器转子轴向力的新方法

　　在涡轮增压器结构设计中,止推轴承设计是重要组成部分,涡轮增压器故障中有相当一部分是由止推轴承失效引起的,因此合理设计止推轴承是至关重要的,而止推轴承所承受的轴向力是设计止推轴承的依据。止推轴承承受的向力是压气机叶轮和涡轮叶轮两侧气体压力所产生的轴向分力代数和^[1] 。涡轮增压器的轴向力可以通过流体力学方法进行估算得出,轴向力的计算方法很多,但计算结果相差较大[2],最准确的方法是通过试验来测量。止推轴承的空间限制给止推轴承的受力测量带来较大难度。

　　力学测试用的传感器种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。本研究应用电阻应变片来测量涡轮增压器转子轴向力。

　　1　电阻应变片的工作原理^[3]

　　电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为电信号的敏感器件。它是电阻应变片压力传感器的主要组成部分之一。电阻应变片的工作原理主要基于金属或半导体材料的电阻应变效应。当外界力作用在一定形状的弹性元件上时,弹性元件产生机械变形,粘在其上的电阻应变片将力学变形量转化为自身电阻值的变化,通过测量其阻值的变化即可得知被测机械力学量的大小。

　　如图1所示的一根电阻丝,设长为L,横截面积为S,电阻率为ρ,则由电阻定律可知,电阻值R为

　　当导线两端承受机械应力,有拉力F垂直作用于横截面积时,电阻丝的几何尺寸和电阻率都将发生变化,进而引起电阻丝的电阻值改变,通过将式(1)对两边取对数再全微分可得

           度的相对变化量

　　对金属电阻材料来说,电阻率的相对变化是体积变化的函数,有

　　式中,μ为材料的泊松比,C是与金属材料和加工方法有关的常数。

　　式中,K=1+2μ+C(1-2μ)为金属电阻丝的应变灵敏度系数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,在弹性范围内,K值主要取决于泊松比μ和比例系数C。

　　电阻应变片压力传感器由于应变片的尺寸小,质量轻,因而具有良好的动态特性,而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布没有影响;它适用于静态测量和动态测量,可在高低温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。其缺点是在大应变状态下具有较明显的非线性,且输出信号较弱。

　　2　应变测量系统

　　本试验选用BZ2210动态应变仪作为放大电路,采用惠斯登电桥电路作为测量电路组成应变测量系统,电阻应变片通过桥盒与动态应变仪连接,测量系统和电阻应变片与桥盒的连接方法如图2所示。