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【摘要】发动机连杆应力测试系统电能有限，其测试周期较长并且难以拆装。为了解决此问题设计了一种将连杆的运动的机械能转化为电能的自供电装置。分析了自供电装置的物理原理，并且制成了原理样机。样机试验表明，采用此种自供电装置可以源源不断地为测试系统提供电能。
【关键词】自供电；发动机；应力测试系统；连杆
1.引言
连杆作为发动机的关键零部件，其作用是将活塞顶部的燃气燃烧压力传递给曲轴，并把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。连杆不仅有小头的往复直线运动，还有大头的旋转运动，杆身摆动，整体作复杂的平面运动。连杆在工作中的受力状况非常复杂，受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的综合作用，这些力的大小和方向呈周期性变化，从而易引起连杆的疲劳破坏。因此，对连杆的应力测试显得尤为重要，由于发动机活塞连杆在一个全封闭的环境中高速运动，转动轴处于高速旋转状态、汽缸内地方狭窄、温度高，对应力的测试是车辆测试中的难点。因此，人们大多设计一套微小的存储测试仪器放在被测环境中，在坦克等车辆的工况测试情况下，周期一般相对较长，并且拆卸和安装十分不便。测试系统的电源能量又十分有限。待电源耗尽后不得不取出电源，针对此问题本文设计了一种依附于连杆的运动，并将连杆的机械能转换为电能并为测试系统供电的自供电专用电源系统。
2.系统总体结构
系统总体设计如图1所示。
图1 专用电源总体结构图
盒子和连杆连结在一起成为一个整体，连杆在运动时，盒子同连杆一起运动。将上下两面充磁的长方形磁铁放在铝管中，受到静摩擦力的作用永磁体在其中做滚动运动。永磁体的磁感应强度B不变，但是映射到线圈平面的磁通会随着其滚动一直变化。导致在线圈中产生电能，为应力测试系统源源不断地供电。
3.专用电源原理分析
为了分析专用电源的输出功率，首先先分析永磁体的受力情况。先将系统简化为如图2所示。
图2 专用电源简化模型
假设有个质量为m的圆柱体在一个支撑物体上，物体长度为L，开始时两者没有相对运动。则物体的受力情况如上图所示。由于重力和另一个物体对滑块的支撑力大小相等方向相反，所以对滑块的运动不造成影响，图中也未画出。
此时若给支撑物施加一个力，使之以加速度2a从右向左运动。以滑块为研究对象进行受力分析，滑块受重力和支撑物对滑块的支撑力，两个力大小相等，方向相反平衡。但此时滑块与支撑物之间有相对运动趋势，所以滑块受向左的静摩擦力。假设此时滑块所受静摩擦力小于最大静摩擦力，那么圆柱体滑块会做纯滚动运动。具体细节如图3所示。
图3 永磁体运动模型
如图所示，以质心为代表的前进的速率为：
（1）
其中为圆柱体滚动的角速率。质心运动的加速度为：
（2）
式中为圆柱体滚动的角加速度。
根据牛顿运动定律得：
（3）
假设摩擦力矩为根据质心转动定理可得：
（4）
以上式联立解得：
（5）
若要做纯滚动无滑动必须满足物体所受的静摩擦力小于等于最大静摩擦力：
（6）
整个系统的电磁场示意图如图4所示。
图4 专用电源电磁示意图
根据法拉第电磁感应定律可得感应电动势：
（7）
式中n是缠绕系统线圈的匝数，B是永磁体的磁感应强度，S是系统的侧面积，是永磁体转过的角度。式中，，是永磁体旋转的角速度，T是永磁体旋转一周所用的时间。
进一步化简得感应电动势：
（8）
由式（2）和式（3）可得：
（9）
式（8）和（9）联立得，
感应电动势：
（10）
得出最终感应电动势和各个参量之间的关系。由于电源不仅要有电动势输出更要有电流输出，有必要对于电源的输出电流做一个分析。
对于缠绕在系统表面的导线的电阻值：
（11）
其中为导体的材料电阻率，为导体的长度，为导体的横截面积。
（10）和（11）联立可以解得电源的输出电流：
（12）
但是此时的电动势是按纯滚动时计算的即永磁体的受力满足式（6）时的条件，但是在实际过程中有可能永磁体的受力大于最大静摩擦力（即永磁体在内部运动时不仅仅是纯粹的滚动）因此需要在式（13）的基础上乘以一个衰减因数k。
4.实验验证
为了证明此方法确实可行，本文设计了一套专用电源原理样机。如图5所示
图5 专用电源原理样机
图6 原理样机内部
盒子的尺寸为长10.5cm，宽5.1cm，高2.1cm。
内部永磁体如图7所示。
图7 永磁体的外观
永磁体的半径本文选取为0.9cm。磁铁的材料为N38的钕铁硼。
将原理样机放于往复运动轴的模拟连杆上，后面接整流和滤波电路，接电阻负载，数据采集系统实时检测负载上的电动势。样机采用铜线圈从0圈缠绕到1300圈，在matlab平台上对数据采集系统采集到的数据进行分析得出了图8所示曲线。
图8 专用电源线圈与功率间的关系
具体的参数关系如表1所示。由表1可以看出，当线圈缠绕到1300圈的时候电源的输出功率可以达到1.1150w。可以满足应力测试系统的供电需求。
此交变电流经过整流和滤波电路变可以提供较为稳定的直流电能。可以得出结论此种样机可以为狭小空间内的应力测试系统提供电能。
5.结论
文中对专用电源的物理可行性做了理论分析，并依照此理论制成了原理样机。经过在模拟连杆上的连动实验，样机可以输出与期望较为相同的电动势，可以依靠机械能和电能的转化为不便于拆装的环境下的测试系统提供持久的电能。
参考文献
[1]张自明，许春光，郑巍等.频率变化对连杆动态应力的影响研究[J].车用发动机，2011（6）：71-75.
[2]孙占刚，贾志宁.内燃机连杆疲劳破坏机理研究综述[J].内燃机，2006（4）：1-3.
[3]孙连科，唐斌，薛冬新.6110柴油机曲轴的三维有限元分析[J].车用发动机，2007（2）：81-84.
[4]李绍杰，樊一丁.柴油机连杆断裂失效分[J].汽车工艺与材料，2011（7）：35-38.
[5]沈晓丽.液压机械臂连杆有限元分析[J].制造业自动化，2011（16）：58-62.
[6]Sheng Jiew Hwang.Engine crank train system simulation and validation[C].//2000 International ADAMS User Conference.Orlando：[s.n.].2000.
[7]方向威.机械工程材料性能数据手册[M].北京：机械工业出版社，1995.
[8]刘星，王康谊.车辆发动机活塞连杆微型多通道应力测试[J].华北工学院学报，1997，18（1）：91-94.
【关键词】自供电；发动机；应力测试系统；连杆
1.引言
连杆作为发动机的关键零部件，其作用是将活塞顶部的燃气燃烧压力传递给曲轴，并把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。连杆不仅有小头的往复直线运动，还有大头的旋转运动，杆身摆动，整体作复杂的平面运动。连杆在工作中的受力状况非常复杂，受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的综合作用，这些力的大小和方向呈周期性变化，从而易引起连杆的疲劳破坏。因此，对连杆的应力测试显得尤为重要，由于发动机活塞连杆在一个全封闭的环境中高速运动，转动轴处于高速旋转状态、汽缸内地方狭窄、温度高，对应力的测试是车辆测试中的难点。因此，人们大多设计一套微小的存储测试仪器放在被测环境中，在坦克等车辆的工况测试情况下，周期一般相对较长，并且拆卸和安装十分不便。测试系统的电源能量又十分有限。待电源耗尽后不得不取出电源，针对此问题本文设计了一种依附于连杆的运动，并将连杆的机械能转换为电能并为测试系统供电的自供电专用电源系统。
2.系统总体结构
系统总体设计如图1所示。
图1 专用电源总体结构图
盒子和连杆连结在一起成为一个整体，连杆在运动时，盒子同连杆一起运动。将上下两面充磁的长方形磁铁放在铝管中，受到静摩擦力的作用永磁体在其中做滚动运动。永磁体的磁感应强度B不变，但是映射到线圈平面的磁通会随着其滚动一直变化。导致在线圈中产生电能，为应力测试系统源源不断地供电。
3.专用电源原理分析
为了分析专用电源的输出功率，首先先分析永磁体的受力情况。先将系统简化为如图2所示。
图2 专用电源简化模型
假设有个质量为m的圆柱体在一个支撑物体上，物体长度为L，开始时两者没有相对运动。则物体的受力情况如上图所示。由于重力和另一个物体对滑块的支撑力大小相等方向相反，所以对滑块的运动不造成影响，图中也未画出。
此时若给支撑物施加一个力，使之以加速度2a从右向左运动。以滑块为研究对象进行受力分析，滑块受重力和支撑物对滑块的支撑力，两个力大小相等，方向相反平衡。但此时滑块与支撑物之间有相对运动趋势，所以滑块受向左的静摩擦力。假设此时滑块所受静摩擦力小于最大静摩擦力，那么圆柱体滑块会做纯滚动运动。具体细节如图3所示。
图3 永磁体运动模型
如图所示，以质心为代表的前进的速率为：
（1）
其中为圆柱体滚动的角速率。质心运动的加速度为：
（2）
式中为圆柱体滚动的角加速度。
根据牛顿运动定律得：
（3）
假设摩擦力矩为根据质心转动定理可得：
（4）
以上式联立解得：
（5）
若要做纯滚动无滑动必须满足物体所受的静摩擦力小于等于最大静摩擦力：
（6）
整个系统的电磁场示意图如图4所示。
图4 专用电源电磁示意图
根据法拉第电磁感应定律可得感应电动势：
（7）
式中n是缠绕系统线圈的匝数，B是永磁体的磁感应强度，S是系统的侧面积，是永磁体转过的角度。式中，，是永磁体旋转的角速度，T是永磁体旋转一周所用的时间。
进一步化简得感应电动势：
（8）
由式（2）和式（3）可得：
（9）
式（8）和（9）联立得，
感应电动势：
（10）
得出最终感应电动势和各个参量之间的关系。由于电源不仅要有电动势输出更要有电流输出，有必要对于电源的输出电流做一个分析。
对于缠绕在系统表面的导线的电阻值：
（11）
其中为导体的材料电阻率，为导体的长度，为导体的横截面积。
（10）和（11）联立可以解得电源的输出电流：
（12）
但是此时的电动势是按纯滚动时计算的即永磁体的受力满足式（6）时的条件，但是在实际过程中有可能永磁体的受力大于最大静摩擦力（即永磁体在内部运动时不仅仅是纯粹的滚动）因此需要在式（13）的基础上乘以一个衰减因数k。
4.实验验证
为了证明此方法确实可行，本文设计了一套专用电源原理样机。如图5所示
图5 专用电源原理样机
图6 原理样机内部
盒子的尺寸为长10.5cm，宽5.1cm，高2.1cm。
内部永磁体如图7所示。
图7 永磁体的外观
永磁体的半径本文选取为0.9cm。磁铁的材料为N38的钕铁硼。
将原理样机放于往复运动轴的模拟连杆上，后面接整流和滤波电路，接电阻负载，数据采集系统实时检测负载上的电动势。样机采用铜线圈从0圈缠绕到1300圈，在matlab平台上对数据采集系统采集到的数据进行分析得出了图8所示曲线。
图8 专用电源线圈与功率间的关系
具体的参数关系如表1所示。由表1可以看出，当线圈缠绕到1300圈的时候电源的输出功率可以达到1.1150w。可以满足应力测试系统的供电需求。
此交变电流经过整流和滤波电路变可以提供较为稳定的直流电能。可以得出结论此种样机可以为狭小空间内的应力测试系统提供电能。
5.结论
文中对专用电源的物理可行性做了理论分析，并依照此理论制成了原理样机。经过在模拟连杆上的连动实验，样机可以输出与期望较为相同的电动势，可以依靠机械能和电能的转化为不便于拆装的环境下的测试系统提供持久的电能。
参考文献
[1]张自明，许春光，郑巍等.频率变化对连杆动态应力的影响研究[J].车用发动机，2011（6）：71-75.
[2]孙占刚，贾志宁.内燃机连杆疲劳破坏机理研究综述[J].内燃机，2006（4）：1-3.
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[5]沈晓丽.液压机械臂连杆有限元分析[J].制造业自动化，2011（16）：58-62.
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[8]刘星，王康谊.车辆发动机活塞连杆微型多通道应力测试[J].华北工学院学报，1997，18（1）：91-94.