10.16638/jki.1671-7988.2020.20.011
廖中文1，刘艳红2
（1.广东农工商职业技术学院智能工程学院，广东广州510507；
2.广东省轻工职业技术学校汽车工程部，广东广州510300）
摘要：为了解决按传统经验判断更换机油带来的机油浪费、加剧机械磨损等问题，实现按质更换的目的，项目组根据润滑油属性，确定润滑油使用性能的影响因素，参照国内外相关技术和旋转式黏度计测量原理，设计一款可以克服汽车各种工况、能够降低外界环境对润滑油黏度属性监测影响的一款润滑油品质实时监测传感器。将传感器应用于样品润滑油的黏度测量，并与现有设备测量值进行对比分析，结果表明：车用润滑油黏度传感器具有较好的精度和灵敏性，能实现精准提醒车主的目的。
关键词：黏度传感器；NDJ-1；实时按质
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)20-35-04
High-speed Visualization Shear Viscosity Tester Development and Accuracy Checking*
Liao Zhongwen1, Liu Yanhong2
( 1.School of Intelligent Systems Engineering, Guangdong AIB Polytechnic, Guangdong Guangzhou 510507;
2.Automotive Engineering Department, Guangdong Light Industry Technology School, Guangdong Guangzhou 510300 )
Abstract:In order to solve the problem of oil waste and aggravating mechanical wear caused by oil change according to traditional experience and realize the purpose of quality change, the project team determines the factors affecting the performance of lubricating oil according to the properties of lubricating oil, and designs a real-time monitoring sensor of lubricating oil quality that can overcome various automobile working conditions and reduce the influence of external environment on the viscosity property monitoring by referring to relevant technologies at home and abroad and the measurement principle of rotary viscosity meter. The sensor is applied to the viscosity measurement of sample lubricating oil, and compared with the measurement value of existing equipment. The results show that: the viscosity sensor of vehicle lubricating oil has good precision and sensitivity, and can real
ize the purpose of accurately reminding car owners. Keywords: Viscosity sensor; NDJ-1; The real-time monitoring
CLC NO.: TP212.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)20-35-04
引言
发动机润滑油使用寿命有限，约为5000-30000km。目前，轿车售后市场的传统做法是约定5000km进行一次保养，并更换机油，通过实地调查取样测试发现，行驶5000km就替换下来的机油，普遍没有达到使用寿命，存在较大程度上的浪费；营运型车辆在使用过程中，车主普遍为了追求经济效益的最大化，忽视汽车的定期保养，机油的更换没有按照科
作者简介：廖中文（1984-），男，湖北武穴人，硕士，副教授，就
职于广东农工商职业技术学院智能工程学院，主要从事车辆系统动
力学研究。基金项目：广东省教育厅重点平台及科研项目：基于E-J
改进模型的车用润滑油流变特性实验研究（2017GkQNCX039）。
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汽车实用技术
36 学规律进行，实地调查取样测试发现，较多营运车辆在机油更换时，已经严重超出使用寿命，脏污严重、严重变质，对车辆的使用性能造成极大的负面影响，增加使用成本和维护费用，严重时，甚至会造成摩擦阻力过大，轴承断裂等恶性事件。
基于以上的分析不难发现，汽车机油更换是通过人为约定时间或者根据车主的驾驶习惯和喜好来确定更换时间的，不能做到按质更换。科学合理的确定机油更换时机，不仅能提高汽车的技术状况和使用寿命，同时能产生巨大的经济效益。
依照按质换油的思路，将机油的重要属性（黏度、温度、颗粒度、酸性物质）等通过不同的传感器进行在线监测，实时判断各大指标是否超出使用寿命标准，一旦出现该种情况，及时提醒车主对机油进行更换。在基有的所有属性之中，黏度是影响机油性能的最重要指标之一，本文将以机油黏度为研究对象，设计一款在线监测传感器，以图实时监测机油黏度数据，指导车主按质更滑机油。
1 黏度传感器的初步研制
1.1 车用润滑油黏度的常见测量方法
润滑油的使用寿命受到诸多因素的影响，比如：车况、驾驶习惯、油品属性等等，按照传统经验判断，难以精确确定更换油品的最佳时间，所以需要借助高灵敏度，高精度的测试仪器。在润滑油的诸多属性之中，黏度是影响其品质的一个重要物理性质。
目前，黏度测量的方法主要有实验测试以及在线监测。对于实验室的黏度测试方法主要包括了出流法、重力法、旋转法、振动法、超声波技术以及光学测量技术。出流法主要用到了玻璃毛细管黏度计或者短管和小孔型黏度计；旋转法主要应用于旋转黏度计上；振动法主要有低频摆动黏度计和高频振动黏度计[1]。对于能够初步用于在线监测的技术：Hammond [2]开展了一种声学发动机油品质传感器（简称AEOQ ）试制模型。Jakoby [3]研究了一项微型声学黏度传感器，德国博世集团根据Jakoby 的研究结果，开发了一款多功能油品质量传感器，它将油品黏度和温度测量集成在一起，完成了黏度和温度集成一体的传感器。Chao [4]（音译）研究了一款基于石英谐振器厚膜剪切模式（简称 TSM ）微型声波传感器，并开发出了基于单面和双面TSM 谐振器的传感器原型。Preethichandra [5]设计了多功能传感器，用于测量发动机油的黏度、清洁度、温度和电容。
本文设计的黏度传感器主要是基于旋转法，以NDJ-1旋转式黏度计测量原理为基础，克服了润滑油工作的极端环境以及汽车行驶中带给发动机内部的振动以及油品对传感器的影响等因素所研制出的一款具有实时监测润滑油黏度性能的
传感器。
目前，该黏度传感器配备具有特定程序的控制单元，组建监控系统，完成监测油品黏度的功能，其具体的工作方式如图1所示：
图1 黏度监控系统原理图
该监控系统的主要原理是控制单元控制传感器模块进行工作，传感器将监测到的润滑油阻力（黏度）数据反馈回控制单元，控制单元进行数据处理从而计算出油品黏度值并将黏度显示在单片机上。
1.2 车用润滑油黏度传感器的组成
黏度传感器主要由霍尔传感器、130系列的伺服电机以及固定霍尔传感器和伺服电机的玻纤外壳所组成，具体结构图由图2所示：
1.转子
2.电机的长转轴 3、4.外壳的固定槽、柱 5.导线圆孔 6.上内腔 7.圆盘 8.导线长孔 9.霍尔传感器安装槽 10.电机 11.外壳 12.电机固定卡块
13.电机的短转轴 14.固定磁铁的凹槽 15.磁铁 16.下内腔
图2 车用黏度传感器组成
该传感器外形主要是由两个半圆柱形的玻纤外壳组成，两个半圆柱外壳并不完全相同，在其中的一个半
圆柱外壳的上内腔预留了两个导线孔来引出电机的导线，因电机需要密封不进油的工作条件，且外壳除了要能长期浸泡在油液里还需满足能承受汽车在不同工况下所带来的温度变化这一条件，而玻纤具有极好的抗腐蚀性以及耐热性，符合所需条件，所以本传感器选用了玻纤材料来制作这个传感器的外壳，传感器之所以由两个半圆柱的外壳组成主要是为了方便拆装。
廖中文 等：车用润滑油黏度传感器研制及精度校核
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两个半圆柱形外壳的接触面上分别有4对固定槽、柱，此设计主要是为了将两个外壳准确地贴合，以保证电机及传感器内部元件的工作。在外壳的上内腔部分加装了一对固定电机用的固定卡块12，以保证电机能稳定工作；在上内腔的顶部及上内腔与下内腔的连接处分别设有连接电机长转轴2、短转轴13的圆孔，这两个孔将电机的两根转轴各自延伸到传感器外连接转子1以及下内腔带动圆盘7旋转，同时在外壳下内腔的内壁上还设置了一个放置霍尔传感器的槽位9。
当电机旋转时，转子将与电机的长轴2一同旋转，但此时转子会受到来自于流动油液的阻力，转子1的转速将会有所下降，并将此阻力反作用于电机10上，电子也在转子的影响下降低转速，此时电机10另外一端连接的圆盘7转速也随之减缓，而在圆盘7一侧预留四个半圆形的凹槽14所固定的磁铁15随着圆盘作同心圆运动，当磁铁旋转靠近安装在外壳下内腔内壁上的霍尔传感器时，霍尔传感器感受到来自于磁铁的磁力会发出一个低频信号，并将低频信号传递给电控单元，电控单元根据霍尔传感器所传输的信号的频率，按照已设定好的程序将此频率转换为粘度的表达方式，最终将此粘度数据显示于电控板上的液晶显示屏上。
经过借鉴、计算与比较，最终确定黏度传感器的主要结构尺寸及主要部件参数分别如表1所示。
表1 黏度传感器的主要结构尺寸
1.3 系统实现的技术困难及解决措施
（1）在油液环境下对传感器内部电路进行保护的方法 为了使黏度传感器内部电路能够达到较好的密封效果，本文作者在保证传感器电机转轴与转子刚性连接的同时，考虑到了电机轴承与转轴孔的间隙问题，采用的间隙配合在极大程度上既保证了转轴的正常运转也保证了最大的密封性。
（2）在高温环境下的准确测量
在发动机运行的过程中，润滑油的温度会受到发动机的温度影响。因此，如何在高温环境中确保黏度传感器测量工作的正常进行和测量精度的准确。本文作者在设计该传感器中采用了螺旋式固定装置，在黏度传感器的外壳处进行螺纹处理，使其安装在发动机中能够达到固定和密封的作用；在另一方面，螺旋的固定方式可以使黏度传感器转子在润滑油中，而传感器的大部分内部电路和外壳在润滑油的外部环境中。
（3）最小尺寸设计
由于车用传感器属于MEMS 传感器系列产品，所以为了能够尽可能的减少空间的浪费和具有一定的耐高温耐腐蚀性，传感器的外壳采用了玻纤材料和3D 打印技术一次完成传感器的外壳制作。而且其内部结构紧密，大部分元件采用了过盈配合从而节省了黏度传感器大部分的内部空间并且不影响其测量的精度和工作效率。
2 黏度传感器的初步校核
为了确保黏度传感器的精度，在完成制造及调试后，首先对其进行初步校核。初步校核的方法是利用该装置测量液体的粘度，测量结果与华南农业大学的试验台架测试数据进行对比分析[1]。 2.1 实验的预处理
（1）分别采集使用了0公里（新润滑油）、1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里里程数的润滑油（美孚一号，0W-40）进行试验。
（2）分别将其放置入不同的烧杯中，并使润滑油不超烧杯最大容量300ml 的三分之二。
（3）在进行润滑油黏度的测量时，需要先将使用不同里程数的汽车润滑油分别进行静置10到20min ，然后进行一遍机械杂质的过滤。对润滑油进行初步的处理后将其盛装在不同的烧杯中进行保存，并且贴上不同的标签和文字加以区别。 2.2 实验测试
（1）取出盛有新润滑油（0公里）的烧杯，将其置于室温下，并利用搅拌电机对润滑油进行不断的搅拌，将制作好的黏度传感器进行检测，利用温度传感器测出其所处温度，观察控制单元显示屏上的时间值，并做记录。
（2）将加热装置准备好，对该润滑油进行加温，并且利用电机对润滑油进行不断的搅拌、利用水温传感器随时监控润滑油水温上升情况，待温度上升至120℃左右时，停止加热。当温度传感器探测温度显示在120℃左右不变化时，利用黏度传感器再次测量，并记录相关的数值。
（3）在温度下降的过程中，分别在温度下降到110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃再次利用制作的黏度传感器进行测试，并记录相关数值。
（4）将实验过后的润滑油进行冷却降温到室温后，放回到指定位置。
（5）分别取出使用了1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里的润滑油再仿照步骤1到4进行分别的实验并记录相关的数据。 2.3 实验数据
通过实验测试，得到美孚一号机油样品部分运动粘度数据与粘温曲线图，如表2所示。
汽车实用技术
38表2 机油样品黏度测量数据
由表2可以看出，发动机运转过程中，随着油温的升高，润滑油黏度会逐渐降低，当温度超过一定限值，润滑油的润滑性能将失效。通过对比三种不同使用周期的美孚一号机油样品，不难发现，随着使用里程数的增加，机油的黏度会呈现下降趋势，但是5000km与3000km的机油对比时，并没有出现明显的变化，这也说明，机油在5000km时，并没有出现质变。通过对比廖中文利用自制的高速可视化剪切粘度测试仪[6]，得到的试验结论是一致的。
3 结论
本论文通过对润滑油黏度常见测量方法进行对比分析，确定关键影响因素，自行设计一款车用润滑油黏度传感器，通过校核，与现有设备测量结果一致。在实际应用中，可以指导车主按质更换机油，具有一定的创新型和经济价值。参考文献
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