曲轴装置及测试曲轴所受到的应力的系统技术领域
本发明涉及发动机领域，具体地，涉及一种曲轴装置及测试曲轴所受到
的应力的系统。
背景技术
随着科学技术的不断进步，汽车行业取得了突飞猛进地发展，用户对发
动机的性能要求也越来越高。曲轴是往复式活塞发动机的关键性部件之一，
其安全可靠性直接关系到发动机整机的寿命和可靠性，因此曲轴必须具有足
够的强度、刚度、耐冲击性和一定的韧性，同时结构尽量紧凑、重量轻及工
艺好。在发动机工作过程中，曲轴不仅需要承受周期变化的缸内燃烧造成的
气体冲击力，还需要承受较大的交变扭转力矩，曲轴的测试实验是发动机研
发中的重要工作。
目前，确定曲轴所受到的应力的方法主要依赖经验公式计算法，即通过
发动机气缸气体压力、活塞和活塞销及曲轴的质量、发动机转速等间接算出
对曲轴的作用。该方法精度低，误差大，只能估计静态载荷，不能为仿真计
算和曲轴疲劳寿命试验提供准确的应力数据值。此外，经此方法制造的曲轴
笨重，尺寸不合格，刚度和强度不足。
发明内容
本发明的目的是针对无法实时测试曲轴工作时所受到的应力的问题，提
供一种曲轴装置及测试曲轴所受到的应力的系统。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种曲轴装置，该曲
轴装置包括曲轴本体；以及应力传感器，固定在曲轴本体的外表面上，用于
测试曲轴工作时受到的应力。
优选地，所述应力传感器固定在所述曲轴本体的外表面上的特征点处，
其中所述特征点位于所述曲轴本体的主轴颈和/或所述曲柄本体的轴颈圆角
处。
优选地，所述应力传感器固定在应力槽内，其中所述应力槽位于所述曲
轴本体的外表面上。
优选地，所述应力槽位于所述曲轴本体的外表面上的特征点处，其中所
述特征点位于所述曲轴本体的主轴颈和/或所述曲柄本体的轴颈圆角处。
优选地，在所述曲轴本体的曲柄臂外表面的一面上固定有电池，该电池
与所述应力传感器电连接。
根据本发明的另一方面，还提供一种测试曲轴所受到的应力的系统，该
系统包括根据本发明提供的所述曲轴装置；以及信号处理单元，所述信号处
理单元包括：信号转换模块，与所述曲轴装置中的应力传感器电连接，用于
根据所述应力传感器的电阻得到电信号；模数转换模块，用于将信号转换模
块得到的电信号转换成数字信号；以及存储模块，用于存储来自于模数转换
模块的数字信号。
优选地，所述系统还包括电池，固定在所述曲轴本体的曲柄臂外表面的
一面上，所述电池与所述信号处理单元电连接。
优选地，所述信号处理单元还包括信号调理模块，与所述信号转换模块
电连接，用于将所述信号转换模块转换后的电信号进行放大滤波，并将放大
滤波后的电信号输出到所述模数转换模块。
优选地，所述信号处理单元固定在所述曲轴本体的外表面上。
优选地，所述系统还包括电池，固定在所述曲轴本体的曲柄臂外表面的
一面上，所述电池与所述信号处理单元电连接，所述信号处理单元的固定位
置在所述曲轴本体曲柄臂外表面的另一面上，沿所述曲轴装置的轴向与所述
电池的固定位置相对。
优选地，所述信号转换模块包括电桥，与所述曲轴装置中的应力传感器
电连接，用于根据所述应力传感器的电阻得到电信号。
优选地，所述电桥是直流单臂电桥或直流双臂电桥。
优选地，所述电桥中的电阻为固定值电阻。
优选地，所述存储模块包括：存储元件，用于存储曲轴所受到的应力的
数字信号；以及处理元件，与所述模数转换模块连接，用于将接收到的数字
信号存储到所述存储元件中。
优选地，所述存储元件是可插拔的。
通过上述技术方案，可以实现曲轴所受到的应力的动态测试。在发动机
的工作过程中，能够简单可靠地实时测试曲轴所受到的应力，为曲轴的设计、
仿真计算和疲劳可靠性试验提供准确的应力数据值，即模数转换模块中输出
的数字信号。此外，所测得的曲轴所受到的应力数据值具有误差小、精度高
的特点。整个系统制造简单、成本低、安装调试方便并且运行可靠，为进行
曲轴高强度、轻量化、低成本等设计提供了重要的测试技术手段。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与
下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在
附图中：
图1是根据本发明的一种实施方式提供的曲轴装置沿其主轴颈径向的
截面图。
图2是根据本发明的一种实施方式提供的曲轴装置的局部的正视图。
图3是根据本发明的另一种实施方式提供的曲轴装置的局部的正视图。
图4是根据本发明的一种实施方式提供的测试曲轴所受到的应力的系
统的结构框图。
图5是根据本发明的另一种实施方式提供的测试曲轴所受到的应力的
系统的结构框图。
图6是根据本发明的一种实施方式提供的信号处理单元的结构框图。
图7是根据本发明的另一种实施方式提供的曲轴装置的局部的正视图。
图8是根据本发明的一种实施方式提供的存储模块的结构框图。
附图标记说明
100 曲轴装置 101 曲轴本体
102 应力传感器 103 主轴颈
104 曲柄本体 105 圆角
106 应力槽 107 曲柄臂
108 电池 200 信号处理单元
201 信号转换模块 202 模数转换模块
203 存储模块 204 信号调理模块
2031 存储元件 2032 处理元件
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，
此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明的一种实施方式提供的曲轴装置沿其主轴颈径向的
截面图。如图1所示，该曲轴装置100可以包括：曲轴本体101；以及应力
传感器102，固定在曲轴本体101的外表面上，用于测试曲轴工作时所受到
的应力。
所述应力传感器102可以有多种形式，例如：电容式应力传感器、霍耳
式应力传感器、光纤式应力传感器、电阻式应力传感器等等。本发明使用的
应力传感器102为电阻应变片，该应力传感器是用于测量应变的元件，能够
将机械构件上应变的变化转换成电阻的变化，方便测量，且结构简单。不过
应当理解的是，本发明所述的应力传感器并不限于此。
由此，在发动机工作过程中，曲轴本体101外表面上的应力传感器102
能够准确、动态地测试曲轴所受到的应力。
图2是根据本发明的另一种实施方式提供的曲轴装置的局部的正视图。
应力传感器102可以安装在曲轴本体101外表面上的任何位置。优选情况
下，如图2所示，所述应力传感器102可以固定在曲轴本体101的外表面上
的特征点处，其中，特征点可以位于曲轴本体101的主轴颈103和/或曲柄本
体104的轴颈圆角105处。
在位于轴颈过渡圆角处的特征点的位置上，应力集中现象严重，容易发
生断裂，曲轴的疲劳破坏会沿着此处发生，相较曲轴本体101的其他位置而
言，该位置处的测试值对曲轴设计更有意义，因此在优选的实施方式中，将
应力传感器102固定在曲轴本体101的外表面上的特征点处。
此外，如图2所示，所述应力传感器102可以固定在应力槽106内，其
中所述应力槽106可以位于曲轴本体101的外表面上。应力槽106能够给应
力传感器102提供更好的工作环境，受曲轴运动的影响较小，使应力传感器
102的结果更精确。
优选情况下，如图2所示，所述应力槽106可以位于曲轴本体101的外
表面上的特征点处，其中，该特征点可以位于曲轴本体101的主轴颈103和
/或曲柄本体104的轴颈圆角105处。
由此，通过将应力槽106设在曲轴本体101的特征点处，既满足了曲轴
设计中对测试值的基本要求，又使应力传感器102受外界干扰较小，可以得
到准确可靠的结果。
图3是根据本发明的另一种实施方式提供的曲轴装置的局部的正视图。
如图3所示，优选情况下，在所述曲轴本体101的曲柄臂107外表面的一面
上固定有电池108，该电池108与所述应力传感器102电连接。电池108为
应力传感器102供电。
电池108与曲柄臂107的固定方式有多种，例如：粘贴、机械固定等。
本发明中，电池108使用环氧树脂粘贴在曲柄臂107外表面的一面上。环氧
树脂对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，使用广泛，能够适应
本装置的工作环境。此外，通常的测试过程，系统工作时间在一小时以下。
根据系统连续工作的时间，电池108的体积一般在1-2cm3就可以满足工作
需求。
图4是根据本发明的一种实施方式提供的测试曲轴所受到的应力的系
统的结构框图。如图4所示，该测试曲轴所受到的应力的系统可以包括：根
据本发明提供的曲轴装置100；以及信号处理单元200，所述信号处理单元
200可以包括：信号转换模块201，与所述曲轴装置100中的应力传感器102
电连接，用于根据所述应力传感器102的电阻得到电信号；模数转换模块202，
用于将从信号转换模块201得到的电信号转换成数字信号；以及存储模块
203，用于存储来自于模数转换模块202的数字信号。
由此，可以实现曲轴所受到的应力的动态测试。在发动机的工作过程中，
可以实时地测量曲轴工作时所受到的应力，从而为曲轴的设计、仿真计算和
疲劳可靠性试验提供准确的应力数据值。此外，所测得的曲轴所受的应力数
据值具有精度高、误差小的特点。整个系统制造简单、成本低、安装调试方
便、并且运行可靠，为进行曲轴高强度、轻量化、低成本等设计提供了重要
的测试技术手段。
图5是根据本发明的另一种实施方式提供的测试曲轴所受到的应力的
系统的结构框图。如图5所示，所述系统还可以包括电池，例如图3中示出
的电池108，固定在所述曲轴本体101的曲柄臂107外表面的一面上，并与
应力传感器102及信号处理单元200电连接。电池108可以使用环氧树脂粘
贴在曲柄臂107外表面的一面上，且该电池使用高温抗震电池，方便为整个
系统供电。
优选情况下，如图6所示，所述信号处理单元200还可以包括信号调理
模块204，与所述信号转换模块201电连接，用于将来自所述信号转换模块
201的电信号进行放大滤波，并将放大滤波后的电信号输出到模数转换模块
202。
由于曲轴装置100在工作过程中会受到电磁干扰，以及来自其本身的影
响，信号调理模块204能够对信号转换模块201输出的电信号进行放大和滤
波，提高信噪比，并根据应力传感器102和曲轴所受到的应力的粗估值选定
合适的增益电阻值，使输出电压信号的范围在0.1V～2.4V。
由此，来自信号转换模块201的、表示曲轴所受到的应力的电信号经过
信号调理模块204的放大和滤波，得到满足模数转换模块202要求的信号，
供模数转换模块202使用。
图7是根据本发明的另一种实施方式提供的曲轴装置的局部的正视图。
如图7所示，优选情况下，所述信号处理单元200固定在所述曲轴本体101
的外表面上。这种安装方式方便其与曲轴装置100的连接，并方便获得应力
传感器102的输出信号。
优选情况下，所述系统还可以包括电池108，固定在所述曲轴本体101
的曲柄臂107的外表面的一面上，电池108与所述信号处理单元200电连
接，信号处理单元200的固定位置在曲轴本体101的曲柄臂107外表面的
另一面上，沿所述曲轴装置100的轴向与所述电池108的固定位置相对。
通过电池108与信号处理单元200之间的这种位置关系，能够使曲轴装置
100保持平衡，保证该测试曲轴所受到的应力的系统在工作过程中，不会受
到曲轴本体101自身的影响，使曲轴所受到的应力的测试结果更加准确。
优选情况下，所述信号转换模块201可以包括电桥，与所述曲轴装置100
中的应力传感器102电连接，用于根据所述应力传感器102的电阻得到电信
号。
由于本发明使用的应力传感器是电阻应变片，输出的是根据曲轴应变得
到的电阻，所以需要将电阻信号转换成标准电信号，例如电压信号和电流信
号。本发明使用的是电压信号，电桥可以使用并联分压的方法将电阻的变化
转换成电压的变化，从而实现信号转换模块201的功能，得到标准电信号。
虽然在此例举了一种将电阻变化转换成电信号来使用的实施方式，但是本发
明并不限于此，其他满足要求的转换方式也属于本发明。
考虑到曲轴特征点的应力应变的特点和曲轴装置100上空间小的情况，
在优选的实施方式中，所述电桥是直流单臂电桥或直流双臂电桥。使用直流
单臂电桥或直流双臂电桥既能满足信号转换模块201的需要，又能节省安装
空间。
优选情况下，所述电桥中的电阻为固定值电阻。由于信号处理单元200
安装在曲轴本体101上，当曲轴工作时，信号处理单元200会随之受到加速
度和振动的影响，所以整个电路都不宜采用可变电阻，所述电桥应由不同阻
值的固定值电阻通过串并联组成，以减少曲轴运动对本测试系统的影响。
图8是根据本发明的一种实施方式提供的存储模块的结构框图。如图8
所示，优选情况下，存储模块203可以包括：存储元件2031，用于存储曲轴
所受到的应力的数字信号；以及处理元件2032，与模数转换模块202连接，
用于将接收到的数字信号存储到存储元件2031中。
处理元件2032接收到模数转换模块202输出的数字信号后，将其存储
在存储元件2031中。将曲轴所受到的应力的测试数据，即曲轴所受到的应
力的数字信号存储在存储元件2031中，以备后续对曲轴所受到的应力的测
试数据的使用。
本发明中，处理元件2032可以例如是单片机，单片机可以接收模数转
换模块202的数字信号，并将其存储在存储元件2031中。虽然本发明提供
了处理元件2032的一种具体实施方式，但是应当理解的是，其他能够实现
该功能的处理元件也属于本发明。
另外，优选情况下，存储元件2031是可插拔的，例如，为USB存储芯
片、SD存储卡等。使用可插拔的存储元件进行存储，不仅方便用户的使用，
还可以将测试结果打包应用，快捷可靠。
综上所述，通过本发明的技术方案，可以实现曲轴所受到的应力的动态
测试。在发动机的工作过程中，能够简单可靠地实时测试曲轴所受到的应力，
为曲轴的设计、仿真计算和疲劳可靠性试验提供准确的应力数据值。此外，
所测得的曲轴所受到的应力数据值具有误差小、精度高的特点。整个系统制
造简单、成本低、安装调试方便并且运行可靠，为进行曲轴高强度、轻量化、
低成本等设计提供了重要的测试技术手段。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限
于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明
的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，
在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的
重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其
不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。