上止點定位測量的意義與實現(xiàn)

萬雄偉，畢俊明，陳夫東，車桂美

（1.上海汽車商用車技術(shù)中心，上海200438；2.濟南柴油機股份有限公司，濟南250306）

上止點定位測量的意義與實現(xiàn)

萬雄偉1，畢俊明1，陳夫東2，車桂美2

（1.上海汽車商用車技術(shù)中心，上海200438；2.濟南柴油機股份有限公司，濟南250306）

發(fā)動機正時和氣門間隙調(diào)整對發(fā)動機的最佳輸出工況有著重要的影響。由發(fā)動機構(gòu)造原理可知，1缸上止點精確定位后才能進行發(fā)動機正時和氣門間隙的適當依次調(diào)整。本文試圖從發(fā)動機正時和氣門間隙調(diào)整的重要性來闡述上止點定位測量裝置應(yīng)用的重要意義，最后說明在發(fā)動機裝配過程中的具體實現(xiàn)。

上止點定位意義實現(xiàn)

1 前言

進入21世紀，環(huán)保與節(jié)能已是內(nèi)燃機發(fā)展面臨的兩大主要命題。在世界石油危機和發(fā)動機尾氣對環(huán)境污染日益嚴重的嚴峻形勢下，尋求降低排放和提高經(jīng)濟性的技術(shù)途徑將是內(nèi)燃機研究的主要任務(wù)。發(fā)動機正時有效保障曲軸運動傳遞的準確性，實現(xiàn)最佳的配氣正時和供油正時，達到理想的空燃比和低燃油消耗率。適當?shù)臍忾T間隙調(diào)整可以保證氣缸的進氣量及壓縮比的均勻性，提高發(fā)動機動力性能，減少機械磨損，降低油耗，獲得較好的排放性能[1]。然而，發(fā)動機正時和氣門間隙調(diào)整都取決于第1缸上止點的精確定位，因此精確定位第1缸上止點在發(fā)動機裝配中顯得至關(guān)重要。

濟南柴油機股份有限公司12V190系列柴油機在裝配過程中，原有的裝配工藝采用齒輪配對嚙合，目視飛輪刻度，利用百分表測量及人工盤車定位上止點[2]。在實際操作過程中，人為因素左右著上止點的定位精度。如：（1）飛輪上止點刻度線遠離機體指針，易形成目視誤差；（2）百分表在上止點正負1°范圍內(nèi)的遲滯現(xiàn)象形成的誤差；（3）人工盤車由于曲軸系統(tǒng)阻尼較大，客觀上造成了很難精確定位上止點的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，本課題組主要以大功率柴油機裝配為例，從實際操作的人體工程學出發(fā)，設(shè)計一套精確定位上止點的測量裝置，以期達到減輕一線工人勞動強度，縮短裝配、調(diào)整時間，降低人為因素造成的誤差，從而改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放指標的目的。

2 上止點定位測量裝置的設(shè)計思路[3]

上止點的誤差主要來自相關(guān)零部件的累積誤差。隨著機械制造技術(shù)和機加工水平的不斷提高，發(fā)動機大件、中小件的設(shè)計、制造工藝日臻完善，正時零部件的加工質(zhì)量得到了基本保證。因此，如果能保障上止點定位操作過程中的精度要求，發(fā)動機上止點的精確定位將可以實現(xiàn)。

對于12V190柴油機來說,曲軸軸系的盤車力矩在750～850 N·m之間，上止點前后3℃A轉(zhuǎn)角內(nèi)，活塞的升程范圍為0.146 mm，2℃A時為0.103 mm，1℃A時為0.016 mm，0.5℃A時為0.004 mm。也就是說在活塞圓弧頂部用百分表測量幾乎無法分辯，按經(jīng)驗調(diào)整只可做到±1℃A。但后面氣缸的氣門間隙調(diào)整一般都是以飛輪刻度的基準來調(diào)整的，且都以目視為主，這樣就造成了累計誤差及各缸氣缸的上止點差異，直接影響到各氣缸的進氣量及壓縮比的不均勻，造成動力性能的降低，或油耗的增加和排放惡化。

通過12V190柴油機裝配工藝可以看出，在上止點定位操作過程中，現(xiàn)有的測量工具本身精度不夠，以及采用人工盤車操作方式是造成難以實現(xiàn)上止點精確定位的關(guān)鍵因素。所以，很有必要提高此裝配過程的調(diào)整精度。

本文所研究的上止點測量裝置一方面可以實現(xiàn)更高精度的定位和測量，另一方面通過機械操作代替人工操作來消除人為因素造成的誤差。

3 上止點測量裝置的結(jié)構(gòu)特點和使用效果

上止點定位裝置是利用自帶編碼器的伺服電機盤車來驅(qū)動曲軸，通過上止點測量光柵反饋來精確定位第1缸的上止點。它主要由驅(qū)動單元、測量單元、控制單元3部分組成，參見圖1。

3.1 驅(qū)動單元

如前所述，由于12V190柴油機的盤車力矩在750～850 N·m之間，人工盤車的勞動強度很大，且普通的機械式盤車裝置的定位精度難以保證。在這里，專用的連接機構(gòu)用來連接曲軸端和伺服電機。目前伺服電機的應(yīng)用相當普及，采用軸端設(shè)定角位移直接伺服驅(qū)動，且利用旋轉(zhuǎn)編碼器反饋，使其角位移定位精度極高，通過高頻脈沖驅(qū)動和機械間隙消除技術(shù)可使曲軸的重復(fù)定位精度控制在±0.1℃A。

圖1 12V190柴油機上止點定位裝置

3.2 測量單元

上止點位置的測量可采用無接觸的激光、紅外線或超聲波等高精度位移測量手段，但在實際應(yīng)用中信號轉(zhuǎn)換頗為不便且價格昂貴。光柵傳感器雖然為有接觸測量，但因其易實現(xiàn)數(shù)字化，且具有精度高（目前分辨率最高的可達到納米級）、抗干擾能力強、無人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，只要將氣缸蓋拆除，解決觸頭的構(gòu)造和升程的無阻礙運行問題，不失為一種理想的選擇。仍以12V190柴油機為例，將光柵觸頭固定在第1缸活塞的上部，其運行在上止點附近對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角/活塞升程值如表1所示。

表1 曲軸轉(zhuǎn)角/活塞升程值對應(yīng)表

在實際應(yīng)用中，選用一般精度的光柵就能達到±0.2°的輸出精度。

3.3 控制單元

應(yīng)用PLC的運算及控制模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)的基本運行。無論是旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機和光柵傳感器，都是應(yīng)用數(shù)字轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)輸入、輸出轉(zhuǎn)化，最大程度確保了信號失真度和人為讀數(shù)誤差對控制精度的影響。通過運算上止點前后升、降程的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字模型分析很容易通過機械裝置找到上止點圓弧的對稱中心。也就是該裝置通過一般精度的硬件配合選擇即可精確定位上止點，具備很好推廣的實用價值。同理，根據(jù)12V190柴油機的發(fā)火順序，輸入60℃A、120℃A等曲軸轉(zhuǎn)角，可精確定位其它各缸的壓縮行程上止點，依次進行各缸氣門間隙調(diào)整。

由驅(qū)動單元、測量單元、控制單元組成的上止點測量裝置原理圖參見圖2。

圖2 上止點定位測量裝置原理圖

3.4 使用效果

（1）曲軸重復(fù)定位精度高

使用伺服電機和光柵測量后，曲軸重復(fù)定位精度達到了±0.2℃A，而根據(jù)以往經(jīng)驗人工盤車只可以實現(xiàn)±1℃A。

（2）工人勞動強度降低，裝配時間縮短

伺服電機盤車代替了人工盤車，工人勞動強度大大降低。原裝配工藝過程中，上止點定位測量工序約需12 min（整機裝配時間約80 min，按6臺/8 h計算）或者更長，現(xiàn)在約需10 min，該工序生產(chǎn)率提高約17%。

（3）保證柴油機的燃油經(jīng)濟性和排放

上止點定位裝置在發(fā)動機正時和氣門間隙調(diào)整過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它通過曲軸、凸輪軸運動的準確傳遞而實現(xiàn)配氣正時和供油正時，從而獲得較低的燃油消耗率和降低排放污染。實踐證明，通過上止點定位測量調(diào)整的12V190柴油機在臺架性能試驗中獲得的燃油耗率可低于200 g/(kW·h)，油耗率約降低1.5%，排氣煙度降低約2%，見圖3。

圖3 12V190柴油機負荷特性

4 結(jié)束語

事實表明，上止點定位測量裝置在中大型柴油機裝配過程中能有效減輕工人的勞動強度，縮短裝配、調(diào)整時間，降低人為因素造成的誤差，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。然而，受原有裝配工藝和多數(shù)產(chǎn)業(yè)工人技術(shù)素質(zhì)以及工人生產(chǎn)習慣諸多因素的制約，上止點定位測量裝置的實際應(yīng)用還不是十分廣泛。相信隨著裝配工藝的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)工人綜合素質(zhì)的逐步提高以及操作技術(shù)規(guī)程的進一步完善，上止點定位測量裝置在中大型柴油機裝配線上的應(yīng)用將會相當普及。

1蔣德明．內(nèi)燃機原理（第2版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1988．

2濟南柴油機股份有限公司．190系列柴油機使用維護手冊．

3曹柱中，徐薇莉．自動控制理論與設(shè)計（修訂版）[M]．上海：上海交通大學出版社，1995．

Significance and Realization of Location Metering of Top Dead Center

Wan Xiongwei1,Bi Junming1,Chen Fudong2,Che Guimei2
（1.Saic Motor Commercial Vehicle Technology Center,Shanghai 200438,China; 2.Jinan Diesel Engines Co.,Ltd.,Ji'nan 250306,China）

Abstract:Engine timing and the valve clearance adjustment has an important influence on engine best output operating mode.It is known from engine structure principle,the precise engine timing and the appropriate valve clearance adjustment is decided by the top dead center of first cylinder on compression stroke.The significance is elaborated of application of a metering device that can precisely locate the top dead center of first cylinder on compression stroke from the reference of engine timing and valve clearance adjustment.The application of the device in an engine assembly is presented finally.

top dead center,location,significance,realization

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.010

來稿日期：2013-04-16

萬雄偉（1976-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機制造、裝配和試驗技術(shù)。