電裝Ne傳感器在機(jī)體上的布置及應(yīng)用

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

電裝Ne傳感器在機(jī)體上的布置及應(yīng)用

楊春苗，孫 寧，楊高平

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

通過分析目前Ne傳感器置于飛輪殼內(nèi)部的弊端，提出了開發(fā)將Ne傳感器置于機(jī)體內(nèi)部的要求。通過方案設(shè)計(jì)分析，和一些列試驗(yàn)驗(yàn)證，完成了開發(fā)目標(biāo)。

Ne傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)盤曲軸機(jī)體

1 前言

傳感器是指能感受規(guī)定的物理量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。簡(jiǎn)單地說(shuō)，是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置[1]。Ne傳感器就是曲軸位置傳感器，用于檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角和輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。對(duì)于電裝系統(tǒng)，曲軸位置傳感器可以安裝在靠近曲軸正時(shí)齒輪或飛輪的位置。傳感器單元是電磁感應(yīng)型（MPU）。當(dāng)曲軸上安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)通過傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)線圈的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電壓。電壓可與檢測(cè)信號(hào)一樣由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器檢測(cè)到。

2 現(xiàn)狀

114電控發(fā)動(dòng)機(jī)的初始設(shè)計(jì)是為車用發(fā)動(dòng)機(jī)考慮，基于電裝系統(tǒng)，將Ne傳感器安裝在飛輪殼上，在飛輪上對(duì)應(yīng)的位置打了（60－4）個(gè)信號(hào)孔，缺的4個(gè)孔用于判缸，作為Ne傳感器的信號(hào)源。這種安裝方法應(yīng)用較為普遍，因?yàn)槠洳贾迷谇S靠近變速箱一側(cè)，有利于減少振動(dòng)，提高傳感器的可靠性。

隨著電控發(fā)動(dòng)機(jī)在工程機(jī)械領(lǐng)域配套工作的展開，發(fā)現(xiàn)在推土機(jī)、壓路機(jī)配套應(yīng)用中，由于其普遍采用分動(dòng)箱結(jié)構(gòu)（特別是推土機(jī)，分動(dòng)箱一般為推土機(jī)廠家自制），Ne傳感器的布置遇到一定的困難。另外，由于工程機(jī)械采用的飛輪飛輪殼種類繁多，如果將Ne傳感器裝在飛輪殼上，會(huì)造成較多專用件，大大增加發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的管理成本?，F(xiàn)有方案將Ne傳感器放在飛輪殼上，由于在使用過程中，飛輪與離合器摩擦的鐵屑會(huì)被傳感器吸附，造成傳感器有一定的故障率。

基于以上現(xiàn)狀，如將曲軸位置傳感器安裝在靠近曲軸前端的正時(shí)齒輪上，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的更改，由于此更改是在成熟機(jī)型上進(jìn)行，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品配套和市場(chǎng)上的產(chǎn)品影響太大，故不考慮實(shí)施。根據(jù)以上原因，提出了另一種方案，在新開發(fā)柴油機(jī)上采用，將傳感器置于機(jī)體上，在曲軸上安裝信號(hào)盤。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：（1）機(jī)體和曲軸在一個(gè)成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)中屬于基本件，變形配套種類少，更改零件數(shù)量少；（2）此零件屬于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件，對(duì)主機(jī)廠沒有任何影響，更適合于集成發(fā)動(dòng)機(jī)的基本功能，有利于配套競(jìng)爭(zhēng)力。本文對(duì)該方案進(jìn)行了相關(guān)零件設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 方案布置以及分析

設(shè)計(jì)方案涉及到的零件有機(jī)體、曲軸、信號(hào)盤、傳感器等?？傮w位置布置時(shí)，將在轉(zhuǎn)速傳感器安置在第6缸曲拐的曲柄臂處，接近飛輪位置，以保持原先布置在飛輪處的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，見圖1。

圖1 總體方案

3.1 機(jī)體與曲軸的設(shè)計(jì)更改

機(jī)體更改涉及到模具修改，以及機(jī)加工增加銑孔，用于安裝轉(zhuǎn)速傳感器，屬于廠內(nèi)自制件易于實(shí)現(xiàn)，見圖2。相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大。

圖2 機(jī)體改進(jìn)設(shè)計(jì)

曲軸上粗精車止口用于安裝信號(hào)盤以及車傳感器避讓槽。從三維可以看出，曲柄臂被削弱，相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度有所減?。ㄈ鐖D3所示），故應(yīng)考慮零件強(qiáng)度的驗(yàn)證。

圖3 曲軸改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.2 曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤布置

曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤設(shè)計(jì)，為了節(jié)省空間，將信號(hào)孔更改為信號(hào)齒設(shè)計(jì)，軸向尺寸縮短，基本邏輯參照原先飛輪設(shè)計(jì)（電裝要求），受限于空間布置大小，曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤的大小更改為原飛輪大小一半以下。考慮到平衡，信號(hào)盤與螺栓組合考慮平衡設(shè)計(jì)，曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤與曲軸連接是通過止口和銷孔定位，螺栓緊固連接，開模沖壓加工，見圖4。

圖4 曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤

面向風(fēng)扇端方向：第1缸活塞上止點(diǎn)時(shí)，Ne傳感器需要對(duì)準(zhǔn)自缺口起的第10個(gè)缺孔，傳感器與信號(hào)盤的相對(duì)位置如圖5所示。由于曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤較原安裝在飛輪上的尺寸減少較多，因此其產(chǎn)生的信號(hào)能否滿足ECU的要求還需要作進(jìn)一步的確認(rèn)與驗(yàn)證。

圖5 曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤

3.3 Ne傳感器位置更改

原先Ne傳感器安裝在飛輪殼內(nèi)部，屬于空氣流動(dòng)環(huán)境，現(xiàn)在更改為機(jī)體內(nèi)部，此處為高溫油氣環(huán)境，見圖6。在這種環(huán)境下，傳感器要保持信號(hào)不失真，并能穩(wěn)定可靠工作，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。曲軸和信號(hào)盤是外購(gòu)件，在公司內(nèi)部組裝，信號(hào)盤與曲軸組合的動(dòng)平衡問題也需要重點(diǎn)考慮。

圖6 Ne轉(zhuǎn)速傳感器

4 方案驗(yàn)證

4.1 曲軸疲勞強(qiáng)度校核實(shí)驗(yàn)

曲軸疲勞實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)方法按照QC/T637-2000《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)方法》），該曲軸材料為S38MnSiV，軸頸及圓角采用淬火強(qiáng)化工藝，從一根曲軸中截取強(qiáng)度最弱的第6個(gè)曲拐作為疲勞試樣，試樣簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 曲軸試樣簡(jiǎn)圖

曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)在PDC-1型電動(dòng)諧振式疲勞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，載荷為對(duì)稱的正弦波。試驗(yàn)前對(duì)系統(tǒng)的載荷進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定后在加載范圍內(nèi)，彎矩的相對(duì)誤差不大于3%。用通過式測(cè)定試件的彎曲疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)的循環(huán)基數(shù)為107次，定義系統(tǒng)的共振頻率下降率1%為試件失效，相應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度為20 mm左右。

當(dāng)最大爆發(fā)壓力為16 MPa時(shí)，計(jì)算得到D9柴油機(jī)曲軸名義工作彎矩為1 988 N·m。該曲軸通過了彎矩為3 488 N·m的彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，安全系數(shù)3488/1988＝1.75。

4.2 曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)

試驗(yàn)裝置利用一臺(tái)機(jī)床改裝而成，將信號(hào)盤裝在機(jī)床卡盤上，傳感器裝在刀具架上，用以模擬曲軸旋轉(zhuǎn)和信號(hào)盤產(chǎn)生的信號(hào)，利用示波器讀取信號(hào)，見圖8。由于曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤相對(duì)飛輪信號(hào)孔的軸向尺寸和徑向尺寸變小，由傳感器原理可知，影響傳感器最大因素是低速時(shí)的電壓值。通過試驗(yàn)?zāi)M低速狀況下的兩種徑向間隙，測(cè)量Ne傳感器兩端電壓是否滿足要求。試驗(yàn)表明，曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤縮小后，仍可以滿足傳感器信號(hào)讀取要求，可以用于正式產(chǎn)品之上。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖8 信號(hào)盤檢測(cè)試驗(yàn)裝置

表1 信號(hào)盤測(cè)試結(jié)果

4.3 曲軸與信號(hào)盤動(dòng)平衡試驗(yàn)

隨機(jī)選取3根曲軸，為了評(píng)介信號(hào)盤尺寸對(duì)傳感器讀取數(shù)據(jù)的影響程度，制作了3種大小的信號(hào)盤，分別安裝在曲軸上，在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，見圖9。（1）首先測(cè)量光軸的不平衡量及其位置；（2）測(cè)量各軸分別加上不同的信號(hào)盤之后的不平衡量及其位置。測(cè)試結(jié)果表明，安裝信號(hào)盤前后曲軸動(dòng)平衡均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 曲軸動(dòng)平衡試驗(yàn)

4.4 傳感器耐油性分析

從圖10可以看出，若油氣流到機(jī)體外部需要通過外部O型圈，若發(fā)動(dòng)機(jī)中的油霧會(huì)進(jìn)入傳感器內(nèi)部線圈電路，引起傳感器故障，必須通過以上內(nèi)部O型圈，為此驗(yàn)證O型圈的耐油性即可判斷，試驗(yàn)中拆除其中一個(gè)傳感器，經(jīng)過紅外光譜分析得知，外部O型圈為氟橡膠，耐油性較好，內(nèi)部O型圈為硅橡膠，耐油性較差、屬于滿足原先的空氣環(huán)境。后續(xù)傳感器內(nèi)部O型圈也更改為耐油性好的氟橡膠材料的O型圈。

4.5 整機(jī)耐久試驗(yàn)

根據(jù)上述分析，將上述相應(yīng)零件設(shè)計(jì)、制造出來(lái)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了500 h耐久臺(tái)架考核，發(fā)動(dòng)機(jī)各種性能指標(biāo)全部正常，耐久后信號(hào)盤連接可靠，主軸頸和連桿軸頸磨損正常，曲軸探傷無(wú)裂紋，全部零件通過考核，見圖11。

圖10 Ne傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖11 耐久試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)及零件照片

5 結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了電裝系統(tǒng)電控發(fā)動(dòng)機(jī)的Ne傳感器放置在機(jī)體內(nèi)部的可行性，為電裝系統(tǒng)柴油機(jī)開發(fā)的Ne傳感器布置提供了良好的借鑒經(jīng)驗(yàn)，也為公司獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

The Application of the Denso Ne Sensor Fixed in the Cylinder Block

Yang Chunmiao,Sun Ning,Yang Gaoping
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Based on the analysis of the internal defects in current Ne sensor which fixed on flywheel shell,Proposed to the development that the Ne sensor installed inside the cylinder block;By analyzing the scheme design,and a series of experiments,Completed the development goals.

Ne sensor,speed signal panel,crankshaft,block

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.009

來(lái)稿日期：2016-11-02

楊春苗（1983-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)。