發(fā)動(dòng)機(jī)冷試測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

杜際山　耿貴乾

【摘 要】本文以國(guó)內(nèi)某合資企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠裝配線冷試設(shè)備為參考，介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)冷試測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用、組成及工作原理等，并對(duì)各組成部分進(jìn)行介紹。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；冷試；數(shù)據(jù)采集

0 引言

隨著人們生活水平的提高，中國(guó)汽車工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，汽車產(chǎn)銷量連創(chuàng)新高。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，如何低成本、高價(jià)值的生產(chǎn)出客戶滿意的產(chǎn)品成為汽車制造商需要解決的主要課題。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量一直是汽車廠家和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)十分重視的問(wèn)題。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的檢測(cè)方法主要是冷試和熱試兩種方法。相比于熱試，冷試技術(shù)測(cè)試精度高，測(cè)試時(shí)間短，成本低，污染少，資源消耗少，已成為國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)普遍認(rèn)可的新技術(shù)，并已成為發(fā)動(dòng)機(jī)在線運(yùn)轉(zhuǎn)檢測(cè)的主要探測(cè)方法[1]。

在這種形式的影響下，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷試測(cè)試設(shè)備作為終端在線檢測(cè)設(shè)備成為了各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在建造裝配線時(shí)的首要選擇。整機(jī)冷試不緊能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的缺陷，而且能夠找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因，從而提高出廠合格率，降低返修成本，大大提高返修效率和質(zhì)量。而如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷試測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性也成為了廠商不斷改進(jìn)的方向。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是冷試測(cè)試的信息輸入端，在整個(gè)冷試系統(tǒng)中具有重要作用，本文以國(guó)內(nèi)某合資企業(yè)的冷試測(cè)試設(shè)備為例，闡述了冷試測(cè)試設(shè)備中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及工作原理。

1 冷試設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集（DAQ），是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理[2]。冷試設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用是通過(guò)不同類型的傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下收集發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)信號(hào)，并將信號(hào)反饋至上位機(jī)。根據(jù)冷試工藝流程清單（BOP）中提及的有關(guān)冷試的典型周期要求[3]，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需在不同轉(zhuǎn)速情況下對(duì)如下信號(hào)進(jìn)行采集（如圖1）：

在500RPM時(shí)，對(duì)機(jī)油壓力、起動(dòng)扭矩、旋轉(zhuǎn)扭矩、凸輪軸/曲軸傳感器測(cè)試進(jìn)行監(jiān)控。如果機(jī)油壓力不正?；蚱饎?dòng)扭矩/旋轉(zhuǎn)扭矩太高，可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，所以測(cè)試不應(yīng)繼續(xù)下去；

在2000RPM時(shí)，對(duì)氣門機(jī)構(gòu)、噪聲震動(dòng)舒適性NVH、油壓試驗(yàn)和點(diǎn)火進(jìn)行測(cè)試；

在300RPM時(shí)，對(duì)進(jìn)氣、點(diǎn)火、磁阻分電器輪進(jìn)行測(cè)試；

在150RPM時(shí)，對(duì)扭矩、機(jī)油壓力、NVH和排氣壓力進(jìn)行測(cè)試。

因?yàn)槟承﹩?wèn)題只有在特定的速度范圍之內(nèi)才比較明顯，所以冷試測(cè)試工藝需要在不同的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下檢測(cè)各類信號(hào)，從整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試過(guò)程來(lái)看，測(cè)試設(shè)備需要采集的數(shù)據(jù)分為如下幾種：扭矩、油壓、進(jìn)/排氣壓力、點(diǎn)火電壓、NVH、曲軸位置信號(hào)、凸輪軸位置信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器信號(hào)、機(jī)油溫度等。

圖1 冷試典型周期工藝測(cè)試流程

2 冷試設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試測(cè)試系統(tǒng)是由下面的流程圖所示的部分組成的（如圖2）。測(cè)量電腦收集數(shù)據(jù)，PLC界面控制測(cè)試開(kāi)始。電子輸入輸出板用于獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的一個(gè)必要功能是多種信號(hào)放大器，點(diǎn)火電源的電壓動(dòng)力部分以及用于解碼多個(gè)觸發(fā)信號(hào)的轉(zhuǎn)接器。

圖2 冷試測(cè)試系統(tǒng)流程圖

Indramat驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制主軸電機(jī)，主軸電機(jī)的速度和相位角都由編碼器監(jiān)控。為了保證測(cè)量可以在不考慮旋轉(zhuǎn)速度的基礎(chǔ)上進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)編碼器輸出信號(hào)由轉(zhuǎn)接器板處理，傳送至A/D板。時(shí)鐘信號(hào)脈沖4096脈沖/轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)接板輸出。編碼器為驅(qū)動(dòng)提供數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)也從模擬輸出接受定點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC運(yùn)行信號(hào)。

3 冷試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成

3.1 點(diǎn)火線圈及點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器

點(diǎn)火線圈是一個(gè)類似于變壓器的結(jié)構(gòu)，有初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)繞組，通過(guò)給初級(jí)繞組通斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)次級(jí)繞組感應(yīng)出瞬間高壓從而擊穿火花塞。在點(diǎn)火測(cè)試中正是利用了點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組和次級(jí)繞組相互感應(yīng)這一特性進(jìn)行測(cè)試。對(duì)測(cè)試臺(tái)架而言，設(shè)備通過(guò)可編程點(diǎn)火電源提供充電電壓，通過(guò)上位機(jī)測(cè)試軟件控制點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)，再通過(guò)點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組電路的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火測(cè)試的充電及測(cè)試功能，而電路的切換則是通過(guò)點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器還具備高壓隔離和濾波的作用，點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器的接線方式如圖3所示，本案用到的驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)雙通道控制。

圖3 點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器接線方式

3.2 扭矩傳感器

本案中的扭矩傳感器使用的是HBM的T10F扭矩傳感器及MP60放大器。T10F扭矩傳感器可測(cè)量扭矩和轉(zhuǎn)速，是第一款扭矩法蘭，采用測(cè)量剪應(yīng)力替代扭矩應(yīng)力對(duì)扭矩進(jìn)行測(cè)量。T10F扭矩傳感器共3個(gè)接口，其中1號(hào)口用于顯示扭矩，2、3號(hào)口用于顯示轉(zhuǎn)速，T10F通過(guò)MP60將數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)調(diào)理模塊，再傳輸至上位機(jī)（如圖4）。

圖4 T10F扭矩傳感器及MP60放大器

3.3 壓力傳感器

壓力傳感器分為進(jìn)氣壓力傳感器、排氣壓力傳感器和油壓壓力傳感器，本案中進(jìn)氣壓力傳感器使用的是VIATRAN 245ACGX1371F，量程是±103Kpa，油壓和排氣使用的245AMGX1371C，量程是0-690Kpa。壓力傳感器共有7個(gè)針腳，其中A/B接傳感器電源，接24VDC；C/D接信號(hào)線，向信號(hào)調(diào)理模塊傳輸壓力值；E/F為自檢接口，給E/F接口通8-26VDC電壓時(shí)，傳感器反饋?zhàn)詸z信號(hào)。壓力傳感器輸出信號(hào)首先連接5B信號(hào)調(diào)理模塊，而后再連接到SCB100信號(hào)采集卡（其中油壓信號(hào)要同步傳輸給連續(xù)監(jiān)控卡），之后再傳輸至上位機(jī)，由軟件進(jìn)行處理。

3.4 NVH傳感器

本案中NVH傳感器使用的是PCB J352C34-50G加速度傳感器，該傳感器是一種壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器機(jī)電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)，其原理是某些晶體在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，他的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機(jī)械能到電能的變換稱為正壓電效應(yīng)[4]。本案共測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，上端缸蓋震動(dòng)測(cè)試、前端缸體震動(dòng)測(cè)試及后端缸體震動(dòng)測(cè)試。NVH傳感器的輸出信號(hào)首先連接至PCB試調(diào)儀而后在連接至SCB100信號(hào)采集卡及連續(xù)監(jiān)控卡，之后再傳輸至上位機(jī)，由軟件進(jìn)行處理。

3.5 曲軸位置傳感器

本案設(shè)備共涉及2種發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，其中B型發(fā)動(dòng)機(jī)使用外置的AI-TEK RH1512-005速度傳感器檢測(cè)飛輪齒圈，而C型發(fā)動(dòng)機(jī)則使用的是發(fā)動(dòng)自身零件進(jìn)行檢測(cè)，這兩種傳感器都是霍爾式曲軸位置傳感器，工作原理相同。為保證曲軸信號(hào)的完整準(zhǔn)確，傳感器與飛輪齒圈必須符合如下條件：（如圖5）

A：1（齒頂寬度）小于等于4（極片直徑）

B：2（齒高）大于等于3（齒間距）

C：3（齒間距）等于1.5-3倍的4（極片直徑）

D：5（間隙）會(huì)影響到傳感器反饋的電壓，間隙越小電壓也大（本案中的合格間距是0.8-1.5mm）

E：6（飛輪厚度）等于或大于4（極片直徑）

圖5 傳感器與齒圈配合關(guān)系

1.齒頂寬度；4.極片直徑（有效感應(yīng)直徑）

2.齒高；5.間隙（傳感器與齒頂面）

3.齒間距；6.飛輪厚度

3.6 凸輪軸位置傳感器

本案中的凸輪軸位置傳感器使用的都是發(fā)動(dòng)機(jī)零件，都是霍爾式凸輪軸位置傳感器，工作原理與曲軸位置傳感器相同。凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器的信號(hào)傳輸方式相同，先是經(jīng)由工藝線束傳輸至5B模塊，經(jīng)5B模塊濾波后在傳輸至SCB100信號(hào)采集板，之后再傳輸至上位機(jī)，有軟件進(jìn)行處理。

4 總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試設(shè)備作為最常用的整機(jī)終端質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，它的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到裝配線發(fā)動(dòng)機(jī)的最終輸出和整機(jī)質(zhì)量，是裝配線的關(guān)鍵設(shè)備之一。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是整個(gè)冷試測(cè)試系統(tǒng)的信息輸入點(diǎn)，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋可以有效的支持測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比與分析，提升問(wèn)題解決效率，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)出廠檢驗(yàn)合格率提供重要保障。

【參考文獻(xiàn)】

[1]佟立新.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的應(yīng)用研究[D].東北大學(xué)，2014.

[2]吳克剛，曹建明.發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)[M].人民交通出版社，2002-2.ISBN： 9787114041280.

[3]ATW冷試設(shè)備操作手冊(cè)介紹.

[4]厲彥忠.吳筱敏.熱能與動(dòng)力機(jī)械測(cè)試技術(shù)[M].西安交通大學(xué)出版社，2013. ISBN： 9787114041280.

[責(zé)任編輯：田吉捷]