汽車發(fā)動機(jī)輸出軸扭矩傳感器及采集系統(tǒng)研制

(東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

前言

目前，傳感器的應(yīng)用種類較多，其中最明顯的表現(xiàn)就是各種傳感器在汽車上的應(yīng)用[1],如曲軸位置傳感器、空氣流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等等，為監(jiān)測發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)提供了諸多手段[2]。

汽車發(fā)動機(jī)輸出軸的扭矩作為汽車重要的動力參數(shù)，對其進(jìn)行實(shí)時檢測不僅能對發(fā)動機(jī)的實(shí)時工作狀態(tài)有一個清晰的了解，而且對檢測到的扭矩信息進(jìn)行分析，再配合計(jì)算機(jī)和相關(guān)程序，可以對汽車節(jié)能和動力系統(tǒng)的優(yōu)化等方面做出一定的貢獻(xiàn)。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種新型扭矩傳感器，以滿足實(shí)時監(jiān)測發(fā)動機(jī)輸出軸扭矩等方面的需求。

一、發(fā)動機(jī)扭矩傳感器的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的扭矩傳感器用于汽車發(fā)動機(jī)輸出軸的扭矩檢測，要解決的主要問題是對輸出軸扭矩的動態(tài)檢測。通常，家用轎車的輸出軸扭矩一般為200Nm左右，本文以大眾EA211發(fā)動機(jī)1.2TSI為設(shè)計(jì)對象，最大馬力105Ps,最大功率77Kw，最大扭矩175Nm，最大扭矩轉(zhuǎn)速1500Rpm。

考慮到汽車發(fā)動機(jī)的實(shí)際工況，可能遇到過載狀況，所以將受扭軸的直徑適當(dāng)取大，取其直徑為d=50mm。

對發(fā)動機(jī)輸出軸扭矩進(jìn)行測量是一個動態(tài)的過程，傳感器受扭件與發(fā)動機(jī)曲軸后端直接相連，隨發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。金屬應(yīng)變片隨傳感器受扭件而轉(zhuǎn)動時，與金屬應(yīng)變片直接相連的導(dǎo)線也會隨軸的轉(zhuǎn)動而發(fā)生轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)接頭是一個將轉(zhuǎn)動受扭件上發(fā)出的電信號與固定測量電路裝置直接連接的專用部件。旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：

圖1-1 傳感器旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)

二、應(yīng)變電路的設(shè)計(jì)

對于傳感器受扭件來說，在汽車發(fā)動機(jī)正常工況下，由受扭件扭矩所引起的受扭件應(yīng)變很小，并且根據(jù)應(yīng)變計(jì)變量輸出電阻測量的阻力而產(chǎn)生的小應(yīng)變的需要，所以需要設(shè)計(jì)一個專門用于扭矩測量的電路[3]。

圖2-1 全橋差動電路

根據(jù)被測件的受力情況，若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，使兩個應(yīng)變片受拉，另外兩個受壓，則應(yīng)變符號相反。將兩個應(yīng)變符號相同的應(yīng)變片接入相對臂上，則構(gòu)成全橋差動電路，如圖2-1所示，如果滿足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，則輸出電壓為

(2-1)

KV=E

(2-2)

由此可以推算，全橋差動電路的電壓靈敏度比用單片提高了四倍，比半橋差動電路提高了一倍。因此，本次設(shè)計(jì)采用全橋差動電路。

三、系統(tǒng)采集試驗(yàn)

在進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時，首先要對傳感器受扭件進(jìn)行固定。其次在對傳感器固定完成后，需要用專用工具對傳感器受扭件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的輸入。因此，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備主要包括兩部分，一是工裝實(shí)驗(yàn)臺架，二是加載杠桿。

采集系統(tǒng)顯示的扭矩值與加載的質(zhì)量具有很好的正比例關(guān)系，但是在使用時必須根據(jù)實(shí)際情況對采集系統(tǒng)內(nèi)的校正系數(shù)進(jìn)行選擇，不同的傳感器其校正系數(shù)不同，本文設(shè)計(jì)的傳感器通過這次實(shí)驗(yàn)得出其校正系數(shù)為0.433。數(shù)據(jù)的曲線如圖3-1所示，采集時的實(shí)時曲線如圖3-2所示。

圖3-1 采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線

圖3-2 采集系統(tǒng)顯示窗口

四、結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的汽車發(fā)動機(jī)輸出軸扭矩傳感器及其采集系統(tǒng)，是在參考大量的文獻(xiàn)和總結(jié)國內(nèi)外的研究成果的基礎(chǔ)上，對扭矩傳感器測量的應(yīng)變原理進(jìn)行了分析后得出的，并從研制汽車發(fā)動機(jī)輸出軸扭矩傳感器的原理上證明其可行性。本文的扭矩傳感器是基于應(yīng)變片的使用進(jìn)行研制的，應(yīng)變片組橋?qū)鞲衅鞯臏y量結(jié)果有很大的影響，所做的工作包括對電橋橋路進(jìn)行分析和選擇、對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)以及對采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等。通過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)相關(guān)參數(shù)，對傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示采集系統(tǒng)符合使用條件，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。分析的結(jié)果表明，研制的扭矩傳感器滿足使用條件并且具有較高的精度。

[1]余黎煌.現(xiàn)代汽車傳感器的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].科技信息.2010,(32):526-527.

[2]李俄收,吳文民.汽車傳感器應(yīng)用綜述[J].汽車電器.2008,(5):1-5.

[3]孫建明，楊清梅.傳感器技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:40-45.