劉贊民

（成都天興儀表股份有限公司技術(shù)中心，四川 成都 610106）

1 動磁式機芯儀表概述

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，大量的新技術(shù)被應(yīng)用于汽車上。汽車組合儀表已由機械式、電氣式向全電子式儀表轉(zhuǎn)換，并最終使用全液晶屏顯示的儀表。從目前的使用情況看，由于價格因素，仍有部分儀表采用電氣式或電子式和動磁式混合的機芯結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)的儀表中，除車速里程表可能采用電子式的步進(jìn)電機式機芯，而轉(zhuǎn)速表、油量表和水溫表則采用動磁式機芯。采用動磁式機芯制作的油量表，按日本標(biāo)準(zhǔn)和我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅要求控制E點、F點和1／2點，并且指示公差允許達(dá)到儀表刻度全弧長的±8%［1－2］。

按上述標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)儀表總張角是80°，則各點的指示誤差應(yīng)為±6.8°。另外，在這些標(biāo)準(zhǔn)中并未對儀表規(guī)定回差要求，這樣在儀表生產(chǎn)時，就可以根據(jù)用戶的驗收要求，采用單向調(diào)試的方法檢測儀表精度。目前油量表的技術(shù)要求中有這么一條：以E點為基準(zhǔn)，然后按F→1／2→E的順序調(diào)試。按這一要求，油量表就不用考慮回差，只需在設(shè)計時保證按技術(shù)要求驗收合格就可以了。

而隨著步進(jìn)電機的廣泛使用，用戶針對動磁式機芯也提出了更高的要求。步進(jìn)電機工作時，由單片機程序給電機每加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得儀表精度大大提高［3］。步進(jìn)電機每接到一個脈沖信號，針軸轉(zhuǎn)動0.045°， 因此它的理論精度可以達(dá)到0.045°。去除齒隙回程誤差，機芯精度可以達(dá)到2°以內(nèi)。另外步進(jìn)電機也可以通過程序修正的方式以減小誤差。

步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)的儀表可以控制5～6個點的精度（空油位E、 滿油位F、 3／4點、 中點1／2、 1／4點和報警點），并且每個點的指示誤差為±2.5°。由于兩種結(jié)構(gòu)同時存在，用戶要求動磁式機芯結(jié)構(gòu)的油量表也可以控制E、 1／4、 1／2、 3／4和F點， 并要求1／4、1／2、 3／4三點的回差控制在±3°。 由于輸入的油位傳感器信號與由機芯線圈產(chǎn)生的磁場力不是一一對應(yīng)的線性關(guān)系，既要保證各點的精度，又要求回差也符合要求，這個難度是相當(dāng)大的。但如果動磁式機芯不能有效減小回差，就會失去市場，因此，如何減小回差是我們必須解決的課題。

在機器人、伺服系統(tǒng)等需要精密傳動的機構(gòu)中，回差是指輸入軸反向轉(zhuǎn)動時，輸出軸在運動上滯后于輸入軸的現(xiàn)象，也稱 “回程間隙”［4］。而在儀表中，回差指相同的輸入信號量，從量程始點至該值與由量程終點減至該值時表的讀數(shù)之差，也稱“返回差”。

為了更好地解釋回差，在此通過圖示進(jìn)行說明。指針從空油位走向中點的示意圖如圖1所示，指針從滿油位走向中點的示意圖如圖2所示。圖1和圖2中的 “E”、 “1／2點” 和 “F” 分別代表該處對應(yīng)的刻度是：空油位 （量程始點）、1／2油位和滿油位（量程終點），箭頭方向表示儀表指針的運動方向。假設(shè)油量表在1／2油位時的輸入信號阻值是θ Ω。圖1表示指針在空油位 （E點）狀態(tài)下，儀表輸入θ Ω阻值時指示的位置，這時指針到中點還差α°角，即從量程始點計量，指針走了a1°角。圖2表示指針在滿油位 （F點）狀態(tài)下，儀表輸入θ Ω阻值時指示的位置，這時指針到中點還差β°角，即從量程始點計量，指針走了a2°角。這時儀表的回差就等于a2-a1的差值（也等于α+β）。

2 動磁式機芯結(jié)構(gòu)

動磁式機芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3中看出，整個機芯的構(gòu)架是上、下骨架，在骨架的內(nèi)部是針軸部件、鋼珠和阻尼油，鋼珠與針軸部件底部的針軸接觸，起到支承針軸的作用（相當(dāng)于機芯的下軸承）。針軸部件上端通過針軸與上骨架的口部接觸 （相當(dāng)于機芯的上軸承）。機芯的外部繞有交叉的線圈 （十字線圈）。線圈繞完后，在機芯上焊接2個電阻。圖3中標(biāo)有A、B、C和D四個點，與圖4所示的動磁式機芯電氣原理圖中各點相對應(yīng)。電阻R1、R2也與圖4中的電阻相對應(yīng)。圖3中標(biāo)有雙箭頭和E、F字母，表示機芯的針軸可以正反方向運動。

圖5是將機芯裝上刻度盤和指針后的油量表組件圖，其中的B、C和D點與圖3中的各點相對應(yīng)。

3 動磁式儀表工作原理

以油量表為例，說明動磁式機芯的工作原理。油量表的動磁式機芯電氣原理圖如圖4所示，S代表信號輸入端，直接與機芯上B端連接，外接傳感器阻值信號。

圖4中RL1代表最內(nèi)層兩匝電阻，用N1和N2表示；RL2代表外層兩匝電阻，用N3和N4表示。其中N1和N3繞線方向相反，N2和N4繞線方向相反 （圖6），繞線按N1→N2→N3→N4的順序進(jìn)行。當(dāng)機芯接通電源，并輸入不同的阻值信號，在線圈中將產(chǎn)生不同方向的合磁場。圖7表示儀表分別輸入E、1／2和F三點的阻值信號時對應(yīng)的磁場力方向，通過線圈的磁場驅(qū)動針軸部件中的磁石轉(zhuǎn)動，并帶動指針轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)儀表的指示功能。

4 儀表指示精度檢測方法

先將標(biāo)度盤和指針裝在動磁式機芯上，然后按圖4所示電路接入13.5V直流電源，再接入相應(yīng)傳感器阻值信號。儀表輸入不同的阻值信號，指針就指示在不同位置，記錄下各給定信號與指針對應(yīng)點的位置偏差，就得到某一點的指示精度。如果要檢測某一點的回差，還應(yīng)記錄指針從另一方向到達(dá)該點時的示值偏差。

5 影響動磁式儀表精度的因素

用戶總是希望儀表精度越高越好，但實際上任何儀表都存在一定的誤差，尤其是動磁式儀表，其誤差比步進(jìn)電機式儀表要大。影響動磁式儀表精度的因素包括：阻尼油的加入量和濃度，上骨架口部軸孔的精度，下骨架處支承的結(jié)構(gòu)，針軸的表面粗糙度，磁石的剩磁強度，磁石圓周面充磁對稱性，針軸部件的的端跳、徑跳，銅線的電阻率，外接電阻的精度，指針部件的平衡性和屏蔽罩的材料等?，F(xiàn)對以上影響因素進(jìn)行逐一分析，說明各要素對其產(chǎn)生的影響。

5.1 阻尼油的加入量和濃度

阻尼油的濃度越濃，加入量越多，儀表移動克服的阻力越大，因此儀表產(chǎn)生的回差越大。而阻尼油的濃度越稀，在運輸過程中產(chǎn)生的阻尼油泄漏現(xiàn)象越嚴(yán)重。根據(jù)對退貨及三包件的分析，我們已不采用降低阻尼油濃度提高儀表精度的方法。

5.2 上骨架口部軸孔精度

上骨架口部起著機芯定位的作用，相當(dāng)于軸承的一個支點。因此表面必須光潔，不允許有任何毛刺。

5.3 下骨架處支承的結(jié)構(gòu)

最初下支承處指針和針軸部件的力直接由下骨架的孔底承擔(dān)，由于指針和針軸部件自身質(zhì)量較大，且在工作時還受到?jīng)_力，將導(dǎo)致下骨架的尼龍材料發(fā)生變形，影響儀表精度，故現(xiàn)在的儀表全部采用鋼球做為支承。鋼與鋼有潤滑時的摩擦系數(shù)是0.05～0.10， 而鋼與尼龍在有潤滑時的摩擦系數(shù)是0.023［5］， 因此高精度儀表必須使用鋼球結(jié)構(gòu)的支承。鋼球在此起到軸承的支承作用，同時，由于針軸部件的質(zhì)量全部集中在此處，因此鋼球精度等級一定要高。

5.4 針軸的表面品質(zhì)

針軸表面粗糙度越小，與其配合產(chǎn)生的摩擦力越少，因此對儀表的回差影響越小。作為動磁式機芯用的針軸，要求其表面粗糙度達(dá)到或接近鏡面，因此材料的選擇非常重要。一般選擇高碳銀亮鋼絲Y75，這便于保證零件的外形尺寸和精度，易于加工，同時在熱處理后有較好的沖擊韌度。

5.5 磁石的剩磁強度

磁石的剩磁強度越大，理論上克服阻力的能力越強，但剩磁強度大也將帶來成本的大幅上升，因為磁石材料以稀土為主。經(jīng)實際分析，剩磁強度在80～120mT較好。

5.6 磁石圓周面充磁對稱性

磁石采用二極充磁，如果充磁不對稱，磁場在機芯中產(chǎn)生不對稱作用力，必將影響儀表的精度。

5.7 針軸部件的端跳、徑跳

針軸部件的端跳、徑跳將導(dǎo)致機芯的動磁體重心不居中，也將影響儀表的精度。

5.8 銅線的電阻率

銅線的電阻率不能控制在一個良好的范圍內(nèi)，由于機芯的線圈匝數(shù)一般在2 000匝左右，而φ0.1的銅導(dǎo)線每匝的平均電阻率為0.14Ω，如果每匝誤差為±5%， 2 000匝時的誤差為2 000×0.14×10%=28 Ω，這個誤差相當(dāng)于油量表中點與F點的輸入電阻之差！由于銅線的加工工藝限制，目前提高銅線的品質(zhì)存在困難。

5.9 外接電阻的精度

從圖4可以看出，外接電阻有2個，R1為限流電阻，R2為限壓電阻，它們的精度變化直接影響各層線圈的電流，進(jìn)而影響機芯的磁場，最終影響儀表的指示精度。

5.10 指針部件的平衡性

由于汽車儀表裝車后標(biāo)度盤與水平面成一定角度，并且車輛行駛中針軸受到振動，因此指針部件的平衡性好壞直接影響到儀表的指示精度。

5.11 屏蔽罩的材料

屏蔽罩是通過軟磁材料的磁屏蔽作用，用以阻擋外界磁場的干擾。軟磁材料 （soft magnetic materia1）是具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料。特點是不易磁化，也不易失磁，磁滯回線較寬。

其工作原理為：當(dāng)磁感線從空氣進(jìn)入軟磁材料時，磁感線對法線的偏離很大，因此強烈地收縮。磁屏蔽示意圖如圖8所示。圖8中A為一磁導(dǎo)率很大的軟磁材料（如純鐵、低碳鋼或坡莫合金）做成的罩，放在外磁場中。由于罩殼磁導(dǎo)率μ比空氣磁導(dǎo)率μ0大得多，所以絕大部分磁場線從罩殼的壁內(nèi)通過，而罩殼內(nèi)的空腔中，磁感線是很少的。這就達(dá)到了磁屏蔽的目的。

屏蔽罩常用的材料有低碳鋼、純鐵和坡莫合金。低碳鋼成本低，加工性能好，能滿足一般要求的動磁式機芯的要求。純鐵具有高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力，無磁時效，屏蔽性能好，屏蔽系數(shù)比低碳鋼好2倍。坡莫合金的磁導(dǎo)率是硅鋼的10～20倍，而磁滯損失極?。?］，是制作屏蔽罩的理想材料，但其價格是低碳鋼或純鐵的4～5倍。

6 改善動磁式機芯精度的措施

動磁式機芯成本低，在目前的汽車儀表中仍占有相當(dāng)大的市場。為滿足用戶的要求，必須作出對策。根據(jù)上文提出的各影響因素，我們排除了影響較小或暫時無法實現(xiàn)的因素 （阻尼油的濃度、下骨架處支承的結(jié)構(gòu)、磁石的剩磁強度、針軸的表面粗糙度、銅線的電阻率），對影響較大的因素進(jìn)行有針對性的分析。以下是我們采取的措施。

1）上骨架注塑成型后進(jìn)行整形處理，以提高孔部的圓度和粗糙度。

2）控制針軸部件中磁石表面的端跳、徑跳，讓其波動在一個合理的范圍，可極大地改善機芯的平衡性。原有針軸部件端跳、徑跳是0.15，現(xiàn)提高到0.1。

3）減小指針的不平衡量。指針的不平衡量≤0.2 g·mm時，儀表在工作時指針精度不受指針的影響，因此，必須將指針的不平衡量控制在0.2 g·mm以內(nèi)。經(jīng)試驗，這一方案對儀表精度有較大影響，但對回差影響不明顯。

4）選擇屏蔽罩的材料。我們分別用3種不同的軟磁材料：純鐵DT4E、低碳鋼ST12和坡莫合金1J79進(jìn)行試驗。

先使用的是純鐵帶DT4E（t0.3），在其他條件不變的情況下，純鐵帶材料制作的屏蔽罩對指針精度的影響如表1所示。從表1看出，1／4點和1／2點部分回差達(dá)到10°，不能滿足要求。

表1 純鐵屏蔽罩對精度的影響 （°）

接著，我們又換成低碳鋼材料ST12（t0.5），在其他條件不變的情況下，ST12鐵帶材料制作的屏蔽罩對指針精度的影響如表2所示。從表2看出，1／4點和1／2點部分回差達(dá)到6°，不能滿足要求。

表2 低碳鋼屏蔽罩對精度的影響 （°）

最后，我們將材料改為1J79（t0.5），在其他條件不變的情況下，1J79制作的屏蔽罩對指針精度的影響如表3所示。從表3看出，1／4點和1／2點回差都控制在3°以內(nèi)，滿足了使用要求。

表3 1J79屏蔽罩對精度的影響 （°）

7 總結(jié)

通過試驗得出，影響油量表精度的主要因素是上骨架口部品質(zhì)、指針部件的平衡性、針軸部件的端跳和徑跳及屏蔽罩材料的選擇。尤其是屏蔽罩材料的選擇，選用坡莫合金1J79對儀表的回差起到最重要的作用。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，機芯精度已能滿足用戶的要求。從2008年到2010年的兩年中，采用1J79作為屏蔽罩的儀表再未接到用戶投訴。而從表1、表2看出，純鐵屏蔽罩機芯的精度反而低于低碳鋼屏蔽罩機芯的精度，這是因為純鐵屏蔽罩的厚度是0.3 mm，而ST12屏蔽罩的厚度是0.5 mm，由于材料變形導(dǎo)致精度受到較大影響所致。由于1J79的價格數(shù)倍于純鐵的價格，故在要求不高的儀表中，盡量通過控制其他因素來保證儀表精度，而對于要求高的儀表，就必須使用1J79。

［1］JIS D 5606， 汽車用油量表［S］.

［2］QC／T 727， 汽車、 摩托車用儀表［S］.

［3］駱涵秀，李世倫，朱 捷，等.機電控制［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1994.

［4］周建慧，楊曉亮，任士杰.漸開線圓柱齒輪傳動的回差［J］. 金屬加工 （冷加工）， 2008， （19）： 58-59.

［5］初允綿.儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1979.

［6］韓克筠.機械制造基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)［M］.北京：中國廣播電視大學(xué)出版社，1991.