萬(wàn)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(jì)南柴油機(jī)股份有限公司，濟(jì)南250306）

上止點(diǎn)定位測(cè)量的意義與實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)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(jì)南柴油機(jī)股份有限公司，濟(jì)南250306）

發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和氣門間隙調(diào)整對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳輸出工況有著重要的影響。由發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造原理可知，1缸上止點(diǎn)精確定位后才能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和氣門間隙的適當(dāng)依次調(diào)整。本文試圖從發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和氣門間隙調(diào)整的重要性來(lái)闡述上止點(diǎn)定位測(cè)量裝置應(yīng)用的重要意義，最后說(shuō)明在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中的具體實(shí)現(xiàn)。

上止點(diǎn)定位意義實(shí)現(xiàn)

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)，環(huán)保與節(jié)能已是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展面臨的兩大主要命題。在世界石油危機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣對(duì)環(huán)境污染日益嚴(yán)重的嚴(yán)峻形勢(shì)下，尋求降低排放和提高經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)途徑將是內(nèi)燃機(jī)研究的主要任務(wù)。發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)有效保障曲軸運(yùn)動(dòng)傳遞的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)最佳的配氣正時(shí)和供油正時(shí)，達(dá)到理想的空燃比和低燃油消耗率。適當(dāng)?shù)臍忾T間隙調(diào)整可以保證氣缸的進(jìn)氣量及壓縮比的均勻性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，減少機(jī)械磨損，降低油耗，獲得較好的排放性能[1]。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和氣門間隙調(diào)整都取決于第1缸上止點(diǎn)的精確定位，因此精確定位第1缸上止點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中顯得至關(guān)重要。

濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司12V190系列柴油機(jī)在裝配過(guò)程中，原有的裝配工藝采用齒輪配對(duì)嚙合，目視飛輪刻度，利用百分表測(cè)量及人工盤車定位上止點(diǎn)[2]。在實(shí)際操作過(guò)程中，人為因素左右著上止點(diǎn)的定位精度。如：（1）飛輪上止點(diǎn)刻度線遠(yuǎn)離機(jī)體指針，易形成目視誤差；（2）百分表在上止點(diǎn)正負(fù)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(diǎn)的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，本課題組主要以大功率柴油機(jī)裝配為例，從實(shí)際操作的人體工程學(xué)出發(fā)，設(shè)計(jì)一套精確定位上止點(diǎn)的測(cè)量裝置，以期達(dá)到減輕一線工人勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短裝配、調(diào)整時(shí)間，降低人為因素造成的誤差，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)的目的。

2 上止點(diǎn)定位測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)思路[3]

上止點(diǎn)的誤差主要來(lái)自相關(guān)零部件的累積誤差。隨著機(jī)械制造技術(shù)和機(jī)加工水平的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)大件、中小件的設(shè)計(jì)、制造工藝日臻完善，正時(shí)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(diǎn)定位操作過(guò)程中的精度要求，發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)的精確定位將可以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于12V190柴油機(jī)來(lái)說(shuō),曲軸軸系的盤車力矩在750～850 N·m之間，上止點(diǎn)前后3℃A轉(zhuǎn)角內(nèi)，活塞的升程范圍為0.146 mm，2℃A時(shí)為0.103 mm，1℃A時(shí)為0.016 mm，0.5℃A時(shí)為0.004 mm。也就是說(shuō)在活塞圓弧頂部用百分表測(cè)量幾乎無(wú)法分辯，按經(jīng)驗(yàn)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(zhǔn)來(lái)調(diào)整的，且都以目視為主，這樣就造成了累計(jì)誤差及各缸氣缸的上止點(diǎn)差異，直接影響到各氣缸的進(jìn)氣量及壓縮比的不均勻，造成動(dòng)力性能的降低，或油耗的增加和排放惡化。

通過(guò)12V190柴油機(jī)裝配工藝可以看出，在上止點(diǎn)定位操作過(guò)程中，現(xiàn)有的測(cè)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(shí)現(xiàn)上止點(diǎn)精確定位的關(guān)鍵因素。所以，很有必要提高此裝配過(guò)程的調(diào)整精度。

本文所研究的上止點(diǎn)測(cè)量裝置一方面可以實(shí)現(xiàn)更高精度的定位和測(cè)量，另一方面通過(guò)機(jī)械操作代替人工操作來(lái)消除人為因素造成的誤差。

3 上止點(diǎn)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用效果

上止點(diǎn)定位裝置是利用自帶編碼器的伺服電機(jī)盤車來(lái)驅(qū)動(dòng)曲軸，通過(guò)上止點(diǎn)測(cè)量光柵反饋來(lái)精確定位第1缸的上止點(diǎn)。它主要由驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元、控制單元3部分組成，參見圖1。

3.1 驅(qū)動(dòng)單元

如前所述，由于12V190柴油機(jī)的盤車力矩在750～850 N·m之間，人工盤車的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，且普通的機(jī)械式盤車裝置的定位精度難以保證。在這里，專用的連接機(jī)構(gòu)用來(lái)連接曲軸端和伺服電機(jī)。目前伺服電機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)普及，采用軸端設(shè)定角位移直接伺服驅(qū)動(dòng)，且利用旋轉(zhuǎn)編碼器反饋，使其角位移定位精度極高，通過(guò)高頻脈沖驅(qū)動(dòng)和機(jī)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(jī)上止點(diǎn)定位裝置

3.2 測(cè)量單元

上止點(diǎn)位置的測(cè)量可采用無(wú)接觸的激光、紅外線或超聲波等高精度位移測(cè)量手段，但在實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)轉(zhuǎn)換頗為不便且價(jià)格昂貴。光柵傳感器雖然為有接觸測(cè)量，但因其易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，且具有精度高（目前分辨率最高的可達(dá)到納米級(jí)）、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，只要將氣缸蓋拆除，解決觸頭的構(gòu)造和升程的無(wú)阻礙運(yùn)行問(wèn)題，不失為一種理想的選擇。仍以12V190柴油機(jī)為例，將光柵觸頭固定在第1缸活塞的上部，其運(yùn)行在上止點(diǎn)附近對(duì)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(duì)應(yīng)表

在實(shí)際應(yīng)用中，選用一般精度的光柵就能達(dá)到±0.2°的輸出精度。

3.3 控制單元

應(yīng)用PLC的運(yùn)算及控制模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本運(yùn)行。無(wú)論是旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)和光柵傳感器，都是應(yīng)用數(shù)字轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入、輸出轉(zhuǎn)化，最大程度確保了信號(hào)失真度和人為讀數(shù)誤差對(duì)控制精度的影響。通過(guò)運(yùn)算上止點(diǎn)前后升、降程的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字模型分析很容易通過(guò)機(jī)械裝置找到上止點(diǎn)圓弧的對(duì)稱中心。也就是該裝置通過(guò)一般精度的硬件配合選擇即可精確定位上止點(diǎn)，具備很好推廣的實(shí)用價(jià)值。同理，根據(jù)12V190柴油機(jī)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(diǎn)，依次進(jìn)行各缸氣門間隙調(diào)整。

由驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元、控制單元組成的上止點(diǎn)測(cè)量裝置原理圖參見圖2。

圖2 上止點(diǎn)定位測(cè)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(jī)和光柵測(cè)量后，曲軸重復(fù)定位精度達(dá)到了±0.2℃A，而根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)人工盤車只可以實(shí)現(xiàn)±1℃A。

（2）工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低，裝配時(shí)間縮短

伺服電機(jī)盤車代替了人工盤車，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。原裝配工藝過(guò)程中，上止點(diǎn)定位測(cè)量工序約需12 min（整機(jī)裝配時(shí)間約80 min，按6臺(tái)/8 h計(jì)算）或者更長(zhǎng)，現(xiàn)在約需10 min，該工序生產(chǎn)率提高約17%。

（3）保證柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放

上止點(diǎn)定位裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)和氣門間隙調(diào)整過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它通過(guò)曲軸、凸輪軸運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確傳遞而實(shí)現(xiàn)配氣正時(shí)和供油正時(shí)，從而獲得較低的燃油消耗率和降低排放污染。實(shí)踐證明，通過(guò)上止點(diǎn)定位測(cè)量調(diào)整的12V190柴油機(jī)在臺(tái)架性能試驗(yàn)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(jī)負(fù)荷特性

4 結(jié)束語(yǔ)

事實(shí)表明，上止點(diǎn)定位測(cè)量裝置在中大型柴油機(jī)裝配過(guò)程中能有效減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短裝配、調(diào)整時(shí)間，降低人為因素造成的誤差，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)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(xí)慣諸多因素的制約，上止點(diǎn)定位測(cè)量裝置的實(shí)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(jìn)一步完善，上止點(diǎn)定位測(cè)量裝置在中大型柴油機(jī)裝配線上的應(yīng)用將會(huì)相當(dāng)普及。

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

2濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司．190系列柴油機(jī)使用維護(hù)手冊(cè)．

3曹柱中，徐薇莉．自動(dòng)控制理論與設(shè)計(jì)（修訂版）[M]．上海：上海交通大學(xué)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(lái)稿日期：2013-04-16

萬(wàn)雄偉（1976-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)制造、裝配和試驗(yàn)技術(shù)。