杜際山　耿貴乾

【摘 要】本文以國內(nèi)某合資企業(yè)發(fā)動機工廠裝配線冷試設備為參考，介紹了發(fā)動機冷試測試設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用、組成及工作原理等，并對各組成部分進行介紹。

【關鍵詞】發(fā)動機；冷試；數(shù)據(jù)采集

0 引言

隨著人們生活水平的提高，中國汽車工業(yè)進入快速發(fā)展階段，汽車產(chǎn)銷量連創(chuàng)新高。面對激烈的市場競爭，如何低成本、高價值的生產(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)動機整機質(zhì)量一直是汽車廠家和發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)十分重視的問題。目前，發(fā)動機整機的檢測方法主要是冷試和熱試兩種方法。相比于熱試，冷試技術測試精度高，測試時間短，成本低，污染少，資源消耗少，已成為國內(nèi)外發(fā)動機制造企業(yè)普遍認可的新技術，并已成為發(fā)動機在線運轉(zhuǎn)檢測的主要探測方法[1]。

在這種形式的影響下，使用發(fā)動機冷試測試設備作為終端在線檢測設備成為了各發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)在建造裝配線時的首要選擇。整機冷試不緊能夠及時發(fā)現(xiàn)裝配過程中的缺陷，而且能夠找出產(chǎn)生問題的原因，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)動機冷試測試設備準確性及穩(wěn)定性也成為了廠商不斷改進的方向。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是冷試測試的信息輸入端，在整個冷試系統(tǒng)中具有重要作用，本文以國內(nèi)某合資企業(yè)的冷試測試設備為例，闡述了冷試測試設備中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及工作原理。

1 冷試設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用

數(shù)據(jù)采集（DAQ），是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析、處理[2]。冷試設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用是通過不同類型的傳感器在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)的情況下收集發(fā)動機實時信號，并將信號反饋至上位機。根據(jù)冷試工藝流程清單（BOP）中提及的有關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)速情況下對如下信號進行采集（如圖1）：

在500RPM時，對機油壓力、起動扭矩、旋轉(zhuǎn)扭矩、凸輪軸/曲軸傳感器測試進行監(jiān)控。如果機油壓力不正常或起動扭矩/旋轉(zhuǎn)扭矩太高，可能會損壞發(fā)動機，所以測試不應繼續(xù)下去；

在2000RPM時，對氣門機構、噪聲震動舒適性NVH、油壓試驗和點火進行測試；

在300RPM時，對進氣、點火、磁阻分電器輪進行測試；

在150RPM時，對扭矩、機油壓力、NVH和排氣壓力進行測試。

因為某些問題只有在特定的速度范圍之內(nèi)才比較明顯，所以冷試測試工藝需要在不同的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下檢測各類信號，從整個發(fā)動機的測試過程來看，測試設備需要采集的數(shù)據(jù)分為如下幾種：扭矩、油壓、進/排氣壓力、點火電壓、NVH、曲軸位置信號、凸輪軸位置信號、驅(qū)動電機編碼器信號、機油溫度等。

圖1 冷試典型周期工藝測試流程

2 冷試設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理

發(fā)動機冷試測試系統(tǒng)是由下面的流程圖所示的部分組成的（如圖2）。測量電腦收集數(shù)據(jù)，PLC界面控制測試開始。電子輸入輸出板用于獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的一個必要功能是多種信號放大器，點火電源的電壓動力部分以及用于解碼多個觸發(fā)信號的轉(zhuǎn)接器。

圖2 冷試測試系統(tǒng)流程圖

Indramat驅(qū)動系統(tǒng)控制主軸電機，主軸電機的速度和相位角都由編碼器監(jiān)控。為了保證測量可以在不考慮旋轉(zhuǎn)速度的基礎上進行，驅(qū)動編碼器輸出信號由轉(zhuǎn)接器板處理，傳送至A/D板。時鐘信號脈沖4096脈沖/轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)接板輸出。編碼器為驅(qū)動提供數(shù)據(jù)，驅(qū)動也從模擬輸出接受定點數(shù)據(jù)，通過PLC運行信號。

3 冷試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成

3.1 點火線圈及點火驅(qū)動器

點火線圈是一個類似于變壓器的結構，有初級和次級兩個繞組，通過給初級繞組通斷電來實現(xiàn)次級繞組感應出瞬間高壓從而擊穿火花塞。在點火測試中正是利用了點火線圈初級繞組和次級繞組相互感應這一特性進行測試。對測試臺架而言，設備通過可編程點火電源提供充電電壓，通過上位機測試軟件控制點火觸發(fā)信號，再通過點火線圈的初級繞組電路的切換來實現(xiàn)點火測試的充電及測試功能，而電路的切換則是通過點火驅(qū)動器實現(xiàn)，同時點火驅(qū)動器還具備高壓隔離和濾波的作用，點火驅(qū)動器的接線方式如圖3所示，本案用到的驅(qū)動器可實現(xiàn)雙通道控制。

圖3 點火驅(qū)動器接線方式

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扭矩傳感器可測量扭矩和轉(zhuǎn)速，是第一款扭矩法蘭，采用測量剪應力替代扭矩應力對扭矩進行測量。T10F扭矩傳感器共3個接口，其中1號口用于顯示扭矩，2、3號口用于顯示轉(zhuǎn)速，T10F通過MP60將數(shù)據(jù)傳輸給信號調(diào)理模塊，再傳輸至上位機（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個針腳，其中A/B接傳感器電源，接24VDC；C/D接信號線，向信號調(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，傳感器反饋自檢信號。壓力傳感器輸出信號首先連接5B信號調(diào)理模塊，而后再連接到SCB100信號采集卡（其中油壓信號要同步傳輸給連續(xù)監(jiān)控卡），之后再傳輸至上位機，由軟件進行處理。

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電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應，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，他的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生，這種從機械能到電能的變換稱為正壓電效應[4]。本案共測試3個點，上端缸蓋震動測試、前端缸體震動測試及后端缸體震動測試。NVH傳感器的輸出信號首先連接至PCB試調(diào)儀而后在連接至SCB100信號采集卡及連續(xù)監(jiān)控卡，之后再傳輸至上位機，由軟件進行處理。

3.5 曲軸位置傳感器

本案設備共涉及2種發(fā)動機機型，其中B型發(fā)動機使用外置的AI-TEK RH1512-005速度傳感器檢測飛輪齒圈，而C型發(fā)動機則使用的是發(fā)動自身零件進行檢測，這兩種傳感器都是霍爾式曲軸位置傳感器，工作原理相同。為保證曲軸信號的完整準確，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系

1.齒頂寬度；4.極片直徑（有效感應直徑）

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)動機零件，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信號采集板，之后再傳輸至上位機，有軟件進行處理。

4 總結

發(fā)動機冷試設備作為最常用的整機終端質(zhì)量檢測設備，它的穩(wěn)定性和準確性直接關系到裝配線發(fā)動機的最終輸出和整機質(zhì)量，是裝配線的關鍵設備之一。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是整個冷試測試系統(tǒng)的信息輸入點，準確的數(shù)據(jù)反饋可以有效的支持測試數(shù)據(jù)的對比與分析，提升問題解決效率，為提高發(fā)動機出廠檢驗合格率提供重要保障。

【參考文獻】

[1]佟立新.汽車發(fā)動機冷試技術的應用研究[D].東北大學，2014.

[2]吳克剛，曹建明.發(fā)動機測試技術[M].人民交通出版社，2002-2.ISBN： 9787114041280.

[3]ATW冷試設備操作手冊介紹.

[4]厲彥忠.吳筱敏.熱能與動力機械測試技術[M].西安交通大學出版社，2013. ISBN： 9787114041280.

[責任編輯：田吉捷]