發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、曲軸信號(hào)不同步故障問題研究分析

1、 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、曲軸信號(hào)不同步故障問題研究 薛鵬 楊燕楠 張利君 孫建偉 顏士霞Summary：發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、曲軸轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能起車。本文針對信號(hào)問題開展研究，全面分析造成信號(hào)不同步問題的原因，總結(jié)查核信號(hào)問題的方法，對于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及故障的排查具有重大意義。Abstract： Engine camshaft and crankshaft speed sensor signal an error occurs， will cause the engine performance and fuel economy， seri

2、ous when even lead to engine cant a car.Signal problems， the author of this paper research， comprehensive analysis of the cause of problem of signals are not synchronized， summarizes check signal problem， for guiding the design of the engine and the fault is of great significance.關(guān)鍵詞：柴油機(jī);凸輪軸;轉(zhuǎn)速傳感器;信

3、號(hào);故障Key words： diesel engine;camshaft;speed sensor;signal;fault：TP212 ：A ：1674-957X（2021）21-0166-040 引言隨著科技的發(fā)展和人類生活水平的提高，高可靠性、節(jié)能環(huán)保型的發(fā)動(dòng)機(jī)逐步受到了市場的歡迎。發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能是汽車正常運(yùn)行必備的重要性能之一1。機(jī)器在進(jìn)行滿負(fù)荷工況的情況下工作時(shí)，通過可變進(jìn)排氣正時(shí)，將高低速充氣效率調(diào)高，從而將改善進(jìn)氣量，同時(shí)配合上適量燃油，就使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩得到相應(yīng)的增加，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工作時(shí)，利用可變進(jìn)排氣相位，加大可變進(jìn)排氣重疊角，增加內(nèi)部EGR

4、，降低泵氣損失，降低燃油耗，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。但當(dāng)凸輪軸信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤是可變氣門不能正常工作，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降和燃油耗上升2。本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)凸輪軸、曲軸信號(hào)問題開展研究，全面分析造成信號(hào)不同步問題的原因，總結(jié)查核信號(hào)問題的方法，對于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及故障的排查具有重大意義。1 磁電轉(zhuǎn)速傳感器及其取信號(hào)方式曲軸轉(zhuǎn)速傳感器和凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器是電控燃油噴射系統(tǒng)重要的傳感器，是控制噴油提前角和確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可或缺的信號(hào)源。曲軸轉(zhuǎn)速的信號(hào)用于確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和提前角的精確控制;凸輪軸轉(zhuǎn)速的信號(hào)用于判缸，確定發(fā)火次序。曲軸和凸輪軸位置傳感器包括磁電轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。由于霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

5、成本較高，所以一般情況下，采用磁電轉(zhuǎn)速傳感器。磁電轉(zhuǎn)速傳感器的安裝要求如圖1，必須保證一定的尺寸，因?yàn)樗鼈兌加绊懙搅舜磐康淖兓４烹娹D(zhuǎn)速傳感器主要由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和信號(hào)齒盤組成3。信號(hào)盤由曲軸或凸輪軸帶動(dòng)，利用輪齒靠近或離開感應(yīng)線圈時(shí)，通過感應(yīng)線圈的磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，如圖2所示。計(jì)算公式如下：其中，E是感應(yīng)電動(dòng)勢，n為線圈匝數(shù)，？駐？覫為磁通量的變化，？駐t為時(shí)間的變化。信號(hào)盤齒不停旋轉(zhuǎn)，在感應(yīng)線圈中就產(chǎn)生交變電壓信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元可以從電壓交變的變化頻率來計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，在信號(hào)盤齒上缺2個(gè)齒用于識(shí)別曲軸位置（第一缸上止點(diǎn)位置），作為點(diǎn)火正時(shí)信號(hào)的參考基準(zhǔn)

6、。傳感器取信號(hào)的方式有兩種，分為軸向取信號(hào)和徑向取信號(hào)，軸向取信號(hào)和徑向取信號(hào)都是基于傳感器的安裝要求來定的（如圖3）。2 排查方法總結(jié)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作工程中，造成曲軸、凸輪軸相位不同步故障可能出現(xiàn)的原因主要有圖4中的幾項(xiàng)。3 故障案例排查3.1 故障描述某A發(fā)動(dòng)機(jī)（6缸發(fā)動(dòng)機(jī)），在進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)報(bào)出凸輪軸、曲軸信號(hào)不同步故障，該機(jī)器凸輪軸取信號(hào)采用軸向取信號(hào)方式，傳感器采用磁電轉(zhuǎn)速傳感器。用示波器測得的波形如圖5所示。用示波器監(jiān)測ECU處理信號(hào)得到的波形如圖6，可以看出ECU識(shí)別了凸輪軸信號(hào)中的干擾信號(hào)，導(dǎo)致相位偏差。3.2 故障排查3.2.1 設(shè)計(jì)問題排查通過對比理論設(shè)計(jì)角度與示波器實(shí)測波形，

7、可確認(rèn)，相位設(shè)計(jì)正確。曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的安裝：計(jì)算空氣間隙為0.9-1.2mm;附近無回轉(zhuǎn)件，探出距離22mm，如圖7。因此，傳感器安裝符合設(shè)計(jì)要求。凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器的安裝：計(jì)算空氣間隙為0.6-1.4mm;附近無回轉(zhuǎn)件，探出距離11mm，如圖8。因此，傳感器安裝符合設(shè)計(jì)要求。3.2.2 質(zhì)量問題排查根據(jù)測試波形，曲軸、凸輪軸測試信號(hào)波形平穩(wěn)，傳感器質(zhì)量無問題。線束圖紙針腳與實(shí)際線束針腳保持一致，無問題。3.2.3 性能標(biāo)定問題排查ECU所采用的凸輪軸轉(zhuǎn)速信號(hào)閥值為0.35V。3.2.4 信號(hào)干擾排查3.2.4.1 機(jī)械干擾該機(jī)器采用軸向取信號(hào)，其信號(hào)盤的軸向竄動(dòng)量（信號(hào)盤固定在凸輪軸上，因此凸

8、輪軸的竄動(dòng)量即為信號(hào)盤的竄動(dòng)量）范圍為0.1-0.3mm。對比B發(fā)動(dòng)機(jī)（6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其取信號(hào)的方式與A發(fā)動(dòng)機(jī)一致，但是未報(bào)出信號(hào)故障）。計(jì)算其竄動(dòng)量范圍為0.02-0.143mm。相關(guān)尺寸見表1。對比發(fā)現(xiàn)，A發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸竄動(dòng)量要比B發(fā)動(dòng)機(jī)大很多，這可能是造成凸輪軸轉(zhuǎn)速信號(hào)質(zhì)量差的原因。測試信號(hào)盤的竄動(dòng)情況，采用渦流傳感器，分別在50rpm、100rpm、350rpm。用示波器測得信號(hào)（電壓），然后轉(zhuǎn)化為位移，具體如下：轉(zhuǎn)速為50rpm時(shí)，用渦流傳感器測試波形如圖9，經(jīng)換算位移竄動(dòng)為0.208mm。轉(zhuǎn)速為100rpm時(shí)，用渦流傳感器測試波形如圖10，經(jīng)換算位移竄動(dòng)為0.216mm。轉(zhuǎn)速為350r

9、pm時(shí)，用渦流傳感器測試波形如圖11，經(jīng)換算位移竄動(dòng)為0.192mm。綜上，該臺(tái)故障機(jī)器信號(hào)盤的實(shí)際竄動(dòng)量約為0.2mm。后續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，在0.2mm時(shí)，模擬信號(hào)盤的竄動(dòng)，干擾電壓見表2。可以看出，在信號(hào)盤竄動(dòng)量為0.2mm的情況下，產(chǎn)生較大幅值的干擾電壓。另外，凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)體上，探頭安裝密封，無雜物。由于在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，曲軸轉(zhuǎn)速傳感器取信號(hào)雜物干擾的可能性排除。曲軸轉(zhuǎn)速分支凸輪軸轉(zhuǎn)速分支、無固定，但其分支不受應(yīng)力，且分支較短、插拔良好。因此，可能性排除。3.2.4.2 電磁干擾發(fā)電機(jī)與起動(dòng)機(jī)離曲軸轉(zhuǎn)速傳感器和凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器的距離較遠(yuǎn)，可排除此項(xiàng)。4 分析及驗(yàn)證通過以上分析，發(fā)現(xiàn)不符合設(shè)計(jì)項(xiàng)如下：A發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸與止推片配合間隙過大，造成信號(hào)盤的竄動(dòng)量太大。不可排除的原因：凸輪軸信號(hào)閥值低。后續(xù)進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，將凸輪軸與止推片間隙的理論值控制在0.15mm以內(nèi)，用示波器測試曲軸、凸輪軸信號(hào)的波形如圖12。可以看出曲軸信號(hào)干擾信號(hào)明顯降低，最大值在160mv。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)多次起車也未報(bào)故障。5 總結(jié)信號(hào)盤竄動(dòng)量太大會(huì)使測得的信號(hào)出現(xiàn)干擾，造成信號(hào)不同步故障。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)必須采用軸向取信號(hào)結(jié)構(gòu)時(shí)，在保證傳感器安裝氣隙的情況下，還要保證信號(hào)盤的竄動(dòng)量盡可能小。曲軸、凸輪軸信號(hào)故障是發(fā)動(dòng)機(jī)故障中常見的一種故障，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。本文根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)