CN113945307B - 一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器及测量方法，包括：承力元件、传力元件、压电元件、载力元件、挺柱头部、导向半圆键；所述承力元件一端面具有一个传力螺纹孔；所述传力元件一端面具有一个传力螺栓，该传力螺栓与承力元件的传力螺纹孔配合，另一端面周向均匀间隔布置四个螺纹孔；所述压电元件是由压电晶体制成的环形敏感元件；所述载力元件具有四个周向均匀间隔布置的通孔；所述挺柱头部包括一个大弧型凹槽、一个小半球型凹槽和三个出线孔以及一个键槽；同时还提供了使用该传感器进行测量的方法，本发明机构简单、使用方便，并能实现接触面法向、切向、轴向三个方向凸轮挺柱接触力的测量。

Description

一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器及测量方法，属于发动机性能检测技术领域。

背景技术

内燃机作为当今用量最大、用途最广的热能动力设备，普遍应用于工业、农业、交通运输和国防建设，是汽车、船舶、工程机械和备用电站等装置的主要动力。内燃机的振动噪声得不到良好的控制，不仅会影响的内燃机工作效率，还会导致相关的动力设备无法正常工作。配气机构作为内燃机重要的振动噪声源之一，其工作性能好坏直接影响内燃机的稳定性、可靠性及其寿命。其主要功用是按照气缸间的发火顺序和气缸中的工作过程，适时开启和关闭进、排气阀，保证进气冲程新鲜空气的吸入，和排气冲程废气的排出，从而实现内燃机的换气过程。配气机构传动件之间存在一定的气阀间隙，在气阀开启、关闭过程中，各传动件的接触处会产生撞击，撞击一方面会使弹性部件受激产生振动，另一方面会直接产生撞击噪声；气阀落座时气阀敲击气阀座，也会产生落座噪声，这些就是配气机构振动噪声产生的原因。随着内燃机性能的不断提高，配气机构各部件所受的激励力和部件之间的磨损会加剧，系统的整体振动噪声水平也会提高，为了保证内燃机良好的工作性能和使用寿命，对配气机构的低噪声设计提出了更高的要求。

凸轮挺柱接触力是引起内燃机配气机构振动噪声的主要力源之一，也是在凸轮型线优化设计与及配气机构性能校核的重要评价指标，关于凸轮挺柱接触力的仿真计算技术已经日渐成熟，在配气机构相关研究中，试验验证以及试验分析也是不可缺少的步骤，在这两个方面，凸轮挺柱接触力的直接测量依然是一大难题，主要原因在于凸轮轴与挺柱之间工作空间也比较狭小，常规测量手段如应变片，很难在其上布置。两者之间的运动情况也相对复杂，挺柱在机体内做上下往复运动，其自身也存在一定自转，两者之间的接触力大小与方向时刻在变化，这些因素给测量带来了很大困难，研究者大多采用在其他配气其余传动部件上布置传感器，通过受力关系间接计算得出凸轮挺柱间接触力。

发明内容

为了克服上述所述的凸轮挺柱接触力测量存在的困难，本发明的目的之一在于提供一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器及测量方法。

本发明的目的是这样实现的：由下至上依次设置包括承力元件、传力元件、压电元件、载力元件、挺柱头部，承力元件与传力元件连接，传力元件与载力元件、挺柱头部连接，压电元件设置在载力元件和传力元件之间，挺柱头部上方设置一个大弧型凹槽、一个小半球型凹槽和三个出线孔，挺柱头部侧面设置有键槽，键槽中设置有导向半圆键，导向半圆键与挺柱导筒连接。

进一步的，挺柱头部中小半球型凹槽设计在大弧型凹槽最低点，并在大弧型凹槽内设计四个周向均匀间隔布置的沉头孔，三个出线孔按照20度的间隔在挺柱头部的上端面靠近内壁位置均匀布置。

进一步的，所述承力元件一端面具有一个传力螺纹孔；所述传力元件一端面具有一个传力螺栓，该传力螺栓与承力元件的传力螺纹孔配合。

进一步的，传力元件另一端面周向均匀间隔布置四个螺纹孔；所述压电元件是由压电晶体制成的环形敏感元件；所述载力元件具有四个周向均匀间隔布置的通孔，四个沉头螺栓通过沉头孔、通孔、螺纹孔实现挺柱头部、载力元件和传力元件的连接。

进一步的，连接压电元件的引线通过出线孔引出，连接外部数据采集与处理系统。

进一步的，数据采集与处理系统包括：电荷放大器与数据采集仪。

进一步的，利用本发明传感器测量发动机凸轮挺柱接触力的方法，步骤如下：

步骤一：拆除被测挺柱；

步骤二：将传感器安装在挺柱导筒内，并安装导向半圆键，防止传感器自身转动；

步骤三：将推杆安装在传感器与摇臂之间，并且推杆的球头安置在传感器推杆头部的小半球型凹槽内；

步骤四：连接引线，并设置数据采集与处理系统参数；

步骤五：开启倒拖电机，调节倒拖电机不同转速，凸轮将载荷传递给传感器，压电元件受到冲击力后其表面产生电荷，此电荷经电荷放大器放大和测量电路变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出，从而得到接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：为了克服上述直接地测量凸轮挺柱间接触力存在的困难，研究人员基于内燃机设计原理，设计出了特殊形状的基于压电效应的的挺柱传感器，其可在倒拖电机带动凸轮轴工作过程中，测量挺柱受力的大小与方向，代替了原挺柱与凸轮轴进行配合，实现了向推杆以及摇臂的传动，因为其布置与走线不与内燃机其余零部件发生干涉，因此不影响配气机构的正常工作。

本发明结构简单，使用方便，测量过程中最大程度上还原了发动机凸轮-挺柱-推杆的真实工作情况，使得测量结果更加真实、更具说服力。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图；

图2为图1所示传感器结构俯视图；

图3为图1所示传感器在发动机机体上的挺柱导筒内安装示意图；

其中，1.承力元件，2.传力元件，3.压电元件，4.载力元件，5.挺柱头部，6.导向半圆键，7.挺柱导筒，8.沉头螺栓，9.传力螺栓，10.传力螺纹孔，11.出线孔，12.沉头螺纹孔，13.大弧型凹槽，14.小半球型凹槽，15.键槽，16.凸轮轴，17.凸轮，18.传感器，19.推杆，20.引线，21.信号采集与处理系统，22.小半球型凹槽半径r，23.传感器高度H，24.传感器直径D。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器，包括：承力元件、传力元件、压电元件、载力元件、挺柱头部、导向半圆键；所述承力元件一端面具有一个传力螺纹孔；所述传力元件一端面具有一个传力螺栓，该传力螺栓与承力元件的传力螺纹孔配合，另一端面周向均匀间隔布置四个螺纹孔；所述压电元件是由压电晶体制成的环形敏感元件；所述载力元件具有四个周向均匀间隔布置的通孔；所述挺柱头部包括一个大弧型凹槽、一个小半球型凹槽和三个出线孔以及一个键槽；所述传感器的整体几何尺寸与被测挺柱保持一致，包括传感器直径、传感器高度以及小半球型凹槽半径；所述的压电元件可分别测量接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力大小。

所述的挺柱头部中小半球型凹槽设计在大弧型凹槽最低点，并在大弧型凹槽内设计四个周向均匀间隔布置的沉头孔，同时，三个出线孔按照20度的间隔在挺柱头部的上端面靠近内壁位置均匀布置。所述的键槽布置在挺柱头部的外壁上。所述连接压电元件的引线通过出线孔引出，连接外部数据采集与处理系统，数据采集与处理系统包括：电荷放大器与数据采集仪。所述的导向半圆键的一端安装在挺柱导筒上，另一端与挺柱头部的外壁上的键槽间隙配合。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

上述所述利用本发明传感器测量发动机凸轮挺柱接触力的方法包括以下步骤：

步骤一：拆除被测挺柱；

步骤二：将传感器安装在挺柱导筒内，并安装导向半圆键，防止传感器自身转动；

步骤三：将推杆安装在传感器与摇臂之间，并且推杆的球头安置在传感器推杆头部的小半球型凹槽内。

步骤四：连接引线，并设置数据采集与处理系统参数；

步骤五：开启倒拖电机，调节倒拖电机不同转速，凸轮将载荷传递给传感器，压电元件受到冲击力后其表面产生电荷，此电荷经电荷放大器放大和测量电路变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出，从而得到接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力大小。

结合说明书附图给出本发明的实施例如下：

参照图1、2、3，本发明的测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器包括承力元件1、传力元件2、压电元件3、载力元件4，挺柱头部5、导向半圆键6、挺柱导筒7、沉头螺栓8、传力螺栓9、传力螺纹孔10、出线孔11、沉头螺纹孔12、大弧型凹槽13、小半球型凹槽14、键槽15、引线20。

本发明是基于压电效应的压电式力传感器。适用于但不限于如图3所示普遍采用的下置式圆柱凸轮轴与筒型平面挺柱相配合的发动机。图3中，传感器18代替被测挺柱，将推杆19的球头安装在挺柱头部5的小半球型凹槽14内，凸轮轴16的旋转运动将转化成传感器18的上下往复运动，此时，传感器18受到接触面法向力、切向力与轴向力。

由于发动机的零部件工作与装配需求，凸轮17的中线与传感器18的中心线会有一定量的偏置，所以，凸轮轴16的旋转运动就会在与传感器18接触的端面产生一个迫使传感器18绕其中心线旋转的力矩，这就使得传感器18在挺柱导筒7中发生微小的自转。在使用传感器18的过程中，要避免其自转现象发生，因此，在挺柱头部5外壁上设置了一个键槽15，它的作用有两个，首先与安装在挺柱导筒7上的导向半圆键6间隙配合，防止在工作中传感器18发生旋转导致引出线19与推杆20发生纠缠而断裂；其次键槽15也是测量接触面法向力、切向力与轴向力的基准，在安装过程中也可以起到定位作用。另外，为了确保引线20不与配气机构其它传动件发生干涉，三条引线20分别通过三个出线孔11引出连接外部信号采集与处理系统21。

传感器18的整体几何尺寸与被测挺柱保持一致，包括小半球型凹槽半径22、传感器高度23以及传感器直径24；

传力元件2与承力元件1通过传力螺栓9和传力螺纹孔10连接；传力元件2、压电元件3、载力元件4与挺柱头部5通过沉头螺栓8和沉头螺纹孔12连接。

数据采集与处理系统21包括电荷放大器与数据采集仪，当压电元件3在测力过程中受到气门的冲击载荷后，其表面产生电荷，此电荷经电荷放大器放大和测量电路变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出，从而得到接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力大小。

本发明的测量方法，利用上述的传感器，按照以下步骤操作：

步骤一：拆除被测挺柱；

步骤二：将传感器18安装在挺柱导筒内，并安装导向半圆键6，防止传感器18自身转动；

步骤三：将推杆19安装在传感器18与摇臂之间，并且推杆19的球头部分安置在传感器18挺柱头部5的小半球型凹槽14内；

步骤四：连接引线，并设置数据采集与处理系统21参数；

步骤五：开启倒拖电机，调节倒拖电机不同转速，凸轮17将载荷传递给传感器18，压电元件3受到冲击力后其表面产生电荷，此电荷经电荷放大器放大和测量电路变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出，从而得到接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力大小。

综上，本发明公开了一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器及测量方法。该传感器包括：承力元件、传力元件、压电元件、载力元件、挺柱头部、导向半圆键；所述承力元件一端面具有一个传力螺纹孔；所述传力元件一端面具有一个传力螺栓，该传力螺栓与承力元件的传力螺纹孔配合，另一端面周向均匀间隔布置四个螺纹孔；所述压电元件是由压电晶体制成的环形敏感元件；所述载力元件具有四个周向均匀间隔布置的通孔；所述挺柱头部包括一个大弧型凹槽、一个小半球型凹槽和三个出线孔以及一个键槽；压电元件受力后表面产生电荷，此电荷经数据采集与处理系统变换后就成为正比于所受外力的电压输出，从而得出接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力的大小，所述数据采集与处理系统包括电荷放大器与数据采集仪；所述传感器的整体几何尺寸与被测挺柱保持一致，包括传感器直径、传感器高度以及小半球型凹槽半径。同时还提供了使用该传感器进行测量的方法，此发明机构简单、使用方便，并能实现接触面法向、切向、轴向三个方向凸轮挺柱接触力的测量。

Claims (3)

1.一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器，其特征在于：由下至上依次设置包括承力元件、传力元件、压电元件、载力元件、挺柱头部，承力元件与传力元件连接，传力元件与载力元件、挺柱头部连接，压电元件设置在载力元件和传力元件之间，挺柱头部上方设置一个大弧型凹槽、一个小半球型凹槽和三个出线孔，挺柱头部侧面设置有键槽，键槽中设置有导向半圆键，导向半圆键与挺柱导筒连接；挺柱头部中小半球型凹槽设计在大弧型凹槽最低点，并在大弧型凹槽内设计四个周向均匀间隔布置的沉头孔，三个出线孔按照20度的间隔在挺柱头部的上端面靠近内壁位置均匀布置；所述承力元件一端面具有一个传力螺纹孔；所述传力元件一端面具有一个传力螺栓，该传力螺栓与承力元件的传力螺纹孔配合；传力元件另一端面周向均匀间隔布置四个螺纹孔；所述压电元件是由压电晶体制成的环形敏感元件；所述载力元件具有四个周向均匀间隔布置的通孔，四个沉头螺栓通过沉头孔、通孔、螺纹孔实现挺柱头部、载力元件和传力元件的连接；连接压电元件的引线通过出线孔引出，连接外部数据采集与处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器，其特征在于：数据采集与处理系统包括：电荷放大器与数据采集仪。

3.一种使用权利要求2所述的测量发动机凸轮挺柱接触力的传感器进行凸轮挺柱接触力测量的方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：拆除被测挺柱；

步骤二：将传感器安装在挺柱导筒内，并安装导向半圆键，防止传感器自身转动；

步骤三：将推杆安装在传感器与摇臂之间，并且推杆的球头安置在传感器推杆头部的小半球型凹槽内；

步骤四：连接引线，并设置数据采集与处理系统参数；

步骤五：开启倒拖电机，调节倒拖电机不同转速，凸轮将载荷传递给传感器，压电元件受到冲击力后其表面产生电荷，此电荷经电荷放大器放大和测量电路变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出，从而得到接触面法向、切向、轴向三个方向的凸轮挺柱接触力大小。