CN206194273U - 发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及本实用新型的一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，包括电机、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、电位计控制器、发动机分析仪、电源、支撑架、信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、齿形带，所述电机分别与电位计控制器、曲轴位置传感器电连接，发动机分析仪分别与曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器电连接，电源分别与电位计控制器、凸轮轴位置传感器电连接；所述支撑架与信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器连接，齿形带分别与小带轮、大带轮连接。本实用新型具有较强的演示功能和结构展示功能，真实还原发动机信号轮传感器的运转情况，且信号输出符合发动机运转的真实情况，且正时准确。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种模拟发动机运转的测试系统，具体涉及一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统。
背景技术
信号轮传感器是传感器中具有代表性的传感器，是将旋转的转速信号变换成电信号输出的传感器，根据测试原理一般可分为霍尔式、磁电式及光电式转速传感器。发动机上采用的信号轮传感器有两种，一种是曲轴位置传感器，另一种是凸轮轴位置传感器，是发动机电子控制系统中极为重要的传感器，多采用霍尔式或磁电式，这两种传感器均属于信号轮触发的传感器。凸轮轴位置信号和曲轴位置信号之间的关系是曲轴转两圈，凸轮轴信号转子转一圈，曲轴位置信号转子转两圈，发动机电脑会根据两个传感器的信号判断气缸的工作行程并控制点火提前时刻、喷油时刻及喷油脉宽，因此其输出信号直接影响到点火正时、喷油正时和VVT控制的精度，从而影响发动机动力性，燃油经济性和排放清洁性。因此，对于维修技术人员来说掌握该传感器结构、工作原理、信号输出特性对汽车故障诊断具有非常重要意义。
传感器原理与应用是理工科学生的一门专业基础课，其教学内容与实验密切相关。目前，市场上传感器的教学仪器一种是在发动机台架上的实物系统，另一种是采用电机驱动器控制，部分产品用DSP控制器控制电机转速，测控精度基本能满足。前者不能看到传感器的结构，在信号的测量和读取的时发动机运行导致资源浪费和环境污染，后者是单一传感器的结构和工作原理的展示，不能很好的展现出发动机工作时两种传感器的信号关系。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，具有较强的演示功能和结构展示功能，又有传感器的信号波形测量功能，有助于工程技术人员掌握传感器结构、工作原理和信号输出，真实还原发动机信号轮传感器的运转情况，且信号输出符合发动机运转的真实情况，且正时准确。
为了达到上述目的，本实用新型有如下技术方案：
本实用新型的一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，包括电机、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、电位计控制器、发动机分析仪、电源、支撑架、信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、齿形带，所述电机分别与电位计控制器、曲轴位置传感器电连接，发动机分析仪分别与曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器电连接，电源分别与电位计控制器、凸轮轴位置传感器电连接；所述支撑架与信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器连接，齿形带分别与小带轮、大带轮连接；所述电位计控制器通过控制电压输出，控制电机转速，调速范围0-3640转/分；电机直接带动曲轴位置传感器转动，由于所模拟的发动机实际运转过程中曲轴转速和凸轮轴转速是2：1的关系，所以通过曲轴位置传感器通过小带轮、大带轮传动带动，传动比为2:1转动带动凸轮轴传感器转动起来，把发动机分析仪安装信号测试通道1和通道2分别连接到曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号输出端，分别得到两个传感器的信号输出特性，通过改变电位计控制器输出电压，模拟发动机运转就得到不同的运转速度，因此能看到不同转速情况下的信号输出特性。
其中，所述曲轴位置传感器包括传感器引线、永久磁铁、气隙一、凸齿、信号轮一，所述传感器引线分别为信号线、信号地和屏蔽线，所述信号线与永久磁铁上的线圈连接，所述信号轮一位于永久磁铁下方，气隙一位于信号轮一与永久磁铁之间，所述凸齿在信号轮一的边缘处。
其中，所述凸轮轴位置传感器包括叶轮、信号轮二、永久磁铁、霍尔元件、气隙二，所述信号轮二与永久磁铁连接，气隙二位于信号轮与霍尔元件之间，叶轮在信号轮二的边缘上。
由于采取了以上技术方案，本实用新型的优点在于：
本实用新型与传统焊接装置相比：
1、具有较强的演示功能和结构展示功能，又有传感器的信号波形测量功能，有助于工程技术人员掌握传感器结构、工作原理和信号输出。
2、该试验台用电机代替发动机运转，减少空气污染，并用电源实现了电机调速，调速范围0-3640转/分。
3、真实还原发动机信号轮传感器的运转情况，且信号输出符合发动机运转的真实情况，且正时准确。
附图说明
图1为本实用新型系统的方框示意图；
图2为本实用新型结构的示意图；
图3为本实用新型曲轴位置传感器的结构示意图；
图4为本实用新型凸轮轴位置传感器的结构示意图；
图5为本实用新型在怠速760转/分情况下凸轮轴位置传感器和凸轮轴位置传感器输出信号波形图；
图6为本实用新型在1800转/分情况下凸轮轴位置传感器和凸轮轴位置传感器输出信号波形图；
图7为本实用新型在3450转/分情况下凸轮轴位置传感器和凸轮轴位置传感器输出信号波形图；
图8为本实用新型在最大转速3640转/分情况下凸轮轴位置传感器和凸轮轴位置传感器输出信号波形图。
图中：1电机，2支撑架，3小带轮，4凸轮轴位置传感器，5信号盘，6齿形带，7大带轮，8信号盘，9曲轴位置传感器，1-1传感器引线，2-1永久磁铁，3-1气隙一，4-1凸齿，5-1信号轮一，1-2叶轮，2-2信号轮二，3-2永久磁铁，4-2霍尔元件，5-2气隙二；U-CH1通道1，U-CH2通道2。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
参见附图1-8，本实用新型的一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，包括电机、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、电位计控制器、发动机分析仪、电源、支撑架、信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、齿形带，所述电机分别与电位计控制器、曲轴位置传感器电连接，发动机分析仪分别与曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器电连接，电源分别与电位计控制器、凸轮轴位置传感器电连接；所述支撑架与信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器连接，齿形带分别与小带轮、大带轮连接；所述电位计控制器通过控制电压输出，控制电机转速，调速范围0-3640转/分；电机直接带动曲轴位置传感器转动，由于所模拟的发动机实际运转过程中曲轴转速和凸轮轴转速是2：1的关系，所以通过曲轴位置传感器通过小带轮、大带轮传动带动，传动比为2:1转动带动凸轮轴传感器转动起来，把发动机分析仪安装信号测试通道1和通道2分别连接到曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号输出端，分别得到两个传感器的信号输出特性，通过改变电位计控制器输出电压，模拟发动机运转就得到不同的运转速度，因此能看到不同转速情况下的信号输出特性。
所述曲轴位置传感器包括传感器引线、永久磁铁、气隙一、凸齿、信号轮一，所述传感器引线分别为信号线、信号地和屏蔽线，所述信号线与永久磁铁上的线圈连接，所述信号轮一位于永久磁铁下方，气隙一位于信号轮一与永久磁铁之间，所述凸齿在信号轮一的边缘处。
曲轴位置传感器由一个永久磁铁铁芯和铁芯外部的电磁线圈构成核心元件。其结构原理如图3所示，传感器的接线有三条，信号线，信号地，屏蔽线。
信号轮为齿盘式，在圆周上均匀间隔制作58个凸齿、57个小齿和一个大齿缺，大齿缺所占弧度相当于两个凸齿和3个小齿缺所占的弧度，大齿缺输出基准信号，对应模拟发动机1缸或者4缸压缩上止点的位置，用以判断曲轴转速和曲轴转角信号。由于转子凸齿与永久磁铁间的气隙一直接影响此路的磁阻和感应线圈输出电压高低，因此凸齿与永久磁铁间的气隙一大小一般设计为0.2-0.4mm。曲轴位置传感器的性能参数与技术规格见表1。
表1磁电式曲轴位置传感器性能参数与技术规格
所述凸轮轴位置传感器包括叶轮、信号轮二、永久磁铁、霍尔元件、气隙二，所述信号轮二与永久磁铁连接，气隙二位于信号轮与霍尔元件之间，叶轮在信号轮二的边缘上。
凸轮轴位置传感器结构紧凑，主要构成零部件少，装配工艺简便。凸轮轴位置传感器其结构原理如图4所示。信号轮二又称信号触发叶轮，信号轮二上的叶轮经过霍尔元件时输出低电平，离开霍尔元件是输出高地位，其作用是准确地感应、探测凸轮轴在所模拟的发动机运行过程中相对旋转角度位置，并以电压信号形式提供给ECU，便于ECU结合曲轴位置传感器信号，正确判定该时刻发动机每个气缸所处的工作相位，使系统按照规定的发动机工作顺序控制燃油喷射和点火顺序。从而更加精确地控制发动机的燃烧过程，降低有害燃烧排放物。凸轮轴位置传感器采用三根引线，一根是发动机电脑供电的电源线，一根是传感器供电线，还有一根是搭铁线。凸轮轴位置传感器的性能参数和技术规格见表2所示。
表2霍尔式凸轮轴位置传感器性能参数与技术规格
传动部件设计与选型：
电机，选取小型低压直流电动机，生产厂家深圳市易巨丰科技有限公司生产的MY6812A型电机，工作电压12v，无负载转速3800，输出功率为100W，每天运转时间不超过4小时，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器是实现发动机点火正时、喷油正时和减少排放污染物的非常重要的传感器，必须同步传动，且传动比i＝2，由于齿形带具有噪声小，成本低，工作可靠，伸长量小，传递精度高等特点，满足试验台的性能要求。根据传递功率和转速并结合实际情况选取齿形带的型号，最终确定带宽和大小带轮的齿数和结构参数如下。
同步带型号：60XL025；
小带轮齿数：16；
小带轮节圆直径25.87mm；
大带轮齿数：32；
大带轮节圆直径:51.74mm；
带宽6.4mm；
中心距：100mm。
直流电机转速控制：
电机采用直流电机时，直流电机按励磁方式的不同可分为：他励、并励、串励和复励电机四种。不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。对于直流电机来说人为机械特性方程式为：
式中：n0电动机的理想空载转速，其值为
Δn是转速差；
Ua压是电枢供电电(V)；
Ra是电枢回路总电阻(Ω)；
φ是励磁磁通(Wb)；
CE是电势系数；
CT转矩系数；
T是时间。
由式可以看出，要调节电机转速须改变电枢电阻Ra、电枢电压Ua和励磁磁通φ，但是利用改变电枢电压调速可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围大等优点。故本实用新型采用电位计控制器分压的形式改变电枢电压从而改变电机转速。采用的是北京龙电电机有限公司生产的B10K电位计控制器控制电机转速,调压范围在0-12V。
半实物仿真系统性能实验：
将常州硕博电子提供的电源SPD-400-XX接到本实用新型系统上，电源具有12V的双路输出供电，分别给电机和凸轮轴位置传感器提供可靠的电源。使用博世南京汽车部件有限公司生产的发动机分析仪，型号FSA740，读电机在不同转速的传感器输出信号波形，通道1采集曲轴位置信号输出波形，通道2采集凸轮轴位置信号波形，曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器的信号输出系统测试如图1所示，输出信号波形如图5-8所示。从图5-8中可以看出曲轴位置传感器转两圈，凸轮轴位置传感器转一圈，在模拟发动机曲轴磁电式传感器大齿缺齿输出基本信号正好对应凸轮轴输出低电平，此时即为1缸压缩上止点的信号，经过试验验证表明该信号试验台调速范围0-3640转/分，信号输出满足模拟发动机信号输出特征，满足设计要求。
电源：将常州硕博电子提供的电源SPD-400-XX接到实验台上，该电源具有双路输出供电，分别给电机和霍尔传感器提供可靠的电源。
电机：选取小型低压直流电动机，生产厂家深圳市易巨丰科技有限公司生产的MY6812A型电机，工作电压12v，无负载转速3800，输出功率为100W，每天运转时间不超过4小时。
电位计控制器：本系统采用电位计分压的形式改变电枢电压从而改变电机转速。采用的是北京龙电电机有限公司生产的B10K电位计控制器控制电机转速，调压范围在0-12V。
ECU(Electronic Control Unit)电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。它和普通的单片机一样，由微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。
VVT可变气门正时技术，就是在特定的发动机工况下，通过控制进气门开启角度提前和延迟来调节进排气量和时刻和改变气门重叠角的大小，来实现增大进气充量和效率，更好的组织进气涡流，调节气缸爆发压力与残余废气量，来获得发动机功率，扭矩，排放，燃油经济性，舒适性等综合性能的改善，从而解决传统固定配气相位发动机的各项性能指标之间相互制约的技术矛盾。
本实用新型的发动机信号轮传感器是实现发动机正时、提高发动机性能和减少排放的重要传感器，该教学仿真系统利用电动机代替发动机运转，从而实现信号轮传感器按照实际运转工况工作，并利用发动机综合诊断仪对其输出信号进行采集，结果表明所输出信号符合发动机工作时传感器的信号输出规律。且该系统具有较强的演示功能和结构展示功能，有助于工程技术人员掌握传感器结构、工作原理和信号输出
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，其特征在于：包括电机、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、电位计控制器、发动机分析仪、电源、支撑架、信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、齿形带，所述电机分别与电位计控制器、曲轴位置传感器电连接，发动机分析仪分别与曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器电连接，电源分别与电位计控制器、凸轮轴位置传感器电连接；所述支撑架与信号盘一、信号盘二、小带轮、大带轮、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器连接，齿形带分别与小带轮、大带轮连接；所述电位计控制器通过控制电压输出，控制电机转速，调速范围0-3640转/分；电机直接带动曲轴位置传感器转动，由于所模拟的发动机实际运转过程中曲轴转速和凸轮轴转速是2：1的关系，所以通过曲轴位置传感器的小带轮、大带轮传动带动，传动比为2:1转动带动凸轮轴传感器转动起来，把发动机分析仪安装信号测试通道1和通道2分别连接到曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号输出端，分别得到两个传感器的信号输出特性，通过改变电位计控制器输出电压，模拟发动机运转就得到不同的运转速度，因此能看到不同转速情况下的信号输出特性。
2.按照权利要求1所述的一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，其特征在于：所述曲轴位置传感器包括传感器引线、永久磁铁、气隙、凸齿、信号轮，所述传感器引线分别为信号线、信号地和屏蔽线，所述信号线与永久磁铁上的线圈连接，所述信号轮位于永久磁铁下方，气隙位于信号轮与永久磁铁之间，所述凸齿在信号轮的边缘处。
3.按照权利要求1所述的一种发动机信号轮传感器半实物仿真教学系统，其特征在于：所述凸轮轴位置传感器包括叶轮、信号轮、永久磁铁、霍尔元件、气隙，所述信号轮与永久磁铁连接，气隙位于信号轮与霍尔元件之间，叶轮在信号轮的边缘上。
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