（通信与信息系统专业论文）vvt发动机ocv阀及执行器在线测试系统.pdf

摘要 o c v 是可变气门正时发动机上控制发动机的进气门正时的机油控制阀，执 行器是改变凸轮轴相位的控制器。o c v 及执行器的生产和制造是一个涉及多学 科，复杂程度高，精密加工的过程，产品要经过严格的检验。国外在o c v 与执 行器产品测试方面已经形成一个较为完整体系，相比之下，国内很少有厂家能 够生产功能完善、精度高以及可靠性强的测试设备。为了提高产品合格率、生 产效率及降低生产成本，实现o c v 国产化，本文进行了v v t 发动机o c v 及执 行器在线测试系统的研制。 本课题在分析o c v 及执行器性能和生产过程的基础上，确定在线系统的技 术参数和测试项目，设计完整的系统测试方案，实现功能完善，精度高，可靠 性强在线测试系统。根据生产工艺和流程的需要，本系统被划分为o c v 相位控 制测试系统及o c v 阀芯位移测试系统。o c v 相位控制测试系统主要实现了两个 功能：1 ) 监测o c v 在不同占空比信号下的特性并定位出提前、滞后以及保持的 占空比区间。2 ) 监测不同占空比信号下执行器相位的动态特性。阀芯位移测试 系统主要实现了不同占空比信号下o c v 阀芯位移特性监测。本文完成如下工作： 相位测试系统的下位机控制程序，实现了指令接收、数据检验、信息反馈与p w m 控制信号发送。相位测试系统硬件平台搭建，根据测试参数选择传感器，配合 数据采样卡完成数据采集。阀芯位移测试系统控制器程序设计，实现了测试模 式选择、数据帧接收、p w m 信号发送以及结果显示等功能。阀芯位移测试系统 的硬件平台搭建，实现了o c v 驱动、报警装置等功能。 区别于传统的台架实验，本系统模拟汽车凸轮传动系统，结合计算机、数 据采样系统监测执行器的动态特性，分析o c v 各工况下的性能。结合生产流程 与制造工艺，在o c v 装配过程中对阀芯位移量进行测试，降低了次品率，控制 了生产成本。 本文最后对所做工作进行全面系统的总结并对下一步工作进行了展望，针 对系统存在的问题提出了预定方案，为系统测试精度、测试效率、稳定性以及 可靠性的提高提供了参考。 采集 关键词：机油控制阀，凸轮正时控制器，相位动态特性，阀芯位移，数据 a b s t r a c t o c vi st h eo i lc o n t r o lv a l v eo fw te n g i n e ，w h i c hd e t e r m i n e sw h e nt h ei n t a k e v a l v eo p e na n dc l o s e t h em a i np u r p o s eo fa c t u a t o ri st oc h a n g et h ec a m s h a f tp h a s e t h em a n u t u l eo fo c va n da c t u a t o ri sam u l t i d i s c i p l i n a r y , h i g h - p r e c i s i o np r o c e s s a n dp r o d u c t sm u s tu n d e r g oar i g o r o u si n s p e c t i o n t h et e s t i n gs y s t e mf o ro c v a n d a c t u a t o ri sv e r ya d v a n c e da b r o a d ，w h i l ef e wm a n u f a c t u r e r so fo u rc o u n t r y c a n p m d u c et h ee q u i p m e n t s i no r d e r t oi m p r o v et h er a t eo fq u a l i f i e dp r o d u c t s ，t h e e 丘i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，r e d u c et h ec o s t sa n da c h i e v et h el o c a l i z a t i o no fo c v , t h i s s u b j e c ts t a r t st od e v e l o p ao n l i n et e s t i n gs y s t e m o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fo c va n da c t u a t o rp e r f o r m a n c e ，t h i ss u b j e c t d e t e n n i n e st l l et e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，d e s i g n s av a l u a b l et e s t i n gp r o g r a m ，a n d c o m p l e t e sf u l l yf u n c t i o n a l ，h i g hp r e c i s i o n ，r e l i a b l eo n l i n et e s t i n gs y s t e m a c c o r d i n g t op r a c t i c a ln e e d s ，t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t oa c t u a t o rp h a s et e s t i n gs y s t e m a n d t h eo c v s p o o ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m p h a s et e s t i n gs y s t e mh a s m a i n f u n c t i o n s ：m o n i t o r i n go c vc h a r a c t e r i s t i c s i ns i g n a l so fd i f f e r e n td u t yc y c l ea n d l o c a t i n gd u t yc y c l er a n g e o fa d v a n c e ，d e l a ya n dc l o s e ；m o n i t o r i n gt h em a x i m u m s t r o k ea n 9 1 eo fi m p l e m e n t a t i o n d i s p l a c e m e n tt e s ts y s t e mi sm a i n l yt om o n i t o ro c v s p o o ld i s p l a c e m e n ti n d i f f e r e n td u t yc y c l e s t h eo n l i n et e s t i n gs y s t e mi n c l u d e s s i m u l a t e dc o n t r o ls i g n a ls y s t e mo fa u t o m o b i l ee n g i n e ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n d s e n s o r s t h i sp a p e rc o m p l e t e st 1 1 ef o l l o w i n gt a s k s ：t h el o w e rc o m p u t e rp r o g r a m i e c e i v e si n s t r u c t i o n ，e x a m i n e sd a t a , f e e d b a c k si n f o r m a t i o na n do u t p u t sp w m c o n t r o l s i g n a l h a r d w a r ep l a t f o r mo fp h a s et e s t i n g s y s t e mi n c l u d e ss e n s o r sa n dt h e d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hc o l l e c t s t h ed a t af r o ms e n s o rs y s t e m m c uo fs p o o l d i s p l a c e m e n tt e s t i n gs y s t e mr e c e i v ed a t e ，o u t p u ts i g n a la n ds h o wt h e r e s u l t t h e h a r d w a r ed r i v e st h eo i lc o n t r o lv a l v e c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lt e s t i n gm e t h o d ，t h es i m u l a t e dc a ms y s t e ma n d c o m p u t e rd a t as a m p l i n gs y s t e mm o n i t o r st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f a c t u a t o ra n d t h ep e r f o r m a n c eo fo c vi nv a r i o u sc o n d i t i o n s d u et op r o d u c t i o np r o c e s s e s ，m e s p 0 0 1d i s p l a c e m e n to fo c vc a nr e d u c et h e d e f e c tr a t ea n dc o n t r o lt h ec o s to f p r o d u c t i o n i i a tt h el a s to ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko ft h i st e x t ， l o o k sa h e a dt ot h en e x ts t e pa n dp u t sf o r w a r ds c h e d u l e dp r o g r a mf o rt h ee x i s t i n g p r o b l e m s t h i sw i l lh e l pi m p r o v et h ep r e c i s i o n , e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y o fo n l i n e t e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：o i lc o n t r o lv a l v e ，a c t u a t o r , e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，d a t aa c q u i s i t i o n , p h a s ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s p l a c e m e n to fs p o o l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 发动机是“汽车的心脏 ，为汽车提供动力，许多国家、发动机厂商以及科 研机构正投入大量人力、物力进行新技术的研究，用以提高汽车的动力性、经 济性以及环保性【l j 。 传统发动机的凸轮轴相位不能随汽车速度、负荷以及各种外部因素变化， 在整个运行的过程中，仅在很小的工况范围内，发动机才会获得最佳的配气相 位，在其它情况下则很难兼顾【2 】。v v t ( v a r i a b l e v a l v et i m i n g ) 网“智能可变气门 正时系统”的出现解决了这一传统难题，进气门开启与关闭的时机能够随着发 动机工况实时调节，保证了充气系数、发动机扭矩和功率的最优化，最终提高 了燃油燃烧的经济性以及降低废气的排放量 4 1 。如今，世界各大汽车生产厂商已 经纷纷推出自己的v v t 发动机，这些发动机虽然名称各异，但原理都是大体相 同，知名度较高的如：丰田的w t - i 发动机、本田的i - v t e c 发动机、福特的 v c t 发动机、宝马的d o u b l e v a n o s 发动机【5 】、三菱的m i v c e 发动机、英菲 尼迪的v v e l 发动机、奥迪的a v s 发动机以及菲亚特的m u l t i a i r 发动机等。 o c v 和执行器是气门可变正时v t ) 发动机系统关键部件，o c v 是可变气 门正时发动机上控制发动机的进气门的液压控制阀【6 】，执行器是改变凸轮轴相位 正时控制器【7 j 。汽车电子控制单元计算出最佳气门正时，输出p w m 控制信号改 变o c v 阀芯位置，改变油路，影响执行器转动方向和凸轮相位，最终改变了进 气门开启与关闭的时机瞄j 。 o c v 及执行器的生产和制造是一个涉及多学科，复杂程度高，精密加工的 过程，产品要经过严格的检验。国外在o c v 与执行器产品测试方面已经形成一 个较为完整体系，相比之下，国内很少有厂家能够生产功能完善、精度高以及 可靠性强的测试设备。为实现o c v 及执行器自主开发与生产，宁波诺依克汽车 电子有限公司与武汉理工大学信息学院智能信息研究所合作，共同开发了“v v t 发动机o c v 及执行器在线测试系统。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究水平和发展现状 1 2 1 可变气门技术的研究现状 可变气门技术可以带来非常具有吸引力的发动机性能改善效果，因此自从 发动机开发之初，工程师们就梦寐以求地渴望实现发动机气门的可变控制。最 早的关于可变气门技术的专利是在1 8 8 0 年，英国人d u g a l dc l e r k 发明了一种用 于煤气发动机上的可变气门机构【9 】。1 9 1 8 年，发明家哈尔腾博格获得了一项将 汽油机凸轮轴转过一个角度的专利【1 0 1 。从1 8 8 0 年到1 9 9 0 年的1 1 0 年间，仅美 国专利局大概有8 0 0 项关于可变气门技术的专利【l l 】，其中大部分是在1 9 8 5 1 9 8 7 年间获得的1 1 2 。j ，同时广大研究者也发表了大量关于可变气门技术研究的文章。 然而，纵使有多项可变气门技术的专利和研究，这期间投入实际产品发动 机应用的却较少。到1 9 8 1 年，c a d i l l a c 发动机上使用了一种比较简单的可变气 门定时机构，在低负荷时停止一些气缸的气门工作，可以根据发动机运行工况 的变化改变有效排量，进而有效地提高了发动机的效率。 世界上最早投入成批生产的可变气门机构是a l f a r o m e o 公司于1 9 8 3 年用于 双凸轮轴两气门发动机上的两点式可变凸轮轴相位装置；1 9 8 7 年，n i s s a n 公司在 其部分发动机上也使用了调节凸轮轴相位的可变气门机构。 2 0 世纪9 0 年代后，由于排放法规的日趋严格和燃油经济性的要求不断提高， 可变气门技术的研究成为热点，研究人员开发出了一系列基于凸轮轴的可变气 门机构，并且成功用于车用发动机。其中，可变凸轮轴相位应用较为广泛，并 且形式也趋于一致，较有代表性的为t o y o t a 公司的v v t 以及b w m 公司的 v a n o s l l 4 。可变凸轮型具有代表性的为日本h o n d a 公司的v t e c ，m i t s u b i s h i 公 司的m i v e c 以及p o r s c h e 公司的v a r i o c a m 。另外也有一些机械式全可变气门 机构，包括b m w 的v a l v o t r o n i c s i s j ，德国m e t a 公司、美国d e l p h i 、英国m e c a d y n e 公司等均有相应的可变气门机构。 2 0 世纪9 0 年代中后期，研究人员开始发起了无凸轮气门机构的研究。其中， 英国l o u t s 公司，美国f o r d 、s t u r m a n 公司，b o s c h a v l 公司等分别展开了电液 驱动式气门机构的研究。f e v 、a u r a 、h o n d a 、b m w 、v i s i o n 等公司等分别展 开了电磁驱动式气门机构的研究【”d 8 1 。但是无凸轮的气门机构目前还主要处于 研究阶段，还未见到其大量应用于实际车用发动机的研究报道。 在国内，可变气门技术的研究从2 0 世纪9 0 年代逐步开始。9 0 年代中期， 2 武汉理工大学硕士学位论文 研究人员开发出了一种用谐波传动实现的可变凸轮相位机构，可实现小级差的 多级调相l l 圳。2 0 0 0 年后，吉林大学、上海交通大学与长春汽车研究所等设计了 一种液压张紧器式的可变配气相位机构，可使气门实现两级式变化( 进气门：提前 1 5 。c a ，滞后1 3 。c a ) t 2 0 1 ，清华大学开展了电磁驱动式气门机构的研究【2 1 1 ，浙江 大学对电磁驱动式气门机构进行了模型的仿真研究1 2 2 1 。但与国外相比，可变气 门技术只是局限于实验室研究，还没有形成具有自主知识产权的，可以广泛应 用于车用发动机的可变气门机构。 1 2 2 可变气门执行系统研究现状 无凸轮执行系统按驱动方式可分为：电磁可变气门执行系统【2 3 - 2 4 】、电机控 制凸轮可变气门执行系统、电气可变气门执行系统【2 5 1 、电液可变气门执行系统 等。国外对电液可变气门研究较早，根据控制方式的不同主要有以下四种： 1 ) 福特公司研制的无弹簧双阀电液可变气门驱动系统【2 6 】，该系统通过将气 门与一个液压活塞相连接，通过电磁阀控制液压缸内油液通断，从而控制活塞 气门的运动。液压活塞与气门相连。该电液气门驱动系统可达到相当于发动机 转速在8 0 0 0 r m i n 下的响应速度。 2 ) l u c a s 公司研制双阀控制单弹簧电液可变气门驱动系统【2 刀。该系统使用一 个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀协同控制气门开闭，通过复位弹簧回位。 气门正时及开启速度和气门升程均有电控单元控制，从而能根据发动机转速和 负荷等信息优化发动机的性能。 3 ) d m m l e r - b e n z 公司开发了单阀双弹簧电液可变气门驱动系统【2 引，该系统 通过加速踏板位置、内燃机转速等数据，精确计算出气门开启时刻和持续时间， 计算机将由传感器反馈控制信号精确实现气门定时。气门与柱塞固定相连，柱 塞在液压下由液压缸一端自由移向另一端。油压将柱塞顶靠在液压缸一端使气 门开启，并持续一段精确的时间。在适当时刻电磁阀又开肩，使液压油回流。 柱塞再次移动，气门又在其弹簧力的作用下迅速关闭。因此能耗很低，而且 在不需要内燃机满负荷工作时，可以依次关闭一部分气缸或使其怠速运转，而 又不让这些气缸冷却下来，从而既降低了燃油消耗又降低了排放。 4 ) 南卡莱罗纳大学研制了单弹簧单阀控制电液可变气门执行系纠2 9 1 ，当控 制硬件发出一个电脉冲信号，该信号会引起压电管的扩张，而这个线性扩张将 会转变为液压伺服阀的运动，伺服阀的轻微运动将会激励压力液体流动和压力 武汉理工大学硕士学位论文 变化，同时会通过作用到与气门相连接的液压活塞的方式转变为线性运动。当 线性轴向上或向下运动时候，压力液体通过孔流动使气缸体内活塞上下的压力 不断变化，从而使液压活塞带动气门上下往复运动。 国内电液可变气门执行系统研究起步比国外晚，目前还处于实验室研究阶 段。主要有武汉理工大学、天津大学、北京理工大学以及浙江大学。天津大学 周能辉，谢辉等人开发了h c c i s i 双模式汽油全可变气门控制系统【3 0 】。该系统 可实现进气门升程、进气门相位、排气门升程、排气门相位等4 个参数的独立 自由控制，并且提出了全可变气门自适应p i d 控制策略、发动机负荷控制策略 及其h c c i s i 模式过渡控制策略等。张纪鹏，姜惠，张洪信等人开发了电液驱 动可变配气正时机构l 3 。该系统采用常开电磁阀和常闭电磁阀同时控制，可实 现2 0 0 0 r m i n 转速发动机的配气相位调节。天津大学的李志锐等人研制了无凸轮 驱动配气机构脚j 。该配气机构可以实现气门正时、气门升程和气门运动速度的 连续可变控制。该系统没有凸轮和弹簧，而是利用液压流体的弹性实现对气门 的开启和关闭进行加减速。吉林大学的王云开等人在1 1 0 5 单缸柴油机的基础上 开发了无凸轮轴电液配气机构【3 3 】。该系统在系统压力为1 5 m p a 时，可使原 3 0 0 0 r p m 单缸柴油机的气门升程达到1 0 m m 。并且开启持续期比原机更长。 1 2 3v v t 发动机测试系统发展现状 天津大学的王昌庆开发了高压共轨柴油机电控系统，实现了柴油机气门可 变的试验研究【3 4 1 。天津大学的刘小平开发的可变凸轮配气相位机构测试系统试 验了解相位器在不同的温度、压力，在空载和负载等工作条件下的特性。讨论 了提前、滞后不同相位角情况下，系统的快速响应性和泄漏特性，并就在不同 径向力作用下，相位器系统的特性进行了对比分析。东南大学的李诚以n i 的 c o m p a c tr i o 为硬件平台，l a b v i e w 为软件平台，构建了c v c t 台架试验控制 系统，对发动机转速以及凸轮轴相位进行测试。通过对试验数据的对比分析， 总结出c v c t 系统的工作特性，改善c v c t 系统的性能【3 5 1 。哈尔滨工程大学的 陈任炫开发出一套配气系统，安装于4 1 0 2 b g 发动机上，研究了发动机转速、液 压系统的压力和驱动电压对可变配气机构控制特性的影响【3 6 1 。 上述研究均为实验室离线测试系统，德国i n a 公司生产的o c v 在线测试系 统，功能强大，能够对o c v 及执行器全方位的测试，分析其各项参数。该系统 由传感器、数据采集系统、p w m 信号发生器、电机、液压系统等构成。p w m 4 武汉理工大学硕士学位论文 信号发生器控制o c v 动作，计算机通过数据采集系统采集传感器模块电信号， 监控o c v 的各项性能指标。该系统内置了压力、温度调节装置，压力最大可达 5 m p a ，温度最高可达1 5 0 ，除了性能测试以外，还能进行寿命测试。该系统良 好的的上位机人机交互界面，用于显示o c v 在各个温度、压力下的各种性能指 标，同时将测试得到的参数进行数学计算，输出函数关系曲线，方便了操作人 员进行系统分析。国内在此方面做出过研究的企业生产了一些测试设备，如： 重庆阿尔九有限公司生产的o c v 测试设备。上位计算机软件主操控台采用了最 新的双屏双显设计模式，主控台能实现所有的流程控制，如：手自动切换，报 警输出、下位p l c 模块工艺参数设定以及p w m 占空比电源指令下发通讯等各 种复杂情况的交互操作。上位计算机软件主控台采用了图形化操作界面，主控 流程图上能非常直观地显示设备的运行情况和整个工艺流程、数据监测也更全 面、直观。 本文研制的在线测试系统较国内测试系统有几个优势与特点： 2 ) 本测试系统集产品设计与生产检测于一体。 3 ) 立足于现有的实际生产工序，将整个系统分成两部分，不仅测试了o c v 的整体性能，还测试了o c v 局部性能。 3 ) 本系统从测试台体、液压系统、气动系统、凸轮传动系统、电路以及软 件设计全部由本研究所以及合作企业完成，制造成本较低。 1 3 研究目的、研究内容以及创新点 1 ) 本文研究目的 在分析o c v 及执行器性能和工艺过程的基础上，设计对各项性能的测试方 案，并对方案的可行性和科学性进行论证。完成测试设备的开发和实际的工业 化生产应用，提供功能完善，精度高，可靠性强在线测试系统。 2 ) 本文的主要研究内容 完成项目调研，确定系统的在线测试方案与技术指标。 结合产品测试与生产的需求，设计高效率的测试流程及相关测试方法。 完成硬件平台的设计与实现，本系统中硬件平台主要包括硬件电路， 模拟汽车发电子控制系统与传感器系统。本系统中涉及到温度传感器、压力传 感器、角度传感器以及位移传感器。 “ 模拟汽车电子控制单元，实现o c v 与执行器的控制。 5 武汉理工大学硕士学位论文 设计数据采集系统。对于传感器系统的数据需要采集系统进行对数据 的采集。 3 ) 本文的创新点 国内传统测试系统主要是基于汽车发动机台架实验，这种测试无法对 o c v 与执行器的性能进行定量分析，而且随机性较大，本系统模拟汽车凸轮传 动系统，结合计算机、数据采样系统监测执行器的动态特性，分析o c v 各工况 下的性能。 q 结合生产流程与制造工艺，在o c v 装配过程中对o c v 阀芯位移量进 行测试，降低了次品率，控制了生产成本。 1 4 本文的内容安排 第1 章介绍了o c v 及执行器测试系统国内外研究水平和发展现状，提出了 本文的研究目的，研究内容及主要创新点。 第2 章介绍了v v t 发动机、o c v 以及执行器的构造和工作原理，分析了影 响o c v 性能的关键技术参数。 第3 章对w t 发动机o c v 及执行器在线测试系统进行了框架构建，根据系 统设计原理进行元器件选择、方案构建。根据生产需要，将整个系统分为o c v 相位控制测试系统以及阀芯位移特性测试系统。 第4 章从硬件设计与下位机软件设计两个方面对相位测试系统进行全面、 具体地阐述和说明。 第5 章从硬件设计与控制器软件设计两个方面对o c v 阀芯位移特性测试 系统进行全面、具体地阐述和说明。 第6 章结合理论对测试结果进行分析，然后本文所做工作进行全面系统的 总结，最后对下一步工作进行了展望，针对系统存在的问题提出了预定方案。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章o c v 与执行器的结构和工作原理 可变气f - jj t 时系统v t ) 主要由传感器系统、e c u l 3 7 1 ( 电子控制单元) 、执行 器( 可变凸轮正时控制器) 【3 8 】以及o c v ( 凸轮轴正时液压控制阀) 【3 9 】构成。e c u 计 算出行车过程中最佳气门正时，发送p w m ( 脉冲宽度调制) 信号至o c v ，控制 o c v 状态( 提前、滞后以及保持) ，改变液压系统油路，进而驱动执行器朝对应 方面旋转，从而改变凸轮轴与曲轴的相对相位，从而控制气门开启或者关闭的 时亥u 4 0 l 。 2 1o c v 的构造及工作原理 o c v ( 3 轮轴正时机油控制阀) 由p w m 信号连接器、铁芯、阀芯、线圈和弹 簧等构成。控制信号自连接器进入线圈，产生电磁力，铁芯开始移动，带动阀 芯移动，改变油道以及执行器提前侧和滞后侧机油供应量，从而带动凸轮轮旋 转。其内部结构如图2 1 所示。 - _ l_ - - 黼期闽自左舞后期闻自右 采自机濂 莲路 图2 1o c v 内部构造图 o c v 实质上是一个脉宽调制电磁阀，线圈的电流量决定了阀芯的移动量， 移动量决定阀芯的位置，阀芯的位置决定了油路的开闭。电流量愈大，电磁力 愈大，阀芯的位移量也愈大；同理，电流愈小，电磁力愈小，阀芯的位移量也愈 7 武汉理工大学硕士学位论文 小。线圈电流由单位时间内通电时间h 二( p w m 信号占空比) 决定，通电时间比愈 大，电流量也愈大；反之，电流量愈小。发动机e c u 发出脉宽可调的信号，占 空比大小决定了阀芯的位置，控制通住执行器转子叶片两侧的机油流量，最终 控制凸轮轴相位。 信号占空比、o c v 油路开闭以及执行器凸轮轴相位的关系如表2 1 所示。 表2 一l 信号占空比与o c v 动作 一_ _ _ _ - _ - _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i i _ _ _ _ _ _ - _ i l _ _ _ - - - _ l _ _ _ - l _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ l - _ - _ _ _ l l l _ _ _ - _ - l - 一 p w m 信号占空比 o c v 油路开闭 凸轮轴相位 大 提前室开启、滞后室关闭 最大 中提前室关闭、滞后室关闭 中间 小 提前室关闭、滞后室开启 最小 2 2 执行器构造及工作原理 执行器( 凸轮轴相位控制器) 由外壳( 固定在正时齿轮上) 和转子( 固定在凸轮 轴上) 组成，结构如图2 - 2 所示。 镂镑i _ 作 角 v 钎控制嚣 髓显示歪时莲迟情况 图2 2 执行器内部构造 来自o c v 的油压被施加到执行器的提前室和滞后室，并且使转子转动以便 持续改变进气凸轮轴相位。 发动机停止时，锁销将转子保持在最大滞后位置。当发动机起动时，油压 使锁销松开。 执行器提前期间： 8 武汉理工大学硕士学位论文 p w m 信号占空比较大时，o c v 阀芯移到了左侧，提前室打开，滞后室关 闭，执行器的提前室有油压，凸轮轴相位逐渐增加，如图2 3 所示。 图2 3o c v 提前系统油路 执行器滞后期间： p w m 信号占空比较小时，o c v 阀芯移到了右侧，提前室关闭，滞后室打 开，执行器的滞后室有油压，凸轮轴相位逐渐减小，如图2 4 所示。 按方向 图2 4o c v 滞后系统油路 p w m 信号居中时，o c v 阀- 心- h - - 处于中间，提前室、滞后室均关闭，执行器 提前室、滞后室均无油压，凸轮轴相位保持不变。 2 3o c v 设计参数的选择 1 ) 线圈匝数 9 武汉理工大学硕士学位论文 线圈匝数影响的实质在于电感量。匝数多，电感量l 大，电磁力大，铁芯 获得大的加速度。但另一方面，过渡过程时间常数也大，电流响应慢。可见线 圈匝数太多、太少都不利于电磁阀的快速动作。因此，必然存在一个使动作时 间最短最合适的匝数。 2 ) 线圈电阻 线圈电阻越大，线圈电流越小，其开启和关闭的时间都将延长，而且电流 的响应速度也减慢，所以应尽量减小线圈电阻，选择合适的漆包线型号。 3 ) 材料 由于导磁体本身的磁饱和现象，磁通量与电流为非线性关系。当电流达到 一定程度时，磁通量将不再增加，所以应选择具有高磁饱和磁通密度的材料作 为导磁体。 4 ) 弹簧 在电磁阀提前过程中，弹簧力是阻力，而在滞后的过程中，弹簧力是驱动 力。因而在行程一定的情况下，对弹簧弹性系统的选择必须兼顾提前与滞后这 两个过程，选择合适的弹性系数。 2 4 本章小结 本章介绍了o c v 、执行器的构造及工作原理。当p w m 信号占空比变化时， o c v 线圈电流变化，电磁力控制阀芯动作，提前室与滞后室会开启或者关闭， 执行器带动凸轮轴转动，控制气门正时。同时，分析了影响o c v 性能的各关键 参数。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 系统功能 第3 章系统构建及方案设计 o c v 通过不同的工作状况改变系统油路，进而驱动执行器转动凸轮轴，改 变发动机气门正时，本系统要判定出占空比信号下o c v 是提前、滞后还是保持。 o c v 提前时，执行器相位会逐渐增加至行程角度的最大值；o c v 滞后时，执行 器相位会逐渐减小至行程角度的最小值；o c v 保持时，执行器相位则会停留在最 小值与最大值之间，保持不变。通过监测执行器相位的动态特性即可辨别出o c v 的工作状况。 阀芯质量、行程、磁路长度、导磁材料等直接决定产品性能。国内机械加 工工艺较国外差距较大，产品加工精度相对国外较低。购入国外加工设备，价 格极其昂贵。设计o c v 时，在参考原装产品的基础上，根据自身条件修改相关 参数。信号占空比控制线圈电流，电流控制电磁力，电磁力控制铁芯移动，铁 芯带动阀芯，阀芯位移量决定o c v 工作状况。铁芯、阀芯、弹簧以及外壳间的 匹配程度决定了产品的合格率。在o c v 装配过程中，监测阀芯位移量能够有效 地提高产品合格率，降低生产成本。 o c v 及执行器在线测试系统测试功能主要为： 1 ) 监测在不同占空比信号下o c v 的工作状态，定位出其提前、滞后以及保 持的占空比区间。 2 ) 监测不同占空比信号下执行器相位动态特性。 3 ) 监测不同占空比信号下o c v 内部阀芯位移特性。 限于现有机加工条件，各零部件都有一定的工差，如果等到o c v 装配完毕， 再进行总体性能测试，生产成本将无法控制。装配过程中就进行阀芯位移特性 测试，发现不合格立即零部件换下，重新装配，如此做法在很大程度上降低了 次品率。基于此种考虑，本系统分为两个子系统： 1 ) o c v 相位控制测试系统。 2 ) o c v 阀芯位移特性测试系统。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统测试功能 3 2 1o c v 相位控制测试系统功能 1 ) 监测不同占空比下，o c v 工作状况，定位出o c v 提前、滞后以及保持 的占空比区间，以利于产品性能改进。 2 ) 监测执行器相位，定位出执行器行程角度范围。 3 ) 监测p w m 信号的频率以及占空比，保证测试可靠性。 4 ) 测试完毕，系统显示测试结果，并将测试时间、测试人员、测试结果等 信息自动保存，方便查阅。 5 ) 本系统操作人员较多，为了防止关键技术参数被窃取、恶意修改，系统 设置有安全保护机制。 6 ) 实时监测液压系统压力、温度，系统配备紧急处理装置，避免意外情况 的发生。 3 2 2 阀芯位移测试系统测试功能 1 ) 监测不同占空比下o c v 阀芯位移量，为产品设计与生产提供参考。 2 ) 监测控制信号频率与占空比，保证测试的可靠性。 3 ) 监测气动系统压力，防止系统压力过大发生意外。 3 3 系统设计原则 对于系统开发来说，我们要明确系统的功能需求，根据需求对功能模块进 行分析，制定技术细节和标准。在系统设计环节我们需要遵循一些必要的原则， 这样对于开发的效率会有很好的帮助。结合本文测试对象，在设计的过程中， 我们基本遵循了以下几个方面： 1 ) 良好的性价比：硬件投入占据了整个系统研发成本的绝大部分。在硬件 设计中，我们始终把达到性能指标作为第一要务，在满足了这个大前提的基础 之上，以尽可能低的价格购入设备，提高性价比。 2 ) 安全性和可靠性：在系统设计过程中，我们要尽可能考虑到各种因素， 保证设备在规定条件下，能够安全、稳定、可靠地运行。在本文中，要考虑液 压条件下的温度、压力、电压和电流等。加入了电涌保护器，避免了大功率油 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 泵接入时产生的巨大电流损坏其它电器。拥有过流保护机制，电流超过规定值， 自动切断电源，保证了整个电路的安全。 3 ) 抗干扰能力：本系统拥有较强的抗干扰能力。单片机及电磁阀均采用独 立直流稳压电源供电，控制信号与大电流间采用光电隔离。传感器信号都是通 过屏蔽线传输，从源头以及传输途径上降低了干扰。下位机程序中有检验机制， 防止收到垃圾数据。 4 ) 测试精度：对精度的要求往往会在硬件选材上有体现，本文数据采样卡 采样位数为1 3 位，光栅测微仪分辨率达到o 0 0 5 m m ，角度传感器分辨率达到了 0 0 1 0 。 5 ) 驱动能力：o c v 以及进泄油额定工作电流都较大，数据采样卡以及单片 机端口驱动能力有限，系统配备了相应的驱动电路。 6 ) 可扩展性：随着研究的深入，现有的功能以及规模都将不能满足要求， 在硬件和软件设计时，已经充分考虑此点，方便系统升级。 3 4o c v 相位控制测试系统 本系统包括测试台台体、液压系统、凸轮轴传动系统、传感器系统、模拟 电子控制单元、数据采集系统。测试台台体、液压系统均由专职人员完成，本 文工作主要集中在硬件电路与下位机软件设计与实现。 3 4 1 硬件框架 系统硬件框架如图3 1 所示。 图3 1o c v 相位控制系统硬件框图 武汉理工大学硕士学位论文 上位机控制下位机发送p w m 信号，o c v 阀芯位置开始变化，油路开始切 换，执行器旋转，凸轮轴相位改变。传感器将液压系统压力、温度以及执行器 相位转化为与之有一定关系的模拟电信号，通过信号采集系统传递给计算机， 计算机通过监测执行器的相位信息，结合程序以及相关测试方法，最终确定待 测产品的合格性。 1 ) 传感器 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转化成可用输出信号的 器件或者装置。本系统需要三种传感器：温度传感器、压力传感器以及角度传 感器，温度、压力传感器监测液压系统的温度与压力，角度传感器监测执行器 相位。 2 ) 模拟电子控制单元 汽车电子控制单元( e c u ) 根据传感器反馈信息计算出最佳气门正时，发送 p w m 信号控制o c v 内部阀芯位移，改变系统油路，控制执行器向提前或者滞 后方向转动，从而改变凸轮轴相位。本系统采用上位机与下位机模拟汽车e c u ， 上位机根据测试需要通过串口发送数据帧指令，控制下位机发送占空比信号， 控制o c v 以及执行器。数据采集系统将液压系统压力、温度以及执行器相位反 馈给上位机，实现实时控制。结构框架如图3 2 所示。 图3 2 模拟e c u 结构框架 3 ) 信号采集系统 计算机无法直接识别传感器的模拟电信号，只能先通过信号信号采集系统， 将模块量进行a d 转换，计算机再提取数字量进行控制。信号采集系统的主体 是p c i 采样卡，本系统监测模拟量如下：油温、油压、执行器相位、p w m 信号， 而该采样卡提供了3 2 个高速、高精度( a d 转换时间1 6 | ls ，o 1 的系统误差) 采样通道，足以满足要求。 采样卡还提供了丰富、功能强大的上层用户函数，诸如：i n i t d e v i c e a d 、 r c a d d e v i c e a d 、s e t d e v i c e d o 等，程序员不用理会设备地址、寄存器端口、中断 信号等底层信息，其复杂的控制细节完全封装于上层函数中，大大缩短了开发 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 周期。数据采样卡同时提供了数字输入及数字输出功能，实现外部信号控制以 及信号输入，如：按键，信号灯等。 4 ) 液压系统 液压系统框架如图3 3 。 图3 - 3 液压系统框架 液压系统分为：液压站、进n 油阀、油泵、回油箱、接收盘。液压站装载 液压油，油泵提供整个液压系统的循环动力，进泄油阀控制系统压力，回油箱、 接油盘、油压站构成整个循环油路。 3 4 2 软件框架 系统软件结构框图如图3 - 4 所示。 图3 4o c v 相位控制测试系统软件结构 根据企业要求，系统主要分为4 个模块：自检、参数设置、自动测试以及 手动测试。 3 5o c v 阀芯位移测试系统 位移测试系统的测试对象是o c v ，主要功能为监测不同占空比信号下，o c v 武汉理工大学硕士学位论文 阀芯的位移量，判定产品合格性。本系统包括测试台体、气动系统、位移传感 器、模拟电子控制单元。测试台体、气压传动系统等均由专职人员完成，本文 主要专注于电路设计与系统软件构建。 3 5 1 硬件框架 控制器发送占空比信号，o c v 阀芯位移量改变，位移量经过光栅测微仪进 行光电转换，经过光栅数显仪里面的处理电路转换成数字量通过串口反馈给 e c u ，e c u 将数据与标准值进行对比，在合理的范围内，则该产品合格，反之 则不合格。硬件框架如图3 5 。 图3 5 系统硬件框架 1 ) 测试模式选择装置 根据企业要求，位移测试系统需要多种测试模式以完成不同的测试任务， 本文用测试台面板上按键改变控制器i o 口的电平，改变系统的测试模式。 2 ) 控制器 控制器实现如下功能： 设置多个测试模式，满足生产测试与产品研发。 输出p w m 控制信号，控制o c v 及执行器动作。 输出信号占空比能连续可调，便于产品性能改进。 接收光栅数显仪的数据帧。 3 ) 光栅测微仪与光栅数显仪 采用莫尔条纹测位移原理。光栅作为测量元件，用光敏管将接收到明暗变 化的光信号转换为电信号，输出两路相位差9 0 。的正弦信号，经电缆将两路信 号送到数显仪器进行放大、细分、模数转换，最后由数码管显示测量的长度并 有b c d 码输出，数显仪还配备了串1 3 可以将位移量转化为数据帧传递给控制器。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 报警装置 测试完毕，显示测试结果，利用不同的灯光表示产品的合格性。 3 5 2 软件框架 阀芯位移测试系统软件框架如图3 - 6 。 图3 6 阀芯位移测试系统软件框架 根据企业要求，位移测试系统有3 种模式： 1 ) 快速测试：验证弹簧、外壳以及阀芯匹配程度，发现不合格，即拆下重 新装配，降低次品率以及生产成本。 2 ) 总成测试：o c v 装配完毕，验证o c v 整体的位移特性。 3 ) 调试模式：主要用于产品研发。该模式下，操作者能够任意调节控制器 输出信号的占空比，观测阀芯位移量。 3 6 本章小结 结合生产工艺和流程的需要，将本系统划分为两个子系统：o c v 相位控制 测试系统与o c v 阀芯位移测试系统。o c v 相位测试系统主要实现了o c v 各工 况占空比区间定位，执行器相位特性的监测。阀芯位移测试系统用于监测在不 同占空比下，o c v 阀芯位移变化。整个系统主要分为生产测试与产品调试两块 功能，生产测试用于流水线生产，产品调试主要用于产品性能改进。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章o c v 相位控制测试系统 在整个系统设计中，作者参与了元器件选择，硬件电路设计、调试以及维 护，下位机控制程序的编写，本章将从硬件设计与软件设计两个方面对该系统 功能进行阐述和说明。 4 1 硬件设计与实现 上位机通过r s 2 3 2 发送数据帧给下位机，控制下位机发送p w m 信号，经 由驱动电路控制