第3章-电气仪表与辅助电器

第3章电气仪表与辅助电器工程机械电气设备是由许多复杂电器部件组成的总体。为了掌握车辆的运行状态，需要用到各种检测仪表，通称为电气仪表。所有电气仪表都被安装在施工驾驶人员座椅前面的仪表板上。对于不同的机型，其基本结构和工作原理大体相同。1工程机械电气仪表分为仪表板总成和单个仪表。近年来，采用组装式仪表总成已日趋广泛，外形更加美观和清晰。电气仪表的结构和作用原理大致分为机械的和电气的两类。靠电能工作的仪表实际上也是一种用电设备。所有仪表又都由传感器和指示器两部分组成。仪表的指示灯部分统称为表头。为力求整齐美观，各种车型所配用的仪表指示器，都要求外形大小一致（除车速里程表）。工程机械在行驶中，常需承受剧烈的振动，因此，要求仪表的结构简单和牢固，耐振动和工作可靠。2第一节常规电气仪表电流表的作用是在柴油发动机运行和工程机械车辆的行驶中，反映电源和用电设备工作情况的指示仪表，其示值的单位为电流强度：A。交流发电机向铅蓄电池充电的示值为“+”，铅蓄电池向用电设备供电为“-”，故指示的“0”位在标度盘上中央。有的工程机械车辆则不用电流表而采用一个红色指示灯，跨接在交流的发电机和调节器的充电电路中。红灯亮时表示不充电，熄灭时表示充电正常。但也有采用二者并用的。红色指示灯仅起到监视的作用，而不能指示电流的强度。31.电流表的构造类型与工作原理工程机械车辆用的电流表以其结构不同，分为电磁式和动磁式两种。而以电磁式的应用最为广泛。它具有结构简单和耐振动的优点。1）电磁式电流表2）动磁式电流表4图5-1电磁式电流表结构简图5交流发电机向铅蓄电池充电时，示值为“+”，铅蓄电池向用电设备放电时，示值为“-”。工程机械车辆电流表示值安培读数的大小，因柴油发动机功率大小、工程机械车辆用途和功能及其配置的交流发电机功率不同而异，通常有-20~20,-30~30,-50~50,-100~100A等多种规格。6图5-2动磁式电流表结构原理示意图7这种动磁式电流表远比电磁式电流表精确，但因其耐振性较差，制造成本高，一般只在现代新型工程机械车辆上应用。目前，国内工程机械车辆上仍以电磁式电流表应用的较广。而且在结构上以压铸铝架来代替触点底板，更提高了仪表的工作稳定性和耐久性，如下图所示。82.电流表的故障及原因（1）短路接线螺钉与表壳或支架搭铁。（2）接线松动（3）示值失准永久磁铁片的磁性消失或过大电流冲击，导致指示不准。9二、电压表电压表用来指示工程机械电源系统的工作情况。它不仅能指示交流发电机和调节器的工作状况，同时还能指示铅蓄电池的技术状况，比电流表和充电指示灯更为直观和实用。近几年国内引进的国外工程机械上装用电压表的施工车辆不断增加。电压表与铅蓄电池、交流发电机和用电设备并联，并由电源开关控制的电路，连接图如图5-4所示。1011图5-5所示为美国卡特公司生产的小型振动压路机上所使用的电压表的工作原理图。它由两只十字交叉的电磁线圈、永久磁铁、转子、指针和刻度盘组成。12三、机油压力表机油压力表又称机油表，它是指示柴油发动机润滑油工作情况的仪表。国际上现行采用的压力单位为Pa表示。1.机油压力表的构造类型与工作原理工程机械车辆用机油压力表的分类通常按作用原理分为机械式和电气式两类。按结构又可分为弹簧管式（机械的）、双金属电热式和可变电阻式（电气的）等三种。131）弹簧管式机油压力表141）弹簧管式机油压力表（机构简图）弹簧管压力表152）电气式机油压力表电气式机油压力表由被安装在仪表板上的指示器（即表头）和被安装在气缸体上的传感器两个部分组成，两部分用电线连接。具体结构又分为三种：（1）指示器和传感器都是用双金属电热式的；（2）指示器用双金属电热式，传感器是用可变电阻式的；（3）指示器用电磁式，传感器用可变电阻式的。16（1）指示器和传感器都是用双金属电热式的机油表机油压力较小时的状态17机油压力较大时的状态（1）指示器和传感器都是用双金属电热式的机油表18在不同机油压力下的平均工作电流值的变化波形图19（4）机油危险压力信号灯（即红色信号灯指示器）机油在压力作用下经管接头1进入底座8和平面薄膜2之间的空间中。薄膜2中央凸起，使中心压缩弹簧6及杯座7上升，使其与接触片3分开。此时，串联红色信号灯的电流被切断，红色信号灯随即熄灭。当机油压力降低时，电路又重新接合而信号灯明亮，这就表示压力已低于容许值。20四、水温表工程机械水温表又称温度表，用来指示工程机械柴油发动机的工作温度。发动机的正常工作温度是80°~90°，水温表即是监视冷却水温度的指示仪表。风冷式柴油发动机虽无水温表，但配置油温表来监视柴油发动机的正常工作温度。水温表按其作用原理来分：有机械式和电气式两类。211.水温表的构造类型与工作原理1）弹簧管式水温表222）双金属电热式水温表233）电磁式水温表244）危险温度信号器在有些工程机械车辆上不用水温表而用危险温度信号灯，或在使用水温表的同时，又附用危险温度信号器。25五、燃油油量表工程机械车辆用汽油表和柴油表统称燃油表，又称油量表。它是用来监视和测知柴油箱中燃油存量的指示仪表。现代工程机械车辆所用燃油表都是电气式的，它的指示针安装在驾驶室仪表板上，传感器安装在油箱中，两者用电线连接作远距离操纵，使用方便。电气式燃油表按结构不同分为：电磁式或双金属电热式指示器和可变电阻式传感器两种。261）电磁式指示器和可变电阻式传感器的燃油表27正极搭铁油量大时，电阻大，油量小时，电阻小。282）双金属电热式指示器和可变电阻式传感器的燃油表29六、车速里程表车速里程表，简称里程表（俗称路码表），是指示行驶速度和记录累计里程的组合指示仪表。它是由车速和里程两个联动的机件组装在一个仪表之中构成的，共用一个表面，分别指示车速和里程的读数。1.车速里程表的构造类型与工作原理车速里程表的类型通常有磁感应式和电动式两种。工程机械轮式机械一般多采用磁感应式，而电动式多用于工程机械用重型运料自卸汽车，以及装载机、平地机等轮式工程机械。因磁感应式必须用软轴作机械传动，其长度受到限制。电动式在指示器和传感器之间，用电线连接，方便且不受限制。30车速里程表各轮胎滚动之间的总传动比分1：1000和1：624两种，其中1：624的已逐渐被1：1000所取代。车速测量范围有：60、80、100、120、140、140、160、180km/h等多种。表的里程累计数值通常为0~99999.9km。31（1）车速里程表的主要结构。它由车速表和里程计数表两个部分组成。其中车速表的主要机件见图5-24所示。32车速表组成机件的作用原理是：与软轴连接的主动轴1上围装着永久磁铁2，在它外面的是碗形铝制速度盘3，速度盘被围装在指针轴6上，轴6被支承在支承架上的两个轴承中转动。其一端围装指针8。在速度盘的外面再包覆着一个盘形铁壳4，作为磁铁2磁力线的反射幕。33当磁铁2随主动轴一起旋转时，磁力线切割速度盘并在速度盘中产生涡流，于是速度盘便跟随磁铁旋转方向转动，就像磁力线切割导体并使导体旋转一样。34但是，由于轴6上装有两端固定(一在支架，一在轴上)的弹簧游丝5，当速度盘转动、游丝被扭转产生相反的力矩，使速度盘旋转某一位置时，游丝对抗力矩与磁铁带动速度盘的力矩相等，则速度盘便停留在那个位置不动。指针轴6上的指针日便指示相应的车速数值，即每小时行驶公里的速度。35里程计数器的主要机件见图5-25。车速主动轴1在驱动永久磁铁2的同时，其杆部的蜗轮，带动2和3的传动蜗杆至字鼓组蜗轮轴4，使字鼓转动1／10圈，成十进位递进，最后至99999．9最高示值。如右面字鼓再转动0.1周，则使字鼓组所有数字全部转成00000．0，表示最高累计里程为10万里，然后又重新计数。36磁感应式车速里程表由挠性轴（软轴）和变速器的第二轴车速里程表蜗轮、蜗杆相连接，其传动示意图如下。37第二节电子电器仪表典型的工程机械电子电气仪表及显示系统如图5-36所示。其终端显示包括仪表模拟显示、警告灯亮灭显示、七段数字显示等。38该系统具有六只模拟传感器，其输出信号经过A/D转换器转换成8位数码后，由信号转换开关输送到计算机中，经过计算机处理后，再由8位数码或开关信号形式，由信号分离开关输出，以驱动相应的显示装置。它还有6个显示装置，有仪表、灯光、数字3种显示方法。整个系统由计算机控制。39现代工程机械电子仪表板上的基本显示有：电压、发动机转速、燃油油量、车速里程、机油压力及发动机水温等各种报警装置。40一、电子式电压表传统的方式是由电流表或充电指示灯显示电源系统的充放电情况。它不能准确地指示出电源系统的电压。在实际使用中，常因为交流发电机电压失调，产生蓄电池过充电和用电设备承受过电压而损坏的故障。因此用电压表指示电源电压比用电流表指示充放电电流更为重要，所以现代工程机械多用电子式电压表，已经成为工程机械电系不可缺少的有效措施之一。41如图5-37所示，为LM324型电子式电压表电路图。它是由两个集成块LM324组成的工程机械电压显示电路。LM324内部有4个独立的运算放大器，它们是被接成电压比较器来使用的。LM324型电子式电压表采用LED方式来显示电压。电压可调的稳压块42二、电子式水温、油压表如图5-38所示，为工程机械电子式水温、油压表电路。该电路具有显示发动机冷却水和机油压力两种功能。43电子式水温、油压表主要由水温传感器w1和机油压力传感器w2、集成电路LM339（内装4个独立的电压比较器）和发光二极管显示器等组成。传感器均采用双金属片式。水温传感器安装在发动机水套内，它与电阻R11串联组成水温测量电路；机油压传感器安装在发动机主油道上，与电阻R20测量组成机油压力测量电路。44

1．水温显示水温表按照40℃、80℃和95℃三种水温设置发光显示和仪表刻度。通过水温传感器w1的检测，水温40℃时为安全起始，提示注意信号，用黄色发光二极管来显示；85℃时为发动机正常工作温度信号，用绿色发光二极管来显示；95℃时是发动机过热危险报警信号，用红色发光二极管来显示，以便提醒驾驶员，与此同时，由晶体三极管T所控制的蜂鸣器也发出报警声音信号。45

2．油压显示

机油压力表可以按照油压过低、油压正常和油压过高三种情况来设置发光显示装置和仪刻度。在油压过低时，双金属片油压传感器产生的脉冲频率最低，即每分钟约5—20次，此时可以用红色二极管显示，以发出报警信号。46当油压正常时，可用绿色发光二极管显示，以表示发动机润滑系供油正常；而在油压过高时，油压传感器便发出较高频率的脉冲信号，每分钟约100—120次，采用黄色发光二极管来显示。47三、电子式燃油油量表工程机械电子式燃油油量表，可以随时测量并指示燃油箱内燃油的存储量。电子式燃油油量表电路如目5-39所示。48

电子式燃油油量表电路主要由燃油量传感器Rx、集成电路LM324(2块)、燃油量发光二极管显示器D1~D7等组成。燃油量传感器仍采用传统的可变电阻浮筒式传感器。49电阻R15和二极管D8组成稳压电路，其稳压电压作为电路的标准电压，通过R8~R13接到IC1和IC2所组成的电压比较器反向输入端。电容C和电阻R16还组成延时电路，使燃油表的发光显示不随燃油箱中燃油量的波动而发生变化。50该燃油表的工作情况如下：①当燃油箱中的燃油加满时，燃油传感器Rx的阻值最小，则A点的电位最低，即IC1和IC2各电压比较器的输出为低电平，此时6只绿色LED发光二极管D2~D7全部点亮，而红色发光二极管D1由亮转为熄灭，此时为燃油箱满油状态。51②随着工程机械柴油发动机的运行，燃油箱中的燃油量逐渐减少，显示器中的发光二极管便按照D7、D6……依次熄灭。燃油量越少，绿色LED发光二极管点亮的个数就越少。52③当燃油箱中无油时，Rx的阻值为最大，则A点的电位为最高，集成块1C2的第5脚电位高于第6脚的基准电位，6只绿色LED发光二极管全部熄灭，红色发光二极管D1自动点亮以表示无油，必须添加燃油。53四、汽油发动机电子转速表为了检查和调整汽油发动机，并监视汽油发动机的工作状况，以便更好地掌握换档时机，利用经济车速等，需要安装汽油发动机转速表。图5-40所示为利用电容放电式的一种脉冲式电子转速表。54

电容放电脉冲式电子转速表的信号取自断电器触点。在发动机工作正常时断电器触点不断地开闭，其开闭的次数与发动机的转速成正比(四冲程四缸发动机曲轴转一圈开闭2次，六缸发动机开闭3次)。55当触点闭合时，三极管T无正向偏压而处于截止状态，电容器C2被电源充电。其电路是：蓄电池正极一R3一C2一D2—蓄电池负极。

当触点分开时，三极管T的基极得到正电位而导通。此时，C2便通过导通的三极管T、电流表和D，构成放电回路，从而驱动电流表。56触点不断开闭，电容器C2不断进行充、放电，其放电电流平均值与发动机转速成正比，于是将电流表刻度值，经过标定刻度成发动机转速即可。稳压管Z起稳压作用，使C2再次充电电压不变，以提高测量精度。57如图5-41所示，为美国GM公司采用的电子车速里程表的结构框图。它主要由车速传感器、电子电路、车速表和里程表四大部分组成。

五、电子车速里程表58车速传感器是一个永磁发电机，由工程机械的变速器驱动，它能够产生正比于工程机械行驶速度的电信号。图5-42所示为车速传感器示意图。59车速表仍然为指针式。其内部有无芯测量机构，即具有两套相互垂直的电磁线圈A和B，如图5-43所示。当工程机械电源电压施加于A线圈时，B线圈的电压正比于电子电路的输入频率，即反映车辆行驶速度。60因为由轴承支撑的磁铁转子随着两个线圈所产生的电磁场的变化而使指针摆动，故能指示出车速的高低。为防止其转子产生抖动，在其线圈架的空腔内装有硅酮液，以起到阻尼作同。里程表由里程计速器和表架等组成，它由步进电机驱动。61第三节电子显示装置随着电子技术的不断发展和人们对工程机械性能要求的不断提高，现代工程机械的结构越来越复杂。为了使操作者能够及时、准确、全面地了解工程机械各机构和装置的运行状况，以便有效地控制其正常工作，仪表板上需要安装更多的指示仪表及各种指示灯等，仪表板已经成为现代工程机械的信息中枢。随着固态显示装置和各种驱动电路的发展，加上数字电子系统和计算机在工程机械中的应用，促使了生产厂家积极发展电子显示装置。电子显示装置的主要优点是能适应计算机输出的数字信号，它的信息量大而显示又直观。电子显示装置可以分为两大类：能自身发光的主动型和只能反射投入光的被动型。目前主要的电子显示器件有发光二极管、真空荧光显示器、液晶显示器。62一、发光二极管发光二极管是一种将电能转变为光能的半导体器件，大多数发光二极管是用砷化镓制成的。发光二极管的种类较多，按照发光颜色来分，有红色、橙色和绿色三种；按照外形来分，有圆形、方形、符号型和组合型等。下图为圆形发光二极管的结构。6364如图5-46所示，用发光二极管做成的七段显示器。它由七只发光二极管组成，只要控制各二极管的亮灭，便可以显示不同的字样，如数字0~9和某些英文字母。常用的七段显示器有共阴极连接和共阳极连接两种内部连接方式。前者是将各二极管的阴极连在一起并搭铁，后者是将各二极管的阳极连在一起并搭铁。65二、真空荧光显示(LFD)真空荧光显示的发光原理和阴极射线管(CRT)十分相似。在工作时，加热的灯丝(阴极)射出自由电子，轰出荧光物质，激发出蓝绿色光。与其他显示器件相比，真空荧光显示具有良好的可靠性和能够适应比较恶劣的环境，在工作时仅需要相对较低的电压，并且具有彩色显示的能力。它的主要缺点是需要严格单独的电源，而且容易受振动的影响。 6667三、液晶显示(LCD)68四、阴极射线管显示(CRT)阴极射线显示(CRT)也称显像管或电子束管，它是一种特殊的真空管。阴极射线显示(CRT)作为工程机械仪表板显示器件，则体积太大、太重；还要求采用10KV以上的高电压，安全性差，故它在工程机械上的应用还处于试验阶段。69第四节电动刮水器刮水器具有一个或两个刮杆与橡皮刮片，并由电动或气动的驱动装置带动来回摆动，以扫除风窗上的雨或雪。按刮水器的工作原理来分：刮水器主要有气动式与电动式两种。前者是利用气压差产生的动力，驱动刮杆与刮片来回摆动；后者是装有直流电动机驱动刮杆与刮片来回摆动。70一、刮水电动机的型号和分类工程机械电气设备中广泛使用各种用途的直流电动机，如用于暖风、洗涤、油泵等。它的功率一般在200W以下，刮水器用电动机仅是其中的一种。以上各种用途的电动机被通称为工程机械用微电机，刮水电动机的型号代号是“ZD”，Z表示直流，D表示电，其排列顺序及代号如下：71国产刮水电动机结构型式代号72直流电动机按励磁方式分为串励式、并励式和复励式三大类。刮水器用直流电动机一般都为复励式直流电动机。近年来励磁方式采用永磁材料，体积小，节省铜材。应用磁场线圈产生磁通的电机称为绕线励磁式，而应用永磁材料产生磁通的电机称为永磁式。73刮水器的刮杆与刮片是往复摆动的，因此每个刮水器都有一个曲柄摇杆机构，将电动机主轴的旋转运动变为往复摆动。刮水器的摆动速度有高速和低速之分，65摆次/min为高速，45摆次/min。在雨量较小时使用低速。为了不影响施工驾驶人员的视线，每当切断刮水电动机电路后，要求刮杆与刮片复位到风窗玻璃的下沿。在电动机减速器内附有复位装置的，称为自动复位式。74二、刮水电动机的结构与工作原理1.绕线励磁式刮水电动机的结构与工作原理（1）QDG-2型刮水电动机7576QDG-2型刮水电动机的电枢轴采用支承（仅有一端有轴承），且电动机的输出功率较小以及电刷与整流子的接触难以调整等原因，致使电动机的运转不够稳定，使用寿命短。这个产品的唯一优点是带有电源开关，结构较为紧凑。目前该产品已重新设计，绕线励磁式改为永磁式，以增大输出功率；单端支承改为以球端轴承支承，使运转可靠。77（2）ZD026A型刮水电动机ZD026A型刮水电动机适用于轮式工程机械，见图5-56所示。它主要由电动机5、曲柄3、连杆1、主动摇杆12、被动摇杆9、联动杆8及传动齿轮总成10等组成。7879传动齿轮总成10的结构，见图5-57所示。它由一对齿轮组成，主动齿轮1的直径大于被动齿轮2，以扩大刮杆与刮片的摆动角度。80ZD026A型刮水电动机的工作原理示意，见图5-58所示。它由电枢4、电刷3、5、磁极2、6、并励线圈1、串联线圈8、制动线圈7、触点10、11及凸块12等组成。81822.永磁式刮水电动机的结构与工作原理常用刮水器总成的结构，见图5-59所示。它由电动机1、曲柄摇杆机构及刮杆5、刮片4等组成。8384永磁式刮水电动机由电动机、减速器等组成，见图5-60所示。其电动机的构造与普通绕组励磁式基本相同，只是磁极4被永磁材料代替。85（2）永磁式电动机的变速机构传统结构的绕线励磁电动机的变速机构，是用改变励磁电流的方法。只是在磁场线圈电路中串入电阻，使励磁电流减小，就可以使电动机的转速上升。而永磁式电动机的磁场强弱是不能改变的，只能采用第三只电刷，成为三刷电动机。86对直流电动机而言，改变电枢中的反电势大小，即可改变电动机的转速。在该结构中，B3是高低速公用，B1是低速用，B2是高速用。87（3）刮水电动机的自动复位装置（一种）88（3）刮水电动机的自动复位装置（另一种）89第五节柴油发动机启动电预热装置柴油机预热装置用于冬季加热柴油机发动机进气温度