Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=167 Дата изменения: Fri May 5 15:26:05 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:33:22 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: анализ сигналов

Введение

Нагрузка на двигатель внутреннего сгорания является одним из важнейших
параметров, необходимых для нормального функционирования электронных систем
управления двигателем, трансмиссией и автомобиля в целом. В зависимости от
нагрузки регулируется момент зажигания бензиновых двигателей и момент
впрыска топлива дизелей. В зависимости от нагрузки регулируется цикловая
подача топлива современных инжекторных систем топливоподачи двигателя
внутреннего сгорания. Информация о вращающем моменте коленчатого вала
двигателя внутреннего сгорания используется в алгоритмах управлениях
автоматической коробки передач, в электронных системах управления тормозами
и двигателя в целом.
Прямой метод измерения крутящего момента двигателя внутреннего сгорания
связан с рядом технических трудностей. В современных электронных системах
используется косвенный метод измерения нагрузки. В классических системах
зажигания нагрузку ДВС измеряет по степени разряжения в впускном коллекторе
непосредственно за дроссельной заслонкой с помощью вакуумного автомата. В
системах топливоподачи нагрузку на двигатель определяет по нескольким
параметрам: углу открытия дроссельной заслонки, частоте вращения
коленчатого вала и массовому расходу воздуха.
В работе поставлена задача разработки измерителя крутящего момента
двигателя внутреннего сгорания, реализующего прямой метод измерения
контролируемого параметра, т.е. крутящего момента ДВС. В качестве основного
датчика крутящего момента выбран диск сцепления коленчатого вала с
промежуточным валом коробки передач. Используется свойство диска сцепления
смещать свое угловое положение относительно первичного вала на несколько
градусов за счёт пружинного механизма. Угловое смещение валов преобразуется
с помощью индукционных датчиков в импульсные сигналы. Временной интервал
между импульсами, пропорциональный угловому смещению, измеряется
электронным блоком управления.


Устройство и принцип действия сцепления коленчатого вала с коробкой
передач.

При классической компоновке автомобиля с передним положением двигателя и
задними ведущими колёсами крутящий момент от двигателя передаётся на
ведущие колёса через следующие узлы трансмиссии: сцепление, коробку
передач, карданную передачу и механизмы заднего моста.
Сцепление обеспечивает плавное соединение маховика с первичным (ведущим)
валом коробки передач при трогании автомобиля с места. В этом случае
крутящий момент от коленчатого вала плавно передаётся через элементы
трансмиссии на ведущие колёса автомобиля, что обеспечивает плавное трогание
автомобиля с места. В момент переключения передач, а также при торможении,
сцепление разъединяет коленчатый вал двигателя от трансмиссии, прекращая
передачу крутящего момента на ведущие колёса, за счёт чего создаются
условия для безударного переключения передач, уменьшается износ тормозных
механизмов колёс и деталей трансмиссии и происходит более эффективное
торможение.
В легковых автомобилях используется сухое однодисковое сцепление
замкнутого вида.
Принцип действия основан на передаче крутящего момента от маховика на
первичный вал коробки передач за счет сил трения, которые возникают между
поверхностями маховика, ведомого и нажимного дисков при их сжатии. Ведомый
диск, расположенный на шлицах первичного вала коробки передач, зажимается
между маховиком и нажимным диском усилием пружины.
Ведомая часть сцепления состоит из ведомого диска с фрикционными накладками
и гасителя крутильных колебаний (демпфера) (рис. 1). Ведомый диск -
стальной; Т-образные радиальные прорези делят его на двенадцать лепестков.
На каждом лепестке имеется плоский участок и два изгиба (выпуклости), за
счет которых поверхность диска имеет волнообразную форму.

За счет волнообразной формы диск становится плоским постепенно, по мере
увеличения нажатия на его поверхность. При этом первоначально ведомый диск
проскальзывает относительно поверхностей маховика и нажимного диска, и
передаваемый крутящий момент возрастает постепенно. Это обеспечивает
плавное трогание автомобиля с места и предохраняет детали трансмиссии от
перегрузок.
Ведомый диск соединен со ступицей не жестко, а эластично через детали
демпфера. Такая упругая связь обеспечивает гашение крутильных колебаний,
которые возникают в трансмиссии вследствие неравномерной работы двигателя и
передаваемых динамических нагрузок. Ведомый диск соединен со ступицей не
жестко, а эластично через детали демпфера. Такая упругая связь обеспечивает
гашение крутильных колебаний, которые возникают в трансмиссии вследствие
неравномерной работы двигателя и передаваемых динамических нагрузок.
При возникновении крутильных колебаний, при резком изменении скорости
движения автомобиля или при резком включении сцепления, происходит
перемещение ведомого диска вместе с пластинами демпфера относительно
ступицы. При этом срабатывает фрикционный элемент демпфера и пружины.
Создаваемое ими сопротивление гасит ударные нагрузки и крутильные
колебания, предохраняя детали трансмиссии от поломок и интенсивного износа.


Выбор метода измерения

Анализ механизма сцепления показывает, что диск сцепления в процессе
работы может смещаться по углу поворота коленчатого вала на несколько
градусов за счёт пружинного механизма демпфера, состоящего из четырёх
пружин. В то же время основание диска сцепления, имеющего шлицевое
соединение с первичным валом коробки передач, имеет достаточно малый люфт
по углу поворота. В первом приближении можно считать, основание (муфта)
диска сцепления соединена с первичным валом по углу поворота жёстко. Тогда
угловое смещение диска сцепления относительно первичного вала коробки
передач можно выбрать в качестве первичного измерительного параметра. Если
выполнить пружины диска сцепления с постоянным коэффициентом жёсткости, то
угловое смещение двух валов будет пропорционально передаваемому крутящему
моменту.

[pic]
рис. 1

Действительно, вращающий момент, передаваемый диском сцепления 4 (рис.2),
можно представить в виде:
[pic] ,
(1)
где [pic] - суммарная сила, воспринимаемая диском и представленная в
сосредоточенном виде, R1 - радиус поверхности трения диска (среднее
значение).
Вращающий момент воспринимается и уравновешивается противодействующим
моментом, создаваемым силами [pic] упругости пружин:
[pic], [pic] ,
(2)
где R2 - радиус точки опоры пружин, [pic]- сила сжатия пружин:
[pic] ,
(3)
где K - коэффициент жёсткости пружин, [pic]- относительное сжатие пружин.

[pic]
рис. 2

Относительное сжатие пружин можно пересчитать в угловое перемещение [pic]
диска относительно первичного вала:
[pic],
(4)
Угловое перемещение диска сцепления не превышает 5 - 6 градусов. Поэтому
[pic] в формуле (4) можно без ущерба для точности заменить аргументом
[pic], измеряемым в радианах:
[pic] ,
рад.
Относительная погрешность такой замены для предельного значения [pic]= 6
не превышает 0,18%. Тогда
[pic], рад.
(5)
Полагая в уравновешенном состоянии [pic] и подставляя в данное равенство
значения моментов и сил, получим:
[pic].
(6)
Согласно формуле (6) задача измерения вращающего момента может быть
сведена к задаче измерения угла смещения [pic] диска сцепления относительно
первичного вала коробки передач.


Выбор первичного измерительного устройства


Для реализации рассмотренного метода измерения крутящего момента требуется
установка двух бесконтактных датчиков углового положения вращающихся
устройств. Один датчик должен быть установлен неподвижно непосредственно
над диском сцепления. Другой датчик должен быть установлен над
измерительным диском, жестко связанным с первичным валом коробки передач
(рис.3). Диск сцепления и измерительный диск должны иметь несколько меток
(например, 4) по внешнему диаметру. Метки в исходном состоянии должны иметь
нулевой или фиксированный сдвиг друг относительно друга по углу поворота.
Под действием передаваемого момента диски смещаются друг относительно друга
по углу поворота. Датчики должны фиксировать это смещение. Несколько
измерительных меток позволяют зафиксировать динамику изменения крутящего
момента (рис.4). Эта динамика имеет большую диагностическую ценность.
Например, можно зафиксировать пропуск искрообразования или рабочего хода,
неравномерность работы отдельных цилиндров двигателя, перебои в системе
топливоподачи, нарушение компрессии и другие сбои в работе двигателя.

[pic]
рис. 3
[pic]
[pic]
рис. 4


Выбор датчиков углового смещения валов

Анализ конструкции автомобильных дисков сцепления различных модификаций [
8 ] показывает, что угловое смещение первичного вала относительно
коленчатого вала при передаче крутящего момента не может превышать 4 - 6
градусов. В дальнейших расчётах будем оперировать угловым смещением [pic].
Измерение [pic] должно быть реализовано во всём диапазоне частот вращения
коленчатого вала nxx . nmax. Частота вращения в режиме холостого хода nxx =
750.800 об/мин. Максимальная частота вращения nmax = 5000.6000 об/мин.
Измерение столь малых углов в широком диапазоне скоростей может быть
выполнено лишь бесконтактными методами. В автомобилестроении нашли широкое
применение два типа датчиков: индукционный и датчик Холла [ 7 ]. Их
конструкция показана на рис. 4.
[pic]
Распределитель зажигания с импульсным генератором индукционного типа:
1 - постоянный магнит; 2 - рабочая обмотка с сердечником;
3 - изменяемый искровой промежуток; 4 - диск пускового сигнала (триггер).
рис. 5а
Датчик Холла имеет более сложную конструкцию, так как содержит свой
ротор, который должен быть кинематически связан с коленчатым и первичным
валами. По этим причинам применение датчика Холла для измерения [pic]
приводит к усложнению конструкции. Наиболее просто измерение [pic] можно
реализовать с помощью индукционного датчика, конструкция которого содержит
постоянный магнит 1, сердечник 2 с расположенной на нём измерительной
катушкой 3 (рис. 6).

[pic]
Распределитель зажигания с датчиком Холла:
1 - лопатка шириной b; 2 - элементы со слабой магнитной проницаемостью; 3 -
датчик Холла;
4 - воздушный зазор; UH - напряжение на датчике Холла.

рис. 5б

При совмещении осей сердечника 2 и ферромагнитного выступа 4 диска
сцепления или коленчатого вала магнитный поток, пронизывающий катушку 3
достигает максимального значения. График изменения магнитного потока в
зависимости от углового перемещения [pic] показан на рис. 7а.
ЭДС, наводимая в катушке 3, равна
[pic] ,

[pic] .

График изменения выходного напряжения датчика показан на рис. 7б.
[pic]
рис. 6


Измерительный преобразователь сигнала индукционного датчика.

Анализ выходного сигнала датчика (рис. 7б) показывает, что точка перехода
выходного напряжения через нуль наиболее точно соответствует совмещению
осей датчика и ферромагнитного выступа. Положение этой точки не зависит от
частоты вращения коленчатого вала. Именно эту точку и должен фиксировать
измерительный преобразователь выходного напряжения датчика. Схема такого
преобразователя приведена на рис. 8.

[pic]
рис. 7

Отрицательная полуволна выходного напряжения датчика срезается цепью R -
VD. Положительная полуволна ограничивается стабилитроном VD на уровне 6.7
В, безопасным для входных каскадов микросхемы DD, на которой реализован
триггер Шмидта. Схема DD формирует на своём выходе прямоугольный импульс
напряжения Uип, передний фронт которого соответствует точке перехода
выходного напряжения датчика через нуль.
Для измерения углового смещения валов под нагрузкой необходимо разместить
два датчика, расположенных на одной горизонтальной оси. Один датчик LD1
располагается над выступами диска сцепления, другой LD2 - над выступами
первичного вала. Выступы диска сцепления и первичного вала расположены в
ненагруженном состоянии на одной оси (рис. 9а).
Поэтому точки переходов выходных сигналов через нуль совпадают. В
нагруженном состоянии выступ первичного вала смещается относительно оси
датчиков и между точками перехода через нуль двух датчиков появляется
временной промежуток t. В микропроцессорном блоке время t пересчитывается
в угловое смещение валов [pic]
[pic] ,
где N - количество выступов (меток), расположенных на дисках валов. Далее
[pic] пересчитывается в крутящий момент по формуле (6).

[pic]
рис. 8

[pic]
рис. 9

Анализ возможных вариантов установки датчиков


в реальные конструкции сцепления.

Реальные конструкции сцепления (на примере автомобилей семейства ВАЗ [ 6
]) не предусматривают установку вышеперечисленных датчиков. Поэтому,
возникают определенные сложности с их установкой. Датчик угла поворота
диска сцепления можно установить в месте, указанном на рис. 10. При этом
потребуется определенная конструктивная переработка этой части с целью
обеспечения доступа к диску. Датчик угла поворота первичного вала коробки
передач можно установить на заднюю крышку картера коробки передач напротив
ведущей шестерни 2 пятой передачи, как показано на рис. 11. При установке
этого датчика изменения конструкции минимальные. В качестве измерительных
меток используются в данном случае зубья шестерни.
Из рассмотренного примера следует, что установка датчиков вращающего
момента требует определенных конструктивных изменений. Они вполне реальны и
решаемы, если метод измерения найдет практическое применение.
Место установки датчика угла поворота диска сцепления:
[pic]
рис. 10
Место установки датчика угла поворота первичного вала:
[pic]
рис. 11
[pic]
рис. 12


Заключение

В работе рассмотрено устройство измерения крутящего момента двигателя
внутреннего сгорания, предназначенное для электронных систем зажигания,
топливоподачи и бортовой диагностики современных бензиновых двигателей.
Основным датчиком вращающего момента является диск сцепления коленчатого
вала с первичным валом коробки передач. Конструкция диска, содержащего
пружинный механизм, обеспечивает угловое смещение первичного вала коробки
передач относительно диска на угол, достигающий под нагрузкой 4.6 градусов,
причём угловое смещение валов пропорционально крутящему моменту двигателя.
Для полной реализации предлагаемого устройства требуется решить ряд
задач.
1) Соединение диска сцепления с первичным валом должно быть с малым
люфтом, не превышающим 0,25о. 2) Необходимо обеспечить одинаковую
жёсткость пружин в широком диапазоне температур и условий эксплуатации.
3) Разрешающая способность АЦП должна быть на уровне 12 двоичных разрядов
(погрешность по моменту приблизительно 2%). 4) Требуются определенные
изменения в реальной конструкции сцепления с целью установки двух
датчиков.
В случае решения данных задач разработка данной темы становится
достаточно перспективной.

Литература

1. Спасский Б.И. «Хрестоматия по физике». - М.: «Просвещение», 1987.
2. Кабардин О.Ф. «Физика». - М.: «Просвещение», 1991.
3. Енохович А.С. «Справочник по физике и технике». - М.: «Просвещение»,
1989.
4. Игнатов А.П. «Устройство и эксплуатация ВАЗ».
Издательство «Третий Рим», 1995.
5. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание.

- М.: Издательство «За рулем», 2000.
6. Ремонтируем ВАЗ-2108, -2109, -21099. Иллюстрированное руководство.
«Своими
силами». - М.: ЗАО КЖИ «За рулем».
7. Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента.
Библиотека приборостроителя. М., «Машиностроение», 1977.
8. Тур Е.Я. и др. Устройство автомобиля: Учебник для учащихся
автотранспортных техникумов / Е.Я. Тур, К.Б. Серебряков, Л.А. Жолобов.
- М.: Машиностроение, 1990.