发动机冷试测试设备数据采集系统分析

发动机冷试测试设备数据采集系统分析

作者：杜际山耿贵乾

来源：《科技视界》2017年第10期

【摘要】本文以国内某合资企业发动机工厂装配线冷试设备为参考，介绍了发动机冷试测试设备数据采集系统的应用、组成及工作原理等，并对各组成部分进行介绍。

【关键词】发动机；冷试；数据采集

0 引言

随着人们生活水平的提高，中国汽车工业进入快速发展阶段，汽车产销量连创新高。面对激烈的市场竞争，如何低成本、高价值的生产出客户满意的产品成为汽车制造商需要解决的主要课题。发动机整机质量一直是汽车厂家和发动机生产企业十分重视的问题。目前，发动机整机的检测方法主要是冷试和热试两种方法。相比于热试，冷试技术测试精度高，测试时间短，成本低，污染少，资源消耗少，已成为国内外发动机制造企业普遍认可的新技术，并已成为发动机在线运转检测的主要探测方法[1]。

在这种形式的影响下，使用发动机冷试测试设备作为终端在线检测设备成为了各发动机生产企业在建造装配线时的首要选择。整机冷试不紧能够及时发现装配过程中的缺陷，而且能够找出产生问题的原因，从而提高出厂合格率，降低返修成本，大大提高返修效率和质量。而如何提高发动机冷试测试设备准确性及稳定性也成为了厂商不断改进的方向。数据采集系统是冷试测试的信息输入端，在整个冷试系统中具有重要作用，本文以国内某合资企业的冷试测试设备为例，阐述了冷试测试设备中数据采集系统的组成及工作原理。

1 冷试设备数据采集系统的应用

数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理[2]。冷试设备的数据采集系统主要作用是通过不同类型的传感器在发动机高速运转的情况下收集发动机实时信号，并将信号反馈至上位机。根据冷试工艺流程清单（BOP）中提及的有关冷试的典型周期要求[3]，数据采集系统需在不同转速情况下对如下信号进行采集（如图1）：

在500RPM时，对机油压力、起动扭矩、旋转扭矩、凸轮轴/曲轴传感器测试进行监控。如果机油压力不正常或起动扭矩/旋转扭矩太高，可能会损坏发动机，所以测试不应继续下去；

在2000RPM时，对气门机构、噪声震动舒适性NVH、油压试验和点火进行测试；

在300RPM时，对进气、点火、磁阻分电器轮进行测试；

在150RPM时，对扭矩、机油压力、NVH和排气压力进行测试。

因为某些问题只有在特定的速度范围之内才比较明显，所以冷试测试工艺需要在不同的转速状态下检测各类信号，从整个发动机的测试过程来看，测试设备需要采集的数据分为如下几种：扭矩、油压、进/排气压力、点火电压、NVH、曲轴位置信号、凸轮轴位置信号、驱动电机编码器信号、机油温度等。

图1 冷试典型周期工艺测试流程

2 冷试设备数据采集系统的工作原理

发动机冷试测试系统是由下面的流程图所示的部分组成的（如图2）。测量电脑收集数据，PLC界面控制测试开始。电子输入输出板用于获取数据。系统的一个必要功能是多种信号放大器，点火电源的电压动力部分以及用于解码多个触发信号的转接器。

图2 冷试测试系统流程图

Indramat驱动系统控制主轴电机，主轴电机的速度和相位角都由编码器监控。为了保证测量可以在不考虑旋转速度的基础上进行，驱动编码器输出信号由转接器板处理，传送至A/D 板。时钟信号脉冲4096脉冲/转自转接板输出。编码器为驱动提供数据，驱动也从模拟输出接受定点数据，通过PLC运行信号。

3 冷试数据采集系统的硬件组成

3.1 点火线圈及点火驱动器

点火线圈是一个类似于变压器的结构，有初级和次级两个绕组，通过给初级绕组通断电来实现次级绕组感应出瞬间高压从而击穿火花塞。在点火测试中正是利用了点火线圈初级绕组和次级绕组相互感应这一特性进行测试。对测试台架而言，设备通过可编程点火电源提供充电电压，通过上位机测试软件控制点火触发信号，再通过点火线圈的初级绕组电路的切换来实现点火测试的充电及测试功能，而电路的切换则是通过点火驱动器实现，同时点火驱动器还具备高压隔离和滤波的作用，点火驱动器的接线方式如图3所示，本案用到的驱动器可实现双通道控制。

图3 点火驱动器接线方式

3.2 扭矩传感器

本案中的扭矩传感器使用的是HBM的T10F扭矩传感器及MP60放大器。T10F扭矩传感器可测量扭矩和转速，是第一款扭矩法兰，采用测量剪应力替代扭矩应力对扭矩进行测量。

T10F扭矩传感器共3个接口，其中1号口用于显示扭矩，2、3号口用于显示转速，T10F通过MP60将数据传输给信号调理模块，再传输至上位机（如图4）。

图4 T10F扭矩传感器及MP60放大器

3.3 压力传感器

压力传感器分为进气压力传感器、排气压力传感器和油压压力传感器，本案中进气压力传感器使用的是VIATRAN 245ACGX1371F，量程是±103Kpa，油压和排气使用的

245AMGX1371C，量程是0-690Kpa。压力传感器共有7个针脚，其中A/B接传感器电源，接24VDC；C/D接信号线，向信号调理模块传输压力值；E/F为自检接口，给E/F接口通8-

26VDC电压时，传感器反馈自检信号。压力传感器输出信号首先连接5B信号调理模块，而后再连接到SCB100信号采集卡（其中油压信号要同步传输给连续监控卡），之后再传输至上位机，由软件进行处理。

3.4 NVH传感器

本案中NVH传感器使用的是PCB J352C34-50G加速度传感器，该传感器是一种压电式加速度传感器。压电式加速度传感器机电部分利用的是压电晶体的正压电效应，其原理是某些晶体在一定方向的外力作用下或承受变形时，他的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能到电能的变换称为正压电效应[4]。本案共测试3个点，上端缸盖震动测试、前端缸体震动测试及后端缸体震动测试。NVH传感器的输出信号首先连接至PCB试调仪而后在连接至

SCB100信号采集卡及连续监控卡，之后再传输至上位机，由软件进行处理。

3.5 曲轴位置传感器

本案设备共涉及2种发动机机型，其中B型发动机使用外置的AI-TEK RH1512-005速度传感器检测飞轮齿圈，而C型发动机则使用的是发动自身零件进行检测，这两种传感器都是霍尔式曲轴位置传感器，工作原理相同。为保证曲轴信号的完整准确，传感器与飞轮齿圈必须符合如下条件：（如图5）

A：1（齿顶宽度）小于等于4（极片直径）

B：2（齿高）大于等于3（齿间距）

C：3（齿间距）等于1.5-3倍的4（极片直径）

D：5（间隙）会影响到传感器反馈的电压，间隙越小电压也大（本案中的合格间距是0.8-1.5mm）

E：6（飞轮厚度）等于或大于4（极片直径）