節氣門位置傳感器電氣磨損對汽車性能影響的實驗研究*

符欲梅 ，黃文鋒，昝昕武，張巧娥，王福強

(1.重慶大學光電工程學院，光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044;2.重慶長安汽車工程研究總院動力研究院發動機試驗檢驗所，重慶400023)

節氣門位置傳感器TPS(Throttle Position Sensor)是汽車電噴系統中最重要的傳感器之一，主要用于檢測節氣門的開度和開關的速率，并將該信號輸出到發動機電控單元ECU(Electrical Control Unit)，作為控制噴油脈沖寬度、點火正時、怠速轉速、尾氣排放的主要修正信號，同時也是空氣流量傳感器或進氣歧管壓力傳感器的輔助信號［1－3］。

目前應用最廣泛的節氣門位置傳感器大多是基于滑變電阻原理的，當節氣門開度發生改變時，與節氣門轉動軸一起轉動的滑動臂帶動電刷在陶瓷基體上的碳膜上來回滑動，其輸出電阻與開度成一定比例關系，即可采用分壓方式獲得節氣門的開度信號。然而，在汽車長期運行過程中，電刷在碳膜電阻上來回運動會造成碳膜的磨損［2］。不同的汽車長期運行在不同的工況下，其TPS碳膜的不均勻磨損程度也會不同，使得節氣門開度值的測量出現偏差，影響汽車的整體性能，當TPS碳膜磨損至一定程度時，汽車甚至會出現故障。

汽車長期運行后會引起機械和電氣性能的下降。目前，國內外的研究較多集中在因機械結構磨損而引起的整車性能下降方面，而對電噴系統中這些關鍵傳感器磨損引起的測量偏差所造成的汽車性能下降方面的研究卻非常少。因此，本文擬從實驗的角度，進行磨損前后傳感器對汽車性能影響的對比實驗研究。

1 TPS工作原理及磨損機理分析

1.1 TPS 工作原理

節氣門位置傳感器按輸出信號的類型可以分為線性(量)輸出型、開關(量)輸出型和綜合型3種［4］。節氣門位置傳感器安裝在節氣門體上，與節氣門聯動，其內部大多為滑動電位計，當節氣門開度發生改變時，節氣門轉動軸帶動電位計上的滑動觸點(即電刷)在陶瓷基體的碳膜上來回滑動。不同的節氣門開度對應電位計上不同的電阻值，從而將節氣門的開度轉變為電阻或對應的電壓信號并輸出到ECU［5］。

本文的研究對象為其中的線性型節氣門位置傳感器。它是一個三線傳感器［6］，如圖1(a)所示，A端從ECU中引入5V基準電壓提供給碳膜電阻作為電源，C端接地，B端接傳感器的滑動觸點。當節氣門開度變化時，節氣門位置傳感器滑動觸點在位于基板上的電阻膜片上移動，傳感器電阻值發生線性變化，其對應的電壓也發生線性變化，根據ECU輸出的電壓值，即可確定節氣門開度。

圖1 線性型節氣門位置傳感器工作原理圖

由于線性節氣門位置傳感器碳膜電阻上每點的電壓通過滑動觸點探測，輸出與節氣門開啟角度成正比的電壓信號，因此它可以提供任意開度的節氣門信號。

1.2 磨損機理分析

從原理分析可知，節氣門位置傳感器對節氣門開度的檢測是根據碳膜片上電阻變化來確定的。在汽車長期運行過程中，電刷在碳膜電阻上來回運動會造成碳膜的磨損，并且碳膜磨損程度還受其長期運行工況的影響。不同的汽車長期運行在不同的工況下，其TPS碳膜的不均勻磨損程度不同，使得節氣門開度值的測量出現偏差，影響汽車整體性能，甚至出現故障。

統計表明，TPS碳膜的前1/8至前1/3容易受到磨損［7］。這是因為駕駛員在駕駛過程中一般采用較小油門開度造成的。特別當汽車長期工作在城市工況時，頻繁的換擋加油更易使該區域的碳膜發生磨損。而郊區工況或長期在高速公路路況行駛的汽車則在全角度范圍內出現均勻磨損［8］。

圖2 全新與磨損后TPS輸出電壓比較圖

對比磨損后TPS與全新TPS輸出可知，在相同的節氣門開度下，二者會得到不同的電壓輸出，從而引起電噴噴油量的不同。這就是TPS磨損后引起汽車性能改變的根本原因。

2 對比實驗

由上節分析可知，不均勻磨損造成TPS輸出與全新TPS之間存在差異，從而引起電噴系統的噴油量出現差異。為了進一步研究磨損后TPS對汽車性能的具體影響，擬在同一車輛上分別安裝全新的TPS及長期磨損后的TPS，通過動態實車道路實驗及靜態NVH(Noise Vibration and Harshness，振動、噪聲及聲粗糙度)實驗，在盡量保證實驗條件一致、車況一致及運行工況一致的情況下獲得實驗結果［9－10］，對比分析后得到 TPS對汽車性能影響程度的結論。

2.1 實車道路實驗

實車道路實驗受實驗時道路車流量及行人等諸多外界環境因素影響，但它最接近車輛實際使用情況，因而實驗結果也最具真實性。

本文設計的實車道路實驗是隨機選取的一條市內公共道路，為保證實驗的可比性并盡量減少外界因素的干擾，實驗時由同一駕駛員駕駛實驗車在該路段相對車流量一致的情況下進行。

圖3為安裝了全新TPS的實驗車在道路實驗過程中TPS的輸出信號，Y軸為TPS的輸出電壓值，對應為節氣門開度。

圖3 實車道路實驗中全新TPS的輸出

圖4為安裝了長期磨損后TPS的實驗車道路實驗過程中TPS的輸出信號。由于整個實驗是在城市道路中進行的，屬于城市工況，所以在對比實驗中應該選取長期工作在城市工況下磨損的TPS。為此專門設計了TPS的專用磨損機構，將該機構的擺動幅度控制在30°范圍內并來回運動20萬次模擬實際磨損的情況。

圖4 實車道路實驗中長期磨損后TPS的輸出

對比圖3和圖4可知，節氣門維持在某一開度時，全新TPS的輸出信號波動幅度很小，而磨損后TPS的輸出信號波動幅度則較大，信號中所含噪聲也很明顯，如上兩圖中圈出所示。當波動幅度大的TPS信號輸送給ECU后，信號中的噪聲會引起ECU噴油量的波動并影響發動機的整體控制，進而直接導致發動機轉速不穩、噪聲增大、汽車動力不足等問題。

2.2 NVH 實驗

為客觀地說明磨損后TPS引起的汽車噪聲加劇等問題，采用汽車的NVH實驗來進一步測試。NVH主要是指汽車的噪聲(Noise)、振動(Vibration)和聲振粗糙度(Harshness)［11］，由于聲振粗糙度描述的是人的一種主觀感覺，不能客觀地測量，因而本文設計的NVH實驗主要用利用噪聲和振動這兩個指標來評價磨損后的節氣門位置傳感器對汽車性能的影響程度。

(1)怠速工況下的噪聲及振動測試

在怠速工況下，分別采集安裝了全新TPS及前述模擬城市工況磨損了大約20萬次TPS的汽車的噪聲信息，并選取汽車前左、前右、后懸置三個測試點測量汽車的振動信息［12］，測量結果如圖5及圖6所示。

圖5 怠速工況下NVH噪聲測試結果

從圖5中可以明顯的看出，安裝磨損20萬次后的TPS其怠速噪聲上升了0.5 dB。對該噪聲進行頻譜分析，結果如圖5(b)所示，可見安裝磨損后TPS的怠速噪聲明顯增大，并在500 Hz時怠速噪聲的影響達到最大。

圖6為前左、前右、后懸置三個測試點在x、y、z方向上的振動測試結果。從圖6中可以看出，磨損20萬次后的TPS相比全新TPS而言，加劇了汽車在怠速工況下的振動，特別是汽車前部的振動，在500 Hz處對汽車振動的影響達到最大，此處加速度值發生跳變，其中前左測試點在x、y、z三個方向加速度基本都達到了0.04 gn，而前右測試點在 x、y、z三個方向上的加速度也都達到了0.03 gn。

圖6 怠速工況下NVH振動測試結果

(2)加速工況下的噪聲及振動測試

按照怠速工況的測試及布點方法進行加速工況下的噪聲及振動測試，測量結果如圖7及圖8所示。

從圖7的測試結果中可得到與怠速工況一致的結論，即在加速工況下，磨損20萬次后的TPS對汽車噪聲也有較明顯增大作用，尤其從圖7(c)的坎貝爾圖可以看到，磨損20萬次后的TPS在發動機轉速為2 173 rot/min、頻率為793 Hz時，引入了一個噪聲峰值。

從圖8可以看出，磨損的TPS對汽車加速振動整體沒有特別劇烈的影響，但在某些頻率點也加劇了汽車的振動，如后懸置測點在x方向上2 200 Hz處時，振動加速度突變了5 gn左右，這會引起汽車很大的振動。

圖7 加速工況下NVH噪聲測試結果

圖8 加速工況下NVH振動測試結果

3 結論

本文針對現有廣泛使用的線性電阻式節氣門位置傳感器長期運行后容易磨損的角度出發，分析其磨損機理，得到非均勻磨損造成傳感器輸出信號出現偏差的結論，設計了動態汽車道路試驗和靜態NVH試驗，分別采用一個全新的和在城市工況下磨損20萬次后的TPS在相同實驗條件下進行對比實驗。在怠速工況下，裝有磨損20萬次TPS的汽車噪聲輸出上升了0.5 dB左右，在500 Hz時，噪聲和振動均達到最大，前左、前右的振動加速度均發生了跳變;在加速工況下，頻率為793 Hz時引入了一個噪聲峰值，汽車整體振動加速度雖然沒有發生劇烈變化，但在x方向上頻率為2 200 Hz時，后懸置測點的振動加速度突變了5 gn左右，帶來了很大的振動。

實驗結果表明，磨損后的TPS會導致汽車噪聲增加、振動加劇，進而可能引起汽車駕駛性能下降、發動機轉速不穩、汽車動力不足等問題。

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