凸輪軸位置傳感器故障淺析

程 娟，陳若飛，馬占芹

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

凸輪軸位置傳感器故障淺析

程 娟，陳若飛，馬占芹

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

介紹凸輪軸位置傳感器從開發(fā)階段到售后出現(xiàn)的幾起故障，描述具體的故障現(xiàn)象及解決措施。

凸輪軸位置傳感器；霍爾效應(yīng)；同步信號

凸輪軸位置傳感器屬于轉(zhuǎn)速傳感器［1］的一種。所謂轉(zhuǎn)速傳感器是汽車上檢測各類轉(zhuǎn)動部件運(yùn)轉(zhuǎn)情況的傳感器的統(tǒng)稱，其大致的功能主要包括兩個方面：一是檢測運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角；二是判定運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動位置。按照工作原理的不同，通常可以將其分為磁感應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、磁阻效應(yīng)式和光電式等幾種類型。目前DPCA（Dongfeng Peugeot citroen automobile company LTD，神龍汽車有限公司）在用的轉(zhuǎn)速傳感器有曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器和輪速傳感器。曲軸位置傳感器類型分別是EC／EW （EC5／8：1.6L／1.8L自然吸氣；EW：2.0L自然吸氣）；磁感應(yīng)式，EP（1.6L渦輪增壓）；霍爾效應(yīng)式，EB2（1.2L渦輪增壓）；巨磁阻式［2］；凸輪軸位置傳感器都是霍爾效應(yīng)式；輪速傳感器有霍爾效應(yīng)式和磁阻效應(yīng)式。

凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器在發(fā)動機(jī)上的分布如圖1所示。發(fā)動機(jī)工作時，ECU根據(jù)曲軸位置傳感器輸出的信號可以判斷2個氣缸的活塞在接近上止點(diǎn)位置，但并不清楚是哪個氣缸在壓縮上止點(diǎn)，還要有判定缸信號相配合。而凸輪軸位置傳感器采集配氣凸輪軸的位置信號給ECU，以便ECU識別1號氣缸的壓縮上止點(diǎn)，向ECU提供同步信號。它與曲軸位置傳感器產(chǎn)生的曲軸位置和轉(zhuǎn)速信號相配合，以保障發(fā)動機(jī)的正常噴油和點(diǎn)火順序控制。

1 霍爾效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器原理［3］簡介

圖1 凸輪軸位置傳感器的作用及分布圖

霍爾式傳感器的主要部件是傳感頭，傳感頭由永磁體、霍爾元件和電子電路等組成。當(dāng)信號輪位于圖2a位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱。而當(dāng)信號輪位于圖2b位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強(qiáng)。霍爾元件的材料一般是指某些半導(dǎo)體材料如砷化錮InAs、銻化錮InSb、砷化鎵GaAS、鍺Ge等。

信號輪轉(zhuǎn)動過程中，使得通過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一準(zhǔn)正弦波電壓，此信號由電路轉(zhuǎn)換成脈沖電壓。霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓U的大小為

式中：I——控制電流，A；e——帶電粒子的電荷，e=1.6×10-19C；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；d——半導(dǎo)體的厚度，mm；n——電子濃度。

圖2 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

由霍爾原理可知，霍爾傳感器的輸出電壓U與被測物體的運(yùn)動速度無關(guān)，因此它的高、低速特性都很好，若用其測量物體的轉(zhuǎn)速，其下限速度可以接近于0，上限速度從理論上講可以不受限制，即它可以滿足工程中各種運(yùn)行速度的測量。正因?yàn)槿绱耍嚿系能囁賯鞲衅鞔蠖嗖捎没魻柺絺鞲衅鳌?/p>

霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電壓值很小，無法直接應(yīng)用，所以通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，這樣就構(gòu)成一個霍爾傳感器。

2 凸輪軸位置傳感器的相關(guān)故障

在介紹故障前，先解釋TPO（True Power On，上電檢測）功能。發(fā)動機(jī)起動時，要求凸輪軸位置傳感器能夠迅速檢測信號輪是齒還是槽，也就是說當(dāng)凸輪軸位置傳感器還處于靜止?fàn)顟B(tài)時，就必須能夠檢測出信號輪狀態(tài)，即TPO功能，這一特性是差分式霍爾傳感器所不具備的。具有TPO功能，能使發(fā)動機(jī)起動時識別出第一次點(diǎn)火時刻，靈敏度及穩(wěn)定性相對都較高。本章節(jié)主要總結(jié)EC5凸輪軸位置傳感器自開發(fā)到量產(chǎn)過程中，出現(xiàn)的一些故障及解決方法。

2.1 TPO功能缺失

2011年，在EC5發(fā)動機(jī)的線外預(yù)批量階段，系統(tǒng)供應(yīng)商反饋發(fā)動機(jī)同步信號丟失。故障發(fā)動機(jī)返回到DPCA做了故障重現(xiàn)測試，對故障件做了5次試驗(yàn)，2次信號丟失，3次起動正常。更換新的凸輪軸位置傳感器后7次均正常起動，但是同步信號存在0.3 s的延遲。用INCA（德國ETAS公司出品的標(biāo)定軟件）采集到故障件的數(shù)據(jù)見圖3，更換凸輪軸位置傳感器后的數(shù)據(jù)見圖4。

同步信號丟失，可能會發(fā)生在下面這種情況。假設(shè)當(dāng)發(fā)動機(jī)起動時，凸輪軸的基準(zhǔn)位置正好在最小齒的下降沿，不帶TPO功能的凸輪軸位置傳感器有可能失去最小齒的位置信號。那么在這種情況下，ECU給出停止同步的命令，發(fā)動機(jī)將點(diǎn)火失敗并停機(jī)。如果ECU給出繼續(xù)同步的命令，盡管凸輪軸位置傳感器帶有TPO功能，系統(tǒng)將會出現(xiàn)同步丟失，因?yàn)閭鞲衅餍枰谙乱粋€旋轉(zhuǎn)周期中才能檢測出最小齒。

圖3 用INCA軟件采集到的故障件波形

圖4 更換傳感器后的波形

可以說，不帶TPO或者TPO功能失效的凸輪軸位置傳感器，是同步信號丟失的一個可能原因，但也不排除是ECU或者曲軸位置傳感器的原因，后經(jīng)排查最終將目標(biāo)鎖定在凸輪軸位置傳感器上。

故障件返回到供應(yīng)商處檢測，在0～10 mm范圍的間隙內(nèi)都沒能探測到TPO功能，而其他功能參數(shù)均正常。供應(yīng)商經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該批零件的TPO功能未開啟。前期由于本地供應(yīng)商的設(shè)備未到位，零件的程序下載及檢測是由供應(yīng)商的法國總部完成，本地供應(yīng)商無法識別出不良件，才導(dǎo)致該故障的發(fā)生。

2.2 強(qiáng)電流擊穿電路

2012年初，在EC5發(fā)動機(jī)的線上預(yù)批量階段時，襄陽發(fā)動機(jī)下線臺架在2000r／min驗(yàn)證VVT（Variable Valve Timing，可變氣門正時）時，發(fā)現(xiàn)VVT不工作，更換凸輪軸位置傳感器后發(fā)動機(jī)正常。故障件返回到供應(yīng)商處，檢查發(fā)現(xiàn)該零件在出廠時檢測結(jié)果為合格，再次在終檢臺檢測該零件發(fā)現(xiàn)VH （高電壓）、OP（下降沿）、RP（上升沿）不通過，輸出信號有延遲并且與正常件輸出信號相反。X光檢測結(jié)果見圖5。分析顯示PCB（電路板）、Cell（芯片）、端子分布等都沒有問題，也沒有被損壞。最后將Cell寄給芯片供應(yīng)商處檢測，顯示Cell外觀是正常的，但是內(nèi)部電路被高電流損壞。

圖5 X光檢測傳感器內(nèi)部

供應(yīng)商認(rèn)為導(dǎo)致該問題可能的原因有3個：①Cell出廠時存在2～3 ppm；②傳感器供應(yīng)商在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生靜電釋放；③傳感器出廠后，當(dāng)手或者其他外界物質(zhì)直接或間接觸碰了產(chǎn)品的針腳，會導(dǎo)致帶有高電壓的外界物體釋放出瞬時高電流，將Cell擊穿。

為了防止類似故障再次發(fā)生，供應(yīng)商處采取了相關(guān)措施：①召回所有產(chǎn)品，經(jīng)過再次檢測后100%合格；②供應(yīng)商內(nèi)部重新生產(chǎn)了1000件產(chǎn)品，進(jìn)行過程及產(chǎn)品驗(yàn)證，并進(jìn)行了8h循環(huán)的高低溫沖擊，做了兩次100%終檢，未出現(xiàn)不合格產(chǎn)品；③加強(qiáng)防靜電工具及設(shè)備的定期檢查；④加強(qiáng)員工防靜電意識及知識的培訓(xùn)；⑤零件正式投產(chǎn)后的20 000件產(chǎn)品，在下載程序之前增加6個循環(huán) （1h／循環(huán)，正常情況是2個循環(huán)）-40～150℃的熱變沖擊，如果Cell有損失，這種方法可以加劇這種損失，在終檢時可以被發(fā)現(xiàn)；完成熱變沖擊后，在終檢臺進(jìn)行100%檢測。措施實(shí)施后，未再發(fā)生類似電路擊穿故障，以及投產(chǎn)20 000件取消該加強(qiáng)試驗(yàn)后，零件也都表現(xiàn)正常。

強(qiáng)電流擊穿電路是電子電器零部件常見的故障，一旦故障發(fā)生，很難排查是在哪個環(huán)節(jié)發(fā)生的。因此不論對供應(yīng)商還是對裝配工廠來說，都要求做好靜電防護(hù)工作。

2.3 內(nèi)部磁鐵消磁

2015年6月，適配EC5／EC8發(fā)動機(jī)的車型在售后出現(xiàn)大約300起STT（起停功能）功能不起動或者不停止的故障，經(jīng)過ABA分析發(fā)現(xiàn)，為凸輪軸相位傳感器失效導(dǎo)致。將失效件寄給供應(yīng)商處檢測發(fā)現(xiàn)，失效件上電后即為低電平，觸發(fā)幾次后正常 （對齒低電平，對谷高電平），最終確認(rèn)失效件TPO功能異常。一開始供應(yīng)商將失效原因定位在芯片功能異常，于是拆解失效件后將芯片寄往芯片供應(yīng)商，經(jīng)過反復(fù)檢測，最后排除芯片失效。通過供應(yīng)商反復(fù)試驗(yàn)后，最終確認(rèn)為傳感器內(nèi)部磁鐵磁通量減弱，導(dǎo)致傳感器TPO功能失效。經(jīng)過精確測定，失效件的磁鐵磁通量比正常件的磁鐵磁通量減弱20%左右。對磁鐵進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)磁鐵表面有腐蝕現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 正常磁鐵與腐蝕磁鐵對比圖

對磁鐵的表面處理方式一般有鍍鋅、鍍鎳、鍍鎳銅鎳、鍍金、鍍銀。目前供應(yīng)商對磁鐵的表面處理為磷化處理，正常情況下磷化處理可以滿足產(chǎn)品要求，但是磷化處理的抗腐蝕能力較弱。如果磁鐵在安裝進(jìn)傳感器前，暴露在高溫或者高濕環(huán)境下時間過長，則會導(dǎo)致磁鐵腐蝕。最后從抗腐蝕性能和生產(chǎn)成本綜合考慮，建議使用鍍鎳銅鎳，此種處理方式也較為普遍。供應(yīng)商將兩種處理方式的產(chǎn)品通過試驗(yàn)進(jìn)行了對比，進(jìn)行PCT（pressure cooker test，高壓加速老化壽命試驗(yàn)）試驗(yàn) （試驗(yàn)條件：72h，120℃，96%濕度），磷化處理結(jié)果失敗，鎳銅鎳處理結(jié)果通過；再進(jìn)行鹽霧試驗(yàn) （35±2℃，50±5g／LNaCl，1～2ml／80m2h），試驗(yàn)結(jié)果為磷化處理的防腐能力為1h，鎳銅鎳的防腐能力為24h，試驗(yàn)證明鍍鎳銅鎳的抗高溫高濕及防腐能力大大強(qiáng)于磷化處理。于是最終采用對磁鐵進(jìn)行鍍鎳銅鎳處理，該改進(jìn)方案于2016年4月已經(jīng)實(shí)施。

3 結(jié)束語

本文簡單介紹了凸輪軸位置傳感器的原理，并總結(jié)了近幾年來凸輪軸位置傳感器出現(xiàn)的一些典型故障及解決措施。這些故障為后續(xù)新項(xiàng)目的開發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)反饋。尤其是供應(yīng)商過程控制導(dǎo)致的問題，要求產(chǎn)品和品質(zhì)管理人員在供應(yīng)商過程審核環(huán)節(jié)，更加嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致。

［1］ 張憲輝.汽車轉(zhuǎn)速傳感器的故障診斷策略［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2011（10）：59-61.

［2］ 張葵葵，陽小良.車用轉(zhuǎn)速傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.汽車電器，2005（11）：4-6.

［3］ 魏冬至，張梅紅.淺談磁電式與霍爾式速度傳感器在汽車上的區(qū)別［J］.科學(xué)之友，2007（7）：51-53.

（編輯 心 翔）

Troubleshooting on Camshaft Position Sensor

CHENG Juan，CHEN Ruo-fei，MA Zhan-qin
（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation Technology Centre，Wuhan 430056，China）

This paper demonstrates several failure cases of the camshaft position sensor from situations of development to after-sales，and also illustrates the failure detail and relevant solutions.

camshaft position sensor；Hall-effect；sync signal

U463.6

B

1003－8639（2016）10－0048－03

2016-05-26；

2016-06-08

程娟 （1984-），女，湖北黃岡人，碩士，負(fù)責(zé)動力總成電子電器零部件開發(fā)；陳若飛 （1983-），男，湖北武漢人，負(fù)責(zé)動力總成電子電器零部件開發(fā)；馬占芹 （1982-），女，山東濰坊人，負(fù)責(zé)動力總成電子電器零部件開發(fā)。