汽車發動機輸出軸扭矩傳感器及采集系統研制

(東北石油大學 黑龍江 大慶 163318)

前言

目前，傳感器的應用種類較多，其中最明顯的表現就是各種傳感器在汽車上的應用[1],如曲軸位置傳感器、空氣流量傳感器、轉速傳感器等等，為監測發動機運行狀態提供了諸多手段[2]。

汽車發動機輸出軸的扭矩作為汽車重要的動力參數，對其進行實時檢測不僅能對發動機的實時工作狀態有一個清晰的了解，而且對檢測到的扭矩信息進行分析，再配合計算機和相關程序，可以對汽車節能和動力系統的優化等方面做出一定的貢獻。據此，本文設計了一種新型扭矩傳感器，以滿足實時監測發動機輸出軸扭矩等方面的需求。

一、發動機扭矩傳感器的設計

所設計的扭矩傳感器用于汽車發動機輸出軸的扭矩檢測，要解決的主要問題是對輸出軸扭矩的動態檢測。通常，家用轎車的輸出軸扭矩一般為200Nm左右，本文以大眾EA211發動機1.2TSI為設計對象，最大馬力105Ps,最大功率77Kw，最大扭矩175Nm，最大扭矩轉速1500Rpm。

考慮到汽車發動機的實際工況，可能遇到過載狀況，所以將受扭軸的直徑適當取大，取其直徑為d=50mm。

對發動機輸出軸扭矩進行測量是一個動態的過程，傳感器受扭件與發動機曲軸后端直接相連，隨發動機曲軸的轉動而轉動。金屬應變片隨傳感器受扭件而轉動時，與金屬應變片直接相連的導線也會隨軸的轉動而發生轉動。旋轉接頭是一個將轉動受扭件上發出的電信號與固定測量電路裝置直接連接的專用部件。旋轉接頭的結構如圖1-1所示：

圖1-1 傳感器旋轉接頭結構

二、應變電路的設計

對于傳感器受扭件來說，在汽車發動機正常工況下，由受扭件扭矩所引起的受扭件應變很小，并且根據應變計變量輸出電阻測量的阻力而產生的小應變的需要，所以需要設計一個專門用于扭矩測量的電路[3]。

圖2-1 全橋差動電路

根據被測件的受力情況，若將電橋四臂接入四片應變片，使兩個應變片受拉，另外兩個受壓，則應變符號相反。將兩個應變符號相同的應變片接入相對臂上，則構成全橋差動電路，如圖2-1所示，如果滿足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，則輸出電壓為

(2-1)

KV=E

(2-2)

由此可以推算，全橋差動電路的電壓靈敏度比用單片提高了四倍，比半橋差動電路提高了一倍。因此，本次設計采用全橋差動電路。

三、系統采集試驗

在進行靜態實驗時，首先要對傳感器受扭件進行固定。其次在對傳感器固定完成后，需要用專用工具對傳感器受扭件進行標準值的輸入。因此，靜態實驗所需設備主要包括兩部分，一是工裝實驗臺架，二是加載杠桿。

采集系統顯示的扭矩值與加載的質量具有很好的正比例關系，但是在使用時必須根據實際情況對采集系統內的校正系數進行選擇，不同的傳感器其校正系數不同，本文設計的傳感器通過這次實驗得出其校正系數為0.433。數據的曲線如圖3-1所示，采集時的實時曲線如圖3-2所示。

圖3-1 采集系統實驗曲線

圖3-2 采集系統顯示窗口

四、結論

本文所設計的汽車發動機輸出軸扭矩傳感器及其采集系統，是在參考大量的文獻和總結國內外的研究成果的基礎上，對扭矩傳感器測量的應變原理進行了分析后得出的，并從研制汽車發動機輸出軸扭矩傳感器的原理上證明其可行性。本文的扭矩傳感器是基于應變片的使用進行研制的，應變片組橋對傳感器的測量結果有很大的影響，所做的工作包括對電橋橋路進行分析和選擇、對傳感器結構進行設以及對采集系統實驗數據進行分析等。通過實驗校準相關參數，對傳感器的實驗數據進行分析，結果顯示采集系統符合使用條件，能夠滿足設計要求。分析的結果表明，研制的扭矩傳感器滿足使用條件并且具有較高的精度。

[1]余黎煌.現代汽車傳感器的應用及發展前景[J].科技信息.2010,(32):526-527.

[2]李俄收,吳文民.汽車傳感器應用綜述[J].汽車電器.2008,(5):1-5.

[3]孫建明，楊清梅.傳感器技術[M].北京:清華大學出版社,2005:40-45.