机械毕业设计（论文）-汽车发动机油路压力测量设备的机构设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 汽车发动机油路测量汽车发动机油路测量 设备的机构设计设备的机构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 汽车发动机油 路压力测量设备的机构设计 是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别 加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包 含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923154 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 汽车发动机油路压力测量设备的机构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 结合自己实习经验观察，国内油路压力测量设备尚未普及，生产 效率的提升空间很大。前景一片广阔 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1、了解发动机及其压力设备的基本结构 2、了解内燃机异常喷射现象 3、充分理解机械传动的计算并完成相关图纸，折合 A0 图纸不少 于 3 张 4、完成机械类相关文献翻译 8000 字符左右 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 II 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 柴油机供油系统多参数的电测量，为研究供油系统喷射特性提供了手段。而且，目 前在评估新品开发设计的喷油泵和喷油嘴的性能时，在产品改进和新品试制过程中，为 了获得良好的性能指标，往往需要对燃油喷射系统进行大量的调试工作，也常以多参数 的电测量作为考核项目之一。柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体 压力室压力喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响，以及柴油内燃机异常喷射现象 和柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力。 关键词：关键词：压力喷油泵的参数选择；内燃机异常喷射现象；相关油管嘴端压力 IV Abstract Diesel engine fuel supply system electrical multi-parameter measurement, provides the means to study the injection characteristics of the fuel supply system. Moreover, in the assessment of the performance of new product development and design of the fuel injection pump and injector, in the process of product improvement and new trial, in order to obtain good performance indicators, often require the fuel injection system debugging work, often the power of multi- parameter measurements as one of the assessment project. Diesel engine line pressure measurement equipment the related tubing pressure of the mouth end of the needle valve body pressure chamber pressure fuel pump parameters selection and its impact on diesel engine performance, as well as the abnormal jet phenomenon of the diesel engine and diesel engine line pressure measurement equipment tubing mouth end pressure and needle valve body pressure chamber pressure. Keywords: pressure fuel pump parameter selection; the abnormal internal combustion engine jet phenomenon; tubing mouth end pressure V 目目 录录 摘 要.III ABSTRACTIV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 设计目的.1 1.2 柴油发动机的燃料喷射装置概述.1 1.3 喷油过程.2 1.4 几何供油规律和喷油规律的定义.3 1.5 喷油器总成.3 2 柴油发动机油路压力测量设备的设计.5 2.1 柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述.5 2.2 柴油发动机油路压力测量设备的原理.7 2.3 柴油发动机油路压力测量设备相位调整.7 2.4 柴油发动机油路压力测量设备测量线路.7 2.5 柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析.10 2.6 柴油发动机油路压力测量设备校验压电压力传感器.11 2.7 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力.11 3 机械传动选用及设计计算.12 3.1 圆锥齿轮的计算.12 3.2 主传动轴的相关概算.13 3. 3 花键联轴器的计算 14 3.4 压力波动的分析.15 3.5 燃油的可压缩性.15 3.6 管路的容积变化.16 3.7 管路中的压力波动.16 3.8 喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响.17 3.9 喷油泵的速度特性校正.19 3.10 可变减压容积.19 3.11 可变的减压作用.19 3.12 高压油管.20 3.13 柴油内燃机异常喷射现象.20 3.14 二次喷射.21 3.15 稳定喷射.22 4 测试精度.23 总结.26 致 谢.28 参考文献.29 汽车发动机油路测量设备的机构设计 1 1 绪论绪论 1.1 设计目的设计目的 柴油机供油系统多参数的电测量，为研究供油系统喷射特性提供了手段。而且，目 前在评估新品开发设计的喷油泵和喷油嘴的性能时，也常以多参数的电测量作为考核项 目之一。因此，测量的精确性就显得越发重要了。 在以往的电测试验中，出现过油嘴已喷油的工况下，测出的油管压力低于油嘴开启 压力的情况。例如在二零零二年八月高速一号泵的电测试验中，油嘴开启压力为 12。5MPA，当油泵转速为 250RPM 时，测出的嘴端最高压力只有 11。69MPA。还有， 日本 VE 泵在二零零二年九月的试验中，油嘴开启压力为 18。13MPA（185kgf/cm2） ，在 油泵转速为 390RPM 时，测出的嘴端最高压力只有 17。013MPA（173。6 kgf/cm2） 。在上 述两例试验中，油嘴针阀均已开启喷油。 现有使用的传感器、信号转换仪、数据处理仪、都是具有世界先进水平的仪器。精 度很高，随机误差很小。这就要考虑是否存在较大的系统误差，即要从测试方法的角度 去考虑了。目前一般采用压电式传感器测量压力。压电传感器因其机械强度高，体积小， 重量轻、高频特性良好，输出线性好等优点，而被广泛采用。但当被测压力变化频率低， 变化幅度小时，压电晶体的电荷量变化难于反映到测量结果中，即压电传感器的低频特 性差。而我们测量的油路中存在这种变化频率低、幅度小的压力高压油管中的残留 压力。因此，压电传感器是测不出这种压力的。上面提到的现象极可能是因为测不出残 留压力而产生的。 在课题立项时，还曾考虑过压电传感器灵敏度变化问题，还有高压油管嘴端压力与 针阀体内压力室的压力差异问题，是否会对压力测量精度产生一定的影响。这些都将在 下面的论文中予以阐述。 1.2 柴油发动机的燃料喷射装置概述柴油发动机的燃料喷射装置概述 燃油喷射装置是柴油机的一个重要组成部分，在产品改进和新品试制过程中，为了 获得良好的性能指标，往往需要对燃油喷射系统进行大量的调试工作，根据大量实践表 明，对现代柴油机喷射装置的要求是: (1) 能精确的控制每循环的喷射量(并要求每缸等量)，并在规定的时间内(喷射持续角)喷 入汽缸，换言之，即要求具有合适的喷油率。 (2) 为了优化柴油机的性能、烟度、噪声和排放，需要具备能随柴油机负荷和转速变 的、精度为1A 的喷油提前角。 (3) 为了将柴油和空气混合，需要高的喷射压力，对具有强空气涡流的直喷式或非直 喷式柴油机，最大喷射压力为 3040MPA，对低涡流直喷式，最大喷射压力约为 4548MPA，对无涡流直喷式，最大喷射压力在 100MPA 以上。 近年来，得到蓬勃发展的电控喷射系统，在实现要求（2）方面已比常规的机械液力 式喷射装置显示出更大的优越性，并开辟了将喷油系统控制和运输车辆控制结合起来的 可能性。 在柴油内燃机出现早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。一九二七年，德国博世 无锡太湖学院学士学位论文 2 （BOSH）公司开始专业生产以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量的机械式喷油泵，这种喷 油泵的工作原理至今仍用于多数柴油内燃机的燃料供给系统中。 图 1.1 燃油系统图 如图 1.1 整个燃油系统由低压油路（油箱、输油泵、燃料滤请器、 ） （喷油泵、高压油 管、喷油器）和调节系统组成。其核心部分是高压油路所组成的喷油系统，人们也把这 种传统燃料供给系统称之为泵-管-嘴系统。在这种系统中，喷油泵有柱塞式喷油泵和转子 分配式喷油泵两种。对柱塞式喷油泵，每个柱塞元件对应于一个气缸，多缸内燃机所用 的柱塞数和气缸数相等且和为一体，构成合成式喷油泵；对小型单缸和大型多缸内燃机， 常采用每个柱塞元件独立组成一个喷油泵，称之为单体喷油泵。转子分配式喷油泵是用 一个或一对柱塞产生高压油向多缸内燃机的气缸内喷油，这种主要用于小缸径高速柴油 内燃机上，其制造成本较低。 在上述泵-管-嘴燃料供给系统中，由于有高压油管的存在，使喷油系统在内燃机上的 布置比较方便灵活，加上已积累了长期制造与匹配的理论与经验，因此，目前这种系统 仍在各种柴油内燃机上得到广泛应用。但是，也正由于高压油管的存在，降低了整个燃 油供给系统高压部分的液力刚性，难于实现高压喷射与理想的喷油规律，也使这种传统 燃料供给系统的应用前景受到一定的限制。为了满足柴油内燃机不断强化及日益严格的 排放与噪声法规的要求，目前正在大力发展各种高压、电控的燃料喷射系统，如采用短 油管的单体泵系统、泵喷嘴与 PT 系统、蓄压式或共轨系统等等。 在目前对于上述各种喷射装置的研制中，对喷射装置系统压力性能有着很高的要求， 而油管的残留压力，在整个压力系统中占有十分重要的地位，因此对残留压力装置的研 究对整个燃油喷射装置性能的提高有着十分重要的作用。 1.3 喷油过程喷油过程 柴油内燃机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动喷油泵旋转，燃油从油箱经滤清、输油 汽车发动机油路测量设备的机构设计 3 泵加压（约 0。10。15MPA）到喷油泵的低压油腔。当挺柱体总成的滚轮在凸轮基圆时， 柱塞腔与低压油腔通过进、回油孔联通，向柱塞腔供油，喷油泵凸轮轴运转，凸轮推动 挺柱体总成克服柱塞弹簧力向上运动。当柱塞顶面上升到与进、回油孔上边缘平齐，进、 回油孔关闭，柱塞腔与低压油腔隔离。当柱塞再向上运动时，柱塞腔内的燃油被压缩， 压力升高。当压力上升到大于出油阀开启压力与高压油管内残压之和时，出油阀开启， 燃油流入出油阀紧帽进到高压油管、喷油器体内油路及针阀体盛油槽内。柱塞继续上升， 油压升高，当喷油器针阀体盛油槽内的油压达到并超过针阀开启压力时，针阀打开，向 气缸内喷油。由于柱塞顶面积大，喷油器的喷孔面积小，故喷射过程中压力继续升高。 当柱塞上升到其斜槽上边缘与回油孔的下边缘相联通时，柱塞再上升，柱塞腔与低压油 腔相通，燃油流经回油孔开启截面进入低压油腔，柱塞腔压力下降。随后出油阀在弹簧 力和两端油压的综合作用下开始下行，当减压凸缘进入出油阀座孔后，出油阀紧帽腔与 柱塞腔隔离，使紧帽腔到喷油器所组成的高压油路内保持一定量燃油，出油阀仍继续下 行到落座。出油阀在落座过程中，由于减压容积的作用，使高压油路（出油阀紧帽腔、 高压油管、喷油器体内油道、盛油槽容积的总和）中燃油压力迅速下降。当盛油槽内的 燃油压力小于针阀关闭压力时，针阀落座，喷油停止。 由于燃油的可压缩性与惯性，压力的传播与反射，高压油管内的燃油将产生一定的 压力波，压力波在出油阀紧帽腔到针阀体的盛油槽内不断衰减，趋于一定压力定值即残 留压力。上述喷油过程是可用压力传感器及位移传感器和相应仪器测出，考虑到测量的 方便性和可行性，通常喷油过程试验仅测出泵端压力、嘴端压力、针阀升程和喷油速率 随凸轮轴转角变化关系。随后，出油阀落座时，柱塞在凸轮驱动下继续上行到最大行程 后，在柱塞弹簧力作用下，沿凸轮下降段下行，在下行过程中，喷油泵不产生泵油作用， 至此，完成了一个泵油循环。在柱塞上升过程中，柱塞从下止点上升到进、回油孔关闭 时所经过的距离，称之为喷油泵柱塞的预行程，它的大小决定了柱塞在压油过程中初速 度的大小，将影响喷油速率；柱塞封闭进、回油孔开始压油到柱塞斜槽上边缘与回油孔 相通开始回油所经历的升程，称之为喷油泵柱塞的有效行程，它的大小与循环供油量有 关，决定了喷油器循环喷油量的大小。 从上述喷油过程的概述可知，喷油试验过程涉及了泵端压力嘴端压力。而为了真实 获得这两个压力必须与油管的残留压力结合起来。因此油管的残留压力是整个喷油过程 的一个组成部分，对整个喷射过程有着十分重要的作用。 1.4 几何供油规律和喷油规律的定义几何供油规律和喷油规律的定义 几何供油规律是指从几何关系上求出的油泵凸轮每转一度（或每妙）喷油泵供入高 压系统的燃油量（mm3/（）泵轴或 mm3/s）随凸轮轴转角 （或时间 t）的变化关系。 由于它纯粹是几何关系决定的，因此只要知道柱塞的运动特性即可。 喷油规律是指在喷油过程中，每秒或每度泵轴转角从喷油器喷出的燃油量随时间或 泵轴转角的变化关系。 1.5 喷油器总成喷油器总成 喷油器总成对于柴油机来说，有着非常重要的作用。喷油器总成在发动机上的安装 无锡太湖学院学士学位论文 4 及喷油器总成的喷射性能直接影响柴油发动机的动力性、经济性、使用性能及可靠性。 喷油器不仅决定着喷雾质量、油束与燃烧室的配合，而且影响喷油特性（喷油时刻、喷 油延续时间、喷油规律） ，这些都直接影响发动机的性能指标。如果喷油不良，油束和燃 烧室配合不好，则混合气形成恶化，燃烧变坏，性能下降。在新产品的试制过程中，往 往需要对喷油器作大量的调试，才能使柴油机达到设计指标；在使用过程中，常由于喷 油器的故障使发动机性能下降，甚至不能运转。所以喷油器是影响柴油机设计指标和使 用性能的关键部件之一。 喷油器总成通过法兰、压板和螺套紧固在发动机的气缸头上，它的喷油嘴端深入到 发动机气缸的燃烧室内。喷油器的高压油道通过高压油管与喷油泵总成的出油阀接头相 连接，回油油路相互连接直接回到油箱。 喷油器总成的功用是： (1) 将一定数量的具有合适喷射压力的燃油雾化，以促进燃油在发动机气缸内的着火 燃烧。 (2) 借助于（或者不借助于）空气涡流将燃油喷注并力求均匀分布到气缸的燃烧室内， 特别对于无涡流的开式燃烧室，喷油器总成的安装精度是一个很值得重视的问题。一般 喷油器总成由喷油嘴偶件、喷油器体、调压装置、油管接头、紧帽等、部件组成。 当高压燃油经高压油道进入喷油嘴偶件盛油槽部位而压力积蓄到能克服调压弹簧对 针阀的压紧力时，针阀被升起，高压油进入嘴端的高压腔经喷孔雾化而喷射到气缸的燃 烧室内。当喷油泵终止泵油，油道内压力降低，针阀受弹簧的压力而降致针阀座面以关 闭高压腔，这时燃油不能经过喷油孔而进入发动机气缸的燃烧室，而燃烧室的燃点也不 能进入喷油器体内。由于喷油器总成的主要组成是喷油嘴偶件，而喷油嘴偶件又有不同 的结构形式，所以喷油器总成也有不同的结构形式。 小发动机的油嘴开启压力较低，而大发动机的油嘴开启压力和关闭压力应足够高， 以保证喷射终止后针阀能克服燃烧室高压而落座，否则燃烧室气体将进入油嘴，使喷孔 和针阀积碳而进一步影响燃油的喷射和燃烧。 喷油器中喷油压力的影响： 在燃油喷射过程中，燃油压力是变化的。一般讲，小型高速柴油机的喷油嘴针阀开 启压力为 1220MPA，最高燃油压力是 4060MPA，而大型柴油机喷油嘴针阀开启压力 为 2130MPA，最高喷油压力约为 80100MPA 以上。喷油压力直接影响喷油持续时间 和燃油雾化质量。如果喷油压力过低，则燃油雾化不好，而且容易引起燃气回窜将喷油 嘴烧坏。随着喷油压力提高，可以使油束出口速度增加，降低油滴的平均直径，使油滴 蒸发加快，加速油束在空气中的扩散，使空气卷入的相对速度增加，同时喷射持续期缩 短，这样就大大提高了混合气形成速率，从而改善燃烧性能。 喷油压力对然油消耗率的影响： 随着喷油压力提高，燃油消耗率下降。所以近年来在柴油机上有提高喷油压力的趋势， 甚至采用高压喷射。例如在大型柴油机上喷油压力已提高到 100MPA 以上，MAN 公司的 58/64 系列柴油机的最高喷油压力已达 130MPA，并打算提高到 140MPA，在小型高速柴油 机上，由于受到喷油泵强度的限制，最高喷油压力通常在 70MPA 以下。应该指出，由于最 汽车发动机油路测量设备的机构设计 5 高喷油压力的出现是瞬时的，因此应用平均有效压力（即在喷油持续期内通过喷孔的平均 压降）来判断喷油过程的好坏更为合理。随着平均有效压力的提高，燃油消耗率和烟度都 相应下降。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 柴油发动机油路压力测量设备的设计柴油发动机油路压力测量设备的设计 2.1 柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述柴油发动机油路压力测量设备控制系统概述 信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。这些物理量就是信号。就 具体物理性质而言，信号有光电信号、光信号、力信号，等等。其中，电信号在变换、 处理、传输和运用等方面，都有明显的优点，因而成为目前应用最广泛的信号。各种非 电信号也往往被转换成电信号，而后传输、处理和运用。 在测试工作的许多场合中，并不考虑信号的具体性质，而是将其抽象为变量之间的 函数关系，特别是时间函数或空间函数，从数学上加以分析研究，从中得出一些具有普 遍意义的理论。这些理论极大地发展了测试技术，并成为测试技术的重要组成部分。这 些理论就是信号的分析和处理技术如图 1.2 图 1.2 信号的分析和处理技术图 一般说来，测试工作的全过程包含着许多环节：以适当的方式激励被测对象、信号 的调理、分析与处理、显示与记录，以及必要时以电量形式输出测量结果。因此，测试 系统的大致框图可以用图 2.1 来表示： 图 2.1 测试系统流程框图 应当指出，并非所有的测试系统都具备图 2.1 中所有环节，尤其是虚线连接的环节和 传输环节。实际上，对环节与环节之间都存在着传输。图 2.1 中的传输环节是指较远距离 的通讯传输。客观事物是多样的。测试工作所希望获取的信息，有可能已载于某种可检 测的信号中，也有可能尚未载于检测的信号中。对于后者，测试工作就包含着选用合适 的方式激励被测对象，使其产生既能充分表征其有关信息便于检测的信号。事实上，许 多系统的特征参量在系统的某些状态下，可能充分地显示出来；而在另外一些状态下确 汽车发动机油路测量设备的机构设计 7 可能没有显示出来，或者显示得很不明显，以至于难于检测出来。因此，在后一种情况 下，要测量这些特征参量时，就需要激励该系统，使其处于能够充分显示这些参量特性 的状态中，以便有效地检测载有这些信号的信号。传感器直接作用于被测量。并能按一 定规律将被测量转换成同种或别种量输出。信号调理环节。把来自传感器的信号转换成 更适合于进一步传输和处理的形式。这时信号转换，在多数情况下是电信号之间的转换。 例如将幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或将阻抗的变化转换成频率的变 化等等。信号处理环节接受来自调理环节的信号，并进行各种计算、滤波分析将结果输 至显示记录或控制系统。信号显示、记录环节，以检测者易于认识的形式来显示测量的 结果，或将测量结果存贮，供必要时使用。在所有这些环节中，必须遵循的基本原则是 各环节的输出量与输入量之间保持一一对应和尽量不失真的关系，并必须尽可能的减小 或消除各种干扰。 从以上的各测量环节的相互关系中我们可以知道，任何测量仪器都是由感受件、中 间件、效用件组成的。下面我们再对这三个元件作一下简单的描述。 1.信号接收部件 它直接与被测对象发生联系(但不一定直接接触)，感知被测参数的变化，同时对外界 发出相应的信号。 作为仪器的感受件必须满足下述三个条件: (1) 它必须随被测参数的变化而发生相应的内部变化(这个内部变化就是传感器的 输出信号)。如热电偶的一端受热后，因金属的热电效应而产生热电势。 (2) 它只能随被测参数的变化而发出信号（即不受其它任何参数的影响） 。如热电 偶产生电势的大小只随温度而变化，其它如压力等参数的变化不引起电势的改变。 (3) 感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系（即一个确定的信 号只能与参数的一个值相对应） 。例如，不能用水的密度变化来测量+4左右的温度， 因为在这种情况下水的同一个密度大小可以代表两个不同的温度。 实际上，这三个条件是难以完全得到满足的，特别是其中第（2）项条件。因此，任 何传感器都不可能是十全十美的，它都受一定使用条件的限制。如在使用上不加以注意， 就会得出错误的测量结果。 2. 中间件 最简单的中间件是“单纯”起传递作用的元件，它将传感器的输出原封不动地传递给效 用件。这种单纯的传递件一般只有当传感器输出的信号较强，感受件与效用件之间的距 离不大或效用件的灵敏度很高（或消耗的能量很小）时才有可能采用。 在近代的内燃机测试工作中，都要求实现数据集中观测、遥测和自动记录。所以大 多数测量仪器的中间件还必须完成“放大”、 “变换”和“运算”任务。 仪器的放大件有两类：一类是感受件发出的信号较强，放大时不需外加能量，它只 利用杠杆、齿轮等机械构件扩大指针和标尺之间的相对位移，使之易于观测，如机械式 示功器中的杠杆、弹簧管压力计中的杠杆和扇形齿轮传动机构。 另一类放大是需要外加能量的，这在电测仪器中用得很多，例如用电子电位计测量 热电势时，就要将电势放大十万倍才能足以驱动伺服电机带动指针作出指示。这类放大 无锡太湖学院学士学位论文 8 在电测仪器中利用电子器件来完成。 有时，为了放大信号的需要，或改变传感器输出信号性质的需要，在电测仪器的测 量电路中设有信号“变换器”和“运算器”。 3. 效用件 它直接与观测者发生联系，其作用是根据传感器输出信号的大小向检测者显示被测 参数在数量上的大小。最简单而常见的仪器效用件是指示件，它通过标尺和指针（或液 面、光线等）的相对位置来反映被测参数的瞬时值，有这种效用件的仪器也就被称作指 示仪器。效用件能将被测参数变化历程记录下来的仪器称为记录式仪器。在记录式仪器 中，除了以记录笔的运动来反映被测参数的变化外，还需要另一个作相应运动的部件， 这样才能作出函数的图形。在现有的条件下此类部件已被打印机等显示输出设备所代替。 记录式仪器所能反映的是被测参数在各个瞬时的变化情况，但有时需要知道被测参 数对时间的积分。例如，在测定流量时，不仅要知道流量的瞬时值，而且还要知道在某 个时间间隔内流过的总流量，如以 Q 表示瞬时流量（m2/s） ，则就是从时间 t1到 t2间 2 1 t t t Qd 隔内流过的总流量，但这毕竟比较麻烦，为此可以使仪器的效用件自己进行积分，这样 的测量仪器称积分式累计仪器，如流量计、电度表等。 此外，按照效用件的功能来分类的还有：数字式仪器、信号式仪器、电接触式仪器、 调节式仪器，等等。 2.2 柴油发动机油路压力测量设备的原理柴油发动机油路压力测量设备的原理 为了精确地测定高压油管中的残留压力，我们在查阅了大量资料的基础上，并参照 喷油泵的结构设计，设计了一种专门用于测量残留压力的测量装置。柱塞二开有二百四 十度的环槽，并通过一队圆锥直齿轮与油泵凸轮轴同步转动，柱塞套上装有压力表和应 变式传感器。当油泵与残留压力测量装置连接的那一缸即将进入供油状态时，柱塞的密 封面将测量油路与油泵高压油路切断。供油结束后，柱塞上的环槽使得测量油路与高压 油管相同。这样，压力表和传感器就采集到了供油结束时期高压油管中的残留压力。可 以从压力表的表盘上直接读取压力数值，也可以以此观察压力的变化趋势。由传感器采 集、信号转换仪转换和数据处理仪记录下来的压力波形，可以得到在一定工况下，一段 凸轮轴转角范围内压力波动的情况。可见这两种记录方式各有所长。 2.3 柴油发动机油路压力测量设备相位调整柴油发动机油路压力测量设备相位调整 要测量与油泵某一缸连接的高压油管的残留压力；需先转动油泵凸轮轴，将该缸转 到供油始点位置；再将残留压力测量装置转到附图 1（b）所示的位置。然后，将油泵试 验台动力输出端与残留压力测量装置传动轴的一端、残留压力测量装置传动轴的另一端 与油泵凸轮轴，用联轴节连接起来。这样，就把残留压力测量装置的相位与油泵的相位 对应起来了。 汽车发动机油路测量设备的机构设计 9 2.4 柴油发动机油路压力测量设备测量线路柴油发动机油路压力测量设备测量线路 测量残留压力所作用的传感器是应变式传感器。导体受机械变形时，其电阻值发生 变化，称为“应变效应”。应变式传感器就是用以上原理工作的。 对于大多数作为应变片金属丝的材料来说，其电阻丝电阻变化率 在弹性范围内可 R dR 用下式表示： k l dl k R dR 式中 k 为常数，其值约在。1.63.6 之间；为应变。 l dl 此式表示金属电阻丝电阻变化率 与应变 成线性关系，而应变灵敏系数 k 即为此 直线的斜率，这就是电阻应变片测量应变的理论基础。 半导体应变片最突出的优点是灵敏系数高，根据不同的半导体材料，ks=30175，它 比常用的金属丝电阻应变片的灵敏数系（一般 k=2）大几十倍，于是在应变片的应用上提 供了很大方便。此外，如机械滞后小，横向效应小以及它本身的体积小等优点，扩大了 它的使用范围。 但半导体应变片目前还存在如下缺点： （1）温度稳定性差。不仅因为半导体材料的电阻温度系数大，而且它的灵敏系数随 温度的变化而有相当大的变化。 （2）在大应变作用下，灵敏系数的非线性较大，同时，由于半导体应变片的灵敏系 数高，在承受应变作用时引起的电阻变化就大，如灵敏系数高，在承受应变作用时引起 的电阻变化就大，如灵敏系数为 130 的半导体应变片，在承受 1000 的作用时，其电阻 变化率R/R 可达 13%，在这种情况下，不仅应变片灵敏系数本身失去线性，而且应变仪 常用的等臂惠斯顿电桥也将达到 6%的非线性误差，所以使用半导体应变片测量较大的应 变时，对测量仪器本身亦应采取措施，以配合半导体应变片的应用，如用高阻抗恒流电 源作电桥供电和采用具有高桥臂比的恒压电桥等。 由于半导体应变片的温度稳定性差，使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度 引起的零漂或虚假信号。 应变式传感器的温度补偿是一个不可忽视的问题，因为应变片作为敏感元件测量构 件的变形时，总是希望应变片的电阻变化与应变之间有单值函数关系，但实际上电阻的 变化受温度变化的影响很大。 在实际工作中，为了减小甚至消除这种温度变化的影响，常采用桥路补偿和应变片 自补偿的方法来进行温度补偿。 目前常用的应变式压力传感器有悬链膜片-应变筒式、平膜片式和管式等。它们的共 同特点是利用粘贴在弹性敏感元件上的应变片，感测其受压后的局部应变，从而测得流 体的压力。 油管残留压力测量装置采用 的 BPR-2/100 型传感器，就是悬链膜片-应变筒式应变式 压力传感器。当传感器的膜片受到流体压力作用时，圆筒受到压缩，产生应变。在圆筒 薄壁部分的外表面上，沿轴向粘贴工作应变片，沿横向粘贴温度补偿片，工作片和补偿 R dR 无锡太湖学院学士学位论文 10 片接成半桥，通过相应的测量电路，即可得到与被测压力成正比的电压（或电流）输出。 这种传感器的承压膜片以应变筒直径分为内、外两部分，其径向剖面呈悬链线形， 膜片的抗弯刚度很小。这样，应变筒的轴向压应变可由下式估算： 式中 P被测压力（Pa） A应变筒的横截面积（m2） E应变筒材料的弹性模量（N/ m2） A1承压膜片的有效工作面积（m2） 在外壳内径确定的情况下，应变筒外径越大则承压膜片的有效工作面积也越大，这 对提高传感器的灵敏度有利。但应变筒外径增大，应变筒与膜片的接触面积就要增加， 从而使温度影响增大。一般设计成小圆面积略小于大圆面积的三分之一，在这种情况下， 承压膜片的有效面积略小于总面积的三分之二。 悬链膜片压力传感器的线性误差较大。包括非线性、回程误差和蠕变再内的总线性 误差一般为 1%，较好的情况下可达 0。5%左右。除了它有一般应变式传感器中产生线性 误差的因素之外，这种传感器承压膜片的有效工作面积随压力的增大而减小，以及在压 力作用下膜片边缘部位出现相当大的局部弯曲应力，都是产生非线性的重要原因。当应 力超过材料屈服限时，就会出现回程误差、蠕变等问题。上述所有因素引起的线性误差， 都是随着膜片直径的增大而减小。 这种压力传感器的灵敏度和固有频率都要比相同直径的平膜片式传感器高的多，它 的固有频率一般在 3050kHz 的范围内。 综合上述内容，可以得出这样一个结论，就是传感器受压力作用，产生微应变。由 应变仪将微应变量的变化转换为电压的变化。将电压信号送入数据处理仪。由模拟量/数 字量（A / D）转换板转换，就得到了压力的数字量。 测量高压油管泵端、嘴端压力的传感器是压电式传感器。 压电传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 有些结晶物质沿它的某个结晶轴受到力的作用时，其内部有极化现象出现，在它的 表面上有电荷集结，其大小和作用力的大小成正比，这种效应称为正压电效应。反之， 如果在晶体的某些表面之间加上电场，在晶体内部也产生极化现象，同时晶体产生变形， 这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。作为压电传感器材料的 压电晶体有：石英晶体、酒石酸钾钠、钛酸铅等铅系多晶体烧结而成的陶瓷等。 在晶体切片的电轴方向对其施加压力或拉力时都会在垂直于该轴面上集结电荷，电 荷可从紧贴于两晶体面上的金属极板用引线传出，作为压电传感器的输出。 为了提高输出，在压电传感器中，一般很少将压电晶体单片使用，而往往采用两片 以上组合在一起组成一个传感器。由于压电晶片是有极性的，所以有两种组合方式，一 种是将晶片同极性的晶面紧贴在一起作一个输出端，两边的电极用导线连接后作为输出 的另一端，形成“并联组合”。另一种组合是将正负电荷集中在上下极板，而中间晶面上的 汽车发动机油路测量设备的机构设计 11 电荷则互相抵消，形成“串联组合”。 从上述两种组合方式中可以看出：并联组合中输出的电荷大，输出电容大，输出阻 抗低，时间常数大，故适于电荷作为输出的场合。而在串联组合中输出电压大，输出电 容小，阻抗高以及时间常数小，故适于以电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的 场合。 从压电效应来说，压电传感器产生的电荷量 Q 属于静电性质的现象。此电荷量 Q 的 大小是无法用一般仪表测得的，这是因为一般仪表的输入阻抗 有限，压电晶片上产生的电荷将通过测量电路的输入电阻泄漏掉。测量电路的输入 阻抗愈高，被测参数的变化愈快（即频率愈高） ，则所测的结果就愈接近电荷的实际变化。 由此可见，为了减小测量误差，要求压电传感器测量电路必须是高输入阻抗的放大器， 通常是在放大器与变换器之间加入高阻抗的前置放大器。 为了克服由于电缆长度影响传感器的灵敏度，发挥利用压电效应作为传感器的优点， 压电传感器应与电荷放大器匹配。它是一种以输出电压与输入电荷成正比的前置放大器。 在采用电荷放大器的情况下，压电传感器视为一个电源。电荷放大器是一个高增益 的、具有反馈电容 Cf 的运算放大器。 开环增益为 A，Cf为反馈电容。此放大器是一个电压并联负反馈电路，从放大器输 入端看，相当于 Cf（1+A）的反馈输入阻抗和输入端阻抗并联。反馈电容 Cf在输入端的 作用增加了（1+A）倍，这就增大了输入回路的时间常数，当压电传感器受外力作用产生 电荷 Q 时，将向所有电容充电，此时放大器输入端的电压为为： eQ/ CpCcCi1 i ACf 当 A 远大于 1 时 eQ/. if C A 放大器的输入电压 eO为 0 .A=-Q/ if eeC 式中的负号表示本极的输出与输入极性相反。此式还说明电荷放大器的输出电压仅 和电荷量及反馈电容量有关，对于放大系数 A 及电缆分布 Cc 的变化不再影响放大器的输 出，这是电荷放大器的显著特点。一般对于长电缆时取 A Cf大于 100C0即可使电缆分布 电容对测量的灵敏度无明显影响。但是 Cf值选得过大也会影响灵敏度下降。此外，当电 荷放大器与压电传感器连接使用时，其下限频率（时间常数）只由电荷放大器决定，目 前国内生产的电荷放大器的下限频率已达 1.610-6Hz，这对实际测量和准静态标定是很重 要的。 通过以上的分析，可以知道，本测量装置所用的信号转换仪是电荷放大器。电荷放 大器将传感器传输来的电荷量信号转换为电压信号送入数据处理仪。 凸轮轴转角信号是由霍尔元件始点信号传感器产生的。 2.5 柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析柴油发动机油路压力测量设备试验结果分析 利用高压油管残留压力测量装置和其它电测仪器，我们对日本 DDK 公司的 A 型泵进 无锡太湖学院学士学位论文 12 行了电测试验。试验项目有高压油管泵端压力，嘴端压力和残留压力。通过试验得到这 样的结论：我们一般将泵端、嘴端压力波形中的最低点（一般是供油前一段压力） ，当作 压力零点。事实上这一段压力并不为零，而恰恰是残留压力的数值。供油开始前，残留 压力传感器与嘴端压力传感器的采样相同，两个压力相等，以这点为基准，泵端压力波 形与残留压力波形迭加，嘴端压力波形与残留压力波形迭加，才是泵端压力、嘴端压力 的实际波形。当油泵转速为 300RPM，油嘴开启压力为 17.5MPA，而最高嘴端压力只有 15.6MPA，低于油嘴开启压力。但把嘴端压力波形与残留压力波形迭加之后，最高嘴端压 力可接进 21MPA，就大大高于油嘴开启压力了。这样就可以解释在油嘴已喷油的工况下， 测出的油管嘴端压力低于油嘴开启压力的现象了。 我们曾尝试用所里现有的仪器来测残留压力。采用应变式传感器与压电式传感器串 接在油管嘴端。从测量压力的曲线来看，应变式传感器以其所测压力波形的最低点作为 其记录零线。如果认为此点为实际零线，那么喷油前一段稳定的压力就应该为残留压力 了。从曲线上看这段压力为 2.64MPA。但用残留压力测量装置测同工况下的残留压力， 测得结果残留压力均在 7MPA 左右。因此用应变式传感器装在高压油管端部，并不能测 得残留压力。 接残压装置与不接残压装置测得的同一转速下的泵端、嘴端压力波形，尽管两次测 得的对应最大值不同，但嘴端与泵端的压力差值基本相同，可见装上残压装置后并不影 响高压油管的压力。 目前，许多研究报告表明，高压油管残留压力的研究对柴油机供油系统喷射过程的 研究有着重要的意义。如空泡和喷射过程的稳定性等问题的研究中，只要残留压力不低 于燃油中轻馏份的饱和蒸汽压力，就不会出现蒸汽空泡；而高压油管中残留压力的稳定 性就决定了喷射过程的稳定。因此，残留压力的研究，不仅在科研机构中得到重视，而 且越来越多的生产部门作为开发新品时参数选择的依据。因此，我们开发的这个残留压 力测量装置，不仅对提高油泵多参数测试精度有重要意义，也为喷油系统的研究和设计， 提供了新的测试手段。 2.6 柴油发动机油路压力测量设备校验压电压力传感器柴油发动机油路压力测量设备校验压电压力传感器 我们采用本所现有的仪器，比较了压电式压力传感器与应变式压力传感器的压力测 量值。目的是观察压电式压力传感器经过这么多年的使用灵敏度是否有变化。 首先，用活塞式压力计标定应变式压力传感器。再用电荷标定器（AVL3054-A01 CHARGE CALIBRATOR） ，根据所用的压电传感器的灵敏度数值，标定压电式传感器。 然后，将经过标定的压电式传感器与应变式传感器串接在高压油管的嘴端，如附图十七， 接线、安装，进行试验。附图十八为测出的在油泵转速为 800RPM，全油门工况下的嘴端 压力曲线。压电式传感器测得的最高压力；PPMAX=26.159MPA，应变式传感器测得的最高 压力 PSMAX=25。250MPA。 两者的相对误差为： 3.6%100% 25.250 25.25026.159 100% P P-P SMAX SMAXPMAX 汽车发动机油路测量设备的机构设计 13 偏差并不大。再比较两者波形，压电式压力传感器的动态响应快，因此尖波较多， 但两者的波形变化趋势是相同的。 根据试验结果，可以说，压电式压力传感器的灵敏度变化不大。 2.7 柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力柴油发动机油路压力测量设备相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力 高压油管嘴端压力不同于针阀体压力室的压力（以下称嘴腔压力） 。由于压力波在高 压油路的传播，嘴端压力与嘴腔压力存在相位差，两者随转速，负荷变化的趋势基本一 致，嘴腔压力要高于嘴端压力。 我们一般说的油嘴开启压力，是在油嘴试验台上手动加压测出的。从其测量仪表与 油路的联接方式来看，这个压力是油管嘴端压力，不是嘴腔压力。因此，嘴端压力与油 嘴开启压力是可以直接比较的。 无锡太湖学院学士学位论文 14 3 机械传动选用及设计计算机械传动选用及设计计算 考虑到油管残留压力试验装置的特殊性，采用了圆锥直齿轮一级传动，并用花键联 轴器与油泵试验台相连，专用联轴节与测试油泵相连的方式进行布置。它有结构简单， 使用方便的特点。 齿轮机构是机械中应用最广的传动机构之一。与其他传动机构相比，其主要特点是： 传动比稳定，寿命较长，效率较高，适用的周速和功率范围广，并可实现任意两轴间的 传动；但要求较高的制造和安装精度，成本较高，且高速运转时噪声较大。 锥齿轮用于两相交轴间的传动。一对锥齿轮的传动相当于一对节圆锥作纯滚动。锥 齿轮有分度圆锥，齿顶圆锥，齿根圆锥和基圆锥。按照分度圆锥上齿的方向，锥齿轮可 分为直齿、斜齿和曲齿三种。直齿锥齿轮的设计、制造和安装都较简单，应用较广。曲 齿锥齿轮传动平稳，承载能力高，常用于高速重载传动，但设计、制造比较复杂。由于 本装置是一级传动，结构相对较简单所以采用直齿圆锥齿轮传动。 3.1 圆锥齿轮的计算圆锥齿轮的计算 图 3-1 圆锥齿轮 1.轴的交角:=1+2=90 根据实际工况及经验值定 Z1=Z2=44 m=1 2.分度圆锥角(节锥角) 1 0 11 451ictg 21 90904545 3.模数(大端)m 由经验确定 m=1 4.分度圆直径 d： 1 4444dm z 5.齿顶高 ha： *. haha m 查表得： ha*1c*0.2 *. 1 11haha m 汽车发动机油路测量设备的机构设计 15 6齿根高 hf ： * .hfhacm 1 0.211.2 11.2hf 7全齿高 h： * 2.hhacm 所以：2 1 0.212.2h 8齿顶圆直径 da ： * 2cos2cosdadham Zha 所以：1442 1 cos4544245.414da 9齿根圆直径 df：dfd2hf *cos 2 df442 1.242.303 2 10锥距(节锥长) 22 12 2 12 0.52 4431.113 2sin 2 22 22 m RZZ mzdd 11齿顶角 a 正常收缩齿 tg a=ha R tg 1 31.113 aarctg1.84a 12齿根角 tg ftg f hf R tg f0.0386 1.2 31.113 mm n P c nT. P. d 3 3 6 20 10559 arctg f=2.21 13齿顶锥角 a 正常收缩齿 451.8446.84aa 14齿根锥角 f 452.2142.49ff 15齿宽 b 31.113 b10.371 33 R 根据实际工况取 6 16齿顶高投影 n 2 nhasin1 sin45 2 17齿宽的投影 e .cos cos ba e a 6 cos46.84 4.1063 cos1.84 e 无锡太湖学院学士学位论文 16 18从锥顶到大端外圆的距离 A 1.442 A1A2n121.293 222 mz 根据结构要求取 21 19从支承端面到大端外圆的距离 M 根据结构定为 10 20齿轮厚度 H：HMe10414 21周节 p：p3.14 13.14m 3.2 主传动轴的相关概算主传动轴的相关概算 根据实际工作条件：确定传动轴的材料为之 45 钢，传递功率为 5KW，轴的转速为 1200RPM。 由于该传动轴主要受的是扭矩，所以扭转强度条件初步估算轴径： 最小轴径计算公式 d： 查表得 45 钢相应得 C 值应为 118107 综合已知条件代入上式得 3 p dc n d11810717.21818.988 5 31200 : 考虑到轴上将布置键槽所以需将轴径增大 3% 最小轴径应为 17。7419。56 扭矩计算： 66 9.55 109.55 105 T39791.666. 1200 P N mm n 若将扭矩按脉动性质考虑，取脉动系数 =0。6 则 39791.666 0.623874.9996 .TN mm 汽车发动机油路测量设备的机构设计 17 3. 3 花键联轴器的计算花键联轴器的计算 图 3-2 花健联轴器 根据实际工况选定花键联轴器的齿数 Z=86 m=0。5 标准压力角为 30，选用 30的圆齿根 1分度圆直径： Dmz0.5 8643 2基圆直径： cos bD Dmz D查表得 D=30 0.5 86 cos3037.24 b D 3齿距 P： PmP3.14 0.51.57 4花键作用齿厚上偏差查 GB/T3478。1 表 23、图 3 得 esv0.025 5花键大径基本尺寸 Dee：Deem z1 Dee0.5 8743.5 6外花键大径上偏差查 GB/T3478。1 为-0.043 7外花键大径公差查 GB/T3478。1 表 25 为 0.1 Tx100TxEsEIEIESTx0.0430.10.143 花键的下偏差为-0。143 8外花键渐开线起始圆直径最大值 2 2 max 0.5 tan (0.5) sin 0.5sin D D D esv hS DTeDbD 0.5Db 2346.69 0.5 D Sin0.5 43 Sin3010.75 D hs0.6m0.6 0.50.3 0.5 esv=0.50.0250.0125 无锡太湖学院学士学位论文 18 tantan300.5774 D 0.5 0.50.02165 tan D esv a 0.30.021650.32165 0.5 tan D esv hS 9综合以上结果代入上式得 DTemax42.39 花键小径基本尺寸: 1030圆齿根 Die： DiemZ 1.80.586 1.842.1 11外花键小径公差取 Tx=0.01 同大径:EI=-0.143 基本齿厚 S：S0.5m0.50.50.785 12作用齿厚最大值：SvmaxSesv0.7850.0250.76 13实际齿厚最小值：Smin= Svmax-(T+) T+ 查 GB/T3478。1 T+=82 Smin= Svmax-(T+)=0。76-0。082=0。678 14实际齿厚最大值 Smax Smax= Svmax- 查 GB/T3478。1 续表 8 =0.037 Smax= Svmax=0.760.037=0.723 15实际作用齿厚最小值 Svmin Svmin=Smin+ Svmin=Smin+=0.678+0.037=0。715 16齿形裕度 CF=0.1m=0.10。5=0.05 17齿根圆最小曲率半径 Remin Remin=0.4m=0.2 18查 GB/T3478.1 得齿距累积公差 FP=0.054 齿形公差 ff=0.029 齿向公差 F=0.017 3.4 压力波动的分析压力波动的分析 在高速柴油机中，燃油喷射的持续时间很短，只有 15 度35 度曲轴转角。在这样短 的时间内，喷油泵柱塞变速供油，高压管路中燃油压力变化却很大，在喷油时的最高压 力可以高达 30100MPA，而不喷射时（即在相邻两次喷油过程之间） ，高压管路中的残 留压力又很低。 根据分析故可选用设计图纸中出油接头规格尺寸 3.5 燃油的可压缩性燃油的可压缩性 当压力变化不大时，可以认为液体是不可压缩的，但在柴油机的燃油系统中，由于 压力