机械设计说明书—压燃式发动机油管残留测量装置设计

无锡职业技术学院毕业设计说明目 录第一章 绪论11.1设计目的21.2压燃式发动机的燃料喷射装置概述21.3喷油过程41.4几何供油规律和喷油规律的定义：51.5喷油器总成5第二章 压燃式发动机油管残留测量装置的设计72.1压燃式发动机油管残留测量装置控制系统概述72.2压燃式发动机油管残留测量装置的原理112.3压燃式发动机油管残留测量装置相位调整112.4压燃式发动机油管残留测量装置测量线路112.5压燃式发动机油管残留测量装置试验结果分析152.6压燃式发动机油管残留测量装置校验压电压力传感器162.7压燃式发动机油管残留测量装置相关油管嘴端压力与针阀体压力室压力16第三章 机械传动选用及设计计算183.1圆锥齿轮的计算183.2主传动轴的相关概算203.3花键联轴器的计算203.4.压力波动的分析223.5.燃油的可压缩性223.6.管路的容积变化233.7.管路中的压力波动233.8. 喷油泵的参数选择及其对柴油机性能的影响243.9.喷油泵的速度特性校正263.10可变减压容积273.11.可变的减压作用273.12.高压油管273.13.压燃式内燃机异常喷射现象283.14二次喷射293.15稳定喷射30第四章 测试精度31第五章 设计小结35致 谢36参 考 文 献3737第一章 绪论测试的基本任务是获取有用的信息。首先是检测出被测对象的有关信息，然后加以处理，最后将其结果提供给观察者或输入其他信息处理装置、控制系统。因此，测试技术是属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱（测试控制技术、计算技术和通信技术）之一。测量是以确定被测物属性量值为目的的全部操作。测试技术具有试验性质的测量，或者可理解为测量和试验的综合。人类在从事社会生产、经济交往和科学研究活动中，都与测试技术息息相关。测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。科学的基本目的在于客观地描述自然界。科学定律是定量的定律。科学探索需要测试技术，用准确而简明的定量关系和数学语言来表述科学规律和理论也需要测试技术，检验科学理论和规律的正确性同样需要测试技术。可以认为精确的测试是科学的根基。在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验等，都离不开测试技术。特别近代工程技术广泛应用着的自动控制技术已越来越多的运用测试技术，测试装置已成为控制系统的重要组成部分。甚至在日常生活用具，如汽车、家用电器等方面也离不开测试技术。测量是人类认识和改造物质世界的重要手段之一。通过测量，人们可以对客观事物获得数量的概念，通过归纳和分析，总结出规律。为了进行测量，必须规定一些标准单位，如在国际单位制中，规定长度的单位为米，时间的单位为秒，质量的单位为千克，电流强度的单位为安培等等。所谓测量是借助仪器把待测物理量的大小用某一选定的单位表示出来，其倍数即为物理量的数值。测量值应该由数值和单位组成。总之，测试技术已广泛的应用于工农业生产、科学研究、国内贸易、国防建设、交通运输、医疗卫生、环境保护和人民生活的各个方面，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要基础技术。因而，使用先进的测试技术也成为经济高度发展和科技现代化的重要标志之一。根据获得测量结果的方法不同，测量可分成两大类：1.直接测量能够利用仪器直接读出物理量的测量值的测量称为直接测量，相应的物理量称为直接测量量。例如，用电压表测量电压，用温度计测量温度等。2.间接测量在多数情况下，借助于一定的函数关系，由直接测量通过计算而获得待测物理量的测量称为间接测量，相应得到的物理量称为间接测量量。例如，圆柱的体积V可以用米尺测出它的高H和直径D，通过 计算。H和D是直接测量量，而体积V则是间接测量。由于本课题研究的是油管的残留压力,该压力是可通过装置直接采样的,无需通过借助一定的函数关系计算获得,因此该压力测试是直接测量。1.1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。产生这种现象的原因是什么呢？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压燃式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。在压燃式内燃机出现早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。一九二七年，德国博世（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压燃式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压燃式内燃机上，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压燃式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。为了满足压燃式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喷油过程压燃式内燃机工作时，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。第二章压燃式发动机油管残留测量装置的设计压力和流量等流体参量的测量，在众多工程领域中都具有十分重要的意义。各种压力和流量测量装置尽管在原理或结构上有很大差别，但它们的共同特点是都有中间转换元件，以便把流体的压力、流量等参量转换为中间机械量，然后再用相应的传感器将中间机械量转换成电量输出。这种中间转换元件对测量装置的性能有着重要的影响。另一个特点是压力和流量测量中，测量装置的测量精度和动态响应不仅与传感器本身及由它所组成的测量系统的特性有关，而且还和由传感器、连接管道等组成的流体系统的特性有关。在非电量测试技术中，首先遇到的是将各种非电量变换为电量，我们称能够完成这种变换功能的装置为传感器。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。在工程上也把提供与输入量有给定关系的输出量的器件，称为测量变换器。传感器就是输入量为被测量的测量变换器。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。2.1压燃式发动机油管残留测量装置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。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：传输被测对象测试者显示记录信号处理信号整理传感器信号整理被测对象图2-1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.A.感受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。B.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”。C.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。测量仪表按其用途可分为范型仪表和实用仪表两类。范型仪表是准备用以复制和保持测量单位，或是用做进行各种测量仪表校验和刻度工作的仪表。这类仪表的准确度很高，对它保养和使用有较高的要求。实用仪表是供实际测量使用的仪表，它又可分为实验室用仪表和工程用仪表。前者必须要提供关于它们读数的校正曲线或数值表，使用时应考虑周围环境对示值的影响（如温度、压力、磁场、振动等）。其测量结果具有较高的准确度，后者并不需要校正资料，它们的准确度是预先根据其结构、制造和运用条件定出。对它的要求是动作迅速、使用简单、可靠，其测量结果能满足工程测量误差所允许的范围。随机信号的描述：对随机信号的特点研究可以看出，随机信号是不能用确定的数学关系来描述的，不能预测其未来的任何瞬时值，任何一次检测值只代表在其变动范围中可能产生的结果之一，但其值的变动服从统计规律。描述随机信号必须用概率和统计的方法。对随机信号按时间历程所作的各次长时间观测记录为样本函数。样本函数在有限时间上的部分称为样本记录。在同一试验条件下，全部样本函数的信号（总体）就是随机过程。随机过程的各种平均值（均值、方差、均方值和均方根值等）是按集合平均来计算的。集合平均的计算不是沿某个样本的时间轴进行，而是将集合中所有样本函数对同一时刻的观测取平均。为了与集合平均相区别，把按单个样本的时间历程进行平均的计算称为时间平均。随机过程有平稳过程和非平稳过程之分。所谓平稳随机过程是指其统计特征参数不随时间变化的随机过程，否则为非平稳随机过程。在平稳随机过程中，若任一单个样本函数的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征，这样的平稳随机过程叫各态历经过程（遍历性）随机过程。工程上所遇到的很多信号具有各态历经性，有的虽不是严格的各态历经过程，但也可以当作各态历经随机过程来处理。事实上，一般的随机过程需要足够多的样本函数（理论上应为无限多个）才能描述它，而要进行大量的观测来获取足够多的样本函数是非常困难或做不到的。实际的测试工作常把随机信号按各态历经过程来处理，进而以有限长度样本记录的观察分析来判断，估计被测对象的整个随机过程。也就是说：在测试工作中常以一个或几个有限长度的样本记录来判断整个随机过程，以其时间平均来估计集合平均。随机信号广泛存在于工程技术的各个领域中。确定信号一般是在一定条件下出现的特殊情况，或者是忽略了次要的随机因素后抽象出来的模型。测试信号总是受到环境噪声污染的。故研究随机信号具有普遍、现实的意义。综上所述，加上对燃油喷射装置压力系统的分析可以知道。油管残留压力测试装置所测的油管残留压力，同样也是随机信号。以上就是对测量控制系统的概述。2.2压燃式发动机油管残留测量装置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压燃式发动机油管残留测量装置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。2.4压燃式发动机油管残留测量装置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 在弹性范围内可用下式表示：式中k为常数，其值约在.1.63.6之间；= 为应变。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。当略去电阻R时，其等效电路如下图所示：e0图2-2图2-2运算放大器，其开环增益为A，Cf为反馈电容。由图2-2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： ei=Q/Cp+Cc+Ci+（1+A）Cf当A远大于1时 ei =Q/ Cf .A放大器的输入电压eO为 eO=- ei.A=-Q/ Cf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压燃式发动机油管残留测量装置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压燃式发动机油管残留测量装置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：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压燃式发动机油管残留测量装置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。第三章：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1.轴的交角:=1+2=90根据实际工况及经验值定Z1=Z2=44 m=12.分度圆锥角(节锥角) 1 ctg1= =i=1 1=452=901=9045=453.模数(大端)m由经验确定m=14.分度圆直径d d=m.z=144=445.齿顶高ha ha= ha*.m查表得 ha*=1 c*=0.2 ha= ha*.m=11=16.齿根高hf hf=( ha*+ c*).m hf=(1+0.2) 1=1.21=1.27.全齿高h h=( 2ha*+ c*).m h=(21+0.2) 1=2.28.齿顶圆直径da da=d+2 hacos=m(Z+2ha*cos) da=1(44+21cos45) =44+ =45.4149.齿根圆直径df df=d-2hf*cos df=44-21.2 =42.30310.锥距(节锥长)R R= = = =0.5 =31.11311.齿顶角a 正常收缩齿tga= tga= arc tga=1.8412.齿根角tgf tgf= tgf = =0.0386 arc tgf=2.2113.齿顶锥角a 正常收缩齿a=+a=45+1.84=46.8414.齿根锥角f f=f =452.21=42.4915.齿宽b b = =10.371 根据实际工况取6 16.齿顶高投影n n=haSin=1Sin45= 17.齿宽的投影e e= e= =4.1063 取418.从锥顶到大端外圆的距离A A1=A2= n1 =21.293 根据结构要求取2119.从支承端面到大端外圆的距离M 根据结构定为1020.齿轮厚度H H=M+e=10+4=1421.周节p p=m=3.141=3.143.2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：d mm 查表得45钢相应得C值应为118107综合已知条件代入上式得d d=（118107） =（17.21818.988）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：T= = 若将扭矩按脉动性质考虑，取脉动系数=0.6则T=39791.6660.6=23874.9996Nmm3.3花键联轴器的计算根据实际工况选定花键联轴器的齿数Z=86m=0.5 标准压力角为30,选用30的圆齿根1.分度圆直径D=mz =0.586=432.基圆直径: Db=mzcosDD查表得D=30 Db=0.586cos30=37.243.齿距P P=m P=3.140.5=1.574.花键作用齿厚上偏差查GB/T3478.1表23、图3得 esv=-0.0255.花键大径基本尺寸Dee Dee=m(z+1) Dee=0.587=43.56.外花键大径上偏差查GB/T3478.1为-0.0437.外花键大径公差查GB/T3478.1表25为0.1Tx=100 Tx=Es-EI EI=ES-Tx=-0.043-0.1=-0.143花键的下偏差为-0.1438.外花键渐开线起始圆直径最大值DTemax= (0.5Db)2=346.690.5DSinD=0.543Sin30=10.75hs=0.6m=0.60.5=0.30.5 esv=0.5(-0.025)=-0.0125 tanD =tan30=0.57740.5 =-0.02165=0.3+0.02165=0.32165 =0.64339.综合以上结果代入上式得DTemax=42.39花键小径基本尺寸:10.30圆齿根Die Die=m(Z-1.8) =0.5(86-1.8)=42.111.外花键小径公差取Tx=0.01 同大径:EI=-0.143基本齿厚S S=0.5m=0.50.5=0.78512.作用齿厚最大值Svmax=S+esv=0.785-0.025=0.7613.实际齿厚最小值Smin= Svmax-(T+)T+查GB/T3478.1 T+=82Smin= Svmax-(T+)=0.76-0.082=0.67814.实际齿厚最大值Smax Smax= Svmax-查GB/T3478.1续表8 =0.037Smax= Svmax=0.760.037=0.72315.实际作用齿厚最小值Svmin Svmin=Smin+Svmin=Smin+=0.678+0.037=0.71516.齿形裕度 CF=0.1m=0.10.5=0.0517.齿根圆最小曲率半径Remin Remin=0.4m=0.218.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=0.0173.4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，由于压力变化幅度大，燃油的可压缩性就必须加以考虑。当压力变化25MPA时，柴油体积约缩小1%，体积变化的数值不大，但由于每循环的供油量本身就很小（如6135G柴油机全负荷时为0.13ml/循环），而高压管路中积聚的燃油比每循环供油量要多得多，这部分燃油被压缩，喷油器中的压力升高就要延迟，就会对喷油过程产生较大的影响。燃油的可压缩性可用压缩系数表示 m2/N 或写成 m2/N 压力变化愈大或容积愈大，则体积变化也