凸轮轴位置和转速传感器的结构与原理图
发布时间：2024-06-02 点击：1026
性能特点和作用说明
凸轮轴位置和转速传感器的结构与原理图
凸轮轴位置和曲轴转速传感器的作用是检测曲轴或凸轮轴的位置，为ecu进行喷油正时控制、气门正时控制等提供依据。此外，ecu还利用转速传感器的信号计算柴油发电机的转速，作为控制柴油发电机运转的重要参数。康明斯公司在本文中将其安装位置和工作原理及结构进行了说明，以供维修工程师和用户更好的掌握康明斯发电机组的相关知识。
1、安装位置
转速传感器通常安装在带轮后、飞轮附近或凸轮轴附近。当转速传感器安装在曲轴带轮附近或飞轮附近时，ecu可以根据其信号确定曲轴转动的位置，或判定各气缸活塞到达上止点的位置，因此常被称为转速传感器，并将其信号称为ne信号；当其安装在凸轮轴附近时，ecu除了可以根据其信号确定凸轮轴转动的位置、曲轴转动的位置外，还可以判定第一缸活塞到达压缩上止点的位置，因此有时也称其为凸轮轴位置传感器，并将其产生的用于判定第一缸活塞到达压缩上止点的信号称为g信号。
2、结构与工作原理
（1）电磁感应式曲轴位置传感器
电控柴油发电机转速传感器广泛采用电磁感应式，极个别的采用霍尔式。曲轴的转速信号直接反映柴油发电机的速度工况，曲轴的位置信号则用来判断活塞上止点的位置，以便控制燃料供给系统的喷油时序。常见的电磁式曲轴转速与位置传感器如图1左图所示。它的触发轮（或称为信号盘）装在曲轴上与曲轴同步旋转，触发轮上加工出若干等节距的齿（例如博世公司4缸柴油发电机为60-2＝58个齿，其中两个齿空缺，空缺处相应于1缸活塞位置），当各齿转过固定在柴油发电机机体上的磁头（由永磁铁、软铁心和绕组组成）时，由于气隙的周期变化，在绕组两端产生交变的感应电动势，这一交流信号即可作为转速信号，经整形与放大以后形成方波送至ecu。同时，触发轮上的两个齿缺对应着一定的曲轴位置，从而产生了相应的上止点信号，如图1右图所示。控制电路如图2所示。
图1 转速传感器结构与工作原理图
图2 转速传感器电路示意图
（2）霍尔式凸轮轴位置传感器
凸轮轴位置传感器采用霍尔元件的居多，这是因为霍尔元件低频工作特性比电磁式传感器好。在四冲程柴油发电机中，曲轴每两转才完成一个工作循环，为了区别压缩上止点与排气上止点，还应在凸轮轴（其结构如图3所示）上加装霍尔效应传感器才能保证正确的喷油时序。这种传感器的结构如图4所示，它由霍尔元件和带有凹槽的触发轮等构成。霍尔元件处在永磁铁产生的磁场内，磁力线与晶片垂直并通过气隙流向由铁磁材料制成的触发轮，构成磁通回路。当凸轮轴旋转时，触发轮齿顶和齿槽交替通过它们与霍尔元件之间形成的气隙，引起磁场的剧烈变化（齿顶处气隙小，磁场最强，齿槽处磁场最弱）。如果这时有恒定电流通过霍尔元件，根据霍尔效应便会在其晶片两端与磁场和电流垂直的方向上产生脉冲电压信号，其值只正比于磁场的强度而与凸轮的转速无关，因此只要正确布置触发轮，即可确定柴油发电机1缸压缩上止点的位置，从而保证正确的喷油正时。
与曲轴信号齿轮相似，凸轮轴上也需要设置信号轮。这种信号轮根据实际结构的情况，有时设置在配气凸轮轴上，有时设置在燃油泵的凸轮轴上。对比飞轮这些轴尺寸都较小，凸轮轴上的信号轮的 直径也都较小。6缸柴油发电机的凸轮信号轮横截面如图3中的带正时记号的触发轮所示，从图4中可见，这种信号轮的齿其实只是一些凹槽。6缸柴油发电机信号轮的凹槽一般是沿圆周分布的6个凹槽，其中两个凹槽间距离前一凹槽1/4间距处也加工出一个凹槽，这一凹槽称为多齿。多齿的作用与缺齿相似，也是为了确定齿计数的始点。一般将多齿后第一齿编为1号齿，以后依次为2～6号。这种凸轮信号轮称为6＋1型，如4缸凸轮信号轮称为4＋1型、8缸凸轮信号轮称为8＋1型。
由于凸轮轴在柴油发电机一个工作循环内转一圈，所以，每一个凸轮齿可以确定无疑地定下柴油发电机曲轴的一个转角相位。但由于凸轮齿数较少，所以这种定位只能确定较大的转角范围。如在上述6缸柴油发电机的情况，凸轮齿只能对720°／6＝120°的曲轴转角范围定位。
图3 凸轮轴机构组成图.
图4 霍尔凸轮轴位置传感器结构示意图
3、控制电路
霍尔式转速传感器内部的霍尔元件及放大电路都需要电源才能正常工作，它可以利用由蓄电池提供的24v（或12v）电压，如图5所示，或由ecu提供的5v电压作为工作电源，如图6所示。图4是一个能产生两组曲轴位置信号（g信号和ne信号）的霍尔式转速传感器，它有4条接线，分别是电源线、搭铁线、g信号线和ne信号线。图5是两个分别独立的霍尔式凸轮轴位置传感器，每个传感器有3条接线，分别是电源线、搭铁线和信号线。
图5 霍尔元件的控制电路（电源1）
图6 霍尔元件的控制电路（电源2）
在传感器内部的放大电路中，霍尔电压用于驱动一个晶体管开关电路，使该电路处于饱和（即导通）或截止状态。ecu中的5v基准电压通过一个较大的电阻后施加在晶体管开关电路上，如图4所示，当霍尔电压为高电位时，晶体管开关电路处于饱和状态，此时传感器的信号输出端与搭铁导通，5v电压经过ecu中的电阻后在该端子处被短路，其电压变为0；当霍尔电压为低电位时，晶体管开关电路处于截止状态，使传感器的信号输出端相对于搭铁断路，其电压变为5v。由此可知，霍尔式转速传感器的输出信号电压是通过信号输出端相对于搭铁端导通状态的改变，由ecu施加在该端子上的电压产生的。由于该电路在断路状态时是一个5v电压，因此，在传感器转子转动一圈过程中，传感器输出和转子叶片（或窗口）数目相同个数的、幅值为5v的矩形电压脉冲信号。ecu通常将脉冲信号的下降沿作为判定曲轴或凸轮轴位置的基准点。
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凸轮轴位置和转速传感器的结构与原理图
凸轮轴位置和曲轴转速传感器的作用是检测曲轴或凸轮轴的位置，为ecu进行喷油正时控制、气门正时控制等提供依据。此外，ecu还利用转速传感器的信号计算柴油发电机的转速，作为控制柴油发电机运转的重要参数。康明斯公司在本文中将其安装位置和工作原理及结构进行了说明，以供维修工程师和用户更好的掌握康明斯发电机组的相关知识。
1、安装位置
转速传感器通常安装在带轮后、飞轮附近或凸轮轴附近。当转速传感器安装在曲轴带轮附近或飞轮附近时，ecu可以根据其信号确定曲轴转动的位置，或判定各气缸活塞到达上止点的位置，因此常被称为转速传感器，并将其信号称为ne信号；当其安装在凸轮轴附近时，ecu除了可以根据其信号确定凸轮轴转动的位置、曲轴转动的位置外，还可以判定第一缸活塞到达压缩上止点的位置，因此有时也称其为凸轮轴位置传感器，并将其产生的用于判定第一缸活塞到达压缩上止点的信号称为g信号。
2、结构与工作原理
（1）电磁感应式曲轴位置传感器
电控柴油发电机转速传感器广泛采用电磁感应式，极个别的采用霍尔式。曲轴的转速信号直接反映柴油发电机的速度工况，曲轴的位置信号则用来判断活塞上止点的位置，以便控制燃料供给系统的喷油时序。常见的电磁式曲轴转速与位置传感器如图1左图所示。它的触发轮（或称为信号盘）装在曲轴上与曲轴同步旋转，触发轮上加工出若干等节距的齿（例如博世公司4缸柴油发电机为60-2＝58个齿，其中两个齿空缺，空缺处相应于1缸活塞位置），当各齿转过固定在柴油发电机机体上的磁头（由永磁铁、软铁心和绕组组成）时，由于气隙的周期变化，在绕组两端产生交变的感应电动势，这一交流信号即可作为转速信号，经整形与放大以后形成方波送至ecu。同时，触发轮上的两个齿缺对应着一定的曲轴位置，从而产生了相应的上止点信号，如图1右图所示。控制电路如图2所示。
图1 转速传感器结构与工作原理图
图2 转速传感器电路示意图
（2）霍尔式凸轮轴位置传感器
凸轮轴位置传感器采用霍尔元件的居多，这是因为霍尔元件低频工作特性比电磁式传感器好。在四冲程柴油发电机中，曲轴每两转才完成一个工作循环，为了区别压缩上止点与排气上止点，还应在凸轮轴（其结构如图3所示）上加装霍尔效应传感器才能保证正确的喷油时序。这种传感器的结构如图4所示，它由霍尔元件和带有凹槽的触发轮等构成。霍尔元件处在永磁铁产生的磁场内，磁力线与晶片垂直并通过气隙流向由铁磁材料制成的触发轮，构成磁通回路。当凸轮轴旋转时，触发轮齿顶和齿槽交替通过它们与霍尔元件之间形成的气隙，引起磁场的剧烈变化（齿顶处气隙小，磁场最强，齿槽处磁场最弱）。如果这时有恒定电流通过霍尔元件，根据霍尔效应便会在其晶片两端与磁场和电流垂直的方向上产生脉冲电压信号，其值只正比于磁场的强度而与凸轮的转速无关，因此只要正确布置触发轮，即可确定柴油发电机1缸压缩上止点的位置，从而保证正确的喷油正时。
与曲轴信号齿轮相似，凸轮轴上也需要设置信号轮。这种信号轮根据实际结构的情况，有时设置在配气凸轮轴上，有时设置在燃油泵的凸轮轴上。对比飞轮这些轴尺寸都较小，凸轮轴上的信号轮的 直径也都较小。6缸柴油发电机的凸轮信号轮横截面如图3中的带正时记号的触发轮所示，从图4中可见，这种信号轮的齿其实只是一些凹槽。6缸柴油发电机信号轮的凹槽一般是沿圆周分布的6个凹槽，其中两个凹槽间距离前一凹槽1/4间距处也加工出一个凹槽，这一凹槽称为多齿。多齿的作用与缺齿相似，也是为了确定齿计数的始点。一般将多齿后第一齿编为1号齿，以后依次为2～6号。这种凸轮信号轮称为6＋1型，如4缸凸轮信号轮称为4＋1型、8缸凸轮信号轮称为8＋1型。
由于凸轮轴在柴油发电机一个工作循环内转一圈，所以，每一个凸轮齿可以确定无疑地定下柴油发电机曲轴的一个转角相位。但由于凸轮齿数较少，所以这种定位只能确定较大的转角范围。如在上述6缸柴油发电机的情况，凸轮齿只能对720°／6＝120°的曲轴转角范围定位。
图3 凸轮轴机构组成图.
图4 霍尔凸轮轴位置传感器结构示意图
3、控制电路
霍尔式转速传感器内部的霍尔元件及放大电路都需要电源才能正常工作，它可以利用由蓄电池提供的24v（或12v）电压，如图5所示，或由ecu提供的5v电压作为工作电源，如图6所示。图4是一个能产生两组曲轴位置信号（g信号和ne信号）的霍尔式转速传感器，它有4条接线，分别是电源线、搭铁线、g信号线和ne信号线。图5是两个分别独立的霍尔式凸轮轴位置传感器，每个传感器有3条接线，分别是电源线、搭铁线和信号线。
图5 霍尔元件的控制电路（电源1）
图6 霍尔元件的控制电路（电源2）
在传感器内部的放大电路中，霍尔电压用于驱动一个晶体管开关电路，使该电路处于饱和（即导通）或截止状态。ecu中的5v基准电压通过一个较大的电阻后施加在晶体管开关电路上，如图4所示，当霍尔电压为高电位时，晶体管开关电路处于饱和状态，此时传感器的信号输出端与搭铁导通，5v电压经过ecu中的电阻后在该端子处被短路，其电压变为0；当霍尔电压为低电位时，晶体管开关电路处于截止状态，使传感器的信号输出端相对于搭铁断路，其电压变为5v。由此可知，霍尔式转速传感器的输出信号电压是通过信号输出端相对于搭铁端导通状态的改变，由ecu施加在该端子上的电压产生的。由于该电路在断路状态时是一个5v电压，因此，在传感器转子转动一圈过程中，传感器输出和转子叶片（或窗口）数目相同个数的、幅值为5v的矩形电压脉冲信号。ecu通常将脉冲信号的下降沿作为判定曲轴或凸轮轴位置的基准点。
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