信號盤

信號盤相當於控制發動機的開關，其相位角度的設計及精確控制，對發動機各個氣缸的協調工作起著至關重要的作用，信號盤提供信號給轉速感測器，轉速感測器再把信號傳遞給ECU，ECU收到該信號就控制發動機噴油及點火。

基本介紹

• 中文名：信號盤
• 外文名：signal plate
• 描述：控制發動機的開關
• 套用：轉速感測器
• 學科：電機工程

產品分類

直讀式

一種直讀式信號盤，該信號盤是一個採用鋼板衝壓成的圓盤，安裝在凸輪軸上，該信號盤的周邊設有若干個大小不同的信號齒和凹槽，所述信號齒和凹槽的互相不對稱，凹槽的底部與設在圓盤中心的通孔間形成環形基體，該環形基體一個側面延伸至信號齒的外緣。這種不對稱的信號齒能夠有效的識別不同氣缸的點火次序，準確地傳遞凸輪軸相位信息，提高發動機運轉的平穩性。

曲軸轉速

本實用新型涉及一種曲軸轉速信號盤，它的信號盤體是一個採用薄鋼板衝壓成的圓盤，盤體上有安裝孔，盤體周邊由沒沖裁掉的鋼板形成齒頂，齒頂間部分被沖裁空，形成矩形齒結構。本實用新型結構簡單，質量小，可以一次衝壓成形，成本低；由於其結構緊湊，可以裝在曲軸皮帶輪上或曲軸的第一或最後一個扇形板上，節約空間；安裝方便，適用於各種形式的汽油機。特徵在於：信號盤體是一個採用薄鋼板衝壓成的圓盤，盤體上有安裝孔，盤體周邊有矩形齒。

研發

發動機是汽車的動力源，當信號盤旋轉時，磁路中的氣隙就會周期性地發生變化，磁路的磁阻和穿過信號線圈磁頭的磁通量隨之發生周期性變化。根據電磁感應原理，感測線圈中就會感應產生交變電動勢，而產生的交變電動勢控制著氣缸點火時間及順序，需要信號盤具有精確的相位角度；由於電磁感應式感測器輸出電壓的峰值隨轉速的大小而變化，在發動機啟動時的低速狀態下，感應電壓很低，也需要信號盤的信號齒具有良好的磁感應性能，以提高信號輸出靈敏度。

圖1 凸輪軸信號盤產品（成品正反面）

產品設計

（1）產品性能設計

凸輪軸信號盤是感測器的信號轉子，裝配在凸輪軸上，利用其外圓的4個凸齒，在磁場裡旋轉過程中產生周期性交變電動勢，控制發動機點火順序，保證點火正時。主要利用其良好的磁感應性能及精確的相位角度，保證發動機各個氣缸的協調工作，因其產生的信號是通過電流傳遞給ECU，為了削弱磁場對電流的影響，信號盤本身的磁場強度應有嚴格的限制。

圖2 凸輪軸信號盤各相位角度

（2）產品結構設計

凸輪軸信號盤產品見圖1。信號盤外圓有4個凸齒，2個68°大凸齒，2個18°小凸齒，2個72°大缺齒，2個22°小缺齒。信號盤每轉過一個凸齒，感測器中就會產生一個周期性交變電動勢，並相應地輸出一個交變電壓信號，故凸輪軸旋轉一周會有4個交變信號產生，ECU每接收4個信號，即可知道凸輪軸旋轉了一圈。

為了精確控制點火提前角和噴油提前角，需將每個信號所占的轉角分得更小，將其均分為360個脈衝信號，每個脈衝信號就相當於凸輪軸旋轉1 ，故凸輪軸信號盤的各相位角度（A1～A7）精度要求不大於±0.5°，見圖2。

材質工藝設計

原材料選擇依據：根據凸輪軸信號盤的工作原理、粉末冶金件凸輪軸信號盤的綜合性能及尺寸要求，原材料應該具備以下四個方面的性能：

（1）磁性能好。對於磁性材料，碳的存在降低一定的磁性能，故碳含量應儘量低。同時，磁感應強度和產品的密度值有直接相關，密度越高，磁感應強度越高。矯頑力和磁導率都對燒結條件和間隙雜質敏感，燒結溫度越高和雜質含量越少，矯頑力場就越小，磁導率就越高。燒結溫度越高，時間越長，金相組織平均晶粒尺寸就越大，孔隙越圓滑，磁性能就越好。

（2）壓制性和穩定性好，磁性材料，傳遞信號部位密度越高，磁感應強度越高，傳遞信號就越準確。磁性粉末又必須同時具備穩定的粒度分布與粒度組成且化學成分均勻、無偏析、穩定的流速以及穩定的松裝密度等重要特性。由於在混料中可能產生的不均勻，包括比重偏析在內的混合料不均勻性，在燒結中因燒結溫度和保溫時間及壓坯密度不均勻等造成的擴散不充分，則會引起組織不均勻，並使零件性能產生波動。而採用Fe-Cu-C粉末原料，因Fe和Cu的比重相差不大，不容易發生偏析 ，且Cu相對較軟，能提高壓制性能。

（3）尺寸穩定性，凸輪軸信號盤信號齒角度精度越高，傳遞信號的準確度就越高，其金相組織平均晶粒尺寸
越大，孔隙越圓滑，磁性能就越好。但對於粉末冶金件，要使其組織平均晶粒尺寸越大、孔隙越圓滑就需要較高的燒結溫度和較長的燒結時間。而燒結溫度越高，時間越長，尺寸變化又越大 ，尺寸精度尤其是相位角度就難以保證。同時信號盤需裝配到凸輪軸上，其內孔精度及材料的強度和韌性一定要保證。綜合以上各種因素，選擇添加少量的C及一定比例的銅，既能穩定產品尺寸變化，提高強度、韌性，還能提高密度，降低孔隙率，後續再通過整形對零件的尺寸以及形位公差進行校正。既保證了可靠磁性能，又保證了產品強度、韌性及尺寸要求。

（4）燒結後要滿足產品既定的性能要求：產品密度≥6.4 g/cm3 ，硬度≥40 HRB，抗拉強度≥300 MPa，延伸率≥1%。

根據以上提出的材料性能要求，經過性能試驗對比和燒結綜合參數測定，結合現有的材料標準提供的相關材質達到的性能指標，選取Fe-Cu-C材料。

燒結工藝設計

為保證凸輪軸信號盤在燒結過程中具有理想的金相組織，穩定的尺寸，結合供應商現有設備實際特點，選用德國進口的步移梁式燒結爐，步進梁式燒結爐具有以下優點：

（1）能夠實現高溫燒結，提高燒結溫度可以提高生產效率，實踐中發現提高55℃燒結溫度對緻密化程度的影響效果相當於延長燒結時間幾十倍或幾百倍。

（2）在工作過程中可提供連續的、可重複的時間-溫度-氣氛曲線，這在粉末冶金生產中非常重要，當爐子的舟速一定時，各個溫度可控帶設定的溫度以及氣氛組成、氣氛流量已經確定時，則通過該燒結爐的所有壓坯都是在一組相同的工藝參數下燒結的，結果是建立了一條穩定的加熱曲線，這就保證了燒結零件的質量即零件尺寸、性能的均勻一致性。

（3）操作簡單，自動化程度高；輔料消耗和熱損失小，零件受熱均勻；依據所選燒結爐制訂燒結爐工藝，即各區溫度、燒結速度，以及氣氛流量的大小，結合燒結爐的結構、負荷的大小、加熱時間以及保溫時間並結合粉末具體參數變化，確定了以下擺放方式，即採用架燒模式，產品4x4均勻擺放在石墨墊板上，產品間隔10～20 mm，如圖3所示。

圖3 產品擺放方式

故障處理

故障情況

改造後的試驗中新信號盤經常誤發故障信號。具體表現為：在試驗中本來只短接了一對觸點，只應發一個信號，但是新信號盤卻發了多個信號，其中只有一個信號是正確的。在後來的運行中也是如此，沒有故障的時候，信號盤沒有顯示，處於正常狀態；一旦有故障發生，該信號盤則經常多發虛假信號，即多個信號中只有一個或一部分是正確的。

原因分析

開始以為是新信號盤內部的故障。經過檢查，排除了這種可能，因為檢查發現每一個虛假信號的外部輸入端子上都有輸入電壓(80～100V)，並且當把這個端子解開以後，對應的虛假信號就消失了，這說明問題出自外部電路。信號盤的外部接線如圖4所示。由於實際的故障信號有很多，這裡只畫了兩個有代表性的迴路：電解1號和電解2號變電所的接地故障迴路。圖4中電源為直流110V，觸點K107在電解l號變電所內，如果這個觸點閉合，則說明電解1號變電所有接地故障；觸點K111在電解2號變電所內，如果它閉合，則說明電解2號變電所有接地故障；Vl、V2、V3、v4是二極體，起信號分配作用，將接收到的故障信號分配給A、B兩塊信號盤；A25、A26表示A盤上的第25和第26個顯示單元及指示燈，如果這兩個單元被觸發(燈亮)，說明電解1號和電解2號變電所有故障；B2表示B盤上的第2個顯示單元及指示燈，如果它被觸發(燈亮)說明有接地故障。

圖4 信號盤外部接線

從圖4可以看出，整個信號迴路可以分成故障檢測部分、邏輯判斷電路和故障顯示(信號盤)三個部分。既然信號盤的故障已經排除，那么問題就只可能出在第一或第二部分上。第一部分電路非常簡單，如果第一部分有信號發出，就不能簡單地認為是虛假信號了。在實際的操作過程中，我們也發現，如果信號盤出現虛假信號，只要將實際存在的故障排除或復位以後，所有的信號都會消失，因此第一部分可以排除。第二部分的邏輯判斷電路由二極體組成，判斷的功能由二極體完成。它的輸入是故障信號(開關量)，輸出則用來控制信號盤的指示燈。因此，我們懷疑是二極體損壞或反向擊穿引起的故障。但實際檢查的結果卻是二極體並沒有明顯的損壞跡象。筆者又去測量了新信號盤的輸入電阻，結果發現新信號盤的輸入電阻為12MΩ以上，說明它的工作電流小於10斗A(110V/12MΩ)。這就對邏輯判斷電路中的二極體提出了較為嚴格的要求，即二極體的反向電阻要遠遠大於信號盤的輸入電阻，至少應是它的2～3倍，而實際上這些二極體從投產已使用了20多年，有些二極體的反向電阻已不能滿足需要。由圖5可知，觸點K107閉合後，Vl、V2導通，信號盤A25、B2燈亮，顯示電解1號變電所有接地故障；此時V4承受反向電壓，存在一定的反向泄漏電流，電流迴路如虛線所示，也就是所謂的寄生電路。如果反向泄漏電流接近10μA，甚至只要達到5～6μA，顯示單元A26就有可能被觸發，誤發電解2號變電所接地故障信號。同樣，如果V2反向泄漏電流過大，則當電解2號變電所有接地故障時(觸點Klll閉合)，也會誤發電解l號變電所接地故障信號。

圖5 信號盤反向泄漏電流

解決方案

解決方案有兩種：一是更換新的二極體，要求反向電阻遠大於12 MΩ；二是徹底淘汰二極體，採用其他方式觸發信號盤，如繼電器、PLC等，杜絕寄生電路的存在。我們採用了投資較少的第一種方案，更換了所有的二極體，從此故障現象消除，該信號盤再沒有誤發信號。