一款實(shí)用新型真空控制傳感器的研制

翁桃林，陳貴宏

（上海汽車乘用車分公司技術(shù)中心SMTC，上海 210061）

近幾十年來(lái)，隨著全球汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車在人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)越來(lái)越普及。汽車普及的同時(shí)，全球空氣污染問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。汽車所造成的污染除了交通揚(yáng)塵外，主要就是尾氣排放。隨著近年來(lái)環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，各國(guó)都制訂了相關(guān)的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)各國(guó)汽車工業(yè)是一個(gè)巨大的沖擊，因此研制開(kāi)發(fā)和應(yīng)用汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng)迫在眉睫。

汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng) （EGR）是對(duì)汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行再循環(huán)處理，從而減少汽車的空氣污染，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放要求。國(guó)外汽車廠家對(duì)汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng)研制較早，并有相應(yīng)的產(chǎn)品投入使用。而我們國(guó)內(nèi)在這方面起步雖然較晚，但越來(lái)越多的汽車廠家開(kāi)始投入人力、物力和財(cái)力研制開(kāi)發(fā)汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)的產(chǎn)品。我公司研制開(kāi)發(fā)的實(shí)用新型真空控制傳感器就是用于汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng) （EGR）中，是作為汽車廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)控制單元，它是通過(guò)對(duì)汽車尾氣壓力的監(jiān)測(cè)來(lái)控制傳感器的輸出。下面就我公司研制開(kāi)發(fā)的真空控制傳感器做詳細(xì)介紹。

1 真空控制傳感器的功能特點(diǎn)

本文介紹的實(shí)用新型真空控制傳感器，是我公司為克萊斯勒公司一款車型研制開(kāi)發(fā)并配套生產(chǎn)的產(chǎn)品。它是通過(guò)對(duì)輸入的汽車尾氣壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)汽車尾氣壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，傳感器內(nèi)部隔膜動(dòng)作，堵塞與大氣相通的輸出接口，從而使傳感器的輸出口通過(guò)管道與輸入相連通，使輸出狀態(tài)由正常的大氣壓力變?yōu)橛幸欢▔毫Φ恼婵眨偎腿胂乱患?jí)系統(tǒng)，來(lái)推動(dòng)下一級(jí)系統(tǒng)正常工作。同時(shí)在傳感器內(nèi)部增加了手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)車輛狀況手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。該真空控制傳感器的具體功能如圖1所示。

該真空控制傳感器是一種隸屬氣壓傳感器類的產(chǎn)品，但與氣壓傳感器有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的氣壓傳感器的功能是當(dāng)輸入的氣體壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，推動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)閉合，使電路接通。而我公司研制開(kāi)發(fā)的真空控制傳感器內(nèi)部有兩個(gè)觸點(diǎn)，這兩個(gè)觸點(diǎn)都是膜片式的、柔性的，當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，它具有良好的接觸性能，保證傳感器能穩(wěn)定地工作，克服了以往氣壓傳感器存在的零件銹蝕、接觸電阻大、容易出現(xiàn)接觸不良等問(wèn)題，品質(zhì)更加穩(wěn)定可靠。另一個(gè)創(chuàng)新之處是在氣壓傳感器基礎(chǔ)上，其內(nèi)部增加了手動(dòng)電器控制部分，利用通電線圈的磁效應(yīng)，來(lái)控制傳感器輸出口的狀態(tài)。本傳感器外型為全塑產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊、美觀，較之以往的氣壓傳感器設(shè)計(jì)更合理，性能更可靠。下面就真空控制傳感器所具有的特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1）自動(dòng)控制 傳感器內(nèi)部起控制作用的零部件——隔膜的動(dòng)作是隨著汽車行駛產(chǎn)生的尾氣壓力大小而變化的。正常情況下，沒(méi)有尾氣輸入，隔膜呈自由狀態(tài)，兩邊感受的氣體分別為大氣壓力與尾氣壓力。當(dāng)汽車尾氣的壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，推動(dòng)隔膜向上動(dòng)作，堵塞與大氣相連通的輸出接口，這時(shí)傳感器的輸入與輸出口相通，使輸出口產(chǎn)生一定數(shù)值的真空，數(shù)值大小與輸入相近，輸出的真空去控制下一級(jí)系統(tǒng)的正常工作。

2）手動(dòng)控制 在傳感器內(nèi)部增加了手動(dòng)控制傳感器工作的回路，達(dá)到人工根據(jù)需求來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的工作狀態(tài)。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電源電壓通過(guò)接插件加到傳感器內(nèi)部的電磁線圈中，根據(jù)磁電效應(yīng)，使內(nèi)部的密封板吸合，堵塞輸入真空接口，從而切斷真空通道，使傳感器不能正常工作。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，磁電效應(yīng)消失，內(nèi)部的密封板恢復(fù)到正常狀態(tài)，真空通道連通，傳感器正常工作。

3）密封性要求 由于傳感器輸入輸出均為氣體，如正常工作時(shí)與大氣相通的話，就會(huì)影響傳感器輸入輸出的正常數(shù)值，故傳感器對(duì)產(chǎn)品的密封性要求比較高。傳感器對(duì)密封性有要求的有：隔膜安裝位置處、輸入接口電磁線圈處以及3個(gè)輸入輸出口與系統(tǒng)的連接處。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2.1 真空控制傳感器的結(jié)構(gòu)

該真空控制傳感器的結(jié)構(gòu)主要由接頭、外殼、密封板、線圈帶芯管總成、隔膜、大小彈簧、過(guò)濾器和上蓋等組成。

圖2即為真空控制傳感器總成圖，左邊為傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖，其中傳感器接頭與傳感器外殼之間通過(guò)超聲波焊接；右邊為傳感器后視圖。

圖2中A口接輸入真空，是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的真空壓力信號(hào)，通常為恒定的數(shù)值。B口為真空傳感器輸出壓力信號(hào)。C口通入汽車尾氣，為汽車尾氣送來(lái)的壓力信號(hào)。K向?yàn)閭鞲衅麟娖鹘涌冢瑑?nèi)部線圈引出腳1、2之間通過(guò)開(kāi)關(guān)與整車電源電路及相關(guān)元器件連接。

2.2 真空控制傳感器的工作原理

1）在沒(méi)有汽車尾氣輸入和電器控制的情況下，密封板總成和隔膜總成在大、小彈簧的支撐下，處于不工作狀態(tài)，此時(shí)不論A口輸入多大壓力的真空，B口始終與外界大氣壓相通，輸出為大氣壓數(shù)值，不受輸入的控制，EGR系統(tǒng)也處于不工作狀態(tài)。

2）當(dāng)手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)使傳感器電器接口1、2之間接入+13.5V電壓時(shí)，電壓通過(guò)線圈時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，和芯管 （純鐵材料）作用，起到電磁鐵的作用。在磁場(chǎng)的作用下使密封板總成動(dòng)作，中間的硅橡膠部分堵塞住芯管的通氣孔，切斷氣路，使A口輸入的真空無(wú)法傳送進(jìn)入。此時(shí)不論汽車尾氣加多大的壓力，也不論A口輸入多大壓力真空，B口始終無(wú)輸出真空，為正常大氣壓。內(nèi)部過(guò)濾器的作用是濾去大氣中的雜質(zhì)。

3）當(dāng)傳感器電器接口不接入電源電壓時(shí)，C口輸入汽車尾氣；當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值，因?yàn)闅鈮旱挠绊懜裟は蛏蟿?dòng)作，克服彈簧的壓力與管座接觸，堵塞管座，此時(shí)B口與外界大氣壓斷開(kāi)，與A口相通，A口的真空通過(guò)氣路傳輸?shù)紹口，從而使B口有輸出，數(shù)值略低于A口數(shù)值 （輸出B口有一個(gè)Φ0.5的小孔與大氣相連）。傳感器輸出真空送到下一級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)控制下一級(jí)的動(dòng)作。

2.3 技術(shù)參數(shù)及測(cè)試參數(shù)

真空控制傳感器總成的技術(shù)參數(shù)及測(cè)試參數(shù)：①輸入真空數(shù)值為-50～51.7kPa；②當(dāng)隔膜通入正壓為18.6～22kPa時(shí)，傳感器滲漏量為0～20sccm；③隔膜動(dòng)作的正壓為19.5～21.7kPa時(shí)，隔膜耐溫性達(dá)+230℃；④產(chǎn)品密封性檢查壓力為-90kPa；⑤線圈通電工作電壓為+13.5±0.5 V， 線圈電阻為1 350±20 Ω； ⑥傳感器輸出為真空和大氣壓力兩種狀態(tài)。

3 研制過(guò)程

眾所周知，汽車的使用條件非常惡劣，溫度變化大，振動(dòng)劇烈，這就對(duì)汽車產(chǎn)品提出很高的要求。真空控制傳感器總成安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍，要求其密封性能要好，具有不滲油、耐高溫、耐較高的壓力等性能，這給我們?cè)O(shè)計(jì)研制該產(chǎn)品帶來(lái)很大的困難。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)研制該產(chǎn)品初期，花費(fèi)了很大的精力在消化吸收進(jìn)口圖紙、標(biāo)準(zhǔn)和樣件上，對(duì)提出的研制方案，不斷地修改，最終確定適合我國(guó)國(guó)情的切實(shí)可行的研制方案。

因該產(chǎn)品是真空輸入和真空輸出，稍微的漏氣對(duì)輸出的真空數(shù)值即產(chǎn)生很大的影響，故對(duì)其密封性能要求很嚴(yán)格，這給外殼組合的超聲波焊接提出了很高的要求。經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普通材料焊頭根本滿足不了這些要求，最終采用進(jìn)口材料制造的焊頭，保證其焊接壽命和使用要求。經(jīng)過(guò)大量的焊接試驗(yàn)，使得外殼組合的焊接品質(zhì)得到保證，生產(chǎn)趨于穩(wěn)定，其密封性能達(dá)到了該產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求。另通過(guò)對(duì)外殼組合和上蓋等塑料件之間的配合尺寸進(jìn)行多次模具修正，使隔膜總成壓配后，結(jié)合處的隔膜滲漏量達(dá)到指標(biāo)的要求。

隔膜總成是真空控制傳感器的重要部分，其品質(zhì)的好壞直接關(guān)系到真空控制傳感器能否正常工作，因此在研制時(shí)特別給予重視。通過(guò)查閱大量標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)資料，對(duì)之進(jìn)行解剖分析，得出研制方案。為了確保該產(chǎn)品的品質(zhì)，供應(yīng)商選擇了中外合資廠家制造，采用進(jìn)口原料制作，并對(duì)其耐高溫性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。研制成功后，其主要性能柔軟性、耐溫度性能均達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，并很好滿足該產(chǎn)品的使用要求。

該產(chǎn)品的裝配工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)較復(fù)雜，為了保證產(chǎn)品的品質(zhì)，裝配過(guò)程采用多種專用的工裝夾具和校驗(yàn)設(shè)備，以保證其產(chǎn)品總成的性能要求。其裝配工藝大致如圖3所示。

在裝配過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品品質(zhì)，我們購(gòu)買了進(jìn)口的繞線機(jī)和超聲波焊接機(jī)，工裝夾具的材料也采用進(jìn)口原料，再配有密封性、總成終檢校驗(yàn)臺(tái)對(duì)之進(jìn)行100%的密封性能和產(chǎn)品性能的測(cè)試，以保證外殼組合的性能和產(chǎn)品總成的性能滿足產(chǎn)品的要求，嚴(yán)格保證該產(chǎn)品品質(zhì)。

另我公司在研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其進(jìn)口產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的消化、吸收，并根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，在不低于進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)的前提下，制定了適合我國(guó)國(guó)情的真空控制傳感器的技術(shù)條件和試驗(yàn)方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近一年的試制周期的研制開(kāi)發(fā)，我公司在攻克了眾多技術(shù)難點(diǎn)后，完成了該產(chǎn)品的最終試制，相應(yīng)的品質(zhì)體系文件工作也已完成。產(chǎn)品經(jīng)本公司和客戶的試驗(yàn)室全性能試驗(yàn)，其性能均達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。研制出的產(chǎn)品經(jīng)裝車使用，效果良好，其性能達(dá)到了克萊斯勒汽車的使用要求。現(xiàn)已批量生產(chǎn)，穩(wěn)定供貨，其品質(zhì)也達(dá)到用戶的要求，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該實(shí)用新型真空控制傳感器作為汽車尾氣收集系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，屬環(huán)保類產(chǎn)品，在目前我國(guó)汽車行業(yè)還未推廣使用。目前我公司已獲得了該產(chǎn)品的實(shí)用新型國(guó)家專利，專利號(hào)為ZL 2009 2 0257253.1。相信隨著我國(guó)對(duì)汽車尾氣排放的嚴(yán)格要求，該產(chǎn)品將得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)該有很好的發(fā)展前景。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［2］楊帆.傳感器技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008. （編輯李翩）