彈簧與電機在不同節氣門結構中配合的研究

1 引言

在汽車發動機百年多的發展歷史中，化油器技術占據了近百年。隨著發動機電噴技術的進步，節氣門替代了化油器控制空氣流量的功能。在這個過程中，節氣門技術也在圍繞著精確控制空氣的進氣精度，結構不斷地在創新發展。從機械式節氣門的油門拉線控制節氣門軸與門片的開啟，開始不斷摸索電子節氣門集成化的技術路線，在經過一個半電子節氣門的中間技術過渡后，進入了電子節氣門控制技術時代，電子踏板把駕駛員的駕駛意愿換算成一個目標角度，電子節氣門直流電機替代油門拉線帶動節氣門軸和門片轉動開啟。在這個過程中，彈簧與電機的配合，決定了門片如何保持在目標位置，以及停車后如何返回到原始位置。

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本文通過介紹彈簧與電機在歷代節氣門結構中的作用，來展示彈簧與電機在節氣門應用中的演變，和它們的配合關系——即彈簧在不同時期的節氣門中始終扮演著節氣門軸與門片的復位作用；電機則由機械式節氣門中的步進電機到電子節氣門中的直流電機，經歷的創新與精度的改善。

類似的高效噴霧器也適用于其他作物，僅用新機器替換舊型號就可大量減少法國的農藥使用。但升級并不便宜，杜考爾特葡萄園里的噴霧器的價格為320 000歐元，是收割機的兩倍。事實上法國全國20萬個噴霧器中每年只有其中的3%進行了更新換代，因此可能需要幾十年時間才能全部升級。

2 彈簧與電機在機械式節氣門中的應用

2.1 機械節氣門總成的結構

在機械式節氣門總成爆炸圖與剖視圖(圖1)上，機械式節氣門總成主要由節氣門本體(件1)、步進電機(件2)、傳感器(件3)、節氣門片(件4)、節氣門軸(件5)、彈簧(件6)及懸架小總成(件7)等零件組成。

2.2 機械節氣門總成的工作原理

當駕駛員點火啟動汽車或在停車怠速狀態下，半電子節氣門片設計了一個應急點位置，這是節氣門片的原始位置；在這個位置上空氣流量足可以支撐發動機的啟動點火，行車電腦ECU發出占空比PWM信號控制直流電機向節氣門片全閉方向調整轉動，使發動機轉速穩定在怠速狀態。當汽車停車等待狀態，直流電機也是按照ECU占空比PWM信號轉動門片的角度，調節空氣的流量，讓使發動機穩定在怠速狀態。

汽車在行駛中，駕駛員腳踏油門的深度決定著節氣門片的開啟角度；油門踏板下端的拉線通過節氣門懸架小總成傳遞到節氣門軸，帶動節氣門片轉動開啟到目標角度。ECU會根據節氣門傳感器的電壓信號，發出工作指令，這時步進電機是前進到底(堵死狀態)；在行駛中步進電機只是微調。這時的空氣流量主要來自節氣門主腔通道，ECU是通過電壓信號和儲存在其軟件內的節氣門流量曲線知道空氣的流量信息。節氣門流量曲線是節氣門總成產品最關鍵的一個特殊特性。

車輛在正常行車狀態下，節氣門的調節主要依賴彈簧的彈力。拉線隨著駕駛員腳踏油門拉起節氣門片，彈簧受力，車輛開始加速行駛；當車輛需要減速，油門放松，拉線并沒有雙向拉動的能力，節氣門片角度減小的轉動就由彈簧釋放壓力后的反向運動來完成。

2.3 彈簧與步進電機在機械式節氣門中的主要作用

直流電機是電子節氣門軸和門片的主動轉動動力的唯一來源，其在電子節氣門上的應用，使空氣流量的精度有了飛躍式的提高，為滿足了各個國家對發動機尾氣排放的要求，奠定了堅實的基礎。有了直流電機在電子節氣門上的應用，轎車自動巡航已經實現，自動駕駛也在研發試驗的路上。

步進電機在機械式節氣門中的主要作用，可以理解他是一個怠速電機。在油門拉線不拉動懸架小總成時，步進電機起到輔助人力的作用，按照ECU發出的脈沖做前后步進運動，通過改變節氣門旁通道孔徑間隙的大小來控制空氣的流量。而其缺點在于，如果步進電機丟步，無法反饋給ECU，導致其在做空氣流量控制時的精度不佳和響應時間的缺陷。

3 彈簧與電機在半電子節氣門中的應用

3.1 半電子節氣門總成的結構

與機械式節氣門相比，半電子節氣門本體沒有了旁通道，多了一個齒輪箱體，把傳感器集成在了齒輪箱中。步進電機改成直流電機，通過齒輪傳動系統可以直接帶動節氣門軸與門片轉動；在節氣門軸的另一端還有一個懸架小總成。

在半電子節氣門總成爆炸圖(圖2)上，半電子節氣門總成主要由節氣門本體(件1)、直流電機(件2)、傳感器組件(件3)、節氣門軸(件4)、節氣門片(件5)、彈簧1(件6)、彈簧2(件7)及懸架小總成(件8)等零件組成。

為了改進機械式節氣門的缺陷，一種用直流電機通過齒輪傳動系統控制節氣軸與門片轉動的節氣門設計方案開始應用，并把角度傳感器集成在齒輪箱中。最早的一款半電子節氣門總成是由西門子威迪歐VDO為大眾汽車設計制造的。因為節氣門片的轉動一半還是油門拉線控制，一半由直流電機控制，故稱為半電子節氣門。

3.2 半電子節氣門總成的工作原理

半電子節氣門總成的工作原理是ECU通過直接獲得與節氣門軸和片同步位置傳感器的電壓信號，調取ECU控制軟件儲存的流量曲線快速運算出空氣的流量值，匹配好噴油量，再通過監控氧傳感器來獲得發動機最佳的油氣空燃比。

當駕駛員點火啟動汽車或在停車怠速狀態下，這時在彈簧作用下節氣門片在下支點位置(原始位置)；這時候節氣門主腔通道進入發動機的空氣流量最小，步進電機在行車電腦ECU的控制下，先是退后，然后打開節氣門本體上的旁通道(圖1上1處和2處)使節氣門上下腔體聯通，保證汽車發動機在點火過程中有足夠的空氣流量。在發動機啟動之后，ECU發出脈沖指令步進電機一步步向前推進，使發動機穩定在怠速狀態。汽車停車等待狀態，步進電機也是按照ECU的脈沖指令前后一步步退進，調節空氣的流量，讓使發動機穩定在怠速狀態。在上述狀態下節氣門的調節主要靠步進電機完成，習慣上把機械式節氣門的步進電機叫成怠速電機。

確定迭代次數N與分段數m2，即可求解出系數kai與kbi及控制誤差εs；確定迭代次數N與控制誤差εs，亦可求解出分段數m2及系數kai與kbi.由于Δθ為YN/XN的奇函數，結合奇函數的對稱性，即可得到在整個區間上采取誤差補償后的向量相位公式為：

汽車在行駛中，半電子節氣門總成與機械式節氣門的工作原理基本一致，還是由駕駛員用油門踏板下的拉線通過懸架小總成帶動節氣門軸和門片從應急點向全開方向轉動開啟。節氣門片的轉動一半由直流電機提供動力，另一半由駕駛員的腳力通過油門拉線來拉動。

3.3 彈簧與直流電機在半電子節氣門中的主要作用

從半電子節氣門總成結構(圖2)看到在懸架小總成端有兩個彈簧；其向下由直流電機負責提供動力去尋找怠速位置并按照ECU的指令穩定在怠速位置。彈簧1(圖2件6)在直流電機向下提供動力轉動時提供反作用力，當直流電機的作用力與彈簧1的反作用力一樣時，節氣門片就穩定在怠速位置上；當直流電機斷電彈簧1的反作用力會迅速使節氣門片回到應急點位置。

彈簧2(圖2件7)與機械式節氣門的彈簧(圖1件6)作用一樣，在車輛行駛中一直平衡著駕駛員的腳力，當駕駛員停車腳松油門時，節氣門片在彈簧力的作用下迅速返回應急點位置。

4 彈簧與電機在電子節氣門中的應用

4.1 電子節氣門總成(雙彈簧)的結構

半電子節氣門直流電機向下全閉方向轉動不到10度，而向上全開方向的80度左右還要油門拉線來完成。這樣的嘗試推動了電子節氣門直流電機繼續發展，向正反轉提供動力來完成過去油門拉線來完成的任務。

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從電子節氣門總成(雙彈簧)爆炸圖與剖視圖(圖3)可以看到，電子節氣門總成(雙彈簧)主要由節氣門本體(件1)、直流電機(件2)、節氣門片(件3)、節氣門軸(件4)、傳感器組件(件5)、復位齒輪(件6)、彈簧1(件7)、耦合環(件8)及彈簧2(件9)等零件組成。

4.2 電子節氣門總成(單彈簧)的結構

在電子節氣門總成(單彈簧)爆炸圖與剖視圖(圖4)上，電子節氣門總成(單彈簧)主要由節氣門本體(件1)、直流電機(件2)、傳感器組件(件3)、復位齒輪(件4)、彈簧(件5)、節氣門軸(件6)及節氣門片(件7)等零件組成。

4.3 電子節氣門總成的工作原理

比起半電子節氣門，在電子節氣門總成(雙彈簧)結構(圖3)與電子節氣門總成(單彈簧)結構(圖4)上，軸的另一端懸架小總成去掉了。電子油門(踏板)取代了帶拉線的油門踏板，電子油門角度的變化反應著駕駛員的駕駛指令，并做為電子踏板角度電壓信號傳遞給行車電腦ECU，ECU收到電子踏板的電壓信號經過控制軟件的計算向直流電機發出占空比PWM控制指令；無論正轉還是反轉，ECU發出的PWM控制指令使直流電機扭矩力大于彈簧力就前進，兩力平衡就保持不動，彈簧力大于電機扭矩力就退回到平衡點或應急點(機械死點)。

在車輛行駛過程中，ECU會根據電子油門的電壓信號發出占空比PWM信號控制直流電機向電子節氣門全開方向調整門片轉動。整個行車過程ECU都在收集著電子節氣門的電壓反饋信號，通過存儲在ECU控制軟件中的流量曲線和計算公式計算著空氣流量，同時監控著空燃比傳感器，向電子節氣門不斷地發出PWM信號，電子節氣門精確地控制空氣的進氣精度，保證發動機工作能得到理想的空燃比。

當車輛剎車停止等待時，電子節氣門片在彈簧力作用下回到應急點的位置，ECU會發出占空比PWM信號控制直流電機向電子節氣門片全閉方向調整門片轉動，使發動機轉速穩定在怠速狀態。

電工基礎是學生學習后續課程的理論基礎，教師在教學過程中，要積極引導學生，挖掘他們的潛能，調動他們的積極性，讓學生參與教學，使“教”與“學”相輔相成，相得益彰，事半功倍。

現在高級轎車又有了一個新的自動啟停功能，就是在轎車剎車停車時，駕駛員不用費力腳踩剎車板，ECU會自動關閉發動機工作，給電子節氣門一個占空比PWM控制信號，使電子節氣門片處在怠速點和應急點之間的一個位置待命。當駕駛員腳離開剎車板腳踩電子油門時，ECU會立即自動啟動發動機工作。

當汽車點火啟動，這時電子節氣門片處在應急點的位置，保證有一定的空氣流量，一方面可以支撐發動機的啟動點火，另外可以解決在行車過車中突然發生電子節氣門斷電或直流電機故障，保證車輛可以低速行駛到維修點。ECU在接收到車輛啟動的指令后，會發出占空比PWM信號控制直流電機向節氣門片全閉方向調整轉動，使發動機轉速穩定在怠速狀態。

4.4 直流電機在電子節氣門中的主要作用

由此，彈簧在機械式節氣門中的主要作用就是在油門拉線把節氣門片拉起后彈簧受力張緊，需要向反向轉動(復位)時提供足夠的回復力(彈簧力)。這個彈簧力要克服節氣門軸與節氣門片在轉動時與節氣門主腔、油門拉線等相接觸的零件產生的摩擦力。彈簧力設計的一定要滿足節氣門這個主要功能，同時也要兼顧操作者的腳力腳感。此外，彈簧失效或脫落是一件非常嚴重的安全事件，設計時需要考慮其安全性與穩定性。

在此次回顧研究中，我們還針對評估分類出的高低風險組患者進行了生存分析。結果表明高轉移風險的患者總體生存明顯低于低風險的患者。因此，治療前精確評估是決定治療成功與否的關鍵因素。在臨床工作中，可依據此模型進行高低風險分類評估，以達到更加合理的選擇治療策略，更加精準的評估病人的病情。本研究的風險評估模型可應用于臨床，并隨著臨床檢驗技術的發展，模型可得到進一步完善。

[38] Hearing Before the Senate Foreign Relations Committee Subcommittee on Asia Hearing on Maritime Territorial Disputes in East Asia, July 15, 2009.

4.5 雙彈簧與單彈簧在電子節氣門中的主要作用

對比電子節氣門總成(雙彈簧)結構(圖3)與電子節氣門總成(單彈簧)結構(圖4)，前者結構上多一個彈簧和一個耦合環，分別是彈簧1(圖3件7)、彈簧2(圖3件9)及耦合環(圖3件8)。

稱取100 mg上一步制備的硅膠顆粒，與 200 mg二茂鐵在超聲輔助下分散于65 mL丙酮中，然后逐滴加入總量為2 mL的H2O2于上述混合液中，劇烈攪拌1.5 h。將得到的黃色透明溶液轉移至密閉的高壓反應釜中，于210 ℃下反應48 h。反應結束后，待產物冷卻至室溫，利用磁鐵將其分離出來，再分別用丙酮和乙醇各清洗3次，于烘箱中60 ℃干燥后備用[8]。

電子節氣門總成(雙彈簧)結構的特點是，彈簧1對應直流電機從應急點向電子節氣門全閉方向調整門片轉動，這個方向由于是節氣門片小角度，工況比較復雜；而且只轉動10度左右，節氣門片復位需要較大的彈簧扭矩；因此彈簧1設計的直徑小。彈簧2對應直流電機從應急點向電子節氣門全開方向調整門片轉動，這個方向由于是節氣門片大角度，工況比較簡單；而且轉動有80度左右，如果采用彈簧1的直徑設計，節氣門片復位的彈簧扭矩沒有問題，但直流電機克服的彈簧扭矩就會過大而使直流電機過勞失效；因此彈簧2設計的直徑就大。

電子節氣門總成(單彈簧)結構相對而言，少一個彈簧和一個耦合環。只有一個彈簧(圖4件5)，這個彈簧對應直流電機從應急點向全閉全開兩個方向調整門片轉動。彈簧由圓柱形改成了腰鼓形或是圓錐形，就解決了從應急點向全閉方向需要較大的扭矩，從應急點向全開方向彈簧扭矩沒有直線上升的技術難題。

相對而言，電子節氣門總成(單彈簧)結構更加簡單，制造成本相對較低，其關鍵性能指標都可以滿足發動機電噴系統的功能要求。不同的彈簧(圖5)直徑和彈簧絲直徑都會有不同的扭力曲線。圓柱形彈簧的扭力會隨著扭轉角度增大而增大。腰鼓形彈簧的扭力會也是隨著扭轉角度增大而增大；但它的扭矩曲線斜率是前大后小。腰鼓形彈簧扭力曲線的這個特點，成功地節省了一個彈簧和一個耦合環，實現了彈簧應有的功能，節省了制造成本。

5 結束語

通過在對歷代節氣門結構中彈簧與電機所起作用的梳理，深度分析了彈簧和電機的配合關系。彈簧與電機合理的配合，是保證節氣門穩定工作的關鍵所在，也是未來實現更高程度的汽車智能化的一種趨勢。

[1]Male Dale、建保, 電子節氣門控制系統結構特點及其優勢[J]. 汽車維修與保養，2005(5).

[2]王伯平.混合動力汽車發動機電子節氣門控制系統的研究[D].吉林大學，2007.

[3]羅新聞.奇瑞A3轎車電子節氣門系統的結構及故障檢測[J].汽車電器，2012，01:31-33.