汽車爆震傳感器影響因素分析 - 改

1、汽車爆震傳感器性能影響因素分析摘要：爆震對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的危害很大，所以發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)有以爆震信號(hào)為依據(jù)的閉環(huán)控制策略。同時(shí)，考慮到未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)電控對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析不止局限于爆震控制，通過(guò)爆震傳感器簡(jiǎn)化模型的ANSYS諧響應(yīng)分析對(duì)爆震傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響進(jìn)行了分析，并利用matlab多維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了滿足要求的非共振型壓電式爆震傳感器主要參數(shù)。關(guān)鍵字：爆震傳感器；ANSYS；matlab；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TK4020.引言爆震是由汽油機(jī)燃燒過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧驿h面形狀均發(fā)生急劇變化的不正常燃燒造成壓力脈沖在氣缸內(nèi)來(lái)回震蕩的現(xiàn)象。1柴油機(jī)隨著速度的增加，噴油持續(xù)時(shí)間同速度成反比

2、地縮短，但著火延發(fā)期沒(méi)有縮短，噴油量減少，油氣混合充分，最高壓力和壓力升高率都增大，敲擊聲增大，人們也稱為柴油機(jī)的“敲缸” 或者“爆震”。2爆燃不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)性能和排放性能的下降，還會(huì)加速運(yùn)動(dòng)件的磨損。爆燃嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使局部過(guò)熱，造成鋁合金的缸蓋、活塞軟化、融化而損壞。 12因此，對(duì)爆震的控制是發(fā)動(dòng)機(jī)電控不可或缺的一部分。本文通過(guò)非共振型爆震傳感器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析，對(duì)影響爆震傳感器性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，并通過(guò)matlab對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使爆震傳感器取得了良好的性能。1.影響爆震傳感器性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，非共振型爆震傳感器主要由基座、壓電材料、配重塊、彈簧以及電極、外

3、殼等部件組成。它主要是利用壓電材料的“正壓電效應(yīng)”，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷或者電壓信號(hào)。當(dāng)傳感器基座隨被測(cè)物體一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，基座與配重塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，夾在這兩者之間的壓電材料受到壓力，產(chǎn)生電荷，最后由電極輸出。因此，壓電式爆震傳感器可以簡(jiǎn)化為由配重塊、彈簧、阻尼器組成的單自由度系統(tǒng)。34圖1爆震傳感器簡(jiǎn)化模型Fig1 . Simplified model of knock sensor由爆震傳感器的原理可知： （1-1） 式中，為壓電材料的壓電系數(shù)；m為配重塊的質(zhì)量；為配重塊加速度。爆震傳感器隨被測(cè)物體振動(dòng)，配重塊與基座產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其平衡方程：（1-2） 式中，X為被測(cè)物體的絕對(duì)位移；Xm為配重

4、塊的絕對(duì)位移。式1-2可以改寫成： （1-3） 由此可得爆震傳感器的幅頻特性： （1-4） 式中，為系統(tǒng)的固有頻率，；為系統(tǒng)的阻尼比，。在確定激勵(lì)頻率下，爆震傳感器配重塊相對(duì)位移與被測(cè)振動(dòng)的加速度成正比，因此可用配重塊的相對(duì)位移量來(lái)反映被測(cè)物加速度大小。配重塊的相對(duì)位移通過(guò)彈簧阻尼器系統(tǒng)將Fa作用在壓電材料上，通過(guò)壓電材料產(chǎn)生的電荷Q表征加速度。由式1-4可以看出，影響系統(tǒng)幅頻特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有m、K、C等。1.1壓電系數(shù)d對(duì)爆震傳感器靈敏度的影響壓電系數(shù)d主要取決于壓電材料。常用的壓電材料主要有石英晶體（SiO2）、水溶性壓電晶體（酒石酸鉀鈉）、壓電陶瓷（BaTiO3、PZT、PMN等）、

5、高分子薄膜（PVF2、PVF、PVC等）以及壓電半導(dǎo)體（ZnS、CdTe、ZnO、CdS、CdTe）等。查閱相關(guān)材料可以得到不同壓電陶瓷的壓電系數(shù)d。57 圖2電荷靈敏度隨壓電系數(shù)的變化規(guī)律 圖3不同壓電材料電荷靈敏度變化曲Fig2.Charge sensitivity curve with piezoelectric coefficient Fig3.Charge sensitivity curve with different piezoelectric coefficient 圖2為壓電材料電荷靈敏度與壓電系數(shù)d的關(guān)系。由圖2可以看出，壓電系數(shù)d與壓電材料的電荷靈敏度系數(shù)成正比。圖3表示

6、常用壓電材料的電荷靈敏度隨被測(cè)頻率的變化規(guī)律。由圖3可以看出，電荷靈敏度曲線峰值的位置（爆震傳感器的固有頻率）不受壓電系數(shù)的影響。同時(shí)由圖3可以看出壓電陶瓷的電荷靈敏度遠(yuǎn)大于石英晶體，壓電系數(shù)跨度也比較大（），適用于多種用途，因此多采用壓電陶瓷作為爆震傳感器感應(yīng)件。1.2配重塊質(zhì)量m對(duì)爆震傳感器電荷靈敏度的影響圖4 配重塊質(zhì)量0.02kg時(shí)系統(tǒng)諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig4.Harmonic response result with 0.02KG counterweight block圖5配重塊質(zhì)量0.05kg時(shí)系統(tǒng)諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig5.Harmonic response result with 0

7、.05KG counterweight block圖6 配重塊質(zhì)量0.1kg時(shí)系統(tǒng)諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig6.Harmonic response result with 0.1KG counterweight block圖7 配重塊質(zhì)量0.02kg（綠色）、0.05kg（藍(lán)色）、0.1kg（紅色）時(shí)，系統(tǒng)幅頻特性曲線Fig7.Amplitude-Frequency characteristic curve with different mass圖4圖6為配重塊質(zhì)量為0.02kg、005kg、0.1kg時(shí)，爆震傳感器簡(jiǎn)化模型諧響應(yīng)分析結(jié)果。由圖4圖6可以看出，當(dāng)激勵(lì)頻率較小時(shí)，響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的變

8、化基本一致，能真實(shí)的反映被測(cè)物體的振動(dòng)情況。同時(shí)，相對(duì)位移較小，不會(huì)對(duì)爆震檢測(cè)產(chǎn)生影響。隨著激勵(lì)頻率增大到一定程度（接近固有頻率），配重塊與基座的相對(duì)位移增大，且配重塊質(zhì)量越大，相對(duì)位移越大，信號(hào)電荷（電壓）值越大。圖7為配重塊質(zhì)量0.02kg、0.05kg、0.1kg時(shí)系統(tǒng)幅頻特性曲線。由圖7可以看出，隨著質(zhì)量的增加，爆震傳感器的固有頻率減小，不利于非共振型爆震傳感器檢測(cè)使用。同時(shí)可以看出，隨著質(zhì)量的增加，幅頻峰值增大，電荷靈敏度系數(shù)增大。1.3彈性系數(shù)K對(duì)爆震傳感器電荷靈敏度的影響圖8 彈性系數(shù)為時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig8.Harmonic response result with

9、elastic coefficientN/m 圖9彈性系數(shù)為時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig9.Harmonic response result with elasticN/m圖10 彈性系數(shù)為時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig10.Harmonic response result with elasticN/m圖11 彈簧系數(shù)為、時(shí)，系統(tǒng)幅頻特性曲線Fig11.Amplitude-Frequency characteristic curve with different elastic coefficient圖8圖10為彈性系數(shù)為N/m、N/m、N/m時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果。由圖8圖10可以看出

10、，隨著激勵(lì)頻率增大到一定程度（接近固有頻率），配重塊與基座的相對(duì)位移增大，且彈性系數(shù)越大，相對(duì)位移越小，電荷量越小。圖11為彈簧系數(shù)為時(shí)系統(tǒng)的幅頻特性曲線。由圖11可以看出，隨著彈性系數(shù)增加，系統(tǒng)的固有頻率增大。同時(shí)可以看出，隨著彈性系數(shù)的增加，幅頻特性峰值越大，爆震傳感器的電荷靈敏度增大。1.4阻尼系數(shù)C對(duì)爆震傳感器電荷靈敏度的影響圖12 阻尼C為320時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig12.Harmonic response result with Damping Value 320圖13 阻尼C為640時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig13.Harmonic response result wi

11、th Damping Value 640圖14 阻尼C為1200時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig14.Harmonic response result with Damping Value 1200圖15 阻尼C為2400時(shí)，系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析結(jié)果Fig15.Harmonic response result with Damping Value 2400圖16 阻尼為320、640、1200、2400時(shí)，系統(tǒng)的幅頻特性曲線Fig16.Amplitude-Frequenty characteristic curve with different elastic coefficient圖12圖15為不

12、同阻尼下，系統(tǒng)諧響應(yīng)分析結(jié)果。由圖12圖15可以看出，隨著激勵(lì)頻率增大到一定程度（接近固有頻率），配重塊與基座的相對(duì)位移增大，且隨著阻尼增大，相對(duì)位移減小，爆震響應(yīng)不佳。圖16為不同阻尼下系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性曲線。由圖16可以看出，不同阻尼不會(huì)影響系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)阻尼過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)的電荷靈敏度變化過(guò)于平緩，無(wú)法用于檢測(cè)爆震。2.爆震傳感器性能影響參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)確定圖17 DELPHI爆震傳感器輸出電壓信號(hào)區(qū)間圖Fig17. The output voltage signal interval graph of DELPHI knock sensor爆震傳感器的性能直接影響到

13、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的閉環(huán)控制效果。參考DELPHI的爆震傳感器輸出電壓信號(hào)區(qū)間圖（圖17），設(shè)計(jì)了爆震傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論曲線作為爆震傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)：為了保證檢測(cè)信號(hào)的清晰，要求爆震傳感器的電荷靈敏度足夠大；非共振壓電式爆震傳感器還要求必須保證爆震傳感器的固有頻率足夠大（大于10KHz）；在0Hz5000Hz上，電荷靈敏度變化需要平緩，保證電荷靈敏度穩(wěn)定；在發(fā)動(dòng)機(jī)爆震頻率（5KHz10KHz）上有較大的電荷靈敏度。由爆震傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理可以看出，由配重塊與基座之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移產(chǎn)生的作用力作用在壓電材料表面產(chǎn)生電荷。由此可以得到爆震傳感器電荷靈敏度函數(shù)： （2-1

14、）由電荷靈敏度函數(shù)與理論曲線做出不同頻率段下的目標(biāo)函數(shù)。42.2優(yōu)化設(shè)計(jì)變量及邊界約束條件確定爆震傳感器作為發(fā)動(dòng)機(jī)不可缺少的傳感器，位于發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的二缸和三缸之間（或在一缸與二缸之間一個(gè)、三缸與四缸之間一個(gè)），固定在M5的螺紋孔上，為避免重力等因素的影響，爆震傳感器配重塊質(zhì)量不能過(guò)大。本次設(shè)計(jì)配重塊的質(zhì)量取0.01kg0.08kg。由于結(jié)構(gòu)緊湊和彈性剛度大的要求，爆震傳感器通常采用盤型彈簧。這一類彈簧多采用CK67或者50CrV4等材質(zhì)，經(jīng)過(guò)預(yù)壓定性處理以后，可以很好地保持穩(wěn)定不變形。同時(shí)通過(guò)不同的疊法可以得到符合要求的不同彈性系數(shù)。本次設(shè)計(jì)彈性系數(shù)范圍N/m。任何的振動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)中，由于外界

15、作用和系統(tǒng)自身的固有原因引起的振動(dòng)幅度逐漸下降。阻尼的產(chǎn)生與材料、接觸面光滑程度以及組裝工藝等都有關(guān)系，因此要保持較低的阻尼C，應(yīng)保持零部件表面光潔且無(wú)錯(cuò)位現(xiàn)象。適當(dāng)選擇阻尼可以改善系統(tǒng)的幅頻特性，以擴(kuò)大測(cè)量上限頻率。本次設(shè)計(jì)保證阻尼在3202000范圍內(nèi)。2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果圖18優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果Fig18.The result of optimization design圖18表示爆震傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)曲線與優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電荷靈敏度變化曲線。通過(guò)matlab的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，得到了基本符合理論設(shè)計(jì)曲線的爆震傳感器電荷靈敏度曲線，能夠很好地適應(yīng)非共振型爆震傳感器的使用要求。3.結(jié)論影響爆震傳感器性能

16、的主要因素是壓電材料、配重塊質(zhì)量m、彈簧彈性系數(shù)K、阻尼C等。配重塊質(zhì)量m對(duì)爆震傳感器的影響是雙向的，m越大，電荷靈敏度越大，但爆震傳感器的固有頻率越小；彈簧的彈性系數(shù)K越大，電荷靈敏度越大，同時(shí)爆震傳感器的固有頻率越大；阻尼C不會(huì)影響爆震傳感器的固有頻率，但是阻尼C越大，電荷靈敏度就越小，且當(dāng)阻尼過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)的電荷靈敏度變化過(guò)于平緩，無(wú)法用于檢測(cè)爆震。 Matlab的優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）提供了求解優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的一系列函數(shù)，可以求解各種工程實(shí)際問(wèn)題。8本文利用Matlab的約束條件下多目標(biāo)多維優(yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)fgoalattain()對(duì)爆震傳感器m、k、c的參數(shù)進(jìn)

17、行優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：1何學(xué)良，李疏松.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.499-505He X L，Li Sh S。Engine CombustionM.Peking: MachineryIndustry Press,1990.499-5052陳家驊，萬(wàn)俊華，魏象儀，李約上.高等學(xué)校統(tǒng)編教材 內(nèi)燃機(jī)燃燒M.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1986.170-174Chen J H, Wan J H , Wei X Y , L Y Sh , High School Textbooks Engine CombustionM, Harbin : Harbin Shipbuilding

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