凸轮轴位置传感器的结构原理与检修

学习目标

1. 正确描述凸轮轴位置传感器的作用、 结构及工作原理。

2. 正确使用检测仪器， 对凸轮轴位置传感器进行检修。

3. 注意培养环保、 安全意识及团队协合能力。

任务引入

一辆丰田轿车， 打开仪表盘点火开关至启动挡， 正常状态下发动机启动困难， 多次操作才能启动， 启动机后怠速不稳， 油耗增加， 故障灯亮。

汽车发动机启动困难多与 “三缺” 有关， 即缺油、 缺气、 缺电。 通常应先检查燃油压力、 空气滤清器及蓄电池， 因故障灯亮， 故应先着手查找电控系统故障。 此类故障一般与凸轮轴位置传感器有关， 所以我们先学习凸轮轴位置传感器的相关知识。

相关知识

一、 凸轮轴位置传感器的作用

凸轮轴位置传感器的功用是: 采集配气凸轮轴的位置信号并输入ECU， 以便确定活塞处于压缩 (或排气) 冲程上止点的位置。

二、 霍尔式凸轮轴位置传感器的结构及原理

各种类型的霍尔式和差动霍尔式传感器都是根据霍尔效应制成。 霍尔效应是美国约翰·霍普金斯大学物理学家霍尔博士首先发现的。

1. 霍尔效应

霍尔博士于1879年发现: 把一个通有电流的长方体形白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中时， 如图1-111所示， 在白金导体的两个横向侧面上就会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电压UH，当取消磁场时电压立即消失。后人称该电压为霍尔电压，UH与通过白金导体的电流I和磁感应强度B成正比。

图1-111 霍尔效应

利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件， 利用霍尔元件制成的传感器称为霍尔效应式传感器， 简称霍尔式传感器或霍尔传感器。1947年半导体器件出现后， 霍尔效应在自动控制技术领域才得以应用。 从20世纪70年代开始， 它在汽车技术领域得到了广泛应用。 实验证明， 半导体材料也存在霍尔效应， 且霍尔系数远远大于金属材料的霍尔系数。 因此，一般都用半导体材料制作霍尔元件。 利用霍尔效应不仅可以通过接通和切断磁场来检测电压， 而且可以检测导线中流过的电流， 因为导线周围的磁场强弱与流过导线的电流成正比关系。 自20世纪80年代以来， 汽车上应用的霍尔式传感器与日俱增， 主要原因在于霍尔式传感器有两个突出优点: 一是输出电压信号近似于方波信号； 二是输出电压高低与被测物体的转速无关。 霍尔效应式传感器与磁感应式传感器不同的是需要外加电源。

2. 霍尔式凸轮轴位置传感器传感器的结构原理

霍尔式传感器的基本结构如图1-112所示， 主要由触发叶轮、 霍尔集成电路、 导磁钢片(磁轭) 与永久磁铁等组成。 触发叶轮安装在转子轴上， 叶轮上制有叶片。 霍尔集成电路由霍尔元件、 放大电路、 稳压电路、 温度补偿电路、 信号转换电路和输出电路等组成。

当触发叶轮随转子轴一同转动时， 叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动， 而霍尔式集成电路中的磁场就会发生变化， 霍尔元件中就会产生霍尔电压， 经过信号处理电路处理后， 就可输出方波信号。 当传感器轴转动时， 触发叶轮的叶片便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过。 当叶片进入气隙时， 霍尔集成电路中的磁场被叶片阻断了旁路，如图1-112(a) 所示，霍尔电压UH为0，集成电路输出级的三极管，传感器输出的信号电压UO为高电平(实测表明:当电源电压UCC＝14.4V时，信号电压UO＝9.8V；当电源电压UCC＝5V时，信号电压UO＝4.8V)。当叶片离开气隙时，永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路，如图1-112(b) 所示，此时霍尔元件产生电压(UH＝1.9～2.0 V)，霍尔集成电路输出级的三极管导通，传感器输出的信号电压UO为低电平(实测表明:当电源电压UCC＝14.4V或UCC＝5V时，信号电压UO＝0.1～0.3V)。

图1-112 霍尔式凸轮轴位置传感器的结构

1—永久磁铁；2—触发叶轮；3—导磁钢片 (磁轭)；4—霍尔集成电路

三、 霍尔式凸轮轴位置传感器电路

霍尔式凸轮轴位置传感器电路如图1-113所示。

图1-113 霍尔式凸轮轴位置传感器电路

任务实施与考核

一、 技能学习

1. 查找相关技术资料

(1) 霍尔式凸轮轴位置传感器的拆卸

1) 拆下2号汽缸盖罩。

2) 拆下1号凸轮轴位置传感器。

①进气侧:

a. 断开1号凸轮轴位置传感器连接器。

b. 如图1-114所示， 拆下螺栓和1号凸轮轴位置传感器。

图1-114 拆卸霍尔式凸轮轴位置传感器 (进气侧)

②排气侧:

a. 断开1号凸轮轴位置传感器连接器。

b. 如图1-115所示， 拆下螺栓和1号凸轮轴位置传感器。

图1-115 拆卸霍尔式凸轮轴位置传感器 (排气侧)

(2) 霍尔式凸轮轴位置传感器的检查

1) 检查霍尔式凸轮轴位置传感器电压。 根据表1-45， 参考图1-116， 用数字万用表测量电压。

表1-45 标准电压

图1-116 检查｀霍尔式凸轮轴位置传感器电压

2) 检查霍尔式凸轮轴位置传感器线束。 根据表1-46和表1-47， 参考图1-117， 用数字万用表测量电阻。

表1-46 标准电阻 (一) Ω

表1-47 标准电阻 (二) kΩ

3) 检查霍尔式凸轮轴位置传感器安装情况。 霍尔式凸轮轴位置传感器安装情况的检查如图1-118所示。

图1-117 检查霍尔式凸轮轴位置传感器线束

图1-118 检查霍尔式凸轮轴位置传感器安装情况

(3) 霍尔式凸轮轴位置传感器的安装

1) 安装凸轮轴位置传感器。

①进气侧:

a. 在传感器O形圈上涂抹一层薄的发动机油。

b. 用螺栓安装1号凸轮轴位置传感器， 扭矩为10N·m。

注意: 安装时， 确保O形圈没有破裂或卡住。

c. 连接1号凸轮轴位置传感器连接器。

②排气侧:

a. 在传感器O形圈上涂抹一层薄的发动机油。

b. 用螺栓安装1号凸轮轴位置传感器， 扭矩为10N·m。

注意: 安装时， 确保O形圈没有破裂或卡住。

c. 连接1号凸轮轴位置传感器连接器。

2) 安装2号汽缸盖罩。

2. 操作步骤

凸轮轴位置传感器如表1-48所示。

表1-48 凸轮轴位置传感器

续表

续表

二、 任务实施与考核

凸轮轴位置传感器检修的任务实施与考核如表1-49所示。

表1-49 凸轮轴位置传感器检修的任务实施与考核