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机械毕业设计全套

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CLJD01-007@凯美瑞轿车的教学改装设计,机械毕业设计全套

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1 第 1 章 绪 论 . 课题研究的背景与意义 系统仿真是迅速发展起来的一门新兴学科，随着系统仿真的理论方法和应用技术的研究和深入以及计算机技术的发展，应用计算机对实际系统或假想的的系统进行仿真的技术越来越受到人们的重视。总结和回顾系统仿真系统的应用历史，系统仿真技术不仅在航天，航海，原子能，电力等领域进一步提高了应用水平，而且逐步发展到应用于社会，经济，交通，生态系统等各个领域，已成为高科技产品从论证，设计，生产试验，训练到更新等生命周期各个阶段不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂的系统问题提供了有效的工 具。 近 20多年来，随着计算机和电子技术的发展，汽车工业和汽车技术取得了长足进步。采用电子技术已经成为解决汽车质量与性能诸多问题中的最佳方案。应用微机控制发动机的喷油与点火就是为了适应社会对汽车排放法规与节能的要求。目前，多数轿车都已装用发动机管理系统，对发动机各个系统进行综合控制发动机的控制已由早期的模拟装置发展成为微机控制的数字控制系统。在发动机管理系统中，微机不仅控制点火定时与喷油系统的空然比，还控制怠速转速，爆燃，增压压力，近期和废弃再循环以及变速器传动诸多方面，还增加了自诊断系统，后备系统与保护装 置，提高了整个控制系统的可靠性。 现代汽车工业已经进入成熟的发展阶段，世界各大汽车制造商为进一步地争夺汽车销售市场，不断加强开发投资力度，试图以提高汽车安全性、降低能耗、改善舒适性和增加功能等来推动汽车工业向高附加值方向发展。 汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车已经由单纯的机械产品发展为高级的机电一体化产品，成为所谓的“电子汽车”。 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。随着电子信息技术的飞速发展 , 现代汽车 技术与电子技术、信息技术融合在一起 , 汽车已成为现代科技的载体和结晶。 据核计，目前平均每辆车上的电子装备已经占到整车成本的 20%-30%，在一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到 50个，电子产品费用占到整车成本的 50%以上。可以说 ,目前电子技术的应用已经深入到汽车所有的系统并在提高汽车的操纵性能、燃油经济性、可靠性和自动化程度等方面发挥着越来越重要的作用。在发达国家，汽车nts 2 已经进入电子时代，汽车电子控制技术已经成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题。 由此可以看出，现代汽车已不再是传统的机电产品， 其中汽车的机械部分的发展已经达到了极致，汽车继续改进的空间将集中在传统汽车技术和电子技术的的结合上，汽车上 70%的革新来自汽车电子技术及产品。然而，由于汽车运行的环境多变，特别是发动机所处的环境恶劣，因此，由发动机电子控制系统引起的故障也相应增多。据相关从事汽车维修多年的人员表示，现代汽车由于电控系统引起的故障大约占全车故障的 70%，特别是新车。发动机电子燃油喷射是一项涉及面很广的技术，它包括了传感器技术、微处理技术、控制工程等多方面知识。并且， 在汽车修理过程中，由于车系、车型的差别，维修人员判定传感器元件 信号及电子控制单元导致的故障很困难。这就给汽车维修和汽车教学带来了很大的障碍。 而现有的教学试验台架绝大部分仍然基于传统的发动机，这是制约学生理论学习和提高实践能力的一个重要原因。本设计通过对发动机电子控制部分实施改制，使之形成可以脱离发动机本体试验 的系统设计 ，应用相应传感器来模拟实际运行工况，实现故障诊断，通过故障代码的分析，查找并排除故障。研制出一套对汽车电子控制系统诊断准确、操作方便、快速经济的故障诊断系统，从而把理论教学与实践过程有机地结合起来，使理论教学更直观，实践过程更容易。 1.2国内外汽车教学 改装的发展趋势 我国 改装 技术的研究与应用开展得比较早，发展迅速。 80年代就建设了一批水平高 、规模大的半实物 改装 系统，如射频制导导弹半实物仿真 改装 系统 、工程飞行模拟等等，主要应用于军事用途。目前半实物 改装 仿真在工业、交通优化逐步开始应用，同时，半实物仿真技术已成为国内汽车工程师研究的热点，已满足应用设计周期的缩短、产品质量要求的提高、开发及设计费用的减少的要求。 在国外，汽车公司的工程师感到他们需要一种替代传统设计的新途径 。他们曾经尝试过的方法所遇到的主要问题还是硬件原型的不完备，整个设计在工程化时需要重新设 计和重新编程。因此汽车公司的工程师开始寻找一种新的方法来 填补传统与现代的汽车电子控制系统开发之间的空白，使得需求定义者控制器设计人员有一个共同的坚实基础。 故障诊断 (Diagnostics)，是指确定故障的起因，即在不拆卸发动机本体或仅拆下个别零件的条件下，查找故障零件部位和查明故障原因的过程。诊断技术，是指能用于发现和分析故障元件及故障区域的技术。按故障诊断技术从无到有，与电控燃油喷nts 3 射技术的发展水平相对应的诊断技术可分为人工经验诊断、简单仪器诊断、精密监测诊断和人工智能诊断四个阶段。 人工经验诊断： 20 世 纪 50 年代以前，发动机结构较简单，电控燃油喷射系统还没有应用于汽车发动机，通过简单的测试仪表，如转速表、气压表、真空表电压表、电流表等，或者是判定发动机是否有异响、是否过热、有异味等情况。再依靠人工经验来完成对的发动机故障诊断工作。目前，人工经验诊断方法对某些复杂故障的诊断仍十分有效。 简单仪器诊断： 20 世纪 50 年代初至 70 年代末，由于汽油喷射系统开始应用于汽车发动机，传感器、微处理器技术、控制工程技术也随之在汽车发动机上得到应用。因此，在汽油喷射系统故障诊断过程中就必须借助相关传感器、微处理器及示波器等仪 器设备对发动机的工况进行检测，以判定其工作性能的好坏。 精密监测诊断： 20 世纪 80 年代初至 90 年代初，电子技术的进步，对电控燃油喷射系统的控制内容更加全面，控制程度更加精确。随之，以计算机技术为核心的各种精密诊断设备得到了快速的发展，对电控发动机故障诊断的准确率也有了很大提高。如各种发动机分析仪、点火正时仪、电脑检测仪以及各种电子化检测仪表等都是进行精密检测所必备的仪器。 人工智能诊断： 20 世纪 90 年代开始，由于汽车电控燃油喷射技术的不断完善，而且车型及其控制技术又不尽相同。因此，在汽车维修中，故障诊断就成 为关键性问题。应用人工智能理论与技术以及现代的信息技术开发出的各种故障系统将有助于电控燃油喷射系统故障诊断问题的解决。 1.3 故障诊断技术的发展趋势 近年来，一些新的科学分支的出现和发展及其在设备故障诊断中的成功应用，为汽车故障诊断技术的发展开拓了新的途径。 由于汽车电子化的趋势是从整体上来设计全车的控制系统，因此，现代故障诊断系统的技术正向着故障专家系统、人工智能故障诊断系统方面发展，开发要求是：具有在线更新自诊断功能、故障预测功能、自我保护功能，并且还可以实现在线信息资源的交流与共想。 1.4主要研究内容 （ 1） 控制柜 的设计：具有较强的演示功能，可以实现随车故障诊断以及针对不同电子控制系统元件进行信号测试； （ 2）控制面板的设计：实现车辆控制信号测试； （ 3） 发动机工作数据显示：可以显示发动机工作油压以及进气管真空变化。通过nts 4 灯、仪表演示系统工作状态。 （ 4） 典型系统工作状态演示：可以通过局部解剖切割的方法演示总成系统的工作状态。 nts 5 第 2 章 凯美瑞 电子控制系统的应用 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志， 现代汽车电子控制技术的应用不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性 , 改善了行驶的稳定性和舒适性 , 推动了汽车工业的发展 , 还为电子产品开拓了广阔的市场 , 从而推动了电子工业的发展。因此 , 发展汽车电子控制新技术 , 加快汽车电子化速度 , 是振兴和发展汽车工业的重要手段。 近年来，随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用，汽车电子控制技术得到了迅猛的发展，尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面有了较大突破。汽车电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志。 汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器（ ECU）、驱动器和控制程序软件等部分组成，与车上的机械系统配 合使用（通常与动力系统、底盘系统和车身系统中的子系统融合），并利用电缆或无线电波互相传输讯息，即所谓的“机电整合”，如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、电子控制悬架系统、电子控制自动变速器、电子助力转向等。汽车电子控制系统大体可分为四个部分：发动机电子控制系统，底盘综合控制系统，车身电子安全系统，信息通讯系统。其中，前两种系统与汽车的行驶性能有直接关系。 2.1 汽车电子技术的发展 世界汽车电子技术的发展过程在不同的资料介绍中略有不同，但按照时间顺序大致可以分为以下三个阶段： 第一阶段 （ 1960 1975 年）： 20 世纪 60 年代晶体管收音机、晶体管点火装置的实用化揭开了电子化时代的序幕，主要产品有交流发电机、电子电压调节器、电子点火控制器等。 1967 年，德国 BOSCH 公司利用进气支管绝对压力信号和模拟计算机来控制发动机空燃比的 D 型燃油喷射系统装配在汽车上，率先达到了当时美国加州的排放法规要求，开创了汽油机电子控制燃油喷射技术的新时代。 第二阶段 （ 1975 1985 年）：由于计算机技术的迅速发展，汽车进入了微机控制时代，汽车上广泛应用集成电路和 16 位以下的微处理器。电子控制燃油喷射装置的功能 得到进一步的扩充，在三元催化转化的系统中采用了氧传感器，形成了闭环控制，显著降低了污染。有的还采用了发动机整体控制系统，出现了无分电器的微机控制点火系统。其主要特点是发展专用的控制系统，主要产品有电子燃油喷射系统（ EFI）、空燃比反馈控制系统、故障自诊断系统等。 第三阶段 （ 1985 年现在）：高科技的迅速发展时期，汽车电子产品的研制开发竞争十分激烈，主要侧重于汽车性能的进一步提高、各种功能的进一步完善及减少nts 6 汽车的质量，开始使用 32 位微处理器。主要产品有故障自诊断系统、信息显示系统、数字式油压表、驱动防滑系 统等。 2.2 现代汽车电子技术的应用 汽车电子技术的应用主要体现在车用微型计算机的推广使用上。虽然汽车微机控制系统的应用范围很广 , 但是技术比较成熟且应用很普遍的还是发动机控制系统。 2.2.1发动机功率和排放的闭环控制系统 电子点火正时：电子点火正时是利用专用微机或大规模芯片实行对点火时刻的最佳控制 , 它的关键部件是高精度曲轴位置传感器、负荷传感器、排气含氧量传感器、爆然传感器、进排气温度传感器、冷却水温度传感器等。 电子控制燃油供给系统。目前使用最普遍的是电子汽油喷射系统 , 其次是电子式化油器和柴油发 动机的电子控制等。它们的关键部件除与电子点火正时系统相同外 , 还包括进气流量传感器、燃油泵和喷油嘴。电子技术在发动机上的应用往往是综合性的 , 这样才易于降低成本 , 提高性能。如日本日产汽车公司生产的 ECCS系统就同时具有点火正时、汽油喷射、废气再循环、怠速控制系统及故障诊断等多种功能。 2.2.2 汽油机电子综合控制系统 汽油机电子控制装置除完成一般的电子控制汽油喷射装置的起动喷油量控制、伺服喷油量控制、暖车工况控制外 , 还能实现空燃比反馈控制、点火控制、排气再循环控制和二次空气供给控制、怠速控制等。此外 , 新型汽油机电子控制装置还装有自适应控制 , 智能控制及故障自诊断操作等。汽油机电子综合控制已将发动机的工作控制在最佳的运行状态。 此外，电子技术还应用于柴油机综合控制系统、汽车动力转向系统、行驶系、主动悬架、通讯导航、娱乐和乘坐舒适性等方面。 2.3 汽车电子技术的发展趋势 当前，汽车电子技术进入了优化人 - 车 - 环境的融化关系的阶段，它向着超微型磁体、超高效电机以及集成电路的微型化方向发展，并为汽车上集中控制提供了基础（如制动、转向和悬架的集中控制以及发动机和变速器的集中控制）。未来汽车电子技术的突破口可能 会在以下几个方面： （ 1）传感器技术：汽车电子化越发达，自动化程度越高，对传感器依赖性就越大，它是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一，所以，国内外都将车用传感器技术列为重点。其发展趋势是：多功能化、集成化、智能化、微型化，它不仅要能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号做放大和处理。同时，还具有结构nts 7 紧凑、安装方便、抗干扰能力强等优点。 （ 2）微处理技术： 微机是整个系统的核心，负责指挥其他设备工作。目前汽车上用的微机以通用单片机和高抗干扰及耐振的汽车专用微机为主，但速度和精度要求不如计算用微机 高。现在，车用微机正从 8位、 16位发展到 32位， 有 670万个晶体管 , 448k字节的片上快闪内存和 8个片上外围设备 ,可同时管理发动机和变速控制系。 （ 3）现场总线技术：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。 由于 CPU传感器和执行系统的增多 ,汽车系统中的导线数将会达到千根以上 ,许多汽车的线束质量和线束直径已分别达到 40Kg和 12Km。由于线束太多，按传统的连线方式严重影响汽车部件的设计、布局、和制造，易使故障增多且很难诊断出故障所在，反过来就制约 了控制技术在汽车中的应用。在这种情况下，将计算机网络设计中的多路复用通信技术应用到汽车中，则可促成对汽车性能的精确、高速控制，并可减少配线。目前 , 由德国 BOSCH公司推出的 CAN现场控制总线正逐渐在被欧洲汽车商使用。在我国，由于这方面的技术研究比较晚，所以发展比较慢，但已经有很多汽车厂家和相关科研单位及高校都在做这方面的技术研究，并取得了一定的成果。 （ 4）智能汽车及智能交通系统的研究和应用： 汽车智能化相关的技术问题已受到制造商们的高度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术的实现。智能交 通系统的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，能根据驾驶员的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。它装有电子地图，可以显示出前方道路，并采用卫星导航。从全球卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，自动筛选出最佳行车路线。 此外，还有软件新技术、多通道传输技术、数据传输载体方面的电子新技术将在汽车上得到应用。当今社会，随着能源问题的日益突出和对安全要求的不断提高，未来汽车设计的主要问题仍将是环保节能和安全。电子技术的快速发展为汽车向智能化、网络化、多媒 体的方向发展创造了条件。可以预见，未来汽车将不再仅仅是个代步工具，它同时具备了交通、娱乐、办公和通信的多种功能。汽车的电子化使汽车工业步入了数字化时代。 随着集成控制技术、计算机技术和网络技术的发展，汽车电子技术已明显向集成化、智能化和网络化三个主要方向发展。 （ 1）集成化 近年来嵌入式系统、局域网控制和数据总线技术的成熟，使汽车电子控制系统的集成成为汽车技术发展的必然趋势。将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成nts 8 为动力传动系统的综合控制；将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统和驱动防滑控制系统综合在一起进 行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接，控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统。 （ 2）智能化 智能 化传感技术和计算机技术的发展，加快了汽车的智能化进程。汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商的高度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术实现。智能交通系统（ ITS）的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，它能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集 中处的最佳行驶路线。它装有电子地图，可以显示出前方道路、并采用卫星导航。从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，自动筛选出最佳行车路线。 （ 3）网络化 随着 电控器件在汽车上越来越多的应用，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要。以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是十分必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及低成本是对汽车电子网络系统的要求。在该系统中，各子处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其它处理机需要时提供数据服务。主处理机收集整理各子处理机的数据，并生 成车况显示。 综上所述，当汽车大量采用电子元件及其计算机控制技术后，其产品本身的质量、安全性、排放性和舒适性得到了提高。同时，当汽车出现故障时，也毫无疑问地带来了故障诊断复杂化等新问题，给汽车故障诊断和维修工作带来了越来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来越高。这就对汽车的现代化保养与快速检测、诊断、维修提出了新的课题题。 2.4 本章小结 本章简要地介绍了汽车电子技术的发展历程及以后的发展趋势，其中主要是对于发动机控制方面，这对于本设计有宏观的指导意义，有助明确实验台设计的目的和确定 系统 最终要达到的 功能要求。 nts 9 第 3章 教学控制柜 控制柜设计 3.1 系统的原理 以丰田凯美瑞轿车为基础 , 在保持原车基本功能不变的前提下 , 对汽车车身及其相关部件进行剖析 , 以展示内部结构。安装对外输出插座 , 并制作可移动“教学控制柜” , 通过航空插头与车内插座相连后 , 即可进行工况检测与故障设置 , 此时可对学生进行凯美瑞轿车维修检测技术和判断排除汽车故障的训练和教学。在教学控制柜与汽车本身脱开时 , 教具车仍保持原车的行驶功能状态。学生通过教具车的演示和动手操作 , 掌握工况信息的采集和控制 , 以及进行故障诊断分析及排除 的教学和考核 , 从而提高学生对丰田汽车的实际动手能力 , 大大丰富汽车专业教学内容。 该 系统是一种硬件在线实时技术， 通过外设 从而模拟整个系统的运行状态。应用开关 仿真研究汽车发动机电子控制系统能大大加快产品设计速度，降低成本。本文的目的就是验证发动机电子控制控制用的逻辑、算法以及确定各种控制参数，模拟发动机外部物理环境来调试、检测发动机性能。 3.1.1 发动机控制柜 的工作流程一般如下 用户在进行实物仿真系统时， 对其外部总体设计，对其控制面板、显示模块，外部插头、航空接头及对其内部电路布线设计。对其要求布局合理 ，演示直观， 最后确定模型。 3.1.2 基本组成与原理 发动机控制柜由箱体、插头面板、开关面板、显示面板、航空接头及支架组成，通过在其内部配置 ECU 及合理的布线，实现对控制系统信号测试分析 （ 1） ECU ECU 是实时仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的模型和程序 。 一般来说，采用层次化 、 模块化的建模法 ，将模块化程序划分为不同的速率块，在仿真计算机中按速率块实时调度运行。 （ 2）物理效应设备 物理效应设备的作用是模拟复现真实世间的物理环境，形成仿真环境或成为虚拟环境。物理效应设备实现的技术途径多种多样。 （ 3） 接口设备 仿真计算机输出的驱动信号经变换后驱动相应的物理效应设备 。接口设备同时将操作人员或实物系统的控制输入信号到仿真计算机。实现半实物仿真。 nts 10 3.2 电子控制燃油喷射 3.2.1 电子控制 燃 油喷射的基本原理 由内燃机原理知，汽油和空气必须按一定比例组成的混合气进入气缸后，才能容易点燃和完全燃烧。理论上完全燃烧一定量的汽油所需的空气量，可以用化学当量比进行计算。按质量计，对汽油来说，空气与汽油的比例为 14.7： 1。 一般用 表示过量空气系数，即： = 实 际 吸 入 气 缸 的 空 气 量理 论 汽 油 完 全 燃 烧 所 需 的 空 气 量 =1时称为标准混合气， 1称为浓混合气， 1称为稀混合气。 电子控制汽油喷射装置（ EFI），就是利用计算机准确地控制发动机所需的燃油量，保证发动机在各种工况下的混合气的空燃比都在规定的范围之内。控制器综合各种不同传感器送来的信息作出判断，控制喷嘴以一定的压力，正确、迅速地把燃油喷射到发动机进气歧管里，与吸入的空气混合后，进入发动机气缸，同时配合电子控制点火在最佳时刻点燃可燃混合气。图 3.1所示是电子控制燃油喷射系统的基本原理图。 图 3.1 电子控 制汽油喷射的基本原理方框图 3.2.2 电子控制燃油喷射系统的组成 电控汽油喷射系统主要由燃油供给系统、空气供给系统、控制系统组成。 汽 油 泵 喷 油 嘴 压力调节器 汽 油 箱 发 动 机 传 感 器 控 制 器 nts 11 1、燃油供给系统 燃油供给系统的作用是将燃油从油箱中吸出，经过加压滤清后由喷嘴向发动机缸体中喷射。主要由汽油箱、汽油滤清器、电动汽油泵、压力调节器、电磁喷油器等组成。 汽油在电动汽油泵的压力作用下从油箱中泵出，再经滤清器除去氧 化铁、粉尘等固体夹杂物 后由燃油管输送到 压力调节器调节油压，使燃油压力始终高于进气管压力约 0.3Mpa,然后经汽油分配管送给各缸 电磁喷油器 ， 电磁喷 油器 根据发动机控制单元的指令将汽油适时地喷入进气管中。 2、空气供给系统 空气供给系统的任务是按发动机各工况的需要，适时地提供足够的空气，并测量进入气缸的空气量。空气量是由电控单元通过进气压力传感器测出的压力和发动机转速传感器测出的曲轴转速计算求得。它主要由空气滤清器、空气流量计、节气门控制单元、进气歧管等组成。 发动机从外界吸入的空气，经空气滤清器除去杂质后，再由节气门根据相关工况对其进气量进行控制，将足够的空气量通过进气歧管与燃油混合后或直接送入发动机。 3、 控制系统的组成和控制原理 控制系统的功能是根 据发动机工况和车辆运行状况确定汽油的最佳喷射量和喷射时刻，使发动机即可获得较大的动力，又可具备良好的经济性，同时又能满足排放的要求。该系统主要由 ECU、传感器和执行器组成。 基本结构如图 3.2所示。 图 3.2 控制系统基本结构 电子控制单元是电子控制系统的核心部件，它主要由输入回路、 A/D 转换器、微型计算机和输出回路等四部分组成。其基本功能如下： (1)给传感器提供基准电压，将所需输出的信息转变成控制单元所能接受的信号； 传感器 模 拟 信 号 数 字 信 号 输入信号 输入信号 转换器 输出回路 I/O 存储器 CPU ECU 执行器 nts 12 (2)接 受传感器或其他装置输入的各种信息； (3)进行存储、计算、分析处理信息；存储该车的特征参数；计算出输出值；存储运算中的数据；存储故障信息； (4)运算分析。根据信息参数求出执行命令数值，并将输出信息与标准值比较； (5)输出执行命令，把弱信号变为强的执行命令； (6)自我修正、自我保护和自诊断功能； 微机利用数字控制，能在较短的时间内处理很多信号，且具有上述功能，能够进行高精度的发动机控制。 进气温度传感器：它是一个负温度系数电阻，即温度升高阻值下降。它安装于进气管道上，是检测发动机吸入空气的温度的传感器。 由于吸入空气温度的变化会引起空气密度发生变化，因此需要进行燃油喷射量修 正。 将进气温度转变成电信号，送给控制单元，用于各种控制功能的修正。如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知进气温度，会导致热启动困难，排放升高等故障。 冷却水温传感器也是一个负温度系数电阻，它安装在发动机节温器处，直接与发动机冷却水接触。 温度越低阻值越大 ，并 将冷却液温度的高低，转变成电信号，输出给电控单元，从而控制供油加浓量 、点火正时和怠速转速。 该信号是一个较重要的修正信号，如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能 准确感知冷却水温度，将会导致发动机冷热启动困难、油耗增加、怠速自适应差、排放升高等故障。 空气流量计：空气流量计安装在空气滤清器和节气门体之间，用来精确地测定吸入发动机中的空气量的多少，作为决定基本喷油量的参数，确保发动机在各种工况下都能获得最佳的空燃比。根据测量原理不同，可分为叶片式、卡门涡流式、热线式和热膜式等几种。当它出现故障时，可能导致发动机功率下降、运转不稳、油耗增加等故障。 节气门位置传感器：节气门位置传感器安装在节气门体上，是检测节气门开度的传感器，有线性输出型和开关量输出型两种形式。它把节气 门打开的角度转换成电压信号送到 ECU，在节气门不同开度下进行油量控制，怠速触点信号用于断油控制和点火提前角的修正。 氧传感器：氧传感器安装在三元转化器前面和排气支管或排器管内，用来检测排气中的氧含量，以确定实际空燃比与理论空燃比相比是稀还是浓，并向 ECU 反馈相应的电压信号， ECU 根据此信号，控制喷油量的增加或减少，从而实现空燃比反馈控制。痒传感器有氧化锆和氧化钛两种，当它出现故障时，发动机的排放会增加。 执行器有主继电器和短路继电器，用来控制系统和燃油泵的电源。 nts 13 3.3 点火系的组成及原理 现代汽车中的普 遍使用了电子点火系统，使点火时间的控制精度和可靠性发生了巨大的变化。电子点火系统主要有三大部分组成：检测发动机运行状况的传感器；处理信号并发出工作指令的 ECU；执行 ECU 指令的执行器，包括点火器、点火线圈、分电器和火花塞等等。 发动机工作期间，各种传感器分别将每瞬间发动机曲轴位置和转速、负荷（进气歧管压力）以及冷却水温度等工况信号输入 ECU 中。 CPU 根据转速和负荷信号，在存储器 ROM 中检查到与发动机所处工况下对应的最佳基本点火提前角和初级线圈通电时间（闭合角），并根据冷却水温度等信号查出相应的点火提前角修正 值。据此，由 CPU 计算出最佳的点火提前角，再根据曲轴转角和曲轴位置传感器判别出曲轴位置、转角及第几缸处于压缩上止点，向点火器发送点火正时信号，按所需的通电时间，先控制功率三极管接通点火线圈电路，经一段最佳通电时间，使一次电流达到饱和后，再切断初级线圈电路，在次极线圈中感应产生高压电，直接送往相应的火花塞，点燃混合气。 在点火控制系统中，采用爆震传感器来检测发动机有无爆燃现象，并将信号送入发动机电子控制单元，从而对点火提前角进行修正，实现对点火时刻的闭环控制，有效地抑制了发动机爆燃现象的发生。 3.4 故障诊 断原理 电子控制系统正常工作时， ECU 输入、输出信号的电平都是在规定的范围内变动。当某信号一段时间内不变化或超出规定范围时，故障自诊断系统就会判定为该信号的元件或电路出现故障， 并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪表盘上的故障指示灯 。 3.4.1 传感器的故障诊断 各种传感器正常工作时，其输入 ECU 的信号数值都是在一定范围内变化的。 当某一传感器电路出现超出规定的信号时， ECU 就判定为该电路或传感器信号发生故障。例如冷却液温度信号，当传感器值异常或不能识别时， ECU 就可判定冷却液温度传感器出现故 障。冷却液温度传感器正常工作时，其输出电压值在 0.1 4.8V 之间变化；如果输出电压低于 0.1V（相当于冷却液温度高于 139 ）或高于 4.8V（相当于冷却液温度低于 -50 ）， CEU 检测到电压值超出规定范围时，既判定为冷却液温度传感器短路或断路。 nts 14 3.4.2 执行器的故障诊断 ECU 向执行器发出指令信号，如果没有来自执行器的信号信息，则显示执行器故障。因此，在故障诊断时，常需要增加专用回路来监测执行器的工作信息。例如：当点火回路中的大功率晶体管不能正常工作时，点火器内的点火监视器回路就不能把大功率晶体管正 常工作信号输送给控制发动机的 ECU。如果 ECU 得不到点火器的监控信号，就判定点火系发生故障。此时， ECU 立即采取措施，使喷油器停止燃油喷射。 如果由于某种原因偶尔出现一次不正常信号， ECU 并不会判定为故障。只有当不正常的信号持续一定时间或多次出现时， ECU 才判定为故障。 3.4.3 线路故障诊断 故障信号的出现，不仅与传感器或执行器本身有关，还可能与出现故障的整个电路有关，而 ECU 在故障诊断系统判定故障时，只是提供了故障的性质和范围，要最后确定故障的原因，还应进一步检查配线、插头、 ECU 和相关元件，才能准确 地找到出现故障的具体位置，从而排除故障。 3.5 发动机控制柜 的功能要求 为了实现方便教学以及汽车电脑检测等目的，本 系统 的设计应满足以下要求： （ 1）电子控制方面，利用单片机模拟各种传感器信号取代传感器所反馈的信号来控制实验台中执行机构的工作。 （ 2）可以模拟发动机电控燃油喷射、电子点火，以满足教学实验的要求。 （ 3） 系统 要设置一块转接板，通过转接板可以与同一车系不同车型的电脑连接，从而检测汽车电脑工作是否正常。 （ 4） 系统 应有一个故障诊断端子，通过与发动机故障分析仪连接，可以测出各传感器信号数据流，而且可 以读取 ECU 故障码，从而排除故障。 3.6 发动机控制柜 的工作原理及过程 在 系统 使用前，先将从单片机芯片输出的传感器模拟信号输出端子与跳线接口的输入端接好，再把所要检测的汽车电脑的输入口与转接板上相应的输出口相接。启动电源，根据需要来操作不同的功能开关就可以实现不同的功能。达到实验教学或检测汽车电脑工作情况的要求。 （ 1） 模拟发动机电控燃油喷射、电子点火，以满足教学实验的要求。 当 半实物仿真系统 作为教学演示使用时，应该把一个标准的、控制精确的汽车电脑接入 系统 。它的输入端和输出端分别与转接板和执行器相连。然后接 通电源，通过操作面板上的功能开关控制执行器的各工况下的工作。 接通电源前，把操作面板上的各控制开关置于空挡位置。当接通电源时，实验台nts 15 控制系统自动复位，程序进行初始化，此时，操作面板上转速显示数码管显示转速为800r/min，即怠速工况下的转速。同时，在 系统的 演示功能区里，喷油器喷油和火花塞开始演示。当把操作面板上转速控制开关置于增挡位置时，数码管显示的转速会每隔 2秒钟会自动增加 50转，而喷油器和火花塞的工作速度会随着转速的增加逐渐加快，当数码管上显示转速为 3500r/min 本实验台设计的最高转速时，转速 便不再增加。相应地，执行器也对应于最高转速工作；相反，当置转速控制开关于减挡位置时，数码管显示的转速会每隔 2秒钟会自动减少 50 转，喷油器和火花塞的工作速度会随着转速的减少逐渐减缓，当数码管上显示转速为 600r/min 本实验台设计的最低转速时，转速便不再减少。相应地，执行器也对应于最低转速工作。在转速增加或减少的过程中，如果把转速控制开关置于空挡位置时，那么实验台将会在当前转速工况下工作。如果按下操作面板上转速复位键时，实验台执行器就回到怠速工况，随后再根据开关的状态继续工作。同样，在操作面板上还有进气温 度控制开关和水温控制开关，当它们工作时，执行机构将会对应于不同的进气温度和水温进行不同工况下的工作。 执行器在工作时，可以用专用仪器接在故障诊断端子上读取各信号数据流，对汽车电脑的工作进行分析，从而就可以对汽车电子控制系统进行更深入的研究。 3.7 本章小结 本章主要阐述发动机电子控制燃油喷射和点火系故障诊断实验台的基本原理，明细的讲解了车用主要传感器工作原理和控制过程。从理论上来分析故障发生的位置和机理，提出了实验台的功能要求，对以后设计任务的切实开展有明确的指导作用。 nts 16 第 4章 凯美瑞 轿车 的教学改装设计 4.1 总体方案的确定 以 丰田 凯美瑞 轿车为基础 , 在保持原车基本功能不变的前提下 , 对汽车车身及其相关部件进行剖析 , 以展示内部结构。安装对外输出插座 , 并制作可移动“教学控制柜” , 通过航空插头与车内插座相连后 , 即可进行工况检测与故障设置 , 此时可对学生进行 凯美瑞 轿车维修检测技术和判断排除汽车故障的训练和教学。在教学控制柜与汽车本身脱开时 , 教具车仍保持原车的行驶功能状态。学生通过教具车的演示和动手操作 , 掌握工况信息的采集和控制 , 以及进行故障诊断分析及排除的教学和考核 , 从而提高学 生对丰田汽车的实际动手能力 , 大大丰富汽车专业教学内容。 4.1.1 凯美瑞轿车特点与改装计划 1、 凯美瑞轿车的 特点 (1) 润滑系统 汽缸盖装有 VVT-i 控制器和凸轮轴正时机油控制阀 , 控制润滑系统的工作过程。 (2) 采用 VVT-i 智能可变气门正时系统根据发动机转速、进气量、节气门位置和水温传感器信号、发动机电脑计算出各个行驶条件下的最佳气门正时、控制凸轮轴正时油压控制阀动作 , 使进气凸轮轴在 400 范围内保持最佳气门正时 , 提高了燃油经济性和发动机性能 , 实现在所有速度范围内提高扭矩和燃油经济 性 , 减少废气排放量。 VVT-i 控制器装在进气凸轮轴前端 , 由与进气凸轮轴耦合的叶片和从动正时链的壳体组成 ,在进气凸轮轴上的提前或滞后油路传递机油压力 , 使 VVT-i 控制器叶片沿圆周方向旋转 , 根据发动机电脑的提前、滞后或保持信号 , 凸轮轴正时机油控制阀选择至 VVT-i 控制器的通路。 (3) 燃油系统 燃油系统采用了无回油系统 , 以减少燃油蒸气的排放 , 采用燃油切断控制 , 在安全气囊展开时 , 燃油泵停止工作 , 以提高安全性。 (4) 点火系统采用了 DIS 直接点火装置 DIS 直接点火装置的每个汽缸有 一个带点火器的点火线圈与火花塞直接接触 , 以简化系统和提高点火效率。 (5) 发动机电控系统 采用 L 型 EFI 电控形式 , 包括 ESA 电子点火提前控制、怠速控制、 VVT-i 智能nts 17 可变气门正时控制、燃油泵控制、燃油蒸气排放控制、空调功能控制、冷却风扇控制、发动机停机控制、安全保护控制等。 2、教具车的改装 丰田 凯美瑞 教具车包括教具车本体和教学控制柜两大部分。也分为“保持原车行驶”和“进入检测与排故程序”两大状态。在原型车线路基本不变的情况下 , 在原车线束加设了相应线路 , 并作了改动。 (1) 根据教学需要 , 切割左侧 前 车门 , 展示车内的防撞杆和其它结构 , 可以观察电动窗升降机构的动作情况和中央门锁的工作情况。 (2) 在发动机舱内 , 加设 3 个压力表组和电磁阀工况显示灯组。 3 个压力表分别是进气歧管真空度表、发动机燃油压力表和自动变速器油压表 , 分别对真空度、燃油压力和变速器油压进行监测。 5 个变速器电磁阀信号灯分别是 : 换档电磁阀 S1、 S2、锁止电磁阀 SL、压力调节电磁阀 SLT 和计时电磁阀 ST, 分别对他们的运行工况进行监测。 图 4.1 发动机机舱压力表 (3) 空调高、低压压力表组 , 安装在发动机舱最前部 , 对空调的高、低压进行监测。 (4) 在驾驶室副驾驶座下面 , 安装四个航空插座 , 车内所有改制线路均通到航空插座上 ,ABCD 四个航空插座为 : A、 B 为发动机教学控制 ; C 是自动变速器和 ABS 教学控制 ; D 为空调与车身电气教学控制。平时 , 四个插座上面安装短接端盖 , 此时教学车保持原车全部功能 , 拧下短接端盖 , 将 4 根电缆和教学控制柜相连 , 此时即进入检测与排故状态。 nts 18 图 4.2 ABCD4个航空接头插座 3、 增设教学电子控制柜 教学电子控制机柜是一个可移动的控制机柜 , 正面上半部分是检测面板 , 下半部分是一个储物箱 , 检测面板上方有 4 个数字式电表分别显示空气流量计 VG、进气温度传感器 THA、水温传感器 THW 和节气门位置传感器 VTA, 可实际测量空气流量、气温、水温和节气门位置的电压反馈信号 , 并通过 4 个模拟故障设置开关可产生上述 4 个传感器模拟信号 , 用以取代 4 个传感器输出信号 , 以观察不同的输出信号对发动机工作的影响和设置传感器信号误差故障。 4个数字式电表下面分别是发动机 部分 , 自动变速器部分和 ABS、空调和车身电气部分的检测插孔 , 这些检测插孔有些是从汽车电脑端引出来的 , 也有的是从传感器、执行器和其它元件上引出来的 , 在这些插孔上测量与在车上各元件端测量一样 , 故可用万用表和示波器测得汽车运行时的各个动态数据 , 可观察各传感器的输出波形变化 , 以加深对汽车各组成部件工作原理工作过程的了解 , 并可进一步根据测得的数据来分析判断汽车的运行工况和故障原因及故障存在的部位。 nts 19 图 4.3控制柜 4个数字式 电表 轿车仿真系统的研究教学电子控制机柜分别设置了发动机、自动变速器和 ABS、汽车空调和车身电气的等故障开关共百余个 , 按下一个开关 , 就会在教具车的相应部位产生一个故障。故障设置开关下方是 A、 B、 C、 D 四个航空插座 , 与车内 4 个航空插座相对应。通过 4 根电缆 , 使得控制机柜与教具车连成一体 , 教具车即进入检测故障设置状态。 5、 线路改造与连接 (1) 将 A、 B、 C、 D 四个短接插头对应插入教具车副驾驶座下的 A、 B、 C、 D 四个航空插座 , 此时 , 教具车保持原车的全部行驶功能。 (2) 教具车点火开关置 于“ OFF” , 从教具车航空插座上拧下短接电缆插头 , 从教学控制机柜储物箱内取出 A、 B、 C、 D 四根短接电缆。将短接电缆插头对应连接教具车 A、 B、 C、 D 和教学控制机柜 A、 B、 C、 D 四个航空插座 , 连接可靠并拧紧锁住。 (3) 将教具车点火发动后 , 教学控制机柜 4 个数字电子表即显示空气流量计、节气门位置传感器、发动机进气温度传感器和水温传感器的动态反馈信号。在各检测孔用万用表和示波器可测得各元件数据和波形。打开发动机机舱盖 , 可观察各仪表显示的油压、真空度和空调压力信号 , 将电脑诊断仪插入教具车诊断座 , 可读得汽车运行nts 20 动态数据流。 (4) 操纵车窗门锁开关 , 可从剖切部位观察电动门窗机构和中央门锁的动作过程。 (5) 打开教学控制柜后盖 , 即露出故障设置开关。可分别设置发动机、自动变速器和 ABS、汽车空调和车身电气部分的故障 , 按下开关即可设置一个故障。当开关拨到模拟位置时 , 此时真实传感器信号被切断 , 转动相应传感器显示数字电子表下的旋扭即可将模拟的传感器信号输入到发动机电脑 , 产生相应的故障现象或电脑进入安全保护状态。 5、 开发的实验项目 通过使用加设在发动机舱内的真空表压力 ,再配合发动机转速表及示波器 , 可以同时将真空度、发动机转速、喷油脉宽这三组数据流形象直观地展现给学生 , 可以使学生明白发动机燃油的喷射控制工作过程 , 如单次喷油时间及喷油频率的区别 ; 转速不发生改变 , 真空度就不会改变 ,单次喷油时间就不会发生改变 , 即无论转速是在怠速、 2000 RPM、 3000 RPM,只要发动机转速固定 , 真空度就会变化 , 则单次喷油时间不会改变。这样 , 学生明白了发动机燃油的喷射控制工作过程和喷油时间的关系。 4.1.2 控制柜 总体结构的设计 按照该 控制柜 的功能要求可以知道，该 控制柜 上需安装的主要硬件设备有 PC机及其显示器、喷油装置、点火装置、系统电源、汽车 ECU、控制面板等其他附属件。其中控制面板上安装 诊断 端 子 、各种传感器等。 控制柜 的结构尺寸主要由点火和喷油装置、 PC机和显示器、油箱之间的相对位置决定。考虑到在教学实验或汽车维修过程中学生或维修人员大都采用站立的姿势操作故障诊断实验台，且为增强实验台的实用性，操作方便、易于观察，将 控制柜 设计成三维一体结构。 4.2 控制柜 的制作 4.2.1 控制面板的制作 1、材料的选择 控制柜 有一块控制面板，用来显示和操作。为了与 柜 更好的连接，选择与台架一样的材料即 45号薄 钢板。 2、尺寸的确定 为了使 控制柜 整体布局合理、美观，所以使控制板的长度以框架的长度保持一致 ，同时又考虑到安装在控制板上的各组件的大小及尺寸和 方便操作员的实际操作，操作面板的高度要适当。 nts 21 3、控制面板的布置 考虑到控制板上的布局美观和线束的简洁和缩短线束的距离，因此我们按照接线方式和连接形式来确定各组件的安装位置。在操作板上左侧是显示器，右侧 及 下图 4.1 控制柜主视图 图 4.2 控制柜左视图 4.2.2 组件的安装 1、在上面我们已经将各组件的位置确定了，并且使各组件间保持了一定的间隙，先将各组件在控制板上的位置用铅笔画出他们具体的位置，之后，在画出的组件的位置上用做出是组件固定在控制板上的螺纹孔。然后把各个器件依次用螺栓固定在面板上。 2、把面板组放在台架上，用螺栓固定。 3、连接线路和管路。 4.2.3 控制柜 的整体合理性 控制柜 的整体合理性：在实验台各部安装完了后，由于控制板上各组件的连接造成了 控制柜 内线路的混乱，为了避免实验时线路损坏和 控制柜 布线的合理性，将 控制nts 22 柜 内的线路按其分布捆成线束，以线束的方式固定，这 样就避免了 控制柜 内线路的混乱，使 控制柜 总体布局合理。同时为了使 控制柜 整体看起来美观，将 控制柜 框架刷上油漆，就使 控制柜 整体看起来整齐美观了。因为，控制板我们选用的是胶合板因此就不可避免的存在边缘的不整齐和毛边，为了使控制板美观，将控制面板半边用装饰条包上，这样就使控制板看起来美观了。 4.3 硬件的选择与安装 4.3.1 控制柜 主要部件的选择 1、微机的选择：本实验台主要功能是进行点火和喷油的教学演示和故障诊断，通过微机系统输出相关的诊断结果。因此，对微机的系统配置要求不高，一般的个人电脑都能满足要求。 2、 LED显示器：该显示器主要用来显示转速的变化，普通的 8位就可以； 3、电位器：控制精度要求达到 0.1V； 4、电源：要求电压稳定，抗干扰能力强。 4.3.2 控制柜主要电路图 1、 ABS电路分布图 图 4.3 ABS电路分布图 nts 23 2、发动机控制电路图 图 4.4 发动机控制电路图 3、自动变速器电路分布图 图 4.5 自动变速器电 路分布图 nts 24 4.5本章小结 故障诊断 控制柜 的设计是该设计的主体部分，详细阐述了其总体方案的确定，对，相关重要电器元件的选择，控制面板的布置。 nts 25 结 论 以丰田凯美瑞轿车为基础 , 在保持原车基本功能不变的前提下 , 对汽车车身及其相关部件进行剖析 , 以