车辆工程毕业设计50花冠轿车发动机电子控制系统实验台设计.doc
车辆工程毕业设计50花冠轿车发动机电子控制系统实验台设计
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车辆工程毕业设计论文
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车辆工程毕业设计50花冠轿车发动机电子控制系统实验台设计,车辆工程毕业设计论文
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1 第 1 章 绪 论 1.1 电器实验台设计的目的和意义 1.1.1 目的 随着轿车产量和保有量日益增大，相关的使用与维修问题也接踵而来， 而 现代轿车是以广泛采用电子技术为标志的 ,其结构比较复杂 ,且汽车运行中电器故障所占的比重远远高于其他故障 ,约占 40% 60% ,这对从事汽车工程相关专业的人员提出了更高的要求 1。 先进的汽车实验台可以培养学生实践动手能力，分析处理问题能力，工程实践能力和创新能力及商品意识，很好的满足专业技术人才培养的 要求。因此，设计出的汽车电器系统实验台作为实验设备，在教学的过程中可以为学生及汽车专业技术人才营造良好的学习氛围，起到理论联系实际的一个纽带，为实验教学提供了有利的条件，在满足教学实验的基础上提高了学生及汽车故障诊断、维修能力。 学生掌握汽车电器的故障诊断这项技能，对学生未来的发展是有很大帮助的。如何设计一个使学生容易理解、操作简单、经济、方便维修的实验台是这次设计的主要目的。 1.1.2 实验台设计的意义 、 先进的汽车实验、实训台设计与制作可以培养学生实践动手能力、分析处理问题的能力、工程实践能力和创新能 力及商品意识 ,满足专业技术人才培养的要求。可以提高汽车的使用寿命和经济效益 ,推动汽车工业及国民经济的发展。 、 与实践相结合 ,提高学生的实际操作能力。 、 伴随汽车电器技术的进步 ,实验台还可以进行更新换代 ,节约研制经费。 、 对实验台的开发和设计 ,可以建立一种科研环境 ,给学生营造良好的学习氛围。在设计过程中 ,需要对以往学过的知识进行复习 ,还有很多的理论需要深入的研究 ,以便同实际操作结合。 汽车新技术发展十分迅速，在汽车工程上的应用越来越普遍而相关高校及社会技术培训机构在汽车新技术教学中大多以理论为主，相应 新技术、新结构为主的实践教学手段严重滞后，不仅不能与汽车领域广泛推出的汽车新技术同步，更跟不上汽车新技术的快速发展为此，研制了丰田 1ZZFE 型电控发动机仿真实验台，希望能够为相关教学机构提供有益的帮助结合我校丰田技术人才培养的要求， 本设计以丰田花nts 2 冠 1ZZ-FE 发动机为蓝本 ， 设计制造出具有故障诊断以及教学功能演示的综合实验台，可以结合实验台可以进行故障设置，诊断并且进行信号测试，数据流分析等。目的是通过理论与实践相结合的方式，培养和加强学生的汽车故障诊断分析能力。 1.2 研究和发展现状 随着汽车工业的发 展，汽车作为一种代步工具，已经进入普及时代。目前，平均每辆汽车上的电子装备已经占到整车成本的 20% 30%，一些高档轿车上电器产品所占比重更高，电器产品的费用已经占到整车成本的 50%以上。据美国汽车工业界的预测，2003年全球汽车电器产品的总销售额将达 800 亿美元。 汽车电器是汽车的重要组成部分，其自身的性能对汽车的动力性、 经济性、可靠性、安全性、操纵性、舒适性、娱乐性等各种性能 都会产生直接而重要的影响。现代汽车已不再是传统的机电产品， 其中汽车机械部分的发展已经达到了极致，汽车电器还有广泛的发展空间， 汽车上 70%的革新来自汽车电子技术及产品。汽车电子属于典型的高技术、高附加值、高增长的新兴产业，具有巨大的市场容量和很强的技术渗透性与产业带动性，是我国占领产业技术制高点、大力推进高新技术产业化的良好机遇。在发达国家，汽车已经进入电子时代，汽车电器技术已经成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题。 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nts 3 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。 在国外主要开发的是发动机电子控制故障诊断系统，代表产品有 美国通用汽车公司和福特汽车公司推出的称之为 CAMS 和 SBDS 的故障诊断咨询系统。日本丰田汽车公司的维修、信息及技术部门联合开发了 “维修技术咨询系统 ”和丰田发动机集中电子控制 TCCS 的 诊断系统。 汽车电子控制实验台的发展趋势是朝着人工控制智能化的方向发展，实现故障诊断检测、工作状况的演示等功能。 我国仿真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 、规模大的半实物仿真系统，如射频制导导弹半实物仿真系统、工程飞行模拟等等，主要应用于军事用途。目前半实物仿真在工业、交通优化逐步开始应用，同时，半实nts 4 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。 1.3 设计的要 主 内容 由以上论述可知，花冠电 控 实验台主要由台架和台面组成。主要内容如下： 1、完成实验台布局设计（台架、展板）、演示装置设计、 2、实现车用传感器的信号输入、尽可能解决信号之间匹配（转速与负荷）。 3、面板设计及选择原件定位。 4、演示装置及检测装 置设计。 5、实现故障设置，故障演示。 6、研究方法 : 实验室调研，借鉴参考台架。 1.4 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。 nts 5 第 2 章 花冠 1ZZ-FE 发动机结构特 点 2.1 发动机相关资料 2.1.1 发动机的作用和组成 1、发动机的作用：是使输进气缸内的燃料燃烧而发出动力。 2、发动机的组成：机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统 (汽油发动机采用 )、起动系统等部分组成。（如图 2.1） 图 2.1 发动机组成示意图 2.1.2 汽油 发动机的工作原理 发动机工作须经过进气，把可燃混合气 (或新鲜空气 )引入气缸；然后将进入气缸的可燃混合气压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气；可燃混合 气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。进气、压缩、作功、排气四个过程。把这四个过程叫做发动机的一个工作循环，工作循环不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转。 发 动 机总 体 构造 曲 柄连杆机构：曲轴箱组；活塞连杆组；曲轴飞轮组。 配气机构：气门组；气门传动组。 燃料供给系：汽油机；柴油机。 点火系 冷却系 润滑系 nts 6 1、进气行程 活塞在曲轴带动下从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，在气缸内形成一定的真空度，空气和汽油混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步形成可燃混合气 2、压缩行程： 进气结束终了，曲轴继续旋转，带动活塞从下止点向上止点运动，这时进、排气门均关闭，气缸 内成为封闭容积，随着活塞移动，气缸容积不断减小，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。 3、做功行程 ; 做功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点 (即点火提前角 )位置时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，点燃可燃混合气，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，温度和压力急剧升高，最高压力可达 3.0 6.5MPa，最高温度可达 2200 2800K，高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下 止点移动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外做功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度逐渐降低，当活塞运动到下止点时，做功行程结束，气体压力降低到 0.35 0.5MPa，气体温度降低到 12001500K。 4、排气行程： 可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。排气行程开始时，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点向上止点运动时，此时废气在自身生剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。活塞 越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。 受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为 0.105 0.12MPa，温度约为 900 1100K。 曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。 实际汽油机的进气过程中，进气门打开。在排气行程中，是排气门早于下止点开启，迟于上止点关闭。 进气门早开晚关的目的是为了增加进入气缸的混合气量，排气门早开 晚关的目的nts 7 是为了减少气缸内的残余废气量。减少残余废气量，会相应增加进气量。 二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈 (360)，活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动 机与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。 （如图 2.2） 图 2.2 汽油机工作原理示 意图 例如曲轴箱换气式二行程汽油机，气缸上有三排孔，利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下：活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱，活塞接近上止点时，火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气。 第一行程：活塞从下止点向上止点 运动，事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。 第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。 二行程柴油机的工作原理 二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下： 第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均以开启， 利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭，排气门也关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。 nts 8 第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外作功，当活塞下行到大约 2/3 行程时，排气门开启，排出废气，气缸内压力降低，进气孔开启，进行换气，换气一直延续到活塞向上运动 1/3 行程进气孔关闭结束 。 2.2 1ZZ-FE 发机动的相关材料 丰田 花冠 1ZZ-FE 引擎的缸径为 79mm，行程 91.5mm；压缩比在某些国家中所公布的数字高达 10： 1。而在台湾所公布的最大马力有 136 PS/6000rpm，最大扭力 则达到 17.4kgm/4200rpm， 排量为 1.8L， 汽缸最大平面卷曲度 0.05， 气门坐宽度 1.0-1.4，气门锥角 45。气门间隙为 0.75，气门弹簧为 38.74，活塞环间隙为 0.045，活塞环开口间隙为 0.25-0.45。该发动机应用在卡罗拉第六代车型中，目前该发动机已被替代为，新发动机 1.8 升 2ZR-FE 将替代目前车型的 1ZZ-FE。发动机外型（如图 2.3） 图 2.3 发动机外型示意 图 1ZZ-FE 发动机采用四缸 20 气门配气机构，闭环电子控制汽油喷射系统。其最大特点是实施了集中控制，即汽油喷射和点火由同一控制单元控制，喷射系统为多点顺序喷射，点火系统采用高能无分电器点火系统。 电控汽油喷射系统根据其作用不同可分为四个系统，即空气供给系统、燃油供给系统、点火系统和控制系统。 1.空气供给系统 空气供给系统的作用是测量、控制汽油燃烧所需的空气量。主要由空气滤清器、空气流量计、节气门控制单元、稳压箱及进气管下体等组成。 nts 9 2.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，加压滤清后经 喷嘴供给发动机。它由汽油箱、汽油滤清器、电动汽油泵、压力调节器、喷嘴等组成 。 电动汽油泵从油箱中将汽油泵出。经汽油滤清器过滤及压力调节器调节后使油压始终高于进气管压力约 0.3Mpa,并经汽油分配管送给各缸喷嘴，喷嘴根据发动机控制单元的指令将汽油适时地喷入进气管中 。 3.点火系统 花冠轿车采用无分电器点火系统。它主要由点火能量终端输出极、点火线圈、高压导线、火花塞以及各种传感器组成，由发动机控制单元实施集中控制。点火时两缸同时串联点火，点火顺序为 1-3-4-2。一个气缸在排气行程末期，另一个气缸在压缩行程末期 。在排气行程的气缸内压力较低，火花塞击穿电压较低，点火能量消耗较少，对处于压缩行程中的另一个气缸的点火影响不大。这种无分电器点火系统的优点是：无旋转件，无机械磨损，高压导线数少，对无线电干扰小。 该点火系中主要部件是点火线圈及终端能量输出极（末级功率）。点火线圈及终端能量输出极装在一个壳体里，固定在气缸体上，火线圈的壳体上有各缸排序标识 A、 B、C、 D，分别对应的缸号为 1、 2、 3、 4。 1、 4 缸共用一个点火线圈， 2、 3 缸共用一个点火线圈。终端能量输出极根据控制单元指令控制点火线圈初级绕组的通电断电。从而在点火线 圈次级产生点火高压。 2.3 1ZZ-FE 发动机的技术特点 首先，这具引擎搭载了 TOYOTA的可变阀门正时技术 VVT-i。这项技术相当为人所熟知，并常被拿来与 HONDA Ferio 所使用的 VTEC 作比较。如果纯粹就性能面或燃油的节省来看， VTEC对引擎的效果是要胜过于 VVT-i的；然而 VTEC是分段切换， VVT-i则为无段变化，想要在各种运转状况之下都能调整出理想的阀门正时， VVT-i 则较居上风。多年前的 NISSAN Sentra便已经使用类似 VVT-i这种改变凸轮相位角的机构，但是仅为两段变化，控制策略也 相当简单，不像 TOYOTA的 VVT-i能作精确的调整与控制 。 比较不为人所注意的， TOYATA特意将 Altis 引擎的行程设计得很长，是一具长行程引擎。长行程引擎的中低速扭力充沛，驾驶性良好，燃烧也完全，能降低 HC的污染，也能节省燃油。对定位在主流产品的乘用车来说是相当有利的。但是长行程引擎的高转速性能较差，为了能提升这具长行程引擎在高转速时的性能， TOYOTA 破天荒的在这个级距的引擎里摒弃了使用传统气门座的制造方法，而以雷射在汽缸头镀上一层较薄nts 10 的耐磨耗合金来取代气门座的功能 。 这是因为燃烧室的空间很 有限，使用传统气门座的引擎，因为必须在燃烧室里挤出空间来让给又厚又大的气门座，很难搭配较大的气门，高速时的性能会受到相当的局限。如果采用这样的新技术，这层薄薄的耐磨耗金属可以把珍贵的空间给让出来，而能使用较大的气门，让进排气量更大，高速性能得以充分提升。从厂方公布的马力数字可以明显看出来这项技术的效果，这具长行程引擎的高转速性能比起同级车来毫不逊色。而事实上，不只是在这个等级，即便在更高等级的豪华房车或是跑车上，也很少有使用这项技术的。另外，这具引擎的进气道比一般的引擎要稍高，进排气阀的夹角小，能有效的增加 进气的滚流，加上紧致的燃烧室与燃烧室混合气挤压区的设置，不管这些东西到底是怎么运作的，结果呢？是使得这具引擎有较好的燃烧效率，并且有优良的抗爆震性。所以，尽管这具引擎的压缩比高达十，却只需要使用辛烷值 91（ RON）的汽油即可。也就是说可以用低辛烷值的汽油来享受高压缩比所带来的各项利益 。 在其它的机械构造上，也相当的有意思。尽管许多同级车还在使用铸铁汽缸体，这具引擎却采用了铝合金来制作汽缸体。也就是俗称的全铝合金引擎。但是用铝合金作汽缸体不算什么，值得注意的是， TOYOTA舍弃了一般传统引擎惯用的铸铁 引擎 盖，或是铝铸造的衍架式 引擎 盖，而采用了上下曲轴箱的强固结构。以一个整体式的下曲轴箱来固定波司与曲轴，刚性是十分的优异。这样的结构特别适合于高转速运转，惯用在大排气量的机车上，而有一款并非主流乘用车定位的名车 -HONDA S2000，也采用了相同的结构来达到跑车引擎高转速运转的刚性要求。目前各车厂均纷纷开始要在平价的乘用车上使用这样的设计，而 TOYOTA硬是比人家抢先了好几年甚至是十年以上的时间 。 而引擎的辅机，像发电机，冷气压缩机等等都舍弃了以往常用的支架，而直接锁附在引擎上，提高了这些零件与引擎之间结合的刚 性，能抑制振动噪音的发生。有人抱怨 Altis 的隔音材料似乎太过单薄，如果真的是这样，其实一点也不令人意外；因为这具引擎本身的刚性还及与变速箱结合的刚性都好，在 NVH，也就是在振动噪音方面的特性天生就比同级车优异许多，所以省下些隔音材料似乎也不是件不合理的事 。 气门机构当然也有可观之处。这具引擎采用正时 链 条来驱动气门。正时 链 条的寿命长，在正常的使用状况下，一具引擎用到报废都不需要调整与更换，信赖度跟正时皮带比起来是要高得多了。但是整个系统较为复杂，成本也高，车厂在过去并不太喜欢。然而最近因应引擎寿命的增长，正 时 链 条又逐渐受到车厂的重视。 Altis 的引擎在nts 11 这方面又抢先了同级车一步。不过使用正时 链 条也不算什么了不起，虽然是新流行，但毕竟也不是新技术。比较新的技术是在这具引擎的气门挺杆上（ valve lifter）， TOYOTA 在这里不使用俗称西姆的气门调隙片，而以直接选配的方法来控制气门间隙。这有什么好处呢？那就是低成本与轻量化。轻量化的结果就是使得这具引擎能使用弹簧系数较低的气门弹簧，进而降低摩擦损失，行驶起来就更加的省油了。根据台湾能源会的公布资料， Altis 的省油是同级车中的第一名，测试结果跟 March 相差无几，当然，很多车厂都准备跟进，在这方面又是 TOYOTA 领先了别人一步。 这具引擎还经过了日本式的轻量化，包括了使用塑料制的进气岐管，不锈钢制的排气岐管等等各式各样的轻量化零件，东省西扣的结果， TOYOTA 得意的宣布这是世界上同排气量引擎中最轻的一具，而且轻得很惊人，减重了百分之二十以上。一般认为这具引擎比别人轻得很多是无可置疑的，但这么惊人的数字也许有点取样不公的嫌疑。 这具引擎向后方排气，主要的原因是希望能缩短引擎与触媒转换器的距离，尽快提升在冷车激活时的触媒温度，使得触 媒转换器能早点开始处理有害的废气。根据国外的报导， Corolla 的消音器里还有个有趣的小玩意儿，是一个小小的以弹簧控制的阀，当转速低时，背压较低，这个阀会关闭让排气走比较远的路以取得较好的消音效果。但是一旦转速提高，这个阀会打开让排气抄个快捷方式以降低背压。 2.4 本章小结 本章主要介绍了发动机的工作原理以及 1ZZ-FE 发动机的技术资料，根基该设计的要求对 1ZZ-FE 发动机的功能、结构及工作原理有了进一步的了解， 对设计的展开提供基本的保障。 nts 12 第 3 章 花冠汽车电 控 系统 工作原理 及 电路特点 3.1 花冠汽车电 控 系统 结构 原理 3.1.1 电控系统结构 、 电源 包括蓄电池 、发电机及其调节器，二者并联，提供汽车用电设备所需的电能 。 2、启动系 主要由起动机及其控制电路组成 。 3、 点火系 是指在 喷油器和点火器，是在点火器喷出 高压电火花，以点燃混合气 ，来实现点火。 4、 仪表和报警系统 包括各种仪表和报警装置，用来检测汽车 、发动机的工作情况。 6、 电子控制 系统 包括发动机电子控制系统 、电子控制系统等，主要由相应的传感器、电子控制单元、执行器组成，完成相应对象或过程的控制。 3.1.2 工作原理 1、 导线 汽车电气系统的导线采用低压导线，采用铜质多心软线 2。 （） 低压导线 导线的截面积主要根据其工作电流选择，但是对于一些工作电流较小的电器，为保证具有一定的力学强度，汽车电器中导线截面积一般不小于 0.5mm2。各种低压导线标称截面积所允许的负载电流见表 2.1。 表 3.1 低压导线截面积允许负载电流值 导线标称截面积 /mm2 1.0 1.5 2.5 3.0 4.0 6.0 10 13 nts 13 允许电流 /A 11 14 20 22 25 35 50 60 所谓标称截面积是经过换算而统一规定的线心截面积，不是实际线心的几何面积，也不是各股线心几何面积之和。电气系统主要线路导线标称截面积。 导线颜色 ： 汽车线路所用的低电压导线用颜色加以标识。在使用单色线的基础上，为了区分多种低电压导线，采用双色线的颜色由两种颜色配合组成，双色线的主色所占比例大些，辅助色所占比例小些。辅助色条纹占主色条纹沿周围表面的比例为 1： 3至 1： 5，双色线的标注第一色为主色，第二色为辅助色。导线 颜色用字母代号表示，字母代号的含义见表 2.3。 表 3.3 导线颜色 B-黑 L-蓝 R-红 BR-棕 LG-浅绿 V-紫 G-绿 O-橙 W-白 GR-灰 P-粉红 Y-黄 例如，线路图中导线颜色编号为 R，则说明在实际电路中，导线颜色为红色。如果导线为双色，则第一个字母表示配线基本颜色，第二个字母表示配线的条纹颜色。例如导线颜色编号为 L-Y，则在实际电路中，导线的基本颜色为蓝色，条纹颜色为黄色。 线束 -汽车用低电压导线除蓄电池导线外，都用绝缘材料如 薄聚氯乙烯带缠绕包扎成束，避免水、油的侵蚀及磨损。 （） 高压导线 汽车点火线圈至火花塞之间的电路使用高压点火线，简称高压线。高压导线的耐压一般应在 1.5kV 以上，因电流较小，其截面积很小，但绝缘层很厚，多采用橡胶绝缘。高压导线分为普通铜芯高压线及高压阻尼点火线。带阻尼的高压线可抑制和衰减点火系产生的高频电磁波，降低对无线电设备及电控装置的干扰， 、 熔断器 熔断器俗称保险管，在电路中起保护作用。当电路中流过超过规定的过大电流时，熔断器的熔丝自身发热而熔断，切断电路，以防止烧坏电路连接导线和用电设备，并把故 障限制在最小范围内。通常情况下，将很多熔断器组合在一起安装字熔断器盒内，并在熔断器盒盖上注明熔断器的名称、额定容量和位置。 一般情况下，环境温度在 180 320C 时，当流过熔断器的电流为额定电流的 1.1倍时，熔断器不熔断；达到 1.35倍时，熔丝在 60s内熔断；达到 1.5 倍时， 20A以内nts 14 的熔丝在 15s内熔断， 30A以内的熔丝在 30s 内熔断。 熔断器在使用中应注意一下几点： （） 熔断器熔断后，必须真正找到故障原因，彻底排除故障。 （） 更换熔断器时，一定要与原规格相同。 （） 熔断器支架与熔断器接触不良会产生 电压降和发热现象，安装时要保证良好接触。 、 连接器 连接器就是通常所说的连接插头和插座，用于线束或导线与导线间的相互连接 。为了防止连接器在汽车行驶中脱开，所有的连接器均采用了闭锁装置。 要拆开连接器时，不允许在未解除闭锁的情况下用力拉导线，这样会损坏闭锁或连接导线。正确的拆卸方法是先压下闭锁，再把连接器拉开。 本次设计用到的连接器如图 3.13. C9、组合开关 J1、 J2、 J22、 J28、 J29、 J34、 J35、 J37、 J38、 J39、中继接线器 图 3.1 连接器图 、 继电器 一般用于操纵开关的触点电容量较小，不能直接控制工作电流较大的用电设备，常采用继电器来控制它的接通和断开 4。 汽车上的继电器有很多，常见的有三类：常开继电器、常闭继电器和常开、常闭混合型继电器。 常开继电器平时触点是断开的，继电器动作后触点才接通；常闭继电器平时触点是闭合的，继电器动作后触点断开；混合型继电器平时常闭触点接通，常开触点断开，如果继电器线圈通电，则变成相反状态。 、电源及起动系统电路 电源及起动系统由蓄电池电路、发电机工作电路、仪表板中的发电机警报灯电路nts 15 及起动 机工作电路组成。 发电机是汽车上的主要供电设备，它与蓄电池并联。其作用是：在汽车正常行使时，向各用电设备供电，并及时对蓄电池进行补充充电。 、仪表 花冠 轿车采用的组合仪表主要包括：车速里程表、水温表、燃油表、转速表等，在实验台上有一些仪表不能工作，如车速里程表，但为了保持系统的完整性，在这里也未做删减。 （） 车速里程表 5 车速里程表由三部分组成，即车速表、里程表和单程里程计。车速表用来指示汽车行驶的瞬时速度；里程表是一个累计计数器，可记录汽车行驶过的总里程；单程里程计是用来记录某次行车所驶过的里程， 在所记录数据不需要时，可用按钮清零。 （） 水温表 水温表指示的是发动机冷却水的温度。点火开关打至点火档，水温表便开始工作。表盘上有两个指示区域，一个是低温区，一个是正常温度区，在低温区应避免发动机高速或大负荷工作。 （） 时钟 时钟用来表示时间。通过按动表中的按钮来对表。 （） 燃油表 燃油表指示的是油箱中燃油量。点火开关在点火档，燃油表便开始工作。表盘上有一个备用油量区，指针指到该位置时，油箱内大约还有 10L左右的燃油。 （） 指示灯 指示灯可分为信号指示灯和警报指示灯。警报指示灯一般采用红色，信号指示 灯则采用绿、黄、蓝等不同颜色。指示灯在仪表上是用符号来表示的。在行车过程中，当表中标有 stop项的灯亮时，必须立即停车并让发动机熄火，检查故障所在。 （） 转向信号灯 转向信号灯工作时，该指示灯闪亮。如果某侧有一个转向信号灯不亮时，指示灯的频率将明显加快。 （） 远光指示灯 打开前照灯远光或使用前大灯闪光发出超车信号时，远光指示灯亮。 （） 发动机警报灯 发动机警报灯也就是所说的电源警报灯。在发动机打开点火开关时，该灯亮，发nts 16 动机起动后熄灭，属于正常。如果在行车中此灯亮起来，说明发电机不发电，应停车检查。 （ ） 机油压力警报灯 机油压力警报灯和发电机警报灯一样，打开点火开关，警报灯亮，发动机起动后应熄灭。如果发动机起动后该灯不灭或行车中亮起，应停车检查发动机润滑系故障。 （ 10） 制动报警灯及手制动指示灯 制动报警灯及手制动指示灯是在手制动器拉起或制动液液面过低时点亮。在解除手制动后，此灯仍亮必须停车检查制动液量。 （ 11） 冷却液温度及冷却液液面警报灯 冷却液温度及冷却液液面警报灯。发动机未起动，打开点火开关，该警报灯闪亮进行功能自检，发动机起动后熄灭，属于正常。如果该指示灯在发动机起动后不熄灭或者在行驶时闪亮， 说明冷却液不足或温度太高，应停机检查发动机冷却系。 3.2 电路的 特点 分析 3.2.1 汽车线路遵循的一般原则 汽车线路由于车型结构、安装位置和接线方法的不同而各有差异，但其线路都应遵循一定的原则，了解这些原则对读图是很有帮助的。 、 汽车线路为单线制。单线连接是汽车线路的特殊性，它是指汽车上所有电气设备的正极均采用导线互相连接，而所有的负极则分别与车架或车身金属部分相连，即搭铁。任何一个电路中的电流都是从电源的正极出发经导线流入用电设备后，由电器设备自身或负极导线（全车有统一的颜色标识）搭铁，通过车架或车 身流回电源负极而形成回路 6。 、 各用电设备均采用并联。汽车上的两个电源（蓄电池与发电机）之间以及所有用电设备之间，都是正极接正极，负极接负极，并联连接。 、 汽车线路为负极搭铁。一般说来，汽车线路都是负极搭铁，负极搭铁对车架或车身的化学腐蚀较轻，对无线电干扰较小。 、 汽车线路有颜色和编号特征。为了便于区别各线路的连接，汽车所有低压导线，必须选用不同颜色的单色或双色线，并在每根导线上编号，编号由生产厂家统一编定。 、 将导线做成线束。为了不使全车电线零乱，便于安装和绝缘保护，将导线做成线束。一辆车可以 有多个线束。 nts 17 、 将 ECU的所有线路，全部引到实验台板上，以连接口的形式固定在台板上，让学生可根据电路图，进行线路连接。为保证线路接口接触良好，对接线材料要求反复使用性强；为了让学生对传感器、执行器、电源、搭铁线路一目了然，在选择接线时，应用不同线色区分 ，电路 如图 3.2 图 3.2 电控系统试验台电路图 3.3 本章小结 本章首先确定了全车线路中的基本元件，全车线路中的基本元件与实车一致，以方便学生与实车对照。实验台电路连接方式与实车一致，并分析了丰田花冠汽车电路图的读图方法。 nts 18 第 4 章 电 控 实验台的设计 及校核 4.1 实验台的总体设计要求 基于教学功能设计的试验台要满足方便师生的学习与互动，可以直观的看到发动机的结构及工作过程，方便 操作和进行故障设置及工作分析。基于改进要求和整体设计，设计为可移动式台架，要求如下 ： 、 选型。 在选择参照车型时应充分考虑它的代表性，因此要使所选择的电 控 系统在实际工作性能上能够反映 花冠 汽车技术的先进性，体现发展的趋势和潮流，同时具有普及性，便于汽车工程相关专业实践教学环节的展开；并且所选择车辆具有鲜明技术特色。 、 服务教学。 因为设计是为教学服务的，因此 在设计实施的具体过程中，首要的问题就是要保证电 控 系统的工作性能以及每一个器件的工作原理均得到体现，表达要力争简单、明了，使用起来方便快捷，设置故障诊断功能有利于提高学生的工程实践运用能力。 、 实验台布局。在考虑布局合理、结构紧凑的同时 , 还要便于教学并注意各个电器元件在工作时相互之间功率的匹配。 此外，要求实验台具有直观形象的教学演示功能以及良好的操纵控制性能。 4.2 花冠汽车电 控 实验台的设计 电器实验台的设计要实现良好的操控性能及示教效果 ,要求台架可以实现 折叠 , 并考虑到电器系统构件的支撑及定位紧凑、 台面质量分布均匀度、台面的整洁度、台面稳定性、运动件与固定件是否发生干涉等因素。 4.2.1 台面设计 电器实验台的板面设计和制作主要依据花冠轿车的车身线束进行布置 ,同时也参照了花冠车身的各电器元件的布置情况。板面尺寸的确定主要依据各个电器元件的形nts 19 位尺寸和位置尺寸 ,根据线束的布置及几个主要元件的形位尺寸 ,然后初步估算板面的大小 ,把布置在板面轮廊上的元件的位置确定下来，初步估算板面采用 1800 1200 30（单位： mm）。 4.2.2 台架的选材 台架的材料选用 45钢 ,强度、价格均可行。台架的各连接处均采用 焊接 ,其强度不低于材料的强度 ,可以达到支撑台面及固定、稳定的作用。 4.2.3 台架的设计 台架要求方便可支撑台面 对强度要求不大。 台架的制作方案：为了更好地达到汽车电 控 系统实验台的设计目的和完成预期的效果，为教学提供更直观、生动的教学模具，完成发动机各工况的模拟，实验台的工作原理及故障演示， 初步选择台架为如图3-1所示，电器实验台台架的设计是根据板面的布置情况和大小 ,以及某些元件的传动需要来进行设计的 ,以 45钢的角铁和方钢为主 ,各连接处采用焊接和螺栓联接 ,其强度不低于原材料的强度 ,可以达到支撑台面以及固定 、稳定性的作用。为了移动方便 ,采用橡胶轮 ,这样可以起到减震的作用。台架的尺寸：长 *高 *宽 =1800 700 780（单位：mm）。 nts 20 图 4.1 台架图 4.3 实验台面板设计 实验台的演示板上 合理的布置各类仪表盘、传感器、接线盒、开关、 ECU等元件。各区域设计力争紧凑演示板尺寸为 1800 mm800 mm，板面中部布置仪表盘 ，显示系统的工作信息；演示 板左侧布置线束连接器及继电器盒，显示实验台电气线束的布置情况， 指示值的波动可辅助相关故障的判定；故障诊断区则布置在演示板的右侧，具体位置如图 4 .2所示 nts 21 1 凸轮轴位置传感器 ； 2 空气流量计 ； 3 节气门位置传感器 ； 4 水温开关 ； 5 VSV(EVAP)； 6 爆震传感器 ； 7 EFI水温传感器 ； 8 凸轮轴正时机油控制阀 ； 9 故障开关 ； 10 仪表 盘 ； 11 ECU；12 点火开关 ； 13 继电器盒 ； 14 继电器盒 ； 15 开关 ； 16.交流发电机 ； 17.风扇电机 ； 18.热氧传感器； 19.档位锁止控制开关； 20.点火器； 21.喷油器； 22.曲轴位置传感器； 23.起动机 。 图 4.2 实验台演示板布置图 为了演示试验台的教学功能，需要设计信号输出装置（如图 4 .3）和 喷油器装置（如图 4 .4）。可以对试验台的演示更直观，更能表现模拟试验台的可靠性。 nts 22 1.齿轮 ； 2.链条 ； 3.轴 ； 4.链条张紧装置 图 4.3 信号输出装置 图 1.油路 ； 2.喷油嘴 ； 3.油箱 ； 图 4.4 喷油装置 图 4.4 附属件的定位与设计 4.4.1 电动机的选择 因花冠汽车的车用发电机的额定功率为 0.6kw,额定转速为： 4000r/min， 所以要求选用的电动机的额定功率应大于发电机的额定功率。考虑到电动机的工作环境 , 选用 Ynts 23 系列的三项鼠异步电动机。 （） 电动机的型 号： Y801-2。 （） 电动机的基本参数：额定功率为 :0.75kw；满载转速为： 2825r/min；质量为： 16kg；电动机外型：长 宽 高 =285 165 170（单位： mm） ；轴伸尺寸： D E=19 40（单位： mm） ；电动机中心高 H为： 80（单位： mm） 。 4.5 实验 台的整体校核 通过上面对实验台的总体设计，可以知道实验台的总重量主要由三部分组成：即显示面板的重量约 20Kg、主机重量约 155Kg、台架自重约 50Kg，其他部分大约为 25Kg，则台架总重大约为 250Kg。台架由四个转向轮支撑，将四个支 撑点转化为两根简支梁上各两个约束点，这两根简支梁分别承受 125Kg的均布载荷 P。简化后的力学模型如 (图4.5)所 示。 图 4.5 实验台台受力分析 对其进行受力分析，所得到的剪力图 Q和弯距图 M分别如 (图 4.6)、 (图 4.7)所示 。 图 4.6 剪力 Q图 y x P X L FAy AAAFBy B nts 24 ( )图 4.7 弯矩 M(X)图 受力较核： 1求支座的约束力 FAy、 FBy 由载荷及支座约束力的对称性可知 FAy = FBy = 21P =775N （ 4.1） 2求任意截面上的内力 设所求危险截面距支座 A的距离为 X，由平衡条件可得 Fiy = 0 则： FAy PX FQ(X) = 0 （ 4.2） Mio 0 则： FAyX 21PX2 M(X) 0 （ 4.3） 将（ 4.1）代入（ 4.2）可得： FQ(X) FAy PX21PL PX （ 0 X L） （ 4.4） 将（ 4.1）代入（ 4.3）可得： M(X) FAyX21PX221PLX21PX2 （ 4.5） 因为 ,弯曲应力的最大之发生在弯矩最大点 ,求弯矩的最大值maxM。即求 M(X)的最大值 。所以由 （ 4.5）代入相关数据可得： 当时 X = 21L =0.42m maxM= 224.07N.m 横截面上的最大正应力公式为 ： ZWM maxmax （ 4.6） nts 25 其中 Wz 为弯曲截面系数 由于该支撑轮处的制作材料选用的是 45 号钢板制成。根据型钢表可以查得： 3633 m103.25mm103.25 zW 则 M pa85.8m103.25N / m07.22436m a xm a x zWM 由参考资料查得， 该钢板的许用拉应力为 Mpa40t许用压应力为 Mpa120c由受力图可知该支撑架只承受压应力，因此，此时无需对拉 应 力进行 校核只需对压应力进行校核即可。 由于 M p a120M p a85.8 所以该支撑架符合要求，所选材料合格。 4.6 本章小结 本章主要介绍了发动机实验台的总体设计部分，对发动机实验台的主体台架布 局，面板布置进行了介绍。在设计过程中对实验台的布局部分有些不够合理，但在经过反复审定后，确定了发动机实验台的全体布局。 故障诊断实验台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，对整个实验台进行了必要的受力校核，以及相关重要电器元件的选择，控制面板的布置。这是下一步进行软件设计的基础，电器元 件的好坏将直接影响到软件系统的调试与运行。 nts 26 第 5章 实验台 的教学演示 及故障 设置 5.1 实验台功能设定 5.1.1 工况测试功能 为保证直观的教学效果和良好的开发，实验台设置了较强的工况测试功能，能够适应汽车各工况，直接利用转速与负荷的变化实施工况控制，测试电子控制单元的控制过程数据并能利用驱动自动变速器实现带负载功能的测试，从而实现不同工况控制过程仿真信号的测试若借助发动机分析仪等专用仪器还可以实现数据流的输出测试功能 5.1.2 故障模拟设置与诊断功能 采集各传感器、执行器输出输 入信号设计一个与发动机 ECU各端子连接的三向接口，该接头能使实验台与发动机 ECU进行并联和串联。开关信号设置 ： 在对发动机设置故障时，使要设置故障的传感器或执行器的输出信号先进入实验台，通过实验台中的开关将信号改变成故障信号再输入到发动机 ECU，发动机 ECU会判定该传感器或执行器有故障，以达到通过实验台设置故障的目的。为了能提高学生自主判断能力，在设计过程中，需将故障设置控制部分放在台板的侧面，操作完毕后可锁住，避免学生在操作过程中，根据故障设置开关的位置进行误判断。模拟信号的设置 ： 1、对于水温、节气门位 置、进气压力、进气温度这些常用信号，除了采用开关通断的故障模拟装置外，还需采用电位计式调节装置来实现对这些信号的故障调节 （ 图5.1） ，这种故障表现更接近于实际故障现象。 图 5.1 水温传感器 （ THA） 故障设置电路 nts 27 2、曲轴位置及转速传感器信号的模拟 模拟装置由曲轴转速传感器和衡圈 (齿圈用 60个齿分度，中间去掉 2个齿 )组成，利用电机带动齿圈转动，传感器每经过 1个齿，就有一个脉冲信号产生，对曲轴转速传感器的信号进行模拟 （ 见图 5.2） 。当双掷开关处于 12位置时，曲轴位置传感器向 ECU输送发动机曲轴位置与转速 传感器信号；当双掷开关处于 1-2位置时，转速传感器向ECU输送模拟信号。 图 5.2 曲轴位置及转速传感器信号的模拟 实验台设有包含各种常见电子
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