大众GTX发动机半实物仿真系统的设计

本科生毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 引言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。目前，电子技术在汽车上的应用主要以微处理机对各种工作过程进行控制为主要特征。微处理机实质上就是一种比较简单、便宜的单片计算机。它把中央处理单元（CPU） 、存储器和输入输出接口电路集成在一块芯片上。微处理机工作时，通过各种传感器接受各种输入信号，经过分析、计算后再向执行机构发出指令，控制机械装置动作。由于汽车运行时，发动机和传动机构的工作过程相当复杂，因此，要对其进行适时控制，传统的机械机构已力不从心，而微处理器在这方面却能大显身手。在本仿真系统设计中，本人主要是用单片机模拟各种传感器信号，编写传感器信号发生程序。从而可以用此程序来实现汽车微处理机对执行机构的控制，并且可以检测微处理机的工作是否正常。 1.2 课题研究的背景与意义近多年来，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本科生毕业设计2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. 国内外汽车电子系统的半实物研究状况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、工程飞行模拟等本科生毕业设计3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。本科生毕业设计41.4 半实物仿真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。1.5 本半实物仿真系统的主要研究内容（1）半实物仿真系统的设计：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：能够实现与大众车系不同测试车辆控制系统的连接，实现车辆控制信号测试；（3）车用传感器信号程序编制：编制曲轴转速、转角等车用传感器信号，并进行调试；（4）实现相关教学功能，可以进行喷油和点火演示，使学生能够直观看到发动机的喷油和点火，并对不同的演示现象进行必要的分析。本科生毕业设计5第2章 大众GTX发动机半实物仿真系统研究2.1 汽车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。2.1.1 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 （19601975 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。第二阶段 （19751985 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。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汽车的质量，开始使用 32 位微处理器。2.1.2 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。本科生毕业设计62.1.3 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。2.2 半实物仿真系统的原理半实物仿真系统是一种硬件在线实时技术，它把实物利用计算机接口嵌入到软件环境中去，并要求系统的软件和硬件都要实时运行，从而模拟整个系统的运行状态。应用半实物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。本文的目的就是利用实物实时仿真技术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。2.2.1 半实物仿真系统的工作流程一般如下用户在进行实物仿真系统时，一般要进行“瀑布式”的过程：对实物系统进行建模、进行纯数学建模、对模型进行修改、设计定型、将模型中部分数学化的模型用实物代替作半实物实时仿真、再修改模型进行仿真，最后确定模型。 2.2.2 实时仿真系统的基本组成与原理半实物仿真系统属于实时仿真系统。他是一种硬件在线实时技术，他把实物利用计算机接口嵌入到软件环境中去，并要求系统的软件和硬件都要实时运行，从而模拟整个系统的运行，从而模拟整个系统的运行状态。实时仿真系统一般由以下几部分组成。（1）仿真计算机仿真计算机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。本科生毕业设计7（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。2.2.3 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。汽 油 泵 喷 油 嘴压力调节器汽 油 箱 发 动 机传 感 器控 制 器图 3.1 电子控制汽油喷射的基本原理方框图2.2.4 电子控制燃油喷射系统的组成本科生毕业设计8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。 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油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CPUECU 执行器本科生毕业设计9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：（）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；（）接受传感器或其他装置输入的各种信息；（）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；（）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；（）输出执行命令，把弱信号变为强的执行命令；（）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。本科生毕业设计10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。2.3 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。2.4 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。2.4.1 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本科生毕业设计11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 0.14.8V 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。2.4.2 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。2.4.3 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。2.5 半实物仿真系统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口，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。2.6 半实物仿真系统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。启动本科生毕业设计12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。2.7 本章小结本章主要阐述GTX半实物仿真系统实验台的基本原理，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。本科生毕业设计13第3章 大众半实物仿真系统的设计3.1 总体方案的确定3.1.1 实验台车型选择在选择设计参照车型时应充分考虑它的代表性，在中国目前的家庭用车中,德国大众公司的捷达车系占有很大的比例,而捷达车系的发动机由于采用了五阀电喷这一世界领先技术,它的采用双顶置凸轮轴，充气效率大大提高, 同为 1.6L 的排量，单缸5 气阀比单缸 2 气阀发动机的功率从 53kW 提高到 74kW。因为设计就是要体现理论进步的成果，在今后的几年甚至更长时间内不至于过早的被淘汰。为了使同学对汽车有一个感性认识，所以选择捷达车系的捷达王为参考车型，设计故障诊断实验台。为了保证实验台具有鲜明的教学特色以及更好地为汽车工程相关专业实践教学环节服务。提高学生的工程实践动手能力，拟选用捷达 GTX 为参考车型。捷达轿车是大众汽车有限公司采用德国大众公司的先进技术生产的中级汽车，该车型设计先进、选材精良、工艺一流，与同级车型比较，其动力性、经济性、安全性及舒适性均为上乘，在中国的汽车行业中，有着很大的市场。一汽大众汽车有限公司运用当今德国顶尖发动机制造技术，批量生产 20 阀电控多点喷射汽油发动机，并配以创新的双顶置凸轮轴，安装匹配于 CT 型、GT 型捷达轿车上。多点燃油喷射技术的应用，使燃油得到最充分的燃烧，发动机的动力性、经济性及排放性能都得到极大提高。3.1.2 实验台总体结构的设计按照该实验台的功能要求可以知道，该实验台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。本科生毕业设计14实验台的结构尺寸主要由点火和喷油装置、PC机和显示器的相对位置决定。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，将实验台设计成三维一体结构。这在使用过程中将平视喷油和点火的演示，俯视控制面板，且控制面板与水平面成一定角度斜置。按照人机工程学的原理，人站立时的最佳垂直观察视野值大约为水平线以下65度，所以可以将控制面板设计成与水平面成大约25度角安装，修正为30度。此外，在使用过程中考虑到它移动的方便，可以在台架底面安装转向轮。3.1.3 实验台整体结构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：即显示器的重量约 5Kg、主机重量约 15Kg、台架自重约 70Kg，其他部分大约为25Kg，则台架总重大约为 110Kg。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 55Kg 的均布载荷 P。简化后的力学模型如图 4.2所示。图 4.2 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 4.3、图 4.4 所示。yxPXLFAyAAAFByB本科生毕业设计15图4.3 剪力Q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 = PL 21（4.1） ()图 4.4 弯矩 M(X)图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： FAyPX F Q(X) = 0 （4.2） Mio0则： FAyX PX2M(X)0 1（4.3）将（4.1）代入（4.2）可得：FQ(X)F AyPX PLPX （0XL） 21（4.4）将（4.1）代入（4.3）可得： 本科生毕业设计16M(X)F AyX PX2 PLX PX2 （4.5）11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 。即求 M(X)的maxM最大值。所以由（4.5）代入相关数据可得：当时 X = L = 37.9N/m21maxM横截面上的最大正应力公式为：ZWMmaxax（4.6）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：363m10.2510.25zW则 Mpa5.10.25N/9736axax zWM由参考资料查得， 该钢板的许用拉应力为 4t许用压应力为 pa120c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 Mpa405.1所以该支撑架符合要求，所选材料合格。3.2 实验台的制作3.2.1 台架的焊接根据实验台所用的器材部件确定出试验台台架各边尺寸，在制做过程中要将框架的各边按照所设定的进行选材，根据校核，我们选择 45#碳素钢材作为实验台架的基本科生毕业设计17础材料，采用焊接技术进行连接。我们将选好的材料按实际设计的尺寸进行选截，由于理论的设计尺寸，和现实中制作的误差，在截取后还要进行尺寸测量，对不符合要求的要采取适当的方式进行校准，以满足制作的需要。在整个焊接过程中要遵循由简入烦、由外到内、由下至上的原则进行。将钢料截好之后，按由下到上的顺序将各边焊接在一起，即先将下地面的各边焊接在一起之后，再焊接四根立柱，最后焊接上部横梁。在实验台框架各主边焊接完了后，我们要在框架主边上焊接或用螺栓连接一些小的部件，用来固定面板。3.2.2 控制面板的制作1、材料的选择实验台有一块控制面板，用来显示和操作。为了与台架更好的连接，选择与台架一样的材料即 45 号薄钢板。2、尺寸的确定为了使实验台整体布局合理、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。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，右侧下方是各种控制开关和传感器。3.2.3 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。3.2.4 实验台的整体合理性实验台的整体合理性：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实验台内线路的混乱，为了避免实验时线路损坏和实验台布线的合理性，将实验台内的线路按其分布捆成线束，以线束的方式固定，这样就避免了实验台内线路的混本科生毕业设计18乱，使实验台总体布局合理。同时为了使实验台整体看起来美观，将实验台框架刷上油漆，就使实验台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。3.3 硬件的选择与安装3.3.1 实验台主要部件的选择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。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、单片机：单片机是整个实验台的控制中枢，所有模拟信号的接收和输出的发送都是由它控制，因此要求单片机控制精度高，传输速度快的优点。ATMEL公司生产的低功耗、高性能8位89C51单片机有丰富的硬件资源，在其内部增加了闪速可电改写的存储器给单片机的开发和应用带来了很大的方便，且芯片价格非常便宜，近年来的到了广泛的应用；5、点火系统和喷油系