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桑塔纳 2000 点火 系统 结构 检修 cad 图纸 文档 全套 资料

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1目录目录第一章 引言-31.1 本课题的意义 -31.2 点火系统的发展 -5第二章 点火系统简介-62.1 汽车点火系统类型 -62.1.1 磁感应式点火系统-62.1.2 霍尔效应式电子火系-92.2 点火系统工作原理 -11第三章 桑塔纳 2000 点火系统-133.1 桑塔纳 2000 简介 -133.2 桑塔纳 2000 点火系统结构 -143.3 桑塔纳轿车点火系统检修 -15第四章 桑塔纳 2000 点火系统检修-184.1 进气压力传感器 MAP 的检修 -194.2 霍尔传感器 TDCS 的检修 -194.3 曲轴位置传感路 CPS 的检修 -204.4 节气门位置传感器 TPS 的检修 -204.5 冷却液温度传感器 CTS 的检修 -21致 谢-23参 考 资 料-24附录 I 外文文献翻译 -25附录 II 外文文献原文 -332摘要：摘要：上海桑塔纳2000型轿车的发动机采用了MOTRONIC电子控制燃油喷射点火系统，不仅能明显改善动力性、燃油经济性和排气污染，两且具有故障的自我诊断功能。该系统能识别发动机运行过程中各部件的故障并编码储存以供查询，同时自动进行故障应急处理，从而大大提高了汽车的安全性和可维护性。关键词：关键词：桑塔纳2000，燃油喷射，点火系统ABSTRACTABSTRACT：The MOTRONIC electronic control filel injection and spark system has been adopted in the SANTANA 2000This system not only earl improve engineper form- ance、rueI economy and exhaust emission but also 3has me function of self-diagnosisThe self-diagnos is system has the ability to detect the electrical faults and store them as fault codes to be interrogatedKeyKey WordsWords： SANTANA 2000，Fuel Injection，Spark System第一章第一章 引言引言41.11.1 本课题的意义本课题的意义随着人们对汽车使用的要求不断提高和计算机技术及控制理论的发展,汽车电子化程度越来越高。汽车电子化的发展过程基本上可以分为三个阶段:第一阶段,从20 世纪60 年代中期到70 年代末期,在汽车产品中采用电子装置,以改善部分机械部件的性能;第二阶段,从20 世纪70 年代末期到90 年代中期,在汽车设计和生产中形成“机电一体化”的思想与技术;第三阶段,从20 世纪90 年代中期至今,重点开始广泛应用计算机网络与信息技术,使汽车更加自动化、智能化。作为汽车电子控制系统的一部分,点火控制系统也经历了磁电机点火系传统触点点火系晶体管辅助点火系普通电子式点火系微机控制式点火系的发展过程。点火系统是汽油发动机重要的组成部分,对发动机的性能有着决定性的影响。电子点火系统取消了机械式断电器及触点,从而避免了凸轮、触点等机械磨损所造成的点火正时变化、触点烧蚀等缺陷。但是电子点火系统仍没有摆脱真空式和离心式点火提前角调节机构,不能对点火正时实现优化控制。点火时刻的精确控制对发动机性能有很大影响,显然对点火实现优化控制的微机控制是今后电子点火系统的发展趋势。在此基础上,综述了现代电子点火系统,尤其是点火能量及点火控制系统研究的现状、发展趋势。随着发动机向高转速、稀混合气方向发展,普通电子点火系统已不能满足要求,高能微机控制点火系统将成为今后点火系统的发展方向。桑塔纳 1985 年 12 月以前的采用有触点的传统式点火系统.自 1985 年 12 月以后,采用了以霍尔元件为传感器的无触 点晶体管点火系统.它取消了传统式靠分电器凸轮来使断电器触点闭合与分离的做法,代之以触发器转子,堆尔传感器和晶体点火控制装 置.点火系统主要常见故障表现为发动机不能起动.其现象是将点火开关拧到起动位置,起动机运转,而发动机不能起动.故障原因:1.导线连接松动,接触不良;2.点火线圈绕组断路或搭铁;3.点火控制器故障;4.霍尔传感器损坏;55.分电器盖,分火间破裂漏电;6.火花塞间隙增大,烧蚀严重,积油积碳过多;7.高压导线电阻过大.点火的故障诊断与排除方法如下.如果起动机运转,表明蓄电池,起动机技术善良好,发动机不能 起动的原因在于点火系或供油系.阀门 进口泵1.目视检查导线或线束插接器是否松脱.如导线松动,应拧紧或将插接器插牢,使导线接触良好.如导线未不松脱,应检查点火线圈产生火花的能力.2.从分电器盖上拆下中央高压线,用绝缘钳夹住高压线,使其端部离发动机机休67 毫米.起动发动机,如高压线端部出现蓝色火花,则表示低压电路良好,故障在高压电路,应检查分电器该及分火头,高压导线和火花塞.如高压线端无火花,则表示低压电路有故障,应检查点火线圈,晶体管控制器和霍尔传感器.桑塔纳 2000 型轿车采用的是带分电器式的电子点火系统，其突出特点是将点火系统与燃油喷射系统复合在一起，由一个电控单元(ECU)来控制，结构简单工作可靠。同时，也存在点火控制器故障、霍尔传感器损坏分电器盖、分火间破裂漏电、火花塞间隙增大，烧蚀严重，积油积碳过多等问题，存在一定的改进空间。学校考虑到机械类本科毕业生完全有能力对汽车点火系统的结构进行设计和验证，故提出了本课题的研究。本课题的研究着重于使机械类本科毕业生以四年来所学的专业理论知识，结合一些课外参考文献，独立设计适用于桑塔纳 2000 型轿车的点火系统，培养学生独立思考、解决问题的能力和思维创新能力与实践能力，使其理论结合实际，学以致用，为以后走上工作岗位打好坚实的基础。1.21.2 点火系统的发展点火系统的发展1.2.1 桑塔纳 2000 型轿车点火系统桑塔纳 2000 型轿车采用的是带分电器式的电子点火系统，主要由点火线圈、分电器、火花塞。带抗干扰元件的链接插座，爆燃传感器，点火导线等组成，结构简单，工作可靠，使用和维修比较方便。1.2.2 桑塔纳 2000 型轿车点火系统所要达到的效果及技术要求点火系统的基本功用是在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机作功。6（1）能产生足以击穿火花塞两电极间隙的电压使火花塞两电极之间的间隙击穿并产生电火花所需要的电压，称为火花塞击穿电压。火花塞击穿电压的大小与电极之间的距离(火花塞间隙)、气缸内的压力和温度、电极的温度、发动机的工作状况等因素有关。火花塞间隙越大，电极周围气体中的电子和离子距离越大，受到电场力的作用越小，越不容易发生碰撞的电离，一次要求具有较高的击穿电压方能点火；气缸内的压力越大或者温度越低，所要求的火花塞击穿电压越高；电极的温度对火花塞击穿电压也有影响，当火花塞的电极温度超过混合气的温度时，击穿电压可降低 30%50%。试验表明，发动机正常运行时，火花塞的击穿电压为 78kV，发动机冷起动时达 19kV。为了使发动机在各种不同的工况下均能可靠地点火，要求火花塞击穿电压应在 1520kV。（2）电火花应具有足够的点火能量为了使混合气可靠点燃，火花塞产生的火花应具备一定的能量。发动机工作时，由于混合气压缩时的温度接近自燃温度，因此所需的火花能量较小(15mJ)，传统点火系统的火花能量(1550mJ)，足以点燃混合气。但在起动、怠速以及突然加速时需要较高的点火能量。为保证可靠点火，一般应保证 5080mJ 的点火能量，起动时应能产生大于 100mJ 的点火能量。（3） 点火时刻应与发动机的工作状况相适应首先发动机的点火时刻应满足发动机工作循环的要求；其次可燃混合气在气缸内从开始点火到完全燃烧需要一定的时间(千分之几秒)，所以要使发动机产生最大的功率，就不应在压缩行程终了(上止点)点火，而应适当地提前一个角度。这样当活塞到达上止点时，混合气已经接近充分燃烧，发动机才能发出最大功率。以上是点火系统设计应满足的基本要求，还有一些例如工作可靠、使用寿命长、便于拆装等要求也是应该在设计中考虑到的。7第二章第二章 点火系统简介点火系统简介2.12.1 汽车点火系统类型汽车点火系统类型2.1.12.1.1 磁感应式点火系统磁感应式点火系统1. 磁感应式无触点电子点火系统组成磁感应式无触点电子点火系统也叫磁脉冲式无触点电子点火系统，它主要由磁感应式分电器(内装磁感应点火信号发生器)、点火电子组件、专用点火线圈、火花塞等组成。 2.磁感应信号发生器的组成 磁感应信号发生器用来产生点火控制信号，装在分电器内的底板上，如下图所示，它由装在分电器轴上的信号转子以及永久磁铁、铁心和绕在铁心上的传感线圈等组成。信号转子由分电器轴驱动，转子上的凸齿数与发动机气缸数相等。图 21 磁感应信号发生器的组成磁感应点火信号发生器是利用电磁感应原理工作的，当通过传感线圈的磁通发生变化时，在传感线圈内便产生交变电动势，它相当于一个极小的发电机。其永久磁铁的磁路是；永久磁铁 N 极一空气隙一信号转子一空气隙一铁心(通过传感线圈)一永久磁铁 S 极。当发动机未转动时，信号转子不动，通过传感线圈的磁通未发生8变化，传感线圈不产生电动势，因而无信号输出。当发动机转动时，信号转子便由分电器轴带动旋转，这时信号转子的凸齿与铁心间的空气隙将发生变化，使通过传感线圈的磁通发生变化，因此在传感线圈中便产生感应电动势。信号发生器的具体工作过程如下： 当信号转子的两个凸齿中央正对铁心的中心线时，如图 210a 所示，磁路中凸齿与铁心间的空气隙最长，通过传感线圈的磁通量最小，且磁通变化率为零。 图 22 磁感应信号发生器的具体工作过程如果信号转子顺时针转动，信号转子的凸齿逐渐接近铁心，凸齿与铁心间的空气隙越来越小，通过传感线圈的磁通逐渐增大。当信号转子凸齿的齿角与铁心边线相对时，如图 22b 所示，通过传感线圈的磁通急剧增加，磁通变化率最大；当信号转子转过图 4-2后，虽然磁通仍在增加，但磁通变化率降低；当信号转子凸齿的中心正对铁心的中心线时，如图 22c 所示，空气隙最小，通过传感线圈的磁通最大，但此时磁通变化率为零。 当信号转子继续顺时针转动时，凸齿与铁心间的空气隙逐渐增大，通过传感线圈的磁通逐渐减小；当信号转子凸齿的齿角正对铁心的边缘时，如图 22d 所示，磁通急剧的减小，通过传感线圈的磁通变化率为负向最大值。 由上述分析可知，信号转子转动过程中，通过传感线圈的磁通的变化情况如图 22a 所示，图中 a、b、c、d 各点与图 22 工作过程中的 a、b、c、d 位置相对应。当信号转子转一周时，通过传感线圈的磁通出现六次最大值和六次最小值。 9图 23 传感线圈的磁通的变化图 由于传感线圈感应电动势的大小与线圈磁通变化率成正比，因而当图 22a中 a、c 点磁通变化为零时，其感应电动势也为零。图中 b、d 点磁通变化率为最大时，其感应电动势也为最大，所不同的是 b 点的磁通为增加，d 点的磁通为减小，致使两点产生的感应电动势极性相反，如图 22b 所示，可见信号转子转动时，传感器线圈两端产生的信号是交变电动势。信号转子转一周，产生六个交变信号，该交变信号输入到点火器，以控制点火系统工作。 当发动机转速变化时，传感线圈中的磁通变化率也跟着变化。转速越高、磁通变化率越大，感应电动势也越高。不同转速时，传感线圈内的磁通及感应电动势的变化情况如图 24 所示。图 24 传感线圈内的磁通及感应电动势的变化情况10由于信号转子的凸齿和铁心之间的空气间隙，直接影响到磁路的磁阻和传感线圈输出信号电压的高低，因而使用中空气间隙的大小不能随意变动。如间隙变化，应进行正确调整。 磁感应信号发生器结构较简单，便于批量生产，耐高温。 由于次级电压和点火能量的提高，使其对火花塞积炭不敏感，且可以加大火花塞电极间隙，点燃较稀的混合气，从而有利于改善发动机的动力性、经济性和排气净化性能。 可以减少触点火花，避免触点烧蚀，延长触点的使用寿命；有的还可以取消触点，因而克服了与触点相关的一切缺点，改善了点火性能。2.1.22.1.2 霍尔效应式电子火系霍尔效应式电子火系以霍尔信号发生器进行触发的点火系统，称为霍尔式电子点火系统。 霍尔信号发生器是应用霍尔效应原理制成的。在我国生产的桑塔纳、红旗、捷达等轿车及一些进口汽车上广泛采用霍尔式电子点火系统。它由内装霍尔信号发生器的分电器、点火器、点火线圈和火花塞等组成。1.霍尔信号发生器的工作原理和基本结构 霍尔效应的原理如下图所示，当电流通过放在磁场中的半导体基片(称霍尔元件)且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，这个电压称为霍尔电压。霍尔电压的高低与通过的电流 I 和磁感应强度 B 成正比。霍尔信号发生器是根据霍尔效应原理制成的，它装在分电器内。霍尔信号发生器的示意图和基本结构如下图所示： 11图 25 霍尔信号发生器的基本结构 霍尔信号发生器是一个有源器件，它需要提供电源才能工作，霍尔信号集成块的电源由点火器提供。霍尔集成电路输出级的集电极为开路输出形式，其集电极的负载电阻设置在点火器内。霍尔信号发生器有三根引出线且与点火器件相连接，其中一根是电源输入线，一根是霍尔信号输出线，一根是接地线。 2.霍尔信号发生器的工作原理图 图 26 霍尔信号发生器的工作原理图3.霍尔信号发生器的优点 121)工作可靠性高，霍尔信号发生器无磨损部件，不受灰尘、油污的影响，无调整部件，小型坚固，寿命长。 2)发动机起动性能好，霍尔信号发生器的输出电压信号与叶轮叶片的位置有关，但与叶轮叶片的运动速度无关。也就是说它与磁通变化的速率无关，它与磁感应信号发生器不同，它不受发动机转速的影响，明显地增强了发动机的起动性能，有利于低温或其他恶劣条件下起动。 3）大大减轻了对无线电的干扰。4)结构简单，质量轻，体积小，使用和维修方便5)可以不受触点的限制，增大初级电流，提高次级电压，改善发动机高速时的点火性能。一般传统点火系统的低压电流不超过 5A，而电子点火系统可提高到78A，次级电压可达 30kV。2.22.2 点火系统工作原理点火系统工作原理1、基本工作原理 发动机电脑综合各传感器的输入信息 ，从存贮器中选出最适当的点火提前角，再根据曲轴位置传感器判别出曲轴转速、位置及几缸处于压缩上止点 ，然后控制大功率晶体管的导通和截止，即控制点火线圈初级电流的断续。2、主要装置(1) 霍尔分电器 霍尔分电器是一种无触点分电器，安装在分电器内部，由霍尔触发器片和霍尔电压产生器集成电路组成。霍尔触发器叶片窗口与凸轮轴同速运转，按照霍尔原理 凸轮轴带动触发器窗口运转，改变了霍尔元件的磁场，使霍尔触发器产生一个微弱电压，即霍尔电压。通过检测窗口的出现，判断出发动机 1 缸的位置。发动机每转两周，该传感器发出一个 11V0V 的负脉冲信号，信号的下降沿距 1 缸上止点前92。 ，其上升沿距 1 缸上止点前 52。该信号送至 ECU，ECU 根据此信号确定喷油器的工作顺序、喷油的起始点和爆震控制。若无霍尔信号，则发动机不可能起动。 (2) 点火线圈13点火线圈是产生点火所需高压电的一种变压器。一般发动机点火系所采用的点火线圈依磁路区分，可分为开磁路式及闭磁路式两种。 1、开路式点火线圈开磁路式点火线圈一般为罐状结构。它以数片硅钢片叠合而成棒状铁芯，次级线圈和初级线圈分别绕在铁芯的外侧。次级线圈为线径 0。051mm 漆包线，匝数23 万圈臣。初级线圈的线径为 0。51。0mm，较次级线圈粗，且匝数仅150300 圈而已。初级线圈绕在次级线圈的外侧，故次级线圈所产生的磁通变化与初级线圈完全相同。初级线圈和次级线圈的绕线方向相同次极线圈的始端连接高压输出接头，其末端则连接于初级线圈的始端，并连接于外壳的+接柱，初级线圈的末端连接于外壳的一接柱，并接于点火器内功率晶体管的集电极上，由点火器控制其初级线圈电流的通断。2、闭磁路式点火线圈闭磁路点火线圈的铁芯是封闭的，磁通全部经过铁芯内部铁芯的导磁能力约为空气的一万倍，故开磁路点火线圈欲获得与闭磁路点火线圈相同的磁通，则其初级线圈非有较大的磁动势(安培匝数)不可。因此，必须采用匝数较多，线径较大的初级线圈；初级线圈的匝数多，如欲获得同样匝臣数比，则次级线圈的匝数也需增加，因此，开磁路点火线圈的小型化是办不到的。反之，闭磁路点火线圈，由于磁阻小，可有效降低线圈的磁动势，将点火线圈小型化。目前，闭磁路点火线圈已相当小型化，可与点火器合而为一，甚至可与火花塞连体化。经火花塞点燃气缸内的可燃性压缩气体。14第三章第三章 桑塔纳桑塔纳 20002000 点火系统点火系统3.13.1 桑塔纳桑塔纳 20002000 简介简介Santana 2000 是上海大众为了不断适应和满足市场的需求，于 1991 年 10 月开始研制的新一代桑塔纳轿车。1995 年 4 月 20 日，当第一辆 Santana 2000 顺利下线后，它迅速占领了国内中级公、商务用车的市场。此后的 8 年中，上海大众不断推陈出新，先后推出了“时代超人”、“自由沸点”、“俊杰”、“时代骄子”、“时代阳光”等系列改进车型。Santana 2000 是上海大众为了不断适应和满足市场的需求，于1991 年 10 月开始研制的新一代 桑塔纳轿车。1995 年 4 月 20 日，当第一辆 Santana 2000顺利下线后，它迅速占领了国内中级公、商务用车的市场。此后的8 年中，上海大众不断推陈出新，先后推出了 “时代超人” 、 “自由沸点” 、 “俊杰” 、 “时代骄子” 、 “时代阳光”等系列改进车型。之后上海大众的 工程技术人员 们，又根据市场的需要，在原有 Santana 2000 的基础上，赋予其更为时尚的外形和更加人性化的装备，集合了上海大众人智慧与激情造就了这款Santana 3000。 上海桑塔纳轿车是 上海大众汽车有限公司 于 1987 年引进巴西大众汽车公司的产品。在车前仍使用大众公司的商标； 2006 年前在车尾使用 文字商标“上海SANTANA” ，2006 年 10 月开始，按照国家的相关规定使用中文 “上海大众”和大众标志。目前桑塔纳已达到欧3 排放标准。 桑塔纳（SANTANA）牌轿车，是德国大众汽车公司在 美国加利福尼亚州生产的品牌车，该厂坐落在桑塔纳山谷下，该山谷以盛产名贵葡萄而饮誉世界，并且该山谷还经常刮起一股类似 “科罗拉多”的旋风，所以当地人就把这种旋风叫做“桑塔纳” 。3.23.2 桑塔纳桑塔纳 20002000 点火系统结构点火系统结构桑塔纳 2000 型轿车发动机采用的足带分龟器的电子控制点火系统。它与其他电子控制点火系统不同的是。在点火系统内不另设点火器大功率子极管设在 ECU内部，由 ECU 直接掉制点火线周初级电流的通断使火花塞跳火。桑塔纳 2000 型轿车电子点火系统内点火线圈、高压分电器、火花塞、带抗干扰元件的连接插座、点火导线等组成，如图 3-1 所示。高压分电器用熊板装在发动15机缸盖上，分电器转子直接装在凸轮轴端头上，内凸轮抽驱动。点火线圈装在蓄电池正极处点火开关的上方，当初级电流流通时，点火线圈的初级绕组经电控单元中的点火晶体管接地。高压分电器将点火线圈的高压电分配到各个火花塞。点火子系统根据发动机温度、进气温度、转速、节气门开度、爆震惊号，并利用电控单元中的综合特仟图、控制点火时刻、闭合角以及爆泛，使电子点火系统处于最佳工作状态。图 3-1 桑塔纳 2000 点火系统结构3.33.3 桑塔纳轿车点火系统检修桑塔纳轿车点火系统检修桑塔纳轿车霍尔式电子点火系统主要由霍尔分电器、TCI 点火电子组件、点火16线圈等组成。一、点火系统的检查若遇发动机不能启动，怀疑点火系统有问题，可拔出分电器盖中央高压线，使其端部距汽缸 57mm，接通点火开关，启动发动机，察看线端是否跳火，否则为点火系统有故障。然后再作下列检查，以判断是霍尔传感器或是点火电子组件的毛病。拆下点火电子组件接线盒上的橡胶套。用电压表测量接线柱 3 和 6 之间的电压，接通点火开关，当触发叶轮的叶片位于永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙时，不产生霍尔电压，此时，霍尔传感器有输出电压，电压表应指示 9V 左右。转动发动机。当叶片离开永久磁铁与霍尔元件的空气隙时，应产生霍尔电雎，电压表上应指示为 O4V 左右。若霍尔传感器无输出电压，为之有故障，应予更换。拨出分电器的插接器，用电压表测量外边 2 个接线端之间的电压 K 应为蓄电池的端电压(12V 左右)。若无读数，再检查通往怠速稳定器的导线及怠速稳定器至点火电子组件的导线。若导线良好，再拨出点火电子组件的插接器，接通点火开关，测量接线柱 2 和 4 之间的电压应为蓄电池端电压。若在分电器插接器上没电压，为之点火电子组件有故障，应更换新件。二、点火系统的检修要点 检查点火线圈时，应首先拆除其上的所有导线，测量一次绕组的电阻时，应将欧姆表接在点火线圈“+”接线柱与“一”接线柱之间，电阻值应为0.52O.76(有触点点火系为 1.72.1)。测量二次绕组时，霍尔分电器欧姆表接在高压接头与“-”接线柱之间，电阻值应为 2.43.5(有触点点火系 为712)。利用欧姆表测量分火头的电阻值，无屏蔽时应为(1 士 0.4)k，有触点点火系为(5 士 1)k，测量火花塞插头的电阻值，无屏蔽时应为(1 土 0.4)k，有屏蔽时应为(1 土 0.4)(5 土 1)k。检查防干扰接头电阻，其值应为(1 士 0.4)k。在拆、接系统中的导线(包括高压导线和测试仪器)时，应先断开点火系统。当用启动机转动发动机而不启动时(如检查汽缸压力)，应先拔下分电器上的中央高压线并将其搭铁。若使用快速充电设备的启动辅助装置，仅允许最高电压在 16.5V以内，使用时间最多 lmin在清洗发动机时，首先断开点火系统，在进行点焊式电焊时，先要拆掉蓄电池的接线。若点火装置有故障或怀疑其有故障而必须拖动汽17车时，需先拆下点火电子组件上的插头。电子点火系统中的点火线圈不能用普通点火线圈代用。三、点火系统故障的诊断和排除 桑塔纳轿车采用了以霍尔元件为传感器火花塞。如高压线端无火花，则表示低压电路有故障，应检查点火线圈、晶体管控制器和霍尔传感器。无触点晶体管点火系统。它取消了传统式靠分电器凸轮来使断电器触点闭合与分离的做法，代之以触发器转子、霍尔传感器和晶体点火控制装置。是桑塔纳 JV 发动机点火系统示意图。点火系统的主要常见故障表现为发动机不能启动。其现象是将点火开关拧到启动位置，启动机运转，而发动机不能启动。故障原因：导线连接松动，接触不良；点火线圈绕组断路或搭铁；点火控制器故障;霍尔传感器损坏；分电器盏、分火间破裂漏电，火花塞间隙增大，烧蚀严重，积油积炭过多高压导线电阻过大等。点火的故障诊断与排除方法如下：如果启动机运转，表明蓄电池、启动机技术良好，发动机不能启动的原因在于点火系统或供油系统。目视检查导线或线束插接器是否松脱。如导线松动，应拧紧或将插接器插牢，使导线接触良好。如导线未松脱，应检查点火线圈产生火花的能力。从分电器盏上拆下中央高压线，用绝缘钳夹住高压线，使其端部离发动机机体 67mm。启动发动机，如高压线端部出现蓝色火花，魁表示低压电路良好，故障在高压电路，应检查分电器盖及分火头、高压导线和点火线圈的检测。目视检查点火线圈盖上有无油污或潮气。如有潮气用清洁布擦干，如有油污用酒精彻底擦净。测量点火线圈绕组电压以前，将点火线圈上的高压线和正极线柱的火线拆下，以便准确地测量。一次绕组电阻的测量：将欧姆表的两个测试针分别与点火线圈正极及高压线接线柱接触。如果电阻读数无穷大，则表示一次绕组断路，应更换点火线圈。二次绕组电阻的测量。将欧姆表的两个测试针分别与点火线圈正极及高压线接线柱接触。如果点火阻读数无穷大，则表示二次绕组断路，应更换点火线圈。点火线圈搭铁的测量。将欧姆表的两个测试针分别与点火线圈正板接线柱及其外壳接触。如果点火线圈绝缘良好，则电阻读数为无穷大。如果电阻读数小，则表示点火线圈搭铁，应予以更换。若点火线圈技术状况良好，应检查晶体管点火控制器。 晶体管点火控制器的检测。点火控制器接线端子 1-接点火线圈负极接线柱，绿色导线；端子 2-接蓄电池负极，棕色导线；端子 3-接霍尔传感器负极，棕白色导线；端子 4-接点火线圈止擞接线柱，黑色导线；端子 5-接霍尔传感器正极，18红黑色导线；端子 6-接霍尔传感器信号输出，绿白色导线。用欧姆表测量 1 与 4之间电阻值，为 O52O76；用电压表测量 2 与 4 之间的电压，其值应为电源电源；在接通点火开关时用电压表测量 3 与 5 之间的电压其值在 9V 以上，略低于电源电压。接通点火开关，慢慢转动发动机电压读数开始为 2V 左右，在12s 内能切断一次电流。如果上述测量结泉不符合规定值，应更换点火控制器。 分电器盖及分火头的检查。目视检查分电器盖上是否受潮湿，如果潮湿用于布擦干净。目视检查分火头是否出现裂纹，如有裂纹，必须更换。如分电器盖和分火头良好，应检查高压导线。 高压导线的检查。用欧姆表检查高压导线电阻。中央高压线电阻为O28k；分高压线电阻为 0674k，如检查结果不在规定值范围内，应更换高压导线。如高压导线外表绝缘层有破裂现象，应予更换若高压导线良好，应检查火花塞。 火花塞的检查。检查火花塞是否烧蚀严重，如其电极烧蚀严重，应予以更换：如果火花塞积炭或积油，可用汽油进行清洗，必要时用铜丝刷子刷净。对清洗干净的火花塞，应检查和调整火花塞电极间隙，其规定值为 O7o9mm。19第四章第四章 桑塔纳桑塔纳 20002000 点火系统检修点火系统检修 桑塔纳 2000 型轿车点火系统部件中点火线圈、火花塞、分电器盖、分火头及高压线等的常见故障及检查方法与其他的点火系统相同在此不再赘述，请参阅前面有关内容，以下介绍进气斥力传感器、霍尔传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等的检修。4.14.1 进气压力传感器进气压力传感器 MAPMAP 的检修的检修 桑塔纳 2000 型轿车采用的是电阻应变计式进气压力力传感器、其外形如图 4-1 所示。图 4-1 进气压力传感器在发动机运行过程中，当进气压力传感器出现故障时，发功机电控单元能够检测到，并能使发动机进入故障应急状态运行。 当用万用表电阻挡检测线柬电阻时，断开点火开关、拔下控制器线众插头和传感器线柬活头，检测两插头上各端子之间导线电阻，如果阻值过大或为无穷大，说明线束与端干接触不良或断路，应予以修理。204.24.2 霍尔传感器霍尔传感器 TDCSTDCS 的检修的检修 除电源电压为 5v 外，霍尔传感器的结构、原理，其线束插座及端子连接情况如图 4-2 所示。 当霍尔传感器出现故障时，发动机将立刻熄火而无边运转。由于发动机控制单ECU 不能检测到霍尔传感器的故障信息。用故障阅读仪也臣取不列传感器故障的有关信息，因此发动机灾然熄火，可用万用友检测传感器的电源电压和信号输出电压，其数值，如果电压值不符合正常表中规定，说明传感器失效，应予以更换。图 4-2 霍尔传感器的连接4.34.3 曲轴位置传感路曲轴位置传感路 CPSCPS 的检修的检修 在桑塔纳 2000Gsi 型轿车电控系统中，既配装有霍尔传感器，又配装了磁感应式曲轴位置信感器。 电控系统的陈轴位置传感器与整形、放大电路为一整体。检修时、首先接通点火开关，检测传感器的电源电压是否符合标准值(5v)。然后转动曲轴，测量传感器信号输出端的输出电压是否有变化。如果有变化，说明传感器良好；如果天变化，说明传感器失效。4.44.4 节气门位置传感器节气门位置传感器 TPSTPS 的检修的检修 桑塔纳 2000 型轿车电控系统中，节气门位置传感器采用有触点开关式和滑动电阻式 2 种其结构分别如图 4-3、图 4-4 所示。21当节气门位置传感器 TPS 发生故障时，发动机电脑能够检测到，并能使发动机进入故障府急状态运行。利用故障阅读仪通过诊断插应可以洼取此故障的有关信息。 检修滑动电阻式 TPS 时。可用万剧表检测传感器的电源电压和输出电压，其阻值如果与正常值不同。说明传感器失效，应予以更换。图 4-3 触点开关式 TPS 的结构原理图 4-4 滑动电阻式 TPS 的结构原理 检修肋点开关式 TPS 时，可用力用表测量传感器信号输出端子的输出电用和触点接触电阻进行判断。触点接触电阻值应小于 0.5 欧姆，如果阻值过大，说明触点22烧蚀而接触不良，应予以修理或更换传感器。4.54.5 冷却液温度传感器冷却液温度传感器 CTSCTS 的检修的检修桑塔纳 2000 型轿车冷却液温度传感器的外形、内部结构和电路连接如图 4-5所示。 冷却液温度传感器出现故障时，发动机电脑能够检测到。利用 V.A.G1551 或V.A.G1551 故障阅读仪，通过诊断插座可以读有关的故障信息。图 4-5 冷却液温度传感器结构与电路检测温度传感器时，可用万用表就车检测传感器的电源电压相信号输出电压。 温度传感器可用万用表电阻欧姆挡单独进行检测。检测时，断开点火开关拔下温度传感器插头检测传感器两端子间的电阻值阻值大小与环境温度有关，具体值应当符合规定。如果阻值过大、过小或无穷大，说明传感器失效，应予以更换!23致致 谢谢在这里首先要感谢郏国中老师对我的悉心指导。郏国中老师作为汽车系的主要导师，不仅要为汽车系的日常事务操劳，平常还要亲自授课，时间的紧张可见一斑，但是在这种情况下，他依然没有耽误过对我毕业设计的指导。在设计的前期，由于准备考研复试，我一直在外地奔波，未能及时完成任务。在这种情况下，郏老师对我表示了充分的理解，并给予了巨大帮助。在郏老师的指导下，我不仅完成了本次设计，还学到了很多东西。作为车辆工程专业的一名学生，在进行完电器类课程后，我对汽车电器和机械设计等学科的接触是很少的，这方面的知识也不丰富，刚开始设计时完全处于一种无从下手的状态，是郏老师为我指明了方向，还经常耐心的为我讲解一些汽车电器和制造中的常识，及时纠正设计中出现的漏洞和错误，使我的设计更加完善。今天，能完成这个毕业设计，我首先要感谢郏老师的指导。在本次毕业设计的过程中，我发现了很多自己的不足，由于平常学习的不认真和时间的遗忘，我对于汽车电器知识的了解可谓少之又少，在本次的设计使我重新又拿起了课本，复习了我们以前学过的知识。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。我觉得毕业设计真的非常有必要，它是我们毕业前的一个查漏补缺的过程，这个过程发生在我们毕业的前夕，对于我们以后走向工作岗位的帮助是不可估量的，谢谢学校和老师们为我们提供的这次机会。在毕业之际，真切的感谢我的母校，和母校的老师们。24参 考 资 料1.陈家瑞.汽车构造.北京：人民交通出版社，1991 2.刘唯信.汽车设计.北京：清华大学出版社，2000 3.刘鸿文.材料力学.北京：高等教育出版社，19914.张洪欣.汽车设计（第二版）.北京：机械工业出版社，19965.日汽车工程全书编辑委员会.汽车传动装置.北京：机械工业出版社，1980 6.余志生.汽车理论（第四版）.北京：机械工业出版社，20007.徐灏.机械设计手册.北京：机械工业出版社，19918.濮良贵，纪明刚.机械设计（第八版）.北京：高等教育出版社 2000 9.日自动车技术协会.小林 明.汽车工程手册.北京：机械工业出版社 1984：10.杜梅先，朱冬梅，蒋继贤.画法几何及机械制图.北京：高等教育出版社，199711.王望予.汽车设计（第四版）.北京：机械工业出版社，2006 12.刘修骥.车辆传动装置.北京：机械工业出版社，200013.臧新群.汽车滚动轴承应用手册.北京：机械工业出版社，199714.周允.汽车百科全书.北京：机械工业出版社，198915.北林学院中南学院汽车拖拉机.北京：中国林业出版社，198216.王昆，何小柏，汪信远.机械设计课程设计.北京：高等教育出版社，199517.曹泗秋，杨巍.机械原理.武昌：湖北科学技术出版社，198418.哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.北京：高等教育出版社，199819.汽车工程手册编辑委员会 .汽车设计简明手册 .人民交通出版社， 200120.孙恒，陈做模，葛文杰.机械原理 .北京：高等教育出版社， 20062526附录附录 I I 外文文献翻译外文文献翻译估计导致工程几何分析错误的一个正式理论估计导致工程几何分析错误的一个正式理论SankaraHariGopalakrishnan，KrishnanSuresh机械工程系，威斯康辛大学，麦迪逊分校，2006 年 9 月 30 日摘要摘要：几何分析是著名的计算机辅助设计/计算机辅助工艺简化 “小或无关特征”在 CAD 模型中的程序，如有限元分析。然而，几何分析不可避免地会产生分析错误，在目前的理论框架实在不容易量化。本文中，我们对快速计算处理这些几何分析错误提供了严谨的理论。尤其，我们集中力量解决地方的特点，被简化的任意形状和大小的区域。提出的理论采用伴随矩阵制定边值问题抵达严格界限几何分析性分析错误。该理论通过数值例子说明。关键词关键词:几何分析;工程分析;误差估计;计算机辅助设计/计算机辅助教学1.1. 介绍介绍机械零件通常包含了许多几何特征。不过，在工程分析中并不是所有的特征都是至关重要的。以前的分析中无关特征往往被忽略，从而提高自动化及运算速度。举例来说，考虑一个刹车转子，如图 1(a)。转子包含 50 多个不同的特征，但所有这些特征并不是都是相关的。就拿一个几何化的刹车转子的热量分析来说，如图 1(b)。有限元分析的全功能的模型如图 1(a)，需要超过 150,000 度的自由度，几何模型图 1(b)项要求小于25，000 个自由度，从而导致非常缓慢的运算速度。图 1(a)刹车转子 图 1(b)其几何分析版本除了提高速度，通常还能增加自动化水平，这比较容易实现自动化的有限元网格几何分析组成。内存要求也跟着降低，而且条件数离散系统将得以改善;后者起着重要作用迭代线性系统。但是，几何分析还不是很普及。不稳定性到底是“小而局部化”还是“大而扩展化”，这取决于各种因素。例如，对于一个热问题，想删除其中的一个特征，不稳定性是一个局部问题:(1)净热通量边界的特点是零。(2)特征简化时没有新的热源产生; 4对上述规则则例外。展示这些物理特征被称为自我平衡。结果，同样存在结构上的问题。从几何分析角度看，如果特征远离该区域，则这种自我平衡的特征可以忽略。但是，如果功能接近该区域我们必须谨慎，。从另一个角度看，非自我平衡的特征应值得重视。这些特征的简化理论上可以在系统任27意位置被施用,但是会在系统分析上构成重大的挑战。目前，尚无任何系统性的程序去估算几何分析对上述两个案例的潜在影响。这就必须依靠工程判断和经验。在这篇文章中，我们制定了理论估计几何分析影响工程分析自动化的方式。任意形状和大小的形体如何被简化是本文重点要解决的地方。伴随矩阵和单调分析这两个数学概念被合并成一个统一的理论来解决双方的自我平衡和非自我平衡的特点。数值例子涉及二阶 scalar 偏微分方程，以证实他的理论。本文还包含以下内容。第二节中，我们就几何分析总结以往的工作。在第三节中，我们解决几何分析引起的错误分析，并讨论了拟议的方法。第四部分从数值试验提供结果。第五部分讨论如何加快设计开发进度。2.2. 前期工作前期工作几何分析过程可分为三个阶段:识别:哪些特征应该被简化；简化：如何在一个自动化和几何一致的方式中简化特征；分析:简化的结果。第一个阶段的相关文献已经很多。例如，企业的规模和相对位置这个特点，经常被用来作为度量鉴定。此外，也有人提议以有意义的力学判据确定这种特征。自动化几何分析过程，事实上，已成熟到一个商业化几何分析的地步。但我们注意到，这些商业软件包仅提供一个纯粹的几何解决。因为没有保证随后进行的分析错误，所以必须十分小心使用。另外，固有的几何问题依然存在，并且还在研究当中。本文的重点是放在第三阶段，即快速几何分析。建立一个有系统的方法，通过几何分析引起的误差是可以计算出来的。再分析的目的是迅速估计改良系统的反应。其中最著名的再分析理论是著名的谢尔曼-Morrison 和 woodbury 公式。对于两种有着相似的网状结构和刚度矩阵设计，再分析这种技术特别有效。然而，过程几何分析在网状结构的刚度矩阵会导致一个戏剧性的变化，这与再分析技术不太相关。3.3. 拟议的方法拟议的方法3.13.1 问题阐述问题阐述我们把注意力放在这个文件中的工程问题，标量二阶偏微分方程式(pde): .).(fauuc许多工程技术问题，如热，流体静磁等问题，可能简化为上述公式。作为一个说明性例子，考虑散热问题的二维模块 如图 2 所示。图 2 二维热座装配热量 q 从一个线圈置于下方位置列为 coil。半导体装置位于 device。这两个地方都属于 ，有相同的材料属性，其余 将在后面讨论。特别令人感兴趣的是数量，加权温度28Tdevice 内 device(见图 2)。一个时段，认定为 slot 缩进如图 2，会受到抑制，其对Tdevice 将予以研究。边界的时段称为 slot 其余的界线将称为 。边界温度 假定为零。两种可能的边界条件 slot 被认为是:(a)固定热源，即(-kt)n=q，(b)有一定温度，即T=Tslot。两种情况会导致两种不同几何分析引起的误差的结果。设 T(x，y)是未知的温度场和 K 导热。然后，散热问题可以通过泊松方程式表示:) 1 ()().)(00).(slctslctslctcoilcoilTTboronqhkaonTinininQTkBCPDE)2(),(),(devicedycTyxHTComputedevice其中 H(x，y)是一些加权内核。现在考虑的问题是几何分析简化的插槽是简化之前分析，如图 3 所示。图 3defeatured 二维热传导装配模块现在有一个不同的边值问题，不同领域 t(x，y):) 3(on 0t0inQ).(-kBCPDEcoilslotcoilint)4(),(),(devidedevicedyxtyxHtCompute观察到的插槽的边界条件为 t(x，y)已经消失了，因为槽已经不存在了（关键性变化）!解决的问题是:设定 tdevice 和 t(x，y)的值，估计 Tdevice。这是一个较难的问题，是我们尚未解决的。在这篇文章中，我们将从上限和下限分析Tdevice。这些方向是明确被俘引理 3、4 和 3、6。至于其余的这一节，我们将发展基本概念和理论，建立这两个引理。值得注意的是，只要它不重叠，定位槽与相关的装置或热源没有任何限制。上下界的 Tdevice 将取决于它们的相对位置。3.23.2 伴随矩阵方法伴随矩阵方法我们需要的第一个概念是，伴随矩阵公式表达法。应用伴随矩阵论点的微分积分方程，包括其应用的控制理论，形状优化，拓扑优化等。我们对这一概念归纳如下。相关的问题都可以定义为一个伴随矩阵的问题，控制伴随矩阵 t_(x，y)，必须符合下列29公式计算23:ontininHtkdeviceslotdevice0)5(0).(*伴随场 t_(x，y)基本上是一个预定量，即加权装置温度控制的应用热源。可以观察到，伴随问题的解决是复杂的原始问题;控制方程是相同的;这些问题就是所谓的自身伴随矩阵。大部分工程技术问题的实际利益，是自身伴随矩阵，就很容易计算伴随矩阵。另一方面，在几何分析问题中，伴随矩阵发挥着关键作用。表现为以下引理综述:引理 3.1 已知和未知装置温度的区别，即(Tdevice-tdevice)可以归纳为以下的边界积分比几何分析插槽:slotslotdntktTdntTkttTdevicedevice).)().(*在上述引理中有两点值得注意:1、积分只牵涉到边界 slot;这是令人鼓舞的。或许，处理刚刚过去的被简化信息特点可以计算误差。2、右侧牵涉到的未知区域 T(x，y)的全功能的问题。特别是第一周期涉及的差异，在正常的梯度，即涉及-k(T-t) n;这是一个已知数量边界条件-ktn 所指定的时段，未知狄里克莱条件作出规定-ktn 可以评估。在另一方面，在第二个周期内涉及的差异，在这两个领域，即 T 管; 因为 t 可以评价，这是一个已知数量边界条件 T 指定的时段。因此。引理 3.2、差额(tdevice-tdevice)不等式dntTkdtdtTntktTanddtTdntkdntTkttTslotslotslotdevicedeviceslotslotslotdevicedevice22*22*).()()().()()().().()(然而，伴随矩阵技术不能完全消除未知区域 T(x，y)。为了消除 T(x，y)我们把重点转向单调分析。3.33.3 单调性分析单调性分析单调性分析是由数学家在 19 世纪和 20 世纪前建立的各种边值问题。例如，一个单调定理:添加几何约束到一个结构性问题，是指在位移(某些)边界不减少。观察发现，上述理论提供了一个定性的措施以解决边值问题。后来，工程师利用之前的“计算机时代”上限或下限同样的定理，解决了具有挑战性的问题。当然，随着计算机时代的到来，这些相当复杂的直接求解方法已经不为人所用。但是，在当前的几何分析，我们证明这些定理采取更为有力的作用，尤其应当配合使用伴随理论。我们现在利用一些单调定理，以消除上述引理 T(x，y)。遵守先前规定，右边是区别已知和未知的领域，即 T(x，y)-t(x，y)。因此，让我们在界定一个领域 E(x，y)在区域为:30e(x，y)=t(x，y)-t(x，y)。据悉，T(x，y)和 T(x，y)都是明确的界定，所以是 e(x，y)。事实上，从公式(1)和(3)，我们可以推断，e(x，y)的正式满足边值问题:slotslotontTeboronqnekaoneinekSolve)().)(00).(解决上述问题就能解决所有问题。但是，如果我们能计算区域 e(x，y)与正常的坡度超过插槽，以有效的方式，然后(Tdevice-tdevice)，就评价表示 e(X，Y)的效率，我们现在考虑在上述方程两种可能的情况如(a)及(b)。例(a)边界条件较第一插槽，审议本案时槽原本指定一个边界条件。为了估算 e(x，y)，考虑以下问题:)6(, 0),(.0).(22yxasyxeonqntknekinekSolveslotslot因为只取决于缝隙，不讨论域，以上问题计算较简单。经典边界积分/边界元方法可以引用。关键是计算机领域 e1(x，y)和未知领域的 e(x，y)透过引理 3.3。这两个领域 e1(x，y)和e(x，y)满足以下单调关系:222)(max)()slotslotmeasureededeslotslot把它们综合在一起，我们有以下结论引理。引理 3.4 未知的装置温度 Tdevice，当插槽具有边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场 T 和隔热与几何分析域(2)解决 e1 的一项问题涉及插槽:dntkgdntkqtTTslotslotdevicelowerdevicedevice2*).().()(max)(,).().(22*slotslotslotslotdeviceupperdevicedevicemeasureedegwheredntkgdntkqttTTslot观察到两个方向的右侧，双方都是独立的未知区域 T(x，y)。例(b) 插槽 Dirichlet 边界条件我们假定插槽都维持在定温 Tslot。考虑任何领域，即包含域和插槽。界定一个区域e(x，y)在满足:)7(00).(slotslotontTeoneinekSlove31现在建立一个结果与 e-(x，y)及 e(x，y)。引理 3.5slotslotdnekdnek22).().(注意到，公式(7)的计算较为简单。这是我们最终要的结果。引理 3.6 未知的装置温度 Tdevice，当插槽有 Dirichlet 边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场 T 和隔热与几何分析。(2) 围绕插槽解决失败了的边界问题，:slotslotslotslotdeviceupperdevicedeviceslotslotslotslotdevicelowerdevicedevicednekdtdtTntktTTdnekdtdtTntktTT22*22*.)()().(.)()(.(再次观察这两个方向都是独立的未知领域 T(x，y)。4.4. 数值例子说明数值例子说明我们的理论发展，在上一节中，通过数值例子。设k = 5W/mC, Q = 10 W/m3 and H = 。5device)Area(1表 1:结果表表 1 给出了不同时段的边界条件。第一装置温度栏的共同温度为所有几何分析模式(这不取决于插槽边界条件及插槽几何分析)。接下来两栏的上下界说明引理 3.4 和 3.6。最后一栏是实际的装置温度所得的全功能模式(前几何分析)，是列在这里比较前列的。在全部例子中，我们可以看到最后一栏则是介于第二和第三列。T Tdevice Tlowerdevuceupperdevuce对于绝缘插槽来说，Dirichlet 边界条件指出，观察到的各种预测为零。不同之处在于这个事实:在第一个例子，一个零 Neumann 边界条件的时段，导致一个自我平衡的特点，因此，其对装置基本没什么影响。另一方面，有 Dirichlet 边界条件的插槽结果在一个非自我平衡的特点，其缺失可能导致器件温度的大变化在。32不过，固定非零槽温度预测范围为 20 度到 0 度。这可以归因于插槽温度接近于装置的温度，因此，将其删除少了影响。的确，人们不难计算上限和下限的不同 Dirichlet 条件插槽。图 4 说明了变化的实际装置的温度和计算式。预测的上限和下限的实际温度装置表明理论是正确的。另外，跟预期结果一样，限制槽温度大约等于装置的温度。5.5. 快速分析设计的情景快速分析设计的情景我们认为对所提出的理论分析什么-如果的设计方案，现在有着广泛的影响。研究显示设计如图 5，现在由两个具有单一热量能源的器件。如预期结果两设备将不会有相同的平均温度。由于其相对靠近热源，该装置的左边将处在一个较高的温度，。图 4 估计式 versus 插槽温度图图 5 双热器座图 6 正确特征可能性位置33为了消除这种不平衡状况，加上一个小孔，固定直径;五个可能的位置见图 6。两者的平均温度在这两个地区最低。强制进行有限元分析每个配置。这是一个耗时的过程。另一种方法是把该孔作为一个特征，并研究其影响，作为后处理步骤。换言之，这是一个特殊的“几何分析”例子，而拟议的方法同样适用于这种情况。我们可以解决原始和伴随矩阵的问题，原来的配置(无孔)和使用的理论发展在前两节学习效果加孔在每个位置是我们的目标。目的是在平均温度两个装置最大限度的差异。表 2 概括了利用这个理论和实际的价值。从上表可以看到，位置 W 是最佳地点，因为它有最低均值预期目标的功能。34附录附录 IIII 外文文献原文外文文献原文A formal theory for estimating defeaturing -induced engineering analysis errorsSankara Hari Gopalakrishnan, Krishnan SureshDepartment of Mechanical Engineering, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, United StatesReceived 13 January 2006; accepted 30 September 2006AbstractDefeaturing is a popular CAD/CAE simplification technique that suppresses small or irrelevant features within a CAD model to speed-up downstream processes such as finite element analysis. Unfortunately, defeaturing inevitably leads to analysis errors that are not easily quantifiable within the current theoretical framework.In this paper, we provide a rigorous theory for swiftly computing such defeaturing -induced engineering analysis errors. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. The proposed theory exploits the adjoint formulation of boundary value problems to arrive at strict bounds on defeaturing induced analysis errors. The theory is illustrated through numerical examples.Keywords: Defeaturing; Engineering analysis; Error estimation; CAD/CAE1. IntroductionMechanical artifacts typically contain numerous geometric features. However, not all features are critical during engineering analysis. Irrelevant features are often suppressed or defeatured, prior to analysis, leading to increased automation and computational speed-up.For example, consider a brake rotor illustrated in Fig. 1(a). The rotor contains over 50 distinct features, but not all of these are relevant during, say, a thermal analysis. A defeatured brake rotor is illustrated in Fig. 1(b). While the finite element analysis of the full-featured model in Fig. 1(a) required over 150,000 degrees of freedom, the defeatured model in Fig. 1(b) required 25,000 DOF, leading to a significant computational speed-up.35Fig. 1. (a) A brake rotor and (b) its defeatured version.Besides an improvement in speed, there is usually an increased level of automation in that it is easier to automate finite element mesh generation of a defeatured component 1,2. Memory requirements also decrease, while condition number of the discretized system improves;the latter plays an important role in iterative linear system solvers 3.Defeaturing, however, invariably results in an unknown perturbation of the underlying field. The perturbation may be small and localized or large and spread-out, depending on various factors. For example, in a thermal problem, suppose one deletes a feature; the perturbation is localized provided: (1) the net heat flux on the boundary of the feature is zero, and (2) no new heat sources are created when the feature is suppressed; see 4 for exceptions to these rules. Physical features that exhibit this property are called self-equilibrating 5. Similarly results exist for structural problems.From a defeaturing perspective, such self-equilibrating features are not of concern if the features are far from the region of interest. However, one must be cautious if the features are close to the regions of interest.On the other hand, non-self-equilibrating features are of even higher concern. Their suppression can theoretically be felt everywhere within the system, and can thus pose a major challenge during analysis.Currently, there are no systematic procedures for estimating the potential impact of defeaturing in either of the above two cases. One must rely on engineering judgment and experience.In this paper, we develop a theory to estimate the impact of defeaturing on engineering analysis in an automated fashion. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. Two mathematical concepts, namely adjoint formulation and monotonicity analysis, are combined into a unifying theory to address both self-equilibrating and non-self-equilibrating features. Numerical examples involving 2nd order scalar partial differential equations are provided to substantiate the theory.The remainder of the paper is organized as follows. In Section 2, we summarize prior work on defeaturing. In Section 3, we address defeaturing induced analysis errors, and discuss the proposed methodology. Results from numerical experiments are provided in Section 4. A by-product of the proposed work on rapid design exploration is discussed in Section 5. Finally, conclusions and open issues are discussed in Section 6.2. Prior work36The defeaturing process can be categorized into three phases:Identification: what features should one suppress?Suppression: how does one suppress the feature in an automated and geometrically consistent manner?Analysis: what is the consequence of the suppression?The first phase has received extensive attention in the literature. For example, the size and relative location of a feature is often used as a metric in identification 2,6. In addition, physically meaningful mechanical criterion/heuristics have also been proposed for identifying such features 1,7.To automate the geometric process of defeaturing, the authors in 8 develop a set of geometric rules, while the authors in 9 use face clustering strategy and the authors in 10 use plane splitting techniques. Indeed, automated geometric defeaturing has matured to a point where commercial defeaturing /healing packages are now available 11,12. But note that these commercial packages provide a purely geometric solution to the problem. they must be used with care since there are no guarantees on the ensuing analysis errors. In addition, open geometric issues remain and are being addressed 13.The focus of this paper is on the third phase, namely, post defeaturing analysis, i.e., to develop a systematic methodology through which defeaturing -induced errors can be computed. We should mention here the related work on reanalysis. The objective of reanalysis is to swiftly compute the response of a modified system by using previous simulations. One of the key developments in reanalysis is the famous ShermanMorrison and Woodbury formula 14 that allows the swift computation of the inverse of a perturbed stiffness matrix; other variations of this based on Krylov subspace techniques have been proposed 1517. Such reanalysis techniques are particularly effective when the objective is to analyze two designs that share similar mesh structure, and stiffness matrices. Unfortunately, the process of 几何分析 can result in a dramatic change in the mesh structure and stiffness matrices, making reanalysis techniques less relevant.A related problem that is not addressed in this paper is that of localglobal analysis 13, where the objective is to solve the local field around the defeatured region after the global defeatured problem has been solved. An implicit assumption in localglobal analysis is that the feature being suppressed is self-equilibrating.3. Proposed methodology3.1. Problem statementWe restrict our attention in this paper to engineering problems involving a scalar field u governed by a generic 2nd order partial differential equation (PDE):.).(fauucA large class of engineering problems, such as thermal, fluid and magneto-static problems, may be reduced to the above form.As an illustrative example, consider a thermal problem over the 2-D heat-block assembly illustrated in Fig. 2.The assembly receives heat Q from a coil placed beneath the region identified as coil. A semiconductor device is seated at device. The two regions belong to and have the same material properties as the rest of . In the ensuing discussion, a quantity of particular interest will be the weighted temperature Tdevice within device (see Eq. (2) below). A slot, identified as slot in Fig. 372, will be suppressed, and its effect on Tdevice will be studied. The boundary of the slot will be denoted by slot while the rest of the boundary will be denoted by . The boundary temperature on is assumed to be zero. Two possible boundary conditions on slot are considered: (a) fixed heat source, i.e., (-krT).n = q, or (b) fixed temperature, i.e., T = Tslot. The two cases will lead to two different results for defeaturing induced error estimation.Fig. 2. A 2-D heat block assembly.Formally,let T (x, y) be the unknown temperature field and k the thermal conductivity. Then, the thermal problem may be stated through the Poisson equation 18:) 1 ()().)(00).(slctslctslctcoilcoilTTboronqhkaonTinininQTkBCPDEGiven the field T (x, y), the quantity of interest is:)2(),(),(devicedycTyxHTComputedevicewhere H(x, y) is some weighting kernel. Now consider the defeatured problem where the slot is suppressed prior to analysis, resulting in the simplified geometry illustrated in Fig. 3.Fig. 3. A defeatured 2-D heat block assembly.We now have a different boundary value problem, governing a different scalar field t (x, y):) 3(on 0t0inQ).(-kBCPDEcoilslotcoilint38)4(),(),(devidedevicedyxtyxHtComputeObserve that the slot boundary condition for t (x, y) has disappeared since the slot does not exist any morea crucial change!The problem addressed here is:Given tdevice and the field t (x, y), estimate Tdevice without explicitly solving Eq. (1).This is a non-trivial problem; to the best of our knowledge,it has not been addressed in the literature. In this paper, we will derive upper and lower bounds for Tdevice. These bounds are explicitly captured in Lemmas 3.4 and 3.6. For the remainder of this section, we will develop the essential concepts and theory to establish these two lemmas. It is worth noting that there are no restrictions placed on the location of the slot with respect to the device or the heat source, provided it does not overlap with either. The upper and lower bounds on Tdevice will however depend on their relative locations.3.2. Adjoint methodsThe first concept that we would need is that of adjoint formulation. The application of adjoint arguments towards differential and integral equations has a long and distinguished history 19,20, including its applications in control theory 21,shape optimization 22, topology optimization, etc.; see 23 for an overview.We summarize below concepts essential to this paper.Associated with the problem summarized by Eqs. (3) and (4), one can define an adjoint problem governing an adjoint variable denoted by t_(x, y) that must satisfy the following equation 23: (See Appendix A for the derivation.)ontininHtkdeviceslotdevice0)5(0).(*The adjoint field t_(x, y) is essentially a sensitivity map of the desired quantity, namely the weighted device temperature to the applied heat source. Observe that solving the adjoint problem is only as complex as the primal problem; the governing equations are identical; such problems are called self-adjoint. Most engineering problems of practical interest are self-adjoint, making it easy to compute primal and adjoint fields without doubling the computational effort.For the defeatured problem on hand, the adjoint field plays a critical role as the following lemma summarizes:Lemma 3.1. The difference between the unknown and known device temperature, i.e., (Tdevice tdevice), can be reduced to the following boundary integral over the defeatured slot:slotslotdntktTdntTkttTdevicedevice).)().(*Two points are worth noting in the above lemma:1. The integral only involves the slot boundary slot; this is encouraging perhaps, errors can be computed by processing information just over the feature being suppressed.2. The right hand side however involves the unknown field T (x, y) of the full-featured problem. In particular, the first term involves the difference in the normal gradients, i.e.,involves k(T 39t). n; this is a known quantity if Neumann boundary conditions kT . n are prescribed over the slot since kt. n can be evaluated, but unknown if Dirichlet conditions are prescribed. On the other hand,the second term involves the difference in the two fields,i.e., involves (T t); this is a known quantity if Dirichlet boundary conditions T are prescribed over the slot since t can be evaluated, but unknown if Neumann conditions are prescribed. Thus, in both cases, one of the two terms gets evaluated. The next lemma exploits this observation.Lemma 3.2. The difference (Tdevice tdevice) satisfies the inequalitiesdntTkdtdtTntktTanddtTdntkdntTkttTslotslotslotdevicedeviceslotslotslotdevicedevice22*22*).()()().()()().().()(Unfortunately, that is how far one can go with adjoint techniques; one cannot entirely eliminate the unknown field T (x, y) from the right hand side using adjoint techniques. In order to eliminate T (x, y) we turn our attention to monotonicity analysis.3.3. Monotonicity analysisMonotonicity analysis was established by mathematicians during the 19th and early part of 20th century to establish the existence of solutions to various boundary value problems 24.For example, a monotonicity theorem in 25 states:“On adding geometrical constraints to a structural problem,the mean displacement over (certain) boundaries does not decrease”.Observe that the above theorem provides a qualitative measure on solutions to boundary value problems.Later on, prior to the computational era, the same theorems were used by engineers to get quick upper or lower bounds to challenging problems by reducing a complex problem to simpler ones 25. Of course, on the advent of the computer, such methods and theorems took a back-seat since a direct numerical solution of fairly complex problems became feasible.However, in the present context of defeaturing, we show that these theorems take on a more powerful role, especially when used in conjunction with adjoint theory.We will now exploit certain monotonicity theorems to eliminate T (x, y) from the above lemma. Observe in the previous lemma that the right hand side involves the difference between the known and unknown fields, i.e., T (x, y) t (x, y). Let us therefore define a field e(x, y) over the region as:e(x, y) = T (x, y) t (x, y) in .Note that since excludes the slot, T (x, y) and t (x, y) are both well defined in , and so is e(x, y). In fact, from Eqs. (1) and (3) we can deduce that e(x, y) formally satisfies the boundary value problem:40slotslotontTeboronqnekaoneinekSolve)().)(00).(Solving the above problem is computationally equivalent to solving the full-featured problem of Eq. (1). But, if we could compute the field e(x, y) and its normal gradient over the slot,in an efficient manner, then (Tdevice tdevice) can be evaluated from the previous lemma. To evaluate e(x, y) efficiently, we now consider two possible cases (a) and (b) in the above equation.Case (a) Neumann boundary condition over slotFirst, consider the case when the slot was originally assigned a Neumann boundary condition. In order to estimate e(x, y),consider the following exterior Neumann problem:)6(, 0),(.0).(22yxasyxeonqntknekinekSolveslotslotThe above exterior Neumann problem is computationally inexpensive to solve since it depends only on the slot, and not on the domain . Classic boundary integral/boundary element methods can be used 26. The key then is to relate the computed field e1(x, y) and the unknown field e(x, y) through the following lemma.Lemma 3.3. The two fields e1(x, y) and e(x, y) satisfy the following monotonicity relationship:222)(max)()slotslotmeasureededeslotslotProof. Proof exploits triangle inequality. Piecing it all together, we have the following conclusive lemma.Lemma 3.4. The unknown device temperature Tdevice, when the slot has Neumann boundary conditions prescribed, is bounded by the following limits whose computation only requires: (1) the primal and adjoint fields t and t_ associated with the defeatured domain, and (2) the solution e1 to an exterior Neumann problem involving the slot:dntkgdntkqtTTslotslotdevicelowerdevicedevice2*).().()(max)(,).().(22*slotslotslotslotdeviceupperdevicedevicemeasureedegwheredntkgdntkqttTTslot41Proof. Follows from the above lemmas. _Observe that the two bounds on the right hand sides are independent of the unknown field T (x, y).Case (b) Dirichlet boundary condition over slotLet us now consider the case when the slot is maintained at a fixed temperature Tslot. Consider any domain that is contained by the domain that contains the slot. Define a field e(x, y) in that satisfies:)7(00).(slotslotontTeoneinekSloveWe now establish a result relating e(x, y) and e(x, y).Lemma 3.5.slotslotdnekdnek22).().(Note that the problem stated in Eq. (7) is computationally less intensive to solve. This leads us to the final result.Lemma 3.6. The unknown device temperature Tdevice, when the slot has Dirichlet boundary conditions prescribed, is bounded by the following limits whose computation only requires: (1) the primal and adjoint fields t and t_ associated with the defeatured domain