汽车引擎油门控制装置

1、汽车引擎油门控制装置分析汽车引擎油门控制装置分析2014-6-3北京交通大学机电1211班姓名 学号第X组：目 录一、背景介绍- 2 -（一）油门装置发展- 2 -（二）电子油门- 2 -（三）研究目标- 3 -二、机构设计- 3 -（一）四杆机构ABCD- 4 -（二）确定杆AB和CD的装配角度- 6 -(三)确定油门踏板- 6 -三、结构分析- 8 -(一)机构运动简图- 8 -（二）机构自由度- 8 -（三）机构组成- 8 -四、运动分析- 9 -（一）踏板- 9 -（二）四杆机构ABCD- 10 -（三）平行四边形机构- 15 -五、仿真实现- 16 -（一）仿真软件- 16 -（二）

2、仿真结果及分析- 16 -六、结 语- 19 -一、 背景介绍（一）油门装置发展在机动车内部构件中，内燃机上控制燃料供量的装置被称为油门。其作用在于操纵节气门开度控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。随着科技的发展，智能技术越来越成熟，应用也日趋广泛。科技的进步使人们不再满足于单纯的机械，而更加愿意让机器智能化、人性化，于是机电一体化逐渐走进我们的视野，走进我们的日常生活。就以汽车引擎油门控制装置来讲，为适应智能技术发展、实现汽车自动驾驶，传统的机械油门已逐渐退出舞台，取而代之的是一种电子油门（EGAS）。与传统油门比较，电子油门明显的一点是可以用线束（导线）来代

3、替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。即所谓的 “导线驾驶”，用导线代替了原来的机械传动机构。电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部， 随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个 控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构，数据总线则是负责系统ECU与其它ECU之间的通讯。电子油门系统是通过ECU来调整节气门的，因此电子油门系统可以设置

4、各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性，其中最常见的就是ASR（牵引力控制系 统)和速度控制系统（巡航控制）。当ASR系统传感到车轮的旋转速度，ECU就根据油门踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等之间的不同而求出滑动率，通过减少节气门开度来调整混合 气流量，以降低发动机功率来达到控制目的。而在ASR系统中，电子油门起到十分关键的作用，它涉及整个ASR系统中对车速控制、怠速控制等功能，使系统能迅速准确地执行指令。即当电子油门系统 接受到ASR系统指令时，它对节气门控制指令只来自于ASR，这样就可以避免驾车者的误操作。当驾车者使用速度控制系统时，车速传感器将车速信号输入ECU，再由ECU输出指令伺服

5、电动机控制节气门开度。在这样的系统中，根据行驶阻力的变化由 控制系统自动调节发动机节气门开度，使行驶车速保持稳定。因此电子油门系统也可以兼容巡航控制功能。电子油门除了发进一步改善发动机的节油和排放性能，因为它控制着发动机动力调节的大门。挥上述功能外，它还可以进一步改善发动机的节油和排放性能，因为它控制着发动机动力调节的大门。传统发动机节气门操纵机构（传统油门）是通过拉索（软钢丝）或者 拉杆，一端联接油门踏板（加速踏板），另一端联接节气门连动板而工作。但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性。很明显与传统油门相比，电子油门具有不可比拟的优势。虽然电子油门有许多优点，但其基本控制原理还是来源于传

6、统油门控制系统，因此本小组选取传统机械油门控制装置进行分析，了解其机构构成及运动特性。（二）电子油门电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。传统拉线油门是通过钢丝一端与油门踏板相连另一端与节气门相连，它的传输比例是1：1的，也就是说用脚踩多少，节气门的打开角度就是多少，但是在很多情况下，节气阀并不应该打开这么大的角度，所以此时节气阀打开的角度并不一定是最科学的，这种方式虽然很直接但它的控制精度很差。而电子油门是通过电缆或线束来控制节气门的开度，实现自动控制功能。当驾驶员需要加速时踩下油门，踏板位置传感器就将感知的信号通过电缆

7、传递给ECU，ECU经过分析、判断，并发出指令给驱动电机，并由驱动电机控制节气门的开度，以调整可燃混合气的流量，在大负荷时，节气门开口大，进入气缸内的可燃混合气多，如果使用拉线油门只能靠脚踩油门踏板的深浅来控制节气门的开度，很难将节气门的开口角度调到能达到理论空燃比状态，而电子油门能通过ECU将传感器采集的各种数据进行分析、比对，并发出指令让节气门执行机构动作，将节气门调到最佳位置，以实现不同负荷和工况下都能接近于14.7：1的理论空燃比状态，使燃料能充分燃烧。简单来说，油门并不是直接控制喷油量，而是相对直接（拉线油门是直接）在控制节气门开度。节气门开度大小控制发动机进气量，而喷油量的最直接决

8、定因数是进气压力和温度。发动机运转中不断吸气排气，如果吸气排气没有任何阻碍，就会越转越快（前提是喷油也相应跟上），所以就有了节气门控制发动机进气量来控制转速。以怠速中加油的过程为例：踩下油门踏板，ECU控制节气门增大开度，发动机进气歧管内因为节气门开度增大进入更多空气真空压力下降，进气压力传感器将压力和温度信号报告给ECU，ECU控制喷油嘴喷油，发动机运转加快，尾气排方那里前后还有两个氧传感器，检测尾气中氧含量以判断是否完全燃烧，氧传感器的信号反馈给ECU，ECU微调下一个工作循环喷油量，这样一个闭环控制系统使得发动机尽可能始终工作在完全燃烧最佳状态。（三）研究目标这里我们将对机械油门的结构、

9、运动等进行数学建模分析，并利用3D仿真软件实现硬件仿真，模拟油门踏板对汽车发动机气门阀的控制。二、机构设计图 Error! Main Document Only.图 1图Error! Main Document Only.欲实现的汽车引擎油门控制装置如图1所示，由四杆机构ABCD和平行四边形机构DEFG及油门装置组成。（一）四杆机构ABCD图 Error! Main Document Only.由平行四边形机构特征知杆CD的转角与油门开启角相同，故四杆机构ABCD两连架杆AB及CD的三对对应角3=32 º, 1=14 º 3=52 º, 1=44 º,

10、3=63 º, 1=60 º；且均为逆时针方向。因为机构按比例放大或缩小，不会改变各构件的相对长度，如取a/a=1,b/a=l,c/a=m,d/a=n。即取l、m、n及、为设计变量。按图2所示建立坐标系，并将各杆矢量向坐标轴投影：lcos2=n+mcos3+-cos1+lsin2=msin3+-sin1+(1-1)为消去未知角2，将式(1-1)两端各自平方后相加，经整理可得cos1+= mcos3+-mncos3+-1-+(m2+n2+1-l2)/(2n)令P0=m,P1=-mn,P2=(m2+n2+1-l2)/(2n),则上式化简为cos(1+)= P0cos3+P1co

11、s3+-1-+P2（1-2）根据设计要求，有三组对应位置关系，即3=32 º, 1=14 º 3=52 º, 1=44 º, 3=63 º, 1=60 º，将其代入式（1-2）得cos(14°+ )P0cos(32°+ +P1cos(32°+ -14°- )+P2,cos(44°+ )P0cos(52°+ )+P1cos(52°+ -44°- )+P2,cos(60°+ )P0cos（63°+ ）+P1cos(63°+ -16

12、0°- )+P2解上述方程组，得令=10°，=-10°，则P0=1.7725,P1=-0.9998，P2=0.3251 由P0=m,P1=-mn,P2=(m2+n2+1-l2)/(2n)，得m= P0, n=-(P0/P1), l=± P1将P0=1.7725,P1=-0.9998，P2=0.3251带入上式，得m=1.86185,n=2.34128,l=3.16738,m=1.86185,n=2.34128,l=-3.16738根据假设，a/a=1,b/a=l,c/a=m,d/a=n，取d=120，得a（CD）=51.2541, b（BC）=-162.

13、341, c（AB）=95.4275, d（AD）=120（二）确定杆AB和CD的装配角度由图3中几何关系知，1=3+2=180°-1-根据设计要求，杆MAB、CDE、GF的极限转角已知，当MAB逆时针转至极限时，3=63°，=-10°，=45°， =10°，1=60°，=0所以，1=98°，2=110° (三)确定油门踏板图 Error! Main Document Only.油门踏板按下图3简化（将踏板处的高副用低副替换）以O点为坐标原点建立坐标系，图 Error! Main Document Only.列出向

14、量表达式OI+IM-MA=OM即OIi(1-0)+IMi2-MAi(3+0)=OAi4设OI=1，IMOI=l,MAOI=m,OAOI=n带入已知条件并用欧拉公式化简cos1-0+lcos2-mcos3+0=ncos45°sin1-0+lsin2-msin3+0=nsin45°消去2，并带入已知的三组角度5°，32°；15°，52°；20°，63°得到一组方程(-n2+mCos18°-32°+Sin25°+5°)2+14(2n+2Cos25°+5°+2mS

15、in18°-32°)2=l2-n2+mCos18°-52°+Sin25°+15°2+142n+2Cos25°+15°+2mSin18°-52°2=l2(-n2+mCos18°-63°+Sin25°+20°)2+14(2n+2Cos25°+20°+2mSin18°-63°)2=l2解得m=2.05567,n=1.91547,l=1.1402或m=2.05567,n=1.91547,l=-1.1402即IM=1.1402

16、OI,MA=2.05567OI,OA=1.91547OI具体长度应根据实际确定。三、结构分析(一)机构运动简图如下图所示图 Error! Main Document Only.（二）机构自由度由1中机构运动简图知，该机构中：活动构件数n=6,高副数Ph=1,低副数Pl=8，其机构自由度F=3×n-2×Pl+Ph=3×6-2×8+1=1“高副低代”后，活动构件数n=7,高副数Ph=0,低副数Pl=10，其机构自由度F=3×n-2×Pl+Ph=3×7-2×10+0=1（三）机构组成去除原动件OM，从远离原动件的构件开始

17、拆杆组，如图8所示：图 Error! Main Document Only.拆分后易知，该机构可拆分为3个二级杆组，故为二级机构。四、运动分析（一）踏板依图4列向量方程，利用欧拉公式化简cos0-1+lcos2-mcos3+0=ncos45°sin0-1+lsin2-msin3+0=nsin45°消去2，并化简得到3与1的关系式，做出图象图 7同理可得2与1的关系图象图 8（二）四杆机构ABCD图 Error! Main Document Only.由图5知，杆MAB和原动件OM在M点的速度大小相等，AM=AB，DC=DE。由上面的分析我们知道，MA与AB转动角度相同，而且

18、踏板与MA的角度关系基本呈线性，如图7。因此在后面的分析中可将AB看作原动件。建立直角坐标系，并将各杆表示为矢量(如图9)。1.位置分析在图9所示的封闭矢量多边形中，l1+l2-l3-l4=0 (1-3)将式(1-3)改写并表示为负数矢量形式：l1ei1+l2ei2=l4+l3ei3(1-4)对式(1-4)应用欧拉公式：l1cos1+l2cos2=l4+l3cos3l1sin1+l2sin2=l3sin3 (1-5)求3时，应将2消去l22=Cos12l12+Sin12l12-2Cos1Cos3l1l3-2Sin1Sin3l1l3+Cos32l32+Sin32l32-2Cos1l1l4+2Co

19、s3l3l4+l42整理简化A*Sin3+B*Cos3+C=0其中：A=2Sin1l1l3B=2l3(l1Cos1-l4)C=l22-l12-l32-l42+2Cos1l1l4应用Mathematica运算3 =ConditionalExpressionArcTan-BC-A4+A2B2-A2C2A2+B2,-C+B2CA2+B2+B-A2(-A2-B2+C2)A2+B2A+2C1,C1Integers3 =ConditionalExpressionArcTan-BC+A4+A2B2-A2C2A2+B2,-C+B2CA2+B2-B-A2(-A2-B2+C2)A2+B2A+2C1,C1Integ

20、ers 由上述计算结果可知，3有两个符合条件的解同理可得2Cos12l12+Sin12l12+2Cos1Cos2l1l2+2Sin1Sin2l1l2+Cos22l22+Sin22l22-2.Cos1l1l4-2.Cos2l2l4+1.l42=l32整理简化A*Cos2+B*Sin2-C*Cos2+D=0其中A=2l1l2cos1,B=2l1l2sin1,C=2l2l4,D=l12+l42-l32-2l2l4cos1.解得2 =ConditionalExpressionArcTan-AD+CD-A2B2+B4-2AB2C+B2C2-B2D2A2+B2-2AC+C2,1B(-D+A2DA2+B2-

21、2AC+C2-2ACDA2+B2-2AC+C2+C2DA2+B2-2AC+C2+AA2B2+B4-2AB2C+B2C2-B2D2A2+B2-2AC+C2-CA2B2+B4-2AB2C+B2C2-B2D2A2+B2-2AC+C2)+2C1,C1Integers,2 =ConditionalExpressionArcTan-AD+CD+A2B2+B4-2AB2C+B2C2-B2D2A2+B2-2AC+C2,1B(-D+A2DA2+B2-2AC+C2-2ACDA2+B2-2AC+C2+C2DA2+B2-2AC+C2-AA2B2+B4-2AB2C+B2C2-B2D2A2+B2-2AC+C2+CA2B2

22、+B4-2AB2C+B2C2-B2D2A2+B2-2AC+C2)+2C1,C1Integers将各杆长度带入上式得到2，3与1的关系式根据计算得到两组对应关系，绘制关系曲线图 Error! Main Document Only.图 Error! Main Document Only.2.速度分析将式（1-4）对时间t求导i1l1ei1+i2l2ei2=il33ei3 即 l11ei1+l22ei2=l33ei3 (1-6)对式(1-6)应用欧拉公式l11cos1+l22cos2=l33cos3l11sin1+l22sin2=l33sin3解得2=-Cos3Sin1l11-Cos1Sin3l11

23、Cos3Sin2-Cos2Sin3l2,3=Sec3(-Cos2Sin1l11+Cos1Sin2l11)l3(Sin2-Cos2Tan3)带入各杆长度并化简，然后将2，3用含1的表达式表示，化简后得到2，3与1和1的函数关系式，设1为1，可得2，3与1的关系图 10图 Error! Main Document Only.图 Error! Main Document Only.式，绘制关系曲线3.加速度分析将式(1-6)对时间t求导，il112ei1+l22ei2+il222ei2=l33ei3+il332ei3 即l112Cos1+l2*2*Sin2+l2*22*Cos2=l3*3*Sin3+

24、l3*32*Cos3-l1*12*Sin1+l2*2*Cos2-l2*22*Sin2=l3*3*Cos3-l3*32*Sin3解得设原动件加速度已知，将各杆长度、角度和角速度等已知量带入上述表达式中，运算得到加速度与原动件角度1的关系表达式，分析绘制得到如下关系曲线图 Error! Main Document Only.图 15（三）平行四边形机构由平行四边形机构的特点可知，杆DE和FG具有相同的运动规律，再由CD杆和DE杆固定为统一构件，因此杆DE和GF与杆CD运动规律相同，EF平行于机架平动，具有水平方向的速度和加速度。绘制杆DE的角速度4、加速度4与1的关系曲线图 Error! Main Document Only.图 Error! Main Document Only.五、仿真实现（一）仿真软件SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Soli