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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的控制正從機械控制向電子控制時期發(fā)展，電子技術(shù)在現(xiàn)代汽車中得到廣泛應(yīng)用。本實驗臺研發(fā)設(shè)計的目的是輔助汽車教學，方便學生了解汽車電控系統(tǒng)與單片機控制技術(shù)相結(jié)合的原理，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。實驗臺的制作以從威馳發(fā)動機上所采的數(shù)據(jù)流為依據(jù), 對豐田系列車型具有針對性。
設(shè)計的主要特點是信號控制，通過在傳感器與ECU之間設(shè)置開關(guān)，用于控制傳感器信號,從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)信號測試分析。形象直觀發(fā)動機艙內(nèi)安裝了儀表，控制柜上有數(shù)據(jù)顯示，車門剖面結(jié)構(gòu)緊湊，功能演示形象直觀。實驗臺的主要功能是可以檢測汽車電腦是否正常工作，并且可以用專用診斷儀器讀取有關(guān)數(shù)據(jù)流，查找汽車電腦的故障?？梢阅M發(fā)動機電控燃油噴射、點火，滿足汽車實驗教學要求，操作簡便。
關(guān)鍵詞：電子控制；信號模擬；電控燃油噴射；剖面；傳感器
ABSTRACT
Along with the development of automobile industry, the control of automobile is developing from the mechanical-controlled to electronic-controlled period, Singlechip Electrical technology gets extensive application in modern automobile. The researching and development purpose of the experiment table is to assist teaching, it will make students convenient to know about the principle of mutual interlock between automobile electronic-controlled system and Singlechip controlled technology. It also can culture students’ ability of engineering practice. The development of the experiment table is according to the data stream that received from the VIOS engine, and it directed towards Toyota automotive type
Main feature is signal imitation the sensor and ECU provided between the sensor used to control signals, testing analysis. the signal control system,visualizestart within the cabin, there is information on the control cabinet, according to the door of its compact structure, functions, visual in image shows.major function is it can not only check that whether the ECU is working normally or not but also read correlative data stream by special diagnosis instruments. Moreover, it can find ECU’s faults.it can imitate electronic-controlled fuel oil injection and ignition as the engine and its operation is simple. so it can meet the needs of teaching.
Key word: Electronic-controlled；Signal imitation；Electronic-controlled fuel oil injection；Section；Sensors
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1引言 1
1.2課題研究的背景與意義 1
1.3 主要研究內(nèi)容 2
第2章汽車電控系統(tǒng)的應(yīng)用及故障診斷原理……………………………..…….3
2.1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展 3
2.2 現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的應(yīng)用 3
2.2.1 發(fā)動機功率和排放的閉環(huán)控制系統(tǒng) 4
2.2.2 汽油機電子綜合控制系統(tǒng) 4
2.3 國內(nèi)外汽車電子系統(tǒng)的研究狀況 4
2.4故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢 6
2.5故障診斷系統(tǒng)的原理 7
2.5.1發(fā)動機控制柜的工作流程 7
2.5.2基本組成與原理 7
2.5.3電子控制燃油噴射的基本原理 8
2.5.4 電子控制燃油噴射系統(tǒng)的組成 9
2.6點火系的組成及原理 11
2.7 故障診斷原理 12
2.7.1傳感器的故障診斷 12
2.7.2執(zhí)行器的故障診斷 12
2.7.3線路故障診斷 12
2.8 發(fā)動機控制柜的功能要求 13
2.9發(fā)動機控制柜的工作原理及過程 13
2.10本章小結(jié) 14
第3章 豐田轎車發(fā)動機控制柜設(shè)計 14
3.1 總體方案的確定 14
3.1.1 威馳車型的選擇 15
3.1.2 控制柜總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 15
3.1.3 控制柜整體結(jié)構(gòu)校核 16
3.2 控制柜的制作 19
3.2.1 臺架的焊接 19
3.2.2 控制面板的制作 19
3.2.3組件的安裝 21
3.2.4 實驗臺的整體合理性 21
3.3 線路連接轉(zhuǎn)換頭的設(shè)計 22
3.3.1 針孔的布置 22
3.3.2 駕駛員座椅底部航空接頭布置 22
3.3.3 航空接頭的用途 23
3.4 實驗臺電路設(shè)計 23
3.5控制柜的作用 24
3.6本章小結(jié) 24
第4章 工作數(shù)據(jù)顯示設(shè)計 25
4.1數(shù)據(jù)采集和分析 25
4.1.1 數(shù)據(jù)流的采集 25
4.1.2 數(shù)據(jù)流的分析 26
4.2顯示控件設(shè)計 28
4.2.1 儀表設(shè)計 28
4.2.2 轉(zhuǎn)接板設(shè)計 28
4.2.3 顯示功能 29
4.3本章小結(jié) 29
第5章 威馳轎車教學剖面設(shè)計 30
5.1 總體方案的確定 30
5.1.1 剖面位置的選擇 30
5.1.2 剖面結(jié)構(gòu)的設(shè)計 30
5.2 汽車部件解剖 31
5.2.1 整車棚頂?shù)那懈?31
5.2.2 整車剖面的示教功能 31
5.2.3 車門的解剖 31
5.2.4 車門剖切的工藝及方法 32
5.2.5 車門剖面的示教功能 32
5.3 本章小結(jié) 33
結(jié) 論……………………………………………………………………………………………………………………………..……34
參考文獻 35
致 謝 36
附 錄 37
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計
第1章 緒 論
1.1引言
教學改裝是迅速發(fā)展起來的一門新興學科，隨著教學改裝的理論方法和應(yīng)用技術(shù)的研究和深入以及計算機技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算機對實際系統(tǒng)或假想的的系統(tǒng)進行仿真的技術(shù)越來越受到人們的重視?？偨Y(jié)和回顧系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用歷史，系統(tǒng)仿真技術(shù)不僅在航天，航海，原子能，電力等領(lǐng)域進一步提高了應(yīng)用水平，而且逐步發(fā)展到應(yīng)用于社會，經(jīng)濟，交通，生態(tài)系統(tǒng)等各個領(lǐng)域，已成為高科技產(chǎn)品從論證，設(shè)計，生產(chǎn)試驗，訓練到更新等生命周期各個階段不可缺少的技術(shù)手段，為研究和解決復雜的系統(tǒng)問題提供了有效的工具。
1.2課題研究的背景與意義
近20多年來，隨著計算機和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車工業(yè)和汽車技術(shù)取得了長足進步。采用電子技術(shù)已經(jīng)成為解決汽車質(zhì)量與性能諸多問題中的最佳方案。應(yīng)用微機控制發(fā)動機的噴油與點火就是為了適應(yīng)社會對汽車排放法規(guī)與節(jié)能的要求。目前，多數(shù)轎車都已裝用發(fā)動機管理系統(tǒng)，對發(fā)動機各個系統(tǒng)進行綜合控制發(fā)動機的控制已由早期的模擬裝置發(fā)展成為微機控制的數(shù)字控制系統(tǒng)。在發(fā)動機管理系統(tǒng)中，微機不僅控制點火定時與噴油系統(tǒng)的空然比，還控制怠速轉(zhuǎn)速，爆燃，增壓壓力，近期和廢棄再循環(huán)以及變速器傳動諸多方面，還增加了自診斷系統(tǒng)，后備系統(tǒng)與保護裝置，提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性。
現(xiàn)代汽車工業(yè)已經(jīng)進入成熟的發(fā)展階段，世界各大汽車制造商為進一步地爭奪汽車銷售市場，不斷加強開發(fā)投資力度，試圖以提高汽車安全性、降低能耗、改善舒適性和增加功能等來推動汽車工業(yè)向高附加值方向發(fā)展。汽車電子技術(shù)是汽車技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，汽車電子化被認為是汽車技術(shù)發(fā)展進程中的一次革命。在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，汽車已經(jīng)由單純的機械產(chǎn)品發(fā)展為高級的機電一體化產(chǎn)品，成為所謂的“電子汽車”。
汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標志。隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代汽車技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)融合在一起, 汽車已成為現(xiàn)代科技的載體和結(jié)晶。據(jù)核計，目前平均每輛車上的電子裝備已經(jīng)占到整車成本的20%-30%，在一些豪華轎車上，使用單片微型計算機的數(shù)量已經(jīng)達到50個，電子產(chǎn)品費用占到整車成本的50%以上?？梢哉f,目前電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到汽車所有的系統(tǒng)并在提高汽車的操縱性能、燃油經(jīng)濟性、可靠性和自動化程度等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在發(fā)達國家，汽車已經(jīng)進入電子時代，汽車電子控制技術(shù)已經(jīng)成為當代汽車技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注和研究的重點問題。
由此可以看出，現(xiàn)代汽車已不再是傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品，其中汽車的機械部分的發(fā)展已經(jīng)達到了極致，汽車繼續(xù)改進的空間將集中在傳統(tǒng)汽車技術(shù)和電子技術(shù)的的結(jié)合上，汽車上70%的革新來自汽車電子技術(shù)及產(chǎn)品。然而，由于汽車運行的環(huán)境多變，特別是發(fā)動機所處的環(huán)境惡劣，因此，由發(fā)動機電子控制系統(tǒng)引起的故障也相應(yīng)增多。據(jù)相關(guān)從事汽車維修多年的人員表示，現(xiàn)代汽車由于電控系統(tǒng)引起的故障大約占全車故障的70%，特別是新車。發(fā)動機電子燃油噴射是一項涉及面很廣的技術(shù)，它包括了傳感器技術(shù)、微處理技術(shù)、控制工程等多方面知識。并且，在汽車修理過程中，由于車系、車型的差別，維修人員判定傳感器元件信號及電子控制單元導致的故障很困難。這就給汽車維修和汽車教學帶來了很大的障礙。而現(xiàn)有的教學試驗臺架絕大部分仍然基于傳統(tǒng)的發(fā)動機，這是制約學生理論學習和提高實踐能力的一個重要原因。本設(shè)計通過對發(fā)動機電子控制部分實施改制，使之形成可以脫離發(fā)動機本體試驗的系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用相應(yīng)傳感器來模擬實際運行工況，實現(xiàn)故障診斷，通過故障代碼的分析，查找并排除故障。研制出一套對汽車電子控制系統(tǒng)診斷準確、操作方便、快速經(jīng)濟的故障診斷系統(tǒng)，從而把理論教學與實踐過程有機地結(jié)合起來，使理論教學更直觀，實踐過程更容易。
1.3 主要研究內(nèi)容
（1）控制柜的設(shè)計：具有較強的演示功能，可以實現(xiàn)隨車故障診斷以及針對不同電子控制系統(tǒng)元件進行信號測試；
（2）控制面板的設(shè)計：實現(xiàn)車輛控制信號測試；
（3）車用傳感器信號控制：通過對其電路ECU傳感器之間設(shè)置開關(guān)進行信號控制；
（4）實現(xiàn)相關(guān)教學功能：可以進行解剖和切割，使學生能夠直觀看到車門制造工藝、材料、機構(gòu)及裝配關(guān)系；
第2章 汽車電控系統(tǒng)的應(yīng)用及故障診斷原理
汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標志，現(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了汽車的動力性、經(jīng)濟性和安全性, 改善了行駛的穩(wěn)定性和舒適性, 推動了汽車工業(yè)的發(fā)展, 還為電子產(chǎn)品開拓了廣闊的市場, 從而推動了電子工業(yè)的發(fā)展。因此, 發(fā)展汽車電子控制新技術(shù), 加快汽車電子化速度, 是振興和發(fā)展汽車工業(yè)的重要手段。
2.1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展
世界汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程在不同的資料介紹中略有不同，但按照時間順序大致可以分為以下三個階段：
第一階段 （1960～1975年）：20世紀60年代晶體管收音機、晶體管點火裝置的實用化揭開了電子化時代的序幕，主要產(chǎn)品有交流發(fā)電機、電子電壓調(diào)節(jié)器、電子點火控制器等。1967年，德國BOSCH公司利用進氣支管絕對壓力信號和模擬計算機來控制發(fā)動機空燃比的D型燃油噴射系統(tǒng)裝配在汽車上，率先達到了當時美國加州的排放法規(guī)要求，開創(chuàng)了汽油機電子控制燃油噴射技術(shù)的新時代。
第二階段 （1975～1985年）：由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車進入了微機控制時代，汽車上廣泛應(yīng)用集成電路和16位以下的微處理器。電子控制燃油噴射裝置的功能得到進一步的擴充，在三元催化轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)中采用了氧傳感器，形成了閉環(huán)控制，顯著降低了污染。有的還采用了發(fā)動機整體控制系統(tǒng)，出現(xiàn)了無分電器的微機控制點火系統(tǒng)。其主要特點是發(fā)展專用的控制系統(tǒng)，主要產(chǎn)品有電子燃油噴射系統(tǒng)（EFI）、空燃比反饋控制系統(tǒng)、故障自診斷系統(tǒng)等。
第三階段 （1985年～現(xiàn)在）：高科技的迅速發(fā)展時期，汽車電子產(chǎn)品的研制開發(fā)競爭十分激烈，主要側(cè)重于汽車性能的進一步提高、各種功能的進一步完善及減少汽車的質(zhì)量，開始使用32位微處理器。主要產(chǎn)品有故障自診斷系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、數(shù)字式油壓表、驅(qū)動防滑系統(tǒng)等。
2.2 現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的應(yīng)用
汽車電子技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車用微型計算機的推廣使用上。雖然汽車微機控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣, 但是技術(shù)比較成熟且應(yīng)用很普遍的還是發(fā)動機控制系統(tǒng)。
2.2.1 發(fā)動機功率和排放的閉環(huán)控制系統(tǒng)
電子點火正時：電子點火正時是利用專用微機或大規(guī)模芯片實行對點火時刻的最佳控制, 它的關(guān)鍵部件是高精度曲軸位置傳感器、負荷傳感器、排氣含氧量傳感器、爆然傳感器、進排氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器等。
電子控制燃油供給系統(tǒng)。目前使用最普遍的是電子汽油噴射系統(tǒng), 其次是電子式化油器和柴油發(fā)動機的電子控制等。它們的關(guān)鍵部件除與電子點火正時系統(tǒng)相同外, 還包括進氣流量傳感器、燃油泵和噴油嘴。電子技術(shù)在發(fā)動機上的應(yīng)用往往是綜合性的, 這樣才易于降低成本, 提高性能。如日本日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)的ECCS系統(tǒng)就同時具有點火正時、汽油噴射、廢氣再循環(huán)、怠速控制系統(tǒng)及故障診斷等多種功能。
2.2.2 汽油機電子綜合控制系統(tǒng)
汽油機電子控制裝置除完成一般的電子控制汽油噴射裝置的起動噴油量控制、伺服噴油量控制、暖車工況控制外, 還能實現(xiàn)空燃比反饋控制、點火控制、排氣再循環(huán)控制和二次空氣供給控制、怠速控制等。此外, 新型汽油機電子控制裝置還裝有自適應(yīng)控制, 智能控制及故障自診斷操作等。汽油機電子綜合控制已將發(fā)動機的工作控制在最佳的運行狀態(tài)。
此外，電子技術(shù)還應(yīng)用于柴油機綜合控制系統(tǒng)、汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系、主動懸架、通訊導航、娛樂和乘坐舒適性等方面。
2.3 國內(nèi)外汽車電子系統(tǒng)的研究狀況
當前，汽車電子技術(shù)進入了優(yōu)化人-汽車-環(huán)境的整體關(guān)系的階段，它向著超微型磁體、超高效電機以及集成電路的微型化方向發(fā)展，并為汽車上的集中控制提供了基礎(chǔ)（例如制動、轉(zhuǎn)向和懸架的集中控制以及發(fā)動機和變速器的集中控制）。汽車電子技術(shù)成就汽車工業(yè)的未來，未來汽車電子技術(shù)應(yīng)在以下幾方面進行突破。?
1．傳感器技術(shù)?
由于汽車電子控制系統(tǒng)的多樣化，使其所需要的傳感器種類和數(shù)量不斷增加。為此，研制新型、高精度、高可靠性和低成本的傳感器是十分必要的。未來的智能化集成傳感器，不僅要能提供用于模擬和處理的信號，而且還能對信號作放大和處理。同時，它還能自動進行時漂、溫漂和非線性的自校正，具有較強的抵抗外部電磁干擾的能力，保證傳感器信號的質(zhì)量不受影響，即使在特別嚴酷的使用條件下仍能保持較高的精度。它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便的優(yōu)點，從而免受機械特性的影響。?
2．微處理機技術(shù)?
微處理機的出現(xiàn)給汽車儀表帶來了革命性的變化，世界汽車工業(yè)的微處理機用量激增，由從前單一的儀器逐步發(fā)展為多用途、智能化儀表，不但可以很精確地把汽車上所有的待測量都檢測出來，分別顯示和打印需要的結(jié)果，而且還有運算、判斷、預測和引導等功能。如可監(jiān)視汽車各大部件的工作情況，還可以對蓄電池電壓、輪胎氣壓、車速等檢測量的高低限量進行報警。微處理機將更廣泛地應(yīng)用于安全、環(huán)保、發(fā)動機、傳動系、速度控制和故障診斷中。?
3．軟件新技術(shù)應(yīng)用?
隨著汽車電子技術(shù)應(yīng)用的增加，對有關(guān)控制軟件的需求也將會增加，并可能要求進一步計算機聯(lián)網(wǎng)。因此，要求使用多種軟件，并開發(fā)出通用的高水平語言，以滿足多種硬件的要求。轎車上多通道傳輸網(wǎng)絡(luò)將大大地依賴于軟件，軟件總數(shù)的增加及其功能的提高，將能夠使計算機能完成越來越復雜的任務(wù)。?
4．智能汽車及智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究及應(yīng)用?
汽車智能化相關(guān)的技術(shù)問題已受到汽車制造商們的高度重視。其主要技術(shù)中“自動駕駛儀”的構(gòu)想必將依賴于電子技術(shù)實現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)（ITS）的開發(fā)將與電子、衛(wèi)星定位等多個交*學科相結(jié)合，它能根據(jù)駕駛員提供的目標資料，向駕駛員提供距離最短而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線。它裝有電子地圖，可以顯示出前方道路、并采用衛(wèi)星導航。從全球定位衛(wèi)星獲取沿途天氣、車流量、交通事故、交通堵塞等各種情況，自動篩選?出最佳行車路線。未來的某天，路上行駛的都會是由計算機控制的智能汽車。?
5．多通道傳輸技術(shù)?
多通道傳輸技術(shù)由試驗室將逐步進入實用階段。采用這種技術(shù)后，使各個數(shù)據(jù)線成為一個網(wǎng)絡(luò)，以便分離汽車中心計算機的信息。微處理機可通過網(wǎng)絡(luò)接收其它單元的信號。傳感器和執(zhí)行機構(gòu)之間要有一個新式接口，以便與多通道傳輸系統(tǒng)相聯(lián)系。?
6．數(shù)據(jù)傳輸載體方面的電子新技術(shù)應(yīng)用?
汽車電子技術(shù)未來將實現(xiàn)整車控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)要求有一個龐大而復雜的信息交換與控制系統(tǒng)，車用計算機的容量要求更大，計算速度則要求更高。由于汽車用計算機控制系統(tǒng)的數(shù)量日益增多，采用高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)日益顯得必要。光導纖維可為此傳輸網(wǎng)絡(luò)提供傳輸介質(zhì)，以解決電子控制系統(tǒng)防電磁干擾的問題。?
7．汽車車載電子網(wǎng)絡(luò)?
隨著電控器件在汽車上越來越多的應(yīng)用，車載電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要。以分布式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)造汽車車載電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是很有必要的。大量數(shù)據(jù)的快速交換、高可靠性及價廉是對汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求。在該系統(tǒng)中，各從處理機獨立運行，控制改善汽車某一方面的性能。同時在其它處理機需要時提供數(shù)據(jù)服務(wù)。主處理機收集整理各從處理機的數(shù)據(jù)，并生成車況顯示。通信控制器保證數(shù)據(jù)的正常流動。?
此外，電子技術(shù)中的集成化制造技術(shù)等在未來幾年內(nèi)也將會有大的突破。?
隨著汽車性能和結(jié)構(gòu)的不斷改進和提高，特別是近年來電子技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，自動控制項目越來越多。汽車電子控制技術(shù)就是在傳統(tǒng)汽車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用電子技術(shù)逐步改進和完善，增加了一些新的功能。其功用一方面是提高原機械零件的工作性能及可靠性；另一方面是隨著人們對汽車整體性能要求的提高，而實現(xiàn)更加豪華、先進、舒適和安全的要求。隨著人們對汽車所造成的環(huán)境污染、交通安全問題越來越多的重視，現(xiàn)代汽車正朝著更加節(jié)能、低污染、安全系數(shù)高的方向發(fā)展，同時也使汽車發(fā)動機控制的開發(fā)轉(zhuǎn)向電子化、自動化和智能化。由于汽車電子設(shè)備數(shù)量的不斷增加和更新?lián)Q代，現(xiàn)代汽車用電腦來完成各種電子控制計算、顯示等多功能。因此，發(fā)動機控制電子化、數(shù)字化、智能化、個性化是汽車的發(fā)展趨勢。
2.4故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，一些新的科學分支的出現(xiàn)和發(fā)展及其在設(shè)備故障診斷中的成功應(yīng)用，為汽車故障診斷技術(shù)的發(fā)展開拓了新的途徑。由于汽車電子化的趨勢是從整體上來設(shè)計全車的控制系統(tǒng)，因此，現(xiàn)代故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)正向著故障專家系統(tǒng)、人工智能故障診斷系統(tǒng)方面發(fā)展，開發(fā)要求是：具有在線更新自診斷功能、故障預測功能、自我保護功能，并且還可以實現(xiàn)在線信息資源的交流與共想。
故障診斷(Diagnostics)，是指確定故障的起因，即在不拆卸發(fā)動機本體或僅拆下個別零件的條件下，查找故障零件部位和查明故障原因的過程。診斷技術(shù)，是指能用于發(fā)現(xiàn)和分析故障元件及故障區(qū)域的技術(shù)。按故障診斷技術(shù)從無到有，與電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展水平相對應(yīng)的診斷技術(shù)可分為人工經(jīng)驗診斷、簡單儀器診斷、精密監(jiān)測診斷和人工智能診斷四個階段。
人工經(jīng)驗診斷：20世紀50年代以前，發(fā)動機結(jié)構(gòu)較簡單，電控燃油噴射系統(tǒng)還沒有應(yīng)用于汽車發(fā)動機，通過簡單的測試儀表，如轉(zhuǎn)速表、氣壓表、真空表電壓表、電流表等，或者是判定發(fā)動機是否有異響、是否過熱、有異味等情況。再依靠人工經(jīng)驗來完成對的發(fā)動機故障診斷工作。目前，人工經(jīng)驗診斷方法對某些復雜故障的診斷仍十分有效。
簡單儀器診斷：20世紀50年代初至70年代末，由于汽油噴射系統(tǒng)開始應(yīng)用于汽車發(fā)動機，傳感器、微處理器技術(shù)、控制工程技術(shù)也隨之在汽車發(fā)動機上得到應(yīng)用。因此，在汽油噴射系統(tǒng)故障診斷過程中就必須借助相關(guān)傳感器、微處理器及示波器等儀器設(shè)備對發(fā)動機的工況進行檢測，以判定其工作性能的好壞。
精密監(jiān)測診斷：20世紀80年代初至90年代初，電子技術(shù)的進步，對電控燃油噴射系統(tǒng)的控制內(nèi)容更加全面，控制程度更加精確。隨之，以計算機技術(shù)為核心的各種精密診斷設(shè)備得到了快速的發(fā)展，對電控發(fā)動機故障診斷的準確率也有了很大提高。如各種發(fā)動機分析儀、點火正時儀、電腦檢測儀以及各種電子化檢測儀表等都是進行精密檢測所必備的儀器。
人工智能診斷：20世紀90年代開始，由于汽車電控燃油噴射技術(shù)的不斷完善，而且車型及其控制技術(shù)又不盡相同。因此，在汽車維修中，故障診斷就成為關(guān)鍵性問題。應(yīng)用人工智能理論與技術(shù)以及現(xiàn)代的信息技術(shù)開發(fā)出的各種故障系統(tǒng)將有助于電控燃油噴射系統(tǒng)故障診斷問題的解決。
綜上所述，當汽車大量采用電子元件及其計算機控制技術(shù)后，其產(chǎn)品本身的質(zhì)量、安全性、排放性和舒適性得到了提高。同時，當汽車出現(xiàn)故障時，也毫無疑問地帶來了故障診斷復雜化等新問題，給汽車故障診斷和維修工作帶來了越來越多的困難，對汽車維修技術(shù)人員的要求越來越高。這就對汽車的現(xiàn)代化保養(yǎng)與快速檢測、診斷、維修提出了新的課題。
2.5故障診斷系統(tǒng)的原理
該系統(tǒng)是一種硬件在線實時技術(shù)，通過外設(shè)從而模擬整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。應(yīng)用開關(guān)仿真研究汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)能大大加快產(chǎn)品設(shè)計速度，降低成本。本文的目的就是驗證發(fā)動機電子控制控制用的邏輯、算法以及確定各種控制參數(shù)，模擬發(fā)動機外部物理環(huán)境來調(diào)試、檢測發(fā)動機性能。
2.5.1發(fā)動機控制柜的工作流程
用戶在進行實物故障診斷時，對其外部總體設(shè)計，對其控制面板、顯示模塊，外部插頭、航空接頭及對其內(nèi)部電路布線設(shè)計。對其要求布局合理，演示直觀，最后確定模型。
2.5.2基本組成與原理
發(fā)動機控制柜由箱體、插頭面板、開關(guān)面板、顯示面板、航空接頭及支架組成，通過在其內(nèi)部配置ECU及合理的布線，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)信號測試分析
（1）ECU
ECU是實時仿真系統(tǒng)的核心部分，它運行實體對象和仿真環(huán)境的模型和程序。一般來說，采用層次化、模塊化的建模法，將模塊化程序劃分為不同的速率塊，在仿真計算機中按速率塊實時調(diào)度運行。
（2）物理效應(yīng)設(shè)備
物理效應(yīng)設(shè)備的作用是模擬復現(xiàn)真實世間的物理環(huán)境，形成仿真環(huán)境或成為虛擬環(huán)境。物理效應(yīng)設(shè)備實現(xiàn)的技術(shù)途徑多種多樣。
（3）接口設(shè)備
仿真計算機輸出的驅(qū)動信號經(jīng)變換后驅(qū)動相應(yīng)的物理效應(yīng)設(shè)備。接口設(shè)備同時將操作人員或?qū)嵨锵到y(tǒng)的控制輸入信號到仿真計算機。
2.5.3電子控制燃油噴射的基本原理
由內(nèi)燃機原理知，汽油和空氣必須按一定比例組成的混合氣進入氣缸后，才能容易點燃和完全燃燒。理論上完全燃燒一定量的汽油所需的空氣量，可以用化學當量比進行計算。按質(zhì)量計，對汽油來說，空氣與汽油的比例為14.7：1。
一般用α表示過量空氣系數(shù)，即：
α=
α=1時稱為標準混合氣，α﹤1稱為濃混合氣，α﹥1稱為稀混合氣。
電子控制汽油噴射裝置（EFI），就是利用計算機準確地控制發(fā)動機所需的燃油量，保證發(fā)動機在各種工況下的混合氣的空燃比都在規(guī)定的范圍之內(nèi)?？刂破骶C合各種不同傳感器送來的信息作出判斷，控制噴嘴以一定的壓力，正確、迅速地把燃油噴射到發(fā)動機進氣歧管里，與吸入的空氣混合后，進入發(fā)動機氣缸，同時配合電子控制點火在最佳時刻點燃可燃混合氣。圖3.1所示是電子控制燃油噴射系統(tǒng)的基本原理圖。
汽 油 泵
噴 油 嘴
壓力調(diào)節(jié)器
汽 油 箱
發(fā) 動 機
傳 感 器
控 制 器
圖2.1 電子控制汽油噴射的基本原理方框圖
2.5.4 電子控制燃油噴射系統(tǒng)的組成
電控汽油噴射系統(tǒng)主要由燃油供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。
1、燃油供給系統(tǒng)
燃油供給系統(tǒng)的作用是將燃油從油箱中吸出，經(jīng)過加壓濾清后由噴嘴向發(fā)動機缸體中噴射。主要由汽油箱、汽油濾清器、電動汽油泵、壓力調(diào)節(jié)器、電磁噴油器等組成。
汽油在電動汽油泵的壓力作用下從油箱中泵出，再經(jīng)濾清器除去氧化鐵、粉塵等固體夾雜物后由燃油管輸送到壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)油壓，使燃油壓力始終高于進氣管壓力約0.3Mpa,然后經(jīng)汽油分配管送給各缸電磁噴油器，電磁噴油器根據(jù)發(fā)動機控制單元的指令將汽油適時地噴入進氣管中。
2、空氣供給系統(tǒng)
空氣供給系統(tǒng)的任務(wù)是按發(fā)動機各工況的需要，適時地提供足夠的空氣，并測量進入氣缸的空氣量?？諝饬渴怯呻娍貑卧ㄟ^進氣壓力傳感器測出的壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器測出的曲軸轉(zhuǎn)速計算求得。它主要由空氣濾清器、空氣流量計、節(jié)氣門控制單元、進氣歧管等組成。
發(fā)動機從外界吸入的空氣，經(jīng)空氣濾清器除去雜質(zhì)后，再由節(jié)氣門根據(jù)相關(guān)工況對其進氣量進行控制，將足夠的空氣量通過進氣歧管與燃油混合后或直接送入發(fā)動機。
3、控制系統(tǒng)的組成和控制原理
控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)發(fā)動機工況和車輛運行狀況確定汽油的最佳噴射量和噴射時刻，使發(fā)動機即可獲得較大的動力，又可具備良好的經(jīng)濟性，同時又能滿足排放的要求。該系統(tǒng)主要由ECU、傳感器和執(zhí)行器組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
傳感器
I/O
CPU
存儲器
執(zhí)行器
模
擬
信
號
數(shù)
字
信
號
輸出回路
轉(zhuǎn)換器
輸入信號
輸入信號
ECU
圖2.2 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
電子控制單元是電子控制系統(tǒng)的核心部件，它主要由輸入回路、A/D轉(zhuǎn)換器、微型計算機和輸出回路等四部分組成。其基本功能如下：
(1)給傳感器提供基準電壓，將所需輸出的信息轉(zhuǎn)變成控制單元所能接受的信號；
(2)接受傳感器或其他裝置輸入的各種信息；
(3)進行存儲、計算、分析處理信息；存儲該車的特征參數(shù)；計算出輸出值；存儲運算中的數(shù)據(jù)；存儲故障信息；
(4)運算分析。根據(jù)信息參數(shù)求出執(zhí)行命令數(shù)值，并將輸出信息與標準值比較；
(5)輸出執(zhí)行命令，把弱信號變?yōu)閺姷膱?zhí)行命令；
(6)自我修正、自我保護和自診斷功能；
微機利用數(shù)字控制，能在較短的時間內(nèi)處理很多信號，且具有上述功能，能夠進行高精度的發(fā)動機控制。
進氣溫度傳感器：它是一個負溫度系數(shù)電阻，即溫度升高阻值下降。它安裝于進氣管道上，是檢測發(fā)動機吸入空氣的溫度的傳感器。由于吸入空氣溫度的變化會引起空氣密度發(fā)生變化，因此需要進行燃油噴射量修正。將進氣溫度轉(zhuǎn)變成電信號，送給控制單元，用于各種控制功能的修正。如果該信號中斷，控制單元將啟用一個替代值，但不能準確感知進氣溫度，會導致熱啟動困難，排放升高等故障。
冷卻水溫傳感器也是一個負溫度系數(shù)電阻，它安裝在發(fā)動機節(jié)溫器處，直接與發(fā)動機冷卻水接觸。溫度越低阻值越大，并將冷卻液溫度的高低，轉(zhuǎn)變成電信號，輸出給電控單元，從而控制供油加濃量、點火正時和怠速轉(zhuǎn)速。該信號是一個較重要的修正信號，如果該信號中斷，控制單元將啟用一個替代值，但不能準確感知冷卻水溫度，將會導致發(fā)動機冷熱啟動困難、油耗增加、怠速自適應(yīng)差、排放升高等故障。
空氣流量計：空氣流量計安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來精確地測定吸入發(fā)動機中的空氣量的多少，作為決定基本噴油量的參數(shù)，確保發(fā)動機在各種工況下都能獲得最佳的空燃比。根據(jù)測量原理不同，可分為葉片式、卡門渦流式、熱線式和熱膜式等幾種。當它出現(xiàn)故障時，可能導致發(fā)動機功率下降、運轉(zhuǎn)不穩(wěn)、油耗增加等故障。
節(jié)氣門位置傳感器：節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門體上，是檢測節(jié)氣門開度的傳感器，有線性輸出型和開關(guān)量輸出型兩種形式。它把節(jié)氣門打開的角度轉(zhuǎn)換成電壓信號送到ECU，在節(jié)氣門不同開度下進行油量控制，怠速觸點信號用于斷油控制和點火提前角的修正。
氧傳感器：氧傳感器安裝在三元轉(zhuǎn)化器前面和排氣支管或排器管內(nèi)，用來檢測排氣中的氧含量，以確定實際空燃比與理論空燃比相比是稀還是濃，并向ECU反饋相應(yīng)的電壓信號，ECU根據(jù)此信號，控制噴油量的增加或減少，從而實現(xiàn)空燃比反饋控制。癢傳感器有氧化鋯和氧化鈦兩種，當它出現(xiàn)故障時，發(fā)動機的排放會增加。
執(zhí)行器有主繼電器和短路繼電器，用來控制系統(tǒng)和燃油泵的電源。
2.6點火系的組成及原理
現(xiàn)代汽車中的普遍使用了電子點火系統(tǒng)，使點火時間的控制精度和可靠性發(fā)生了巨大的變化。電子點火系統(tǒng)主要有三大部分組成：檢測發(fā)動機運行狀況的傳感器；處理信號并發(fā)出工作指令的ECU；執(zhí)行ECU指令的執(zhí)行器，包括點火器、點火線圈、分電器和火花塞等等。
發(fā)動機工作期間，各種傳感器分別將每瞬間發(fā)動機曲軸位置和轉(zhuǎn)速、負荷（進氣歧管壓力）以及冷卻水溫度等工況信號輸入ECU中。CPU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負荷信號，在存儲器ROM中檢查到與發(fā)動機所處工況下對應(yīng)的最佳基本點火提前角和初級線圈通電時間（閉合角），并根據(jù)冷卻水溫度等信號查出相應(yīng)的點火提前角修正值。據(jù)此，由CPU計算出最佳的點火提前角，再根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角和曲軸位置傳感器判別出曲軸位置、轉(zhuǎn)角及第幾缸處于壓縮上止點，向點火器發(fā)送點火正時信號，按所需的通電時間，先控制功率三極管接通點火線圈電路，經(jīng)一段最佳通電時間，使一次電流達到飽和后，再切斷初級線圈電路，在次極線圈中感應(yīng)產(chǎn)生高壓電，直接送往相應(yīng)的火花塞，點燃混合氣。
在點火控制系統(tǒng)中，采用爆震傳感器來檢測發(fā)動機有無爆燃現(xiàn)象，并將信號送入發(fā)動機電子控制單元，從而對點火提前角進行修正，實現(xiàn)對點火時刻的閉環(huán)控制，有效地抑制了發(fā)動機爆燃現(xiàn)象的發(fā)生。
2.7 故障診斷原理
電子控制系統(tǒng)正常工作時，ECU輸入、輸出信號的電平都是在規(guī)定的范圍內(nèi)變動。當某信號一段時間內(nèi)不變化或超出規(guī)定范圍時，故障自診斷系統(tǒng)就會判定為該信號的元件或電路出現(xiàn)故障，并把這一故障以代碼的形式存入內(nèi)部存儲器，同時點亮儀表盤上的故障指示燈。
2.7.1傳感器的故障診斷
各種傳感器正常工作時，其輸入ECU的信號數(shù)值都是在一定范圍內(nèi)變化的。
當某一傳感器電路出現(xiàn)超出規(guī)定的信號時，ECU就判定為該電路或傳感器信號發(fā)生故障。例如冷卻液溫度信號，當傳感器值異?；虿荒茏R別時，ECU就可判定冷卻液溫度傳感器出現(xiàn)故障。冷卻液溫度傳感器正常工作時，其輸出電壓值在0.1～4.8V之間變化；如果輸出電壓低于0.1V（相當于冷卻液溫度高于139℃）或高于4.8V（相當于冷卻液溫度低于-50℃），CEU檢測到電壓值超出規(guī)定范圍時，既判定為冷卻液溫度傳感器短路或斷路。
2.7.2執(zhí)行器的故障診斷
ECU向執(zhí)行器發(fā)出指令信號，如果沒有來自執(zhí)行器的信號信息，則顯示執(zhí)行器故障。因此，在故障診斷時，常需要增加專用回路來監(jiān)測執(zhí)行器的工作信息。例如：當點火回路中的大功率晶體管不能正常工作時，點火器內(nèi)的點火監(jiān)視器回路就不能把大功率晶體管正常工作信號輸送給控制發(fā)動機的ECU。如果ECU得不到點火器的監(jiān)控信號，就判定點火系發(fā)生故障。此時，ECU立即采取措施，使噴油器停止燃油噴射。
如果由于某種原因偶爾出現(xiàn)一次不正常信號，ECU并不會判定為故障。只有當不正常的信號持續(xù)一定時間或多次出現(xiàn)時，ECU才判定為故障。
2.7.3線路故障診斷
故障信號的出現(xiàn)，不僅與傳感器或執(zhí)行器本身有關(guān)，還可能與出現(xiàn)故障的整個電路有關(guān)，而ECU在故障診斷系統(tǒng)判定故障時，只是提供了故障的性質(zhì)和范圍，要最后確定故障的原因，還應(yīng)進一步檢查配線、插頭、ECU和相關(guān)元件，才能準確地找到出現(xiàn)故障的具體位置，從而排除故障。
2.8 發(fā)動機控制柜的功能要求
為了實現(xiàn)方便教學以及汽車電腦檢測等目的，本系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：
（1）電子控制方面，模擬各種傳感器信號取代傳感器所反饋的信號來控制實驗臺中執(zhí)行機構(gòu)的工作。
（2）可以模擬發(fā)動機電控燃油噴射、電子點火，以滿足教學實驗的要求。
（3）系統(tǒng)應(yīng)有一個故障診斷端子，通過與發(fā)動機故障分析儀連接，可以測出各傳感器信號數(shù)據(jù)流，而且可以讀取ECU故障碼，從而排除故障。
2.9發(fā)動機控制柜的工作原理及過程
在系統(tǒng)使用前，先將從電腦輸出的傳感器模擬信號輸出端子與跳線接口的輸入端接好，再把所要檢測的汽車電腦的輸入口與轉(zhuǎn)接板上相應(yīng)的輸出口相接。啟動電源，根據(jù)需要來操作不同的功能開關(guān)就可以實現(xiàn)不同的功能。達到實驗教學或檢測汽車電腦工作情況的要求。
（1）模擬發(fā)動機電控燃油噴射、電子點火，以滿足教學實驗的要求。
當發(fā)動機控制柜作為教學演示使用時，應(yīng)該把一個標準的、控制精確的汽車電腦接入系統(tǒng)。它的輸入端和輸出端分別與轉(zhuǎn)接板和執(zhí)行器相連。然后接通電源，通過操作面板上的功能開關(guān)控制執(zhí)行器的各工況下的工作。
接通電源前，把操作面板上的各控制開關(guān)置于空擋位置。當接通電源時，實驗臺控制系統(tǒng)自動復位，程序進行初始化，此時，操作面板上轉(zhuǎn)速顯示數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速為800r/min，即怠速工況下的轉(zhuǎn)速。同時，在系統(tǒng)的演示功能區(qū)里，噴油器噴油和火花塞開始演示。當把操作面板上轉(zhuǎn)速控制開關(guān)置于增擋位置時，數(shù)碼管顯示的轉(zhuǎn)速會每隔2秒鐘會自動增加50轉(zhuǎn)，而噴油器和火花塞的工作速度會隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸加快，當數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速為3500r/min——本實驗臺設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速便不再增加。相應(yīng)地，執(zhí)行器也對應(yīng)于最高轉(zhuǎn)速工作；相反，當置轉(zhuǎn)速控制開關(guān)于減擋位置時，數(shù)碼管顯示的轉(zhuǎn)速會每隔2秒鐘會自動減少50轉(zhuǎn)，噴油器和火花塞的工作速度會隨著轉(zhuǎn)速的減少逐漸減緩，當數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速為600r/min——本實驗臺設(shè)計的最低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速便不再減少。相應(yīng)地，執(zhí)行器也對應(yīng)于最低轉(zhuǎn)速工作。在轉(zhuǎn)速增加或減少的過程中，如果把轉(zhuǎn)速控制開關(guān)置于空擋位置時，那么實驗臺將會在當前轉(zhuǎn)速工況下工作。如果按下操作面板上轉(zhuǎn)速復位鍵時，實驗臺執(zhí)行器就回到怠速工況，隨后再根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)繼續(xù)工作。同樣，在操作面板上還有進氣溫度控制開關(guān)和水溫控制開關(guān)，當它們工作時，執(zhí)行機構(gòu)將會對應(yīng)于不同的進氣溫度和水溫進行不同工況下的工作。
執(zhí)行器在工作時，可以用專用儀器接在故障診斷端子上讀取各信號數(shù)據(jù)流，對汽車電腦的工作進行分析，從而就可以對汽車電子控制系統(tǒng)進行更深入的研究。
2.10本章小結(jié)
本章簡要地介紹了汽車電子技術(shù)的發(fā)展歷程及以后的發(fā)展趨勢，其中主要是對于發(fā)動機控制方面，這對于本設(shè)計有宏觀的指導意義，闡述發(fā)動機控制柜的基本原理，明細的講解了車用主要傳感器工作原理和控制過程。提出了控制柜的功能要求，對以后設(shè)計任務(wù)的切實開展有明確的指導作用。
第3章 豐田轎車發(fā)動機控制柜設(shè)計
3.1 總體方案的確定
在本實驗臺的設(shè)計過程當中，在不破壞原有汽車電路連接基礎(chǔ)上進行教學改裝設(shè)計，考慮到教學演示操作功能的操作方便性和整體美觀性以及臺架整體的利用，我們設(shè)計了一個立面的控制柜?？刂乒裆习惭b了轉(zhuǎn)向輪，移動很方便，形狀顯得更加美觀大方。根據(jù)人體工程學原理，我們設(shè)計了一控制柜，有操作板，有演示板。
3.1.1 威馳車型的選擇
在選擇設(shè)計參照車型時應(yīng)充分考慮它的代表性，在中國目前的家庭用車中,日本豐田威馳很大比例而豐田車系的發(fā)動機由于采用了五閥電噴這一世界領(lǐng)先技術(shù),它的采用雙頂置凸輪軸，充氣效率大大提高, 同為1.6L的排量，單缸5氣閥比單缸2氣閥發(fā)動機的功率從53kW提高到74kW。因為設(shè)計就是要體現(xiàn)理論進步的成果，在今后的幾年甚至更長時間內(nèi)不至于過早的被淘汰。為了使同學對汽車有一個感性認識，所以選擇豐田車系的威馳為參考車型，設(shè)計發(fā)動機控制柜。
為了保證實驗臺具有鮮明的教學特色以及更好地為汽車工程相關(guān)專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)服務(wù)。提高學生的工程實踐動手能力，擬選用豐田威馳為參考車型。威馳轎車是豐田汽車有限公司采用日本豐田公司的先進技術(shù)生產(chǎn)的中級汽車，該車型設(shè)計先進、選材精良、工藝一流，與同級車型比較，其動力性、經(jīng)濟性、安全性及舒適性均為上乘，在中國的汽車行業(yè)中，有著很大的市場。一汽—豐田汽車有限公司運用當今日本頂尖發(fā)動機制造技術(shù)，批量生產(chǎn)20閥電控多點噴射汽油發(fā)動機，并配以創(chuàng)新的雙頂置凸輪軸。多點燃油噴射技術(shù)的應(yīng)用，使燃油得到最充分的燃燒，發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放性能都得到極大提高。
3.1.2 控制柜總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
按照該實驗臺的功能要求可以知道，該實驗臺上需安裝的主要硬件設(shè)備有顯示儀表、系統(tǒng)電源、汽車ECU、控制面板等其他附屬件。其中控制面板上安裝診斷端子、各種開關(guān)等。
控制柜的結(jié)構(gòu)尺寸主要由顯示儀表、控制面板、診斷端子、工具抽屜之間的相對位置決定。考慮到在教學實驗或汽車維修過程中學生或維修人員大都采用站立的姿勢操作發(fā)動機控制柜，且為增強實驗臺的實用性，操作方便、易于觀察，將實驗臺設(shè)計成三維一體結(jié)構(gòu)。這在使用過程中將平視數(shù)字顯示儀表，俯視控制面板，且控制面板與水平面成一定角度斜置。按照人機工程學的原理，人站立時的最佳垂直觀察視野值大約為水平線以下65度，由于控制柜上多為診斷端子，所以可以將控制面板設(shè)計成與水平面成大90度角安裝。此外，在使用過程中考慮到它移動的方便，可以在臺架底面安裝轉(zhuǎn)向輪。
控制柜總體設(shè)計為長55cm、寬30cm、高155cm的箱體。發(fā)動機控制柜如圖3.1 。
圖3.1發(fā)動機控制柜
3.1.3 控制柜整體結(jié)構(gòu)校核
通過上面對實驗臺的總體設(shè)計，可以知道實驗臺的總重量主要由三部分組成：顯示儀表、控制面板、航空接頭，則臺架總重大約為110Kg。臺架由四個轉(zhuǎn)向輪支撐，將四個支撐點轉(zhuǎn)化為兩根簡支梁上各兩個約束點，這兩根簡支梁分別承受55Kg的均布載荷P。簡化后的力學模型如圖3.2所示。
y
x
q
X
L
FAy
AAA
FBy
B
圖3.2 臺架受力分析
對其進行受力分析，所得到的剪力圖Q和彎距圖M分別如圖3.2、圖3.3所示。
圖3.3 剪力Q圖
圖3.4 彎矩M(X)圖
受力較核：
1．求支座的約束力FAy、FBy
由載荷及支座約束力的對稱性可知 式中q-軸向的應(yīng)力
FAy = FBy = qL （3.1）
2．求任意截面上的內(nèi)力
設(shè)所求危險截面距支座A的距離為X，由平衡條件可得
∑Fiy = 0
則： FAy－qX－FQ(X) = 0 （3.2）
彎矩∑Mio＝0
則： FAyX ―qX2―M(X)＝0 （3.3）
將（3.1）代入（3.2）可得：
剪力FQ(X)＝FAy－qX＝qL－qX （0＜X＜L） （3.4）
將（3.1）代入（3.3）可得：
彎矩內(nèi)力M(X)＝FAyX－qX2＝qLX－qX2 （3.5）
因為,彎曲應(yīng)力的最大之發(fā)生在彎矩最大點,求彎矩的最大值。即求M(X)的最大值。所以由（3.5）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：
當時X = L = 37.9N/m
橫截面上的最大正應(yīng)力公式為：
（3.6）
其中Wz為彎曲截面系數(shù)
由于該支撐輪處的制作材料選用的是45號鋼板制成。根據(jù)型鋼表可以查得：
則
由參考資料查得， 該鋼板的許用拉應(yīng)力為
許用壓應(yīng)力為
由受力圖可知該支撐架只承受壓應(yīng)力，因此，此時無需對拉應(yīng)力進行校核只需對壓應(yīng)力進行校核即可。
由于
所以該支撐架符合要求，所選材料合格。
3.2 控制柜的制作
3.2.1 臺架的焊接
根據(jù)實驗臺所用的器材部件確定出試驗臺臺架各邊尺寸，在制做過程中要將框架的各邊按照所設(shè)定的進行選材，根據(jù)校核，我們選擇45#碳素鋼材作為實驗臺架的基礎(chǔ)材料，采用焊接技術(shù)進行連接。我們將選好的材料按實際設(shè)計的尺寸進行選截，由于理論的設(shè)計尺寸，和現(xiàn)實中制作的誤差，在截取后還要進行尺寸測量，對不符合要求的要采取適當?shù)姆绞竭M行校準，以滿足制作的需要。在整個焊接過程中要遵循由簡入繁、由外到內(nèi)、由下至上的原則進行。
將鋼料截好之后，按由下到上的順序?qū)⒏鬟吅附釉谝黄穑聪葘⑾碌孛娴母鬟吅附釉谝黄鹬?，再焊接四根立柱，最后焊接上部橫梁。在實驗臺框架各主邊焊接完了后，我們要在框架主邊上焊接或用螺栓連接一些小的部件，用來固定面板。
3.2.2 控制面板的制作
1、材料的選擇
實驗臺有一塊控制面板，用來顯示和操作。為了與臺架更好的連接，選擇與臺架一樣的材料即45號薄鋼板。
2、尺寸的確定
為了使實驗臺整體布局合理、美觀，所以使控制板的長度以框架的長度保持一致，同時又考慮到安裝在控制板上的各組件的大小及尺寸和方便操作員的實際操作，操作面板的高度要適當。
共設(shè)置三塊控制面板，分別為發(fā)動機檢測面板（如圖3.5），自動變速器與ABS檢測面板（如圖3.6），自動空調(diào)與車身故障設(shè)置面板（如圖3.7）。尺寸均為長41cm、寬18cm。
圖3.5 發(fā)動機檢測面板
圖3.6自動變速器和ABS檢測面板
圖3.6自動空調(diào)和車身故障設(shè)置面板
3、控制面板的布置
考慮到控制板上的布局美觀和線束的簡潔和縮短線束的距離，因此我們按照接線方式和連接形式來確定各組件的安裝位置。在操作板上方是數(shù)字顯示儀表。
3.2.3組件的安裝
1、在上面我們已經(jīng)將各組件的位置確定了，并且使各組件間保持了一定的間隙，先將各組件在控制板上的位置用鉛筆畫出他們具體的位置，之后，在畫出的組件的位置上用做出是組件固定在控制板上的螺紋孔。然后把各個器件依次用螺栓固定在面板上。
2、把面板組放在臺架上，用螺栓固定。
3、連接線路。
3.2.4 實驗臺的整體合理性
實驗臺的整體合理性：在實驗臺各部安裝完了后，由于控制板上各組件的連接造成了實驗臺內(nèi)線路的混亂，為了避免實驗時線路損壞和實驗臺布線的合理性，將實驗臺內(nèi)的線路按其分布捆成線束，以線束的方式固定，這樣就避免了實驗臺內(nèi)線路的混亂，使實驗臺總體布局合理。同時為了使實驗臺整體看起來美觀，將實驗臺框架刷上油漆，就使實驗臺整體看起來整齊美觀了。因為，控制板我們選用的是鋼板因此就不可避免的存在邊緣的不整齊和毛邊，為了使控制板美觀，將控制面板鍍上銀漆，這樣就使控制板看起來美觀了。
3.3 線路連接轉(zhuǎn)換頭的設(shè)計
3.3.1 針孔的布置
根據(jù)線束的布置原則，此線路連接轉(zhuǎn)換頭設(shè)置40個針孔，并對其進行了合理的布局。線路連接轉(zhuǎn)換頭如圖3.7。
圖3.7線路連接轉(zhuǎn)換頭
3.3.2 駕駛員座椅底部航空接頭布置
根據(jù)實際情況，在副駕駛座椅下面設(shè)置航空接頭4個，制作高10cm、長50cm鋼板。裝配如圖3.8。
圖3.8座椅下航空接頭裝配
3.3.3 航空接頭的用途
航空接頭用途主要是線路連接轉(zhuǎn)換，在線路中實現(xiàn)通路連接，輸出回路。
3.4 實驗臺電路設(shè)計
電路分發(fā)動機電路、自動變速器電路、ABS電路。通過在ECU與傳感器之間設(shè)置開關(guān)來實現(xiàn)對其執(zhí)行器信號控制，并進行合理的布線。
圖3.9 發(fā)動機電路布線圖
圖3.10自動變速器電路布線圖
圖3.11 ABS電路布線圖
3.5控制柜的作用
控制柜在本設(shè)計中的主要作用在于工作數(shù)據(jù)顯示，線路連接，通過連接診斷端子實時對發(fā)動機進行故障診斷。
3.6本章小結(jié)
發(fā)動機控制柜設(shè)計是該設(shè)計的主體部分，詳細闡述了其總體方案的確定，對整個實驗臺進行了必要的受力校核，以及相關(guān)重要電路的布線，控制面板的布置，線路連接轉(zhuǎn)換頭的設(shè)置及連接。
第4章 工作數(shù)據(jù)顯示設(shè)計
4.1數(shù)據(jù)采集和分析
4.1.1 數(shù)據(jù)流的采集
要能夠比較精確地模擬發(fā)動機各傳感器的信號，就需要從所選發(fā)動機上采集所需的大量的數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)流的分析來確定各傳感器信號的特點，利用其特點編制出相應(yīng)的控制信號源程序，從而能控制信號的精度。
本實驗數(shù)據(jù)流的采集使用了豐田轎車電腦診斷工具，該電腦診斷系統(tǒng)是一個用計算機對汽車進行檢測、診斷、編碼等為一體的診斷設(shè)備。將它安裝在微機上，利用數(shù)據(jù)傳輸線、適配器與車載接口連接后，就可以運行。該系統(tǒng)適用于威馳等車型，完全可以取代IT-Ⅱ，并且有些功能已經(jīng)超過IT-Ⅰ。
該系統(tǒng)除了具備IT-Ⅰ所有功能外還有如下特點：
1、通過計算機屏幕顯示，避免了類似像IT-Ⅱ的繁瑣操作，很多控制已經(jīng)集中成按鈕放在一個頁面上，用鼠標點擊即可完成操作，使用非常簡便。
2、為配合使用《維修手冊》，本軟件幾乎所有控制按鈕旁都增加了操作的號，實現(xiàn)了與IT-Ⅱ的兼容。
3、在本系統(tǒng)的適配器上增加了指示K/L線的紅色發(fā)光二極管和指示控制模塊通信狀態(tài)的綠色發(fā)光二極管，根據(jù)發(fā)光管的閃爍，用戶能很快判斷計算機與適配器、適配器與車上控制模塊之間的工作是否正常。
5、增加了車輛與計算機之間的送話系統(tǒng)，解決了因測試電纜加長后講話不便的問題。
4、獨特的K/L線電子保護系統(tǒng)，任何錯誤接線都不會損壞適配器。
在采集數(shù)據(jù)流時，先將儀器與發(fā)動機診斷端子接好，再啟動發(fā)動機，然后輸入所要測信號的通道號進行數(shù)據(jù)采集。在水溫達到正常即80℃時開始采集數(shù)據(jù)，電腦每隔1.3秒會自動記錄一次。用手拉動節(jié)氣門拉索，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速起緩慢勻速地增加到3500r/min左右，這樣反復多次采集，就可以得到比較準確的發(fā)動機的各種信號數(shù)據(jù)。
4.1.2 數(shù)據(jù)流的分析
從所得的數(shù)據(jù)流可以看出，當發(fā)動機怠速時的轉(zhuǎn)速范圍為800r/min—920r/min。此時，各傳感器信號都比較穩(wěn)定；隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，傳感器信號開始變化。轉(zhuǎn)速越高，在相同時間內(nèi)，曲軸相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度越大，且如果混合氣的燃燒速率不變，最佳點火提前角則應(yīng)呈線性增加。而在實際過程中轉(zhuǎn)速升高時，由于混合氣的壓力和溫度的升高以及擾流的增加，使燃燒速率隨之加快，故最佳點火提前角應(yīng)隨發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升高而增大，但不是線性關(guān)系。
當發(fā)動機啟動時，由于轉(zhuǎn)速波動較大，無論是空氣流量計還是進氣歧管壓力傳感器，都不能精確測量進氣量。因此，啟動時，ECU一般不根據(jù)吸入的空氣質(zhì)量來計算噴油時間，而是根據(jù)發(fā)動機冷卻水的實際溫度由ROM內(nèi)存儲的水溫—噴油時間圖查出基本噴油脈寬，然后再根據(jù)進氣溫度信號和蓄電池電壓信號，進行進氣溫度修正和蓄電池電壓修正，以此得到啟動時的噴油脈寬。
根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，可以作出點火提前角、噴油時間、節(jié)氣門開度分別和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖曲線。
（1）點火提前角與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖4.1。
圖4.1 點火提前角與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線