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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
汽油機(jī)電控系統(tǒng)模擬教學(xué)
演示臺設(shè)計(jì)
院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級： 車輛工程B07-9班
學(xué)生姓名： 楊凱
指導(dǎo)教師： 齊益強(qiáng)
職 稱： 實(shí)驗(yàn)師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Petrol Engine Electronic Control System Simulation Test-bed
Candidate： Yang Kai
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B07-9
Supervisor：Experimental Division. Qi Yiqiang
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著我國汽車保有量的大幅度上升，高新技術(shù)產(chǎn)品和裝置在汽車上的不斷引入和普及與汽車維修業(yè)高素質(zhì)從業(yè)人員不足之間的矛盾顯得日益突出。發(fā)動機(jī)電控技術(shù)是汽車專業(yè)的一門核心技術(shù)，理論性與實(shí)踐性很強(qiáng)。開發(fā)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，能便于學(xué)生認(rèn)識和學(xué)習(xí)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理。發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺可以廣泛應(yīng)用于科研、教學(xué)等方面，通過對發(fā)動機(jī)工作過程的模擬、顯示，可以提高汽車從業(yè)人員的知識掌握水平及實(shí)際操作能力，增強(qiáng)對汽車電控系統(tǒng)的認(rèn)識和掌握，為學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理提供幫助。
本設(shè)計(jì)是以教學(xué)展示為前提，主要介紹了發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的控制內(nèi)容、發(fā)展簡史與前景、組成與工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺的相關(guān)內(nèi)容。主要包括實(shí)驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)的零部件布置、電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制等內(nèi)容。這個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺能夠演示發(fā)動機(jī)的起動和正常工作過程，并且設(shè)置了測量點(diǎn)。通過完成對實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，可以深刻理解和掌握發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的組成和工作原理、機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制圖的相關(guān)知識，最終設(shè)計(jì)出一款及機(jī)械、電控于一體化的產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)；電動機(jī)控制；實(shí)驗(yàn)臺；單片機(jī)；PWM
ABSTRACT
With significant increase of the number of automobile，the contradiction between high-tech products and devices, the constant introduction in the car and popularization of high-quality vehicle maintenance trade and lack of practitioners become increasingly prominent. Engine electronic control technology is the theoretical and practical of a core technology and theoretical and practical very strong. Electronic control system simulation teaching test can make students to understand and learn the engine electronic control system works easy. Engine electronic control simulation system can be widely used in scientific research, teaching, etc. By displaying of the course of the engine simulation process, it can be employed to improve motor vehicle mastery level of knowledge and practical ability, and enhance the automotive electronic control system of understanding and mastering, for the students to learn and master the engine control system works to help.
The design is based on the premise of teaching show, this paper introduces control content system of the engine electronic control, brief history of and prospects for development, composition and working principle and design on the basis of electronic control system simulation test-bed of related content. It mainly includes the design of bench testing, electrical control system layout of components, such as motor speed control. The teaching experiment platform to demonstrate the engine start and normal work processes, and set the measurement points. The design of the test-bed by accomplish can help learns to understand and master the engine electronic control system components, a final design and mechanical and electrical control products in the integration.
Key words: Engine Electrical Control System；Motor Control；Test-bed；microcontroller；PWM
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)概述 1
1.1.1汽油機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展簡史 1
1.1.2 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀及趨勢 2
1.2 汽油機(jī)電控系統(tǒng)模擬演示臺設(shè)計(jì)概述 2
1.2.1設(shè)計(jì)的背景與意義 2
1.2.2總體設(shè)計(jì)功能要求 3
1.2.3本次設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容 3
第2章 汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù) 4
2.1概述 4
2.2汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)的功能與組成 4
2.3電子控制燃油噴射系統(tǒng)的組成與工作原理 5
2.3.1空氣供給系統(tǒng) 5
2.3.2燃油供給系統(tǒng) 5
2.3.3控制系統(tǒng) 6
2.4 本章小結(jié) 10
第3章 教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì) 11
3.1實(shí)驗(yàn)臺面板的布置設(shè)計(jì) 11
3.2教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)臺臺架設(shè)計(jì) 12
3.2.1 實(shí)驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì) 12
3.2.2 實(shí)驗(yàn)臺面板、操作臺設(shè)計(jì) 14
3.3 模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺尺寸的確定 15
3.4 實(shí)驗(yàn)臺材料的選擇與強(qiáng)度校核 17
3.4.1 實(shí)驗(yàn)臺架材料的選擇 17
3.4.2 實(shí)驗(yàn)臺強(qiáng)度校核 17
3.5 滑動螺旋副傳動 21
3.5.1滑動螺旋傳動 21
3.5.2滑動螺旋的特點(diǎn) 21
3.5.3螺旋傳動的應(yīng)用 21
3.7本章小結(jié) 23
第4章 實(shí)驗(yàn)臺電路設(shè)計(jì)與電機(jī)控制原理 24
4.1 實(shí)驗(yàn)臺電路優(yōu)化設(shè)計(jì) 24
4.2 電動機(jī)的選擇與轉(zhuǎn)速控制原理 25
4.2.1 電動機(jī)的選擇 25
4.2.2 實(shí)驗(yàn)臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制原理 25
4.3 PWM調(diào)速控制的優(yōu)點(diǎn) 27
4.4 本章小結(jié) 27
第5章 電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
5.1 概述 28
5.1.1 節(jié)氣門位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 28
5.1.2 水溫傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 28
5.2 硬件裝置的選擇 29
5.2.1單片機(jī)的選擇 29
5.2.2電動機(jī)驅(qū)動芯片的選擇 29
5.2.3轉(zhuǎn)速傳感器的選擇 29
5.3 控制原理 30
5.3.1電動機(jī)控制器原理 30
5.3.2發(fā)動機(jī)控制電路圖 31
5.3.3軟件程序設(shè)計(jì) 32
5.4本章小結(jié) 40
結(jié)論 41
參考文獻(xiàn) 42
致謝 43
附錄 44
第1章 緒 論
1.1 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)概述
近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用，汽車電子控制技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，尤其在控制精度、控制范圍、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等多方面有了較大突破。汽車電子控制技術(shù)已成為衡量現(xiàn)代汽車發(fā)展水平的重要標(biāo)志。發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用大大改善了發(fā)動機(jī)的性能：提高了發(fā)動機(jī)的充氣效率及動力性、提高了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低了排放污染等等，使發(fā)動機(jī)的性能更加完善。
汽車電子控制系統(tǒng)基本由傳感器傳感器
[全文]、電子控制器（ECU）、驅(qū)動器和控制程序軟件等部分組成，與車上的機(jī)械系統(tǒng)配合使用（通常與動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中的子系統(tǒng)融合），并利用電纜電纜 [全文]或無線電波互相傳輸訊息，即所謂的“機(jī)電整合”， 發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用大大改善了發(fā)動機(jī)的性能：提高了發(fā)動機(jī)的充氣效率及動力性、提高了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低了排放污染等等，使發(fā)動機(jī)的性能更加完善。
1.1.1 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)發(fā)展簡史
電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的技術(shù)是逐步完善的過程，從最初的電控汽油噴射技術(shù)發(fā)展到如今集汽油噴射控制、點(diǎn)火控制、怠速控制、進(jìn)氣控制、排放控制、增壓控制等于一身的發(fā)動機(jī)綜合電子控制系統(tǒng)[1]。
從1948年發(fā)明晶體管，到20世紀(jì)60年代硅二極管應(yīng)用于交流發(fā)動機(jī)并第一次在汽車上采用，繼而出現(xiàn)點(diǎn)火系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器；后來集成電路（IC）、模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)等相繼出現(xiàn)，使電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，改善了汽車的各種性能，起到了機(jī)械裝置不可替代的作用。
世界汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程大致可分為以下三個(gè)階段：
第一階段：從20世紀(jì)60年代中期到70年代中期，主要是為了改善部分性能而對汽車產(chǎn)品進(jìn)行的技術(shù)改造，主要產(chǎn)品有交流發(fā)電機(jī)、電子電壓調(diào)節(jié)器、電子閃光器、汽車收音機(jī)、電子點(diǎn)火控制器等。
第二階段：從20世紀(jì)70年代末期到90年代中期，汽車進(jìn)入了微機(jī)控制時(shí)代，在此期間，汽車上廣泛應(yīng)用集成電路和16位以下的微處理器。為解決安全、污染、和節(jié)能三大問題，先后研制出電控汽油噴射系統(tǒng)、電子控制防滑制動裝置和電控點(diǎn)火系統(tǒng)等。
第三階段：20世紀(jì)90年代中期以后，電子技術(shù)廣泛的應(yīng)用在底盤、車身、和車用柴油發(fā)動機(jī)多個(gè)領(lǐng)域。主要側(cè)重于汽車性能的進(jìn)一步提高、各種功能的進(jìn)一步完善。主要產(chǎn)品有四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)、故障自診斷系統(tǒng)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)等[2]。
1.1.2 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀及趨勢
目前，我國自主開發(fā)的汽車電子產(chǎn)品正處于加速發(fā)展階段。汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用已逐漸從過去的院校和研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)向以企業(yè)為主導(dǎo)并以產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)的局面發(fā)展。隨著奇瑞、吉利等民營汽車制造企業(yè)的崛起、國家的政策支持和國內(nèi)汽車市場的發(fā)展?jié)摿⒔o汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)開發(fā)商帶來難得的機(jī)遇。盡管市場巨大，但生產(chǎn)汽車發(fā)動機(jī)電子產(chǎn)品也充滿了挑戰(zhàn)。發(fā)動機(jī)電子產(chǎn)品對于汽車電子產(chǎn)業(yè)來說是技術(shù)門檻最高的一塊，也是當(dāng)前利潤率最好的產(chǎn)業(yè)，其在汽車電子產(chǎn)業(yè)中的產(chǎn)值和規(guī)模也是最大。所以，未來幾年，來自國際知名品牌壟斷企業(yè)的打壓以及國內(nèi)大批廠商的涌進(jìn)也是自主開發(fā)汽車發(fā)動機(jī)電子產(chǎn)品目前所面臨的現(xiàn)狀。汽車市場發(fā)展的焦點(diǎn)是圍繞安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的主題為消費(fèi)者提供高質(zhì)量、安全可靠、多功能低價(jià)位的創(chuàng)新產(chǎn)品。開發(fā)商面臨的挑戰(zhàn)是快速研發(fā)這類產(chǎn)品，在最短的時(shí)間內(nèi)將新產(chǎn)品推向市場。汽車電子技術(shù)的發(fā)展為提高整車性能起到了關(guān)鍵性的作用。隨著汽車電子化發(fā)展的深入，32位微控制器將逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應(yīng)用產(chǎn)品。
1.2 汽油機(jī)電控系統(tǒng)模擬演示臺設(shè)計(jì)概述
1.2.1設(shè)計(jì)的背景與意義
我國汽車發(fā)動機(jī)的電控化的起因與西方國家相同，但發(fā)動機(jī)電控化所經(jīng)歷的過程卻完全不同。西方國家經(jīng)歷了從起步到發(fā)展的幾十年的漫長的發(fā)展過程。而我國主要是通過技術(shù)引進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)電控化的，在短短的幾年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小客車發(fā)動機(jī)的電控化。我國電控發(fā)動機(jī)的發(fā)展過程如此之快，以至于汽車發(fā)動機(jī)的研制、使用、維修人員在如此短的時(shí)間內(nèi)難以接受和消化這些技術(shù)，這對我國汽車工業(yè)的發(fā)展是非常不利的。從長遠(yuǎn)看，我國的汽車工業(yè)要在國際舞臺上占有一席之地，必須走自主開發(fā)、自主研制的道路，因此，無論是研制人員還是使用維修人員，都必須盡快掌握電控發(fā)動機(jī)的原理和技術(shù)，迅速縮短與世界先進(jìn)水平的差距。
本次設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺不必放置整體的發(fā)動機(jī)，這樣做減少了實(shí)驗(yàn)臺的制作成本和實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。此外，由于實(shí)驗(yàn)臺沒有放置整體的發(fā)動機(jī)，因此在實(shí)驗(yàn)過程中使用循環(huán)液代替燃料，這樣就減少了燃料的消耗和廢氣污染。設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺，鍛煉學(xué)生通過動手操作，從而達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合。
1.2.2總體設(shè)計(jì)功能要求
1、故障診斷功能
結(jié)合控制系統(tǒng)本身的故障自診斷功能可以任意設(shè)置故障,通過臺面設(shè)計(jì)的功能區(qū),進(jìn)行設(shè)置故障和診斷故障,利用實(shí)驗(yàn)臺模擬汽車電噴系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電噴系統(tǒng)的功能演示,使學(xué)生了解和掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及工作特性。
2、與外設(shè)匹配功能
實(shí)驗(yàn)臺設(shè)有一個(gè)診斷端子接口，可以與發(fā)動機(jī)分析儀、故障分析儀等相連,直接測量輸出信號,進(jìn)行實(shí)車故障診斷與分析的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。
3、教學(xué)演示臺效果
實(shí)驗(yàn)臺可以比較真實(shí)的反映出系統(tǒng)的組成及控制過程,并且實(shí)驗(yàn)具有可操控性能,可以動態(tài)測試,實(shí)驗(yàn)臺的制作解決了學(xué)生不便于基本概念的形成、工作原理的理解、實(shí)際共性的認(rèn)識和專業(yè)技能的掌握等問題。
1.2.3本次設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)中主要涉及到實(shí)車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的組成與工作原理的掌握、教學(xué)演示臺架的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)臺面板的布置、電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制，主要內(nèi)容如下：
1、汽油機(jī)電控系統(tǒng)組成與工作原理
本文以豐田卡羅拉發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)為例，主要介紹了電控燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的組成與工作原理。掌握電控系統(tǒng)的組成與工作原理至關(guān)重要，這些內(nèi)容是制作實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)，為實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)際應(yīng)用與故障診斷分析提供了理論依據(jù)。
2、教學(xué)演示臺架的設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)中主要介紹了實(shí)驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選擇及強(qiáng)度校核等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)臺架是實(shí)驗(yàn)臺的主體部分，是整個(gè)電控系統(tǒng)零部件的載體。除了滿足實(shí)驗(yàn)要求之外，還要具有占用空間小、方便操作等特點(diǎn)。
3、實(shí)驗(yàn)臺面板布置
實(shí)驗(yàn)臺是電控系統(tǒng)零部件的載體，總體布置應(yīng)該直觀、簡潔、方便操作。在考慮實(shí)驗(yàn)臺布置時(shí)，遵循的基本原則是ECU—傳感器—執(zhí)行器，這樣的布置可以清晰的看清楚系統(tǒng)的工作過程，對電控系統(tǒng)的組成和工作原理也可以得到很好的理解。
4、電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制
由于實(shí)驗(yàn)臺采用了電動機(jī)來代替實(shí)際發(fā)動機(jī)的工作情況，所以就要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化與實(shí)際發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化大體一致。因此，在實(shí)驗(yàn)臺上就要采用一定的方法把傳感器信號的變化反映到電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化上來。
第2章 汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)
2.1概述
汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的英文名稱是Engine Electronic Control System，簡稱為EECS或EEC系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)主要由信號輸入裝置、發(fā)動機(jī)控制模塊和執(zhí)行部件等組成。在不同車系的車型上，組合型式和控制項(xiàng)目各有異同。就發(fā)動機(jī)集中控制系統(tǒng)而言，主要包括：進(jìn)氣控制、燃油噴射控制、點(diǎn)火控制、怠速控制、排放控制、自我診斷與報(bào)警系統(tǒng)控制、失效保護(hù)控制等。
2.2汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)的功能與組成
2.2.1 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)的功能
汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的主要功能是控制燃油噴射式發(fā)動機(jī)的空燃比和點(diǎn)火時(shí)刻。除此之外，還有控制發(fā)動機(jī)啟起動、怠速轉(zhuǎn)速、極限轉(zhuǎn)速、排氣再循環(huán)、閉缸工作、二次空氣噴射、進(jìn)氣增壓、爆震、發(fā)電機(jī)輸出電壓、電動燃油泵和系統(tǒng)自診斷等輔助功能[3]。
2.2.2 汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)的組成
發(fā)動機(jī)（以汽油機(jī)為例）電子控制系統(tǒng)主要由以下幾大系統(tǒng)組成[4]：
1、微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)（MCIS）
汽油發(fā)動機(jī)采用MCIS能將點(diǎn)火提前角控制在最佳值。燃燒后產(chǎn)生的氣體溫度和壓力達(dá)到最大值。從而提高發(fā)動機(jī)的動力性。同時(shí)降低燃油消耗量，減少有害氣體的排放。其主要由凸輪軸位置傳感器（CLS）、曲軸位置傳感器（CPS）、空氣流量傳感器（AFS）、節(jié)氣門位置傳感器（TPS）、進(jìn)氣溫度傳感器（IATS）、車速傳感器（VSS）、爆震傳感器（EDS）等組成。
2、發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)（EDCS）
增大點(diǎn)火提前角可使汽油發(fā)動機(jī)獲得最大功率和最佳燃油經(jīng)濟(jì)性．但點(diǎn)火提前角過大又會引起發(fā)動機(jī)爆震。只有推遲點(diǎn)火提前角才能消除爆震。實(shí)踐證明：當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在爆震的臨界點(diǎn)或有輕微的爆震時(shí)。發(fā)動機(jī)熱效率最高，動力性和經(jīng)濟(jì)性最好。發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)可有效控制點(diǎn)火提前角，以使發(fā)動機(jī)工作在爆震臨界狀態(tài)。
3、廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)（EGRC）
ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度、進(jìn)氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時(shí)地打開，進(jìn)氣管真空度經(jīng)電磁閥進(jìn)入EGR閥真空膜室，膜片拉桿將EGR閥門打開，排氣中的少部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與混合氣混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒。當(dāng)發(fā)動機(jī)在怠速、低速、小負(fù)荷及冷機(jī)時(shí)，ECU控制廢氣不參與再循環(huán)，避免發(fā)動機(jī)性能受影響；當(dāng)發(fā)動機(jī)超過一定的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷并達(dá)到一定的溫度時(shí)，ECU控制小部分廢氣參與再循環(huán)，參與再循環(huán)的廢氣量根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度及廢氣溫度的不同而異，從而降低廢氣中NOx的含量。
4、電子控制發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)（EFI）
汽車發(fā)動機(jī)電子控制燃油噴射技術(shù)是借鑒飛機(jī)發(fā)動機(jī)汽油噴射技術(shù)而誕生的，汽車發(fā)動機(jī)采用燃油噴射技術(shù)的主要目的是：降低燃油消耗量和減少有害氣體的排放。汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)跟其它電子控制系統(tǒng)一樣，也是由傳感器（開關(guān)信號）、電子控制單元（ECU）和執(zhí)行器（執(zhí)行元件）組成，如圖2.1所示。
圖2.1 汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
2.3電子控制燃油噴射系統(tǒng)的組成與工作原理
盡管電控燃油噴射系統(tǒng)類型豐富、種類繁多，但它們都具有相同的控制原則：即以電控單元（ECU）為控制核心，以空氣流量和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為控制基礎(chǔ)，以噴油器等為控制對象，保證獲得與發(fā)動機(jī)各種工況相匹配的最佳混合氣成分。發(fā)動機(jī)電子控制燃油噴射系統(tǒng)主要由空氣供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。[5]
2.3.1空氣供給系統(tǒng)
空氣供給系統(tǒng)的功能是測量和控制發(fā)動機(jī)不同工況下所需的空氣量，為發(fā)動機(jī)可燃混合氣的形成提供必需的空氣。
根據(jù)檢測進(jìn)氣量方式的不同，可以分為質(zhì)量－流量型（L型）和壓力－速度（D型）進(jìn)氣系統(tǒng)。豐田卡羅拉轎車發(fā)動機(jī)的PFI系統(tǒng)屬于L型PFI系統(tǒng)?？諝饨?jīng)空氣濾清器過濾后，由空氣流量計(jì)測量吸入的空氣量，空氣通過節(jié)氣門體進(jìn)入進(jìn)氣總管，再分配到發(fā)動機(jī)各進(jìn)氣歧管。其主要部件包括空氣濾清器、節(jié)氣門體、空氣閥、空氣流量計(jì)、進(jìn)氣管等。
2.3.2燃油供給系統(tǒng)
燃油供給系統(tǒng)的功能是向氣缸內(nèi)供給燃燒所需的汽油。發(fā)動機(jī)工作時(shí)，電動汽油泵將汽油從油箱泵出，經(jīng)過燃油濾清器后再經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器調(diào)壓，然后經(jīng)輸油管配送給各個(gè)噴油器和冷起動噴油器，噴油器根據(jù)ECU發(fā)來的噴射信號，把適量汽油噴射到進(jìn)氣歧管中。
當(dāng)ECU將開啟針閥的電信號通過驅(qū)動電路作用于電磁閥線圈時(shí)，柱塞和針閥在電磁線圈吸力作用下向右移動，當(dāng)其凸緣部被吸引碰到調(diào)整墊片時(shí)，針閥全開，燃油通過沿箭頭的通路噴射出去。噴射結(jié)束后，電磁圈斷電，回位彈簧將針閥關(guān)閉，噴油器停止噴油。
噴射量的大小除與針閥行程，噴口面積以及噴射環(huán)境壓力與燃油壓力的壓差等因素有關(guān)以外，主要與針閥的開啟時(shí)間，即電磁線圈的通電時(shí)間有關(guān)。
2.3.3控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況和車輛行駛狀況，來確定最佳燃油噴射量和噴油時(shí)刻。同時(shí)控制進(jìn)氣、點(diǎn)火、怠速和排放系統(tǒng)。該系統(tǒng)由輸入裝置、電子控制單元和執(zhí)行器組成。
1、輸入裝置
（1）冷卻液溫度傳感器
冷卻液溫度傳感器是檢測發(fā)動機(jī)冷卻液溫度用的傳感器。它由對溫度特別敏感的熱敏電阻組成，安裝在發(fā)動機(jī)冷卻液通道上，利用電阻值隨溫度變化的特性來檢測冷卻液溫度。如圖2.2所示為冷卻液溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和特性。冷卻液溫度越低電阻值越大，冷卻液溫度越高電阻值越小。
當(dāng)在外界環(huán)境溫度較低的條件下起動發(fā)動機(jī)時(shí)，這時(shí)水溫傳感器的熱敏電阻阻值較大，此時(shí)ECU接收到低溫信號，給噴油器做較多額外噴油的指令，使噴油器多噴油，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度逐漸升高，熱敏電阻的阻值逐漸減小，從而控制單元控制噴油器逐漸減少額外噴油。此外，ECU還根據(jù)冷卻液溫度信號去控制二次空氣噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火正時(shí)、自動變速器控制系統(tǒng)、怠速控制系統(tǒng)、燃油壓力控制系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)等[6,14]。
圖2.2 冷卻液溫度傳感器結(jié)構(gòu)、特性及與ECU的連接電路
a）水溫傳感器結(jié)構(gòu) b）水溫傳感器特性 c）與ECU連接電路
1-電阻 2-外殼 3-電線接頭 4-冷卻液溫度傳感器 5-接蓄電池端 6-電控單元（ECU）7-水溫信號
（2）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。節(jié)氣門位置傳感器的作用是測量節(jié)氣門在全閉還是在全開的位置，將節(jié)氣門的開閉狀態(tài)信號輸送給ECU，可以滿足節(jié)氣門不同開度狀態(tài)的噴射量控制。節(jié)氣門開度傳感器通常有兩種型式，一種是節(jié)氣門位置信號成線性輸出，稱線性式；一種是以開關(guān)量的形式輸出，稱作接觸開關(guān)式。豐田卡羅拉轎車采用的節(jié)氣門位置傳感器為線性量輸出型[10]。如圖2.3所示。
傳感器有兩個(gè)同節(jié)氣門聯(lián)動的可動電刷觸點(diǎn)，一個(gè)觸點(diǎn)可在位于基板上的電阻體上滑動，利用電阻值的變化，測行與節(jié)氣門開度相對應(yīng)的線性輸出電壓，根據(jù)輸出的電壓值，應(yīng)可知道節(jié)氣門的開度。但是，與節(jié)氣門開度相對應(yīng)的電阻體的電阻值，多少都存在偏差，因此影響了節(jié)氣門開度檢測的準(zhǔn)確性。為了能夠準(zhǔn)確檢測節(jié)氣門的全關(guān)閉狀態(tài)，另外設(shè)一個(gè)怠速觸點(diǎn)IDL，它只在節(jié)氣處于全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)才被接通。
圖2.3線性式節(jié)氣門開度傳感器的結(jié)構(gòu)
a）構(gòu)造 b）內(nèi)部電路 c）與ECU的連接電路
1-電阻體 2-檢測節(jié)氣門開度用的電刷 3-檢測節(jié)氣門全閉的電刷 Vcc-電源端子 VTA-節(jié)氣門開度輸出端子 IDL-怠速觸點(diǎn) E2-地線 4-怠速觸點(diǎn)開關(guān) 5-滑動觸頭 6-節(jié)氣門開度傳感器
（3）氧傳感器
氧傳感器安裝在排氣管上，用來監(jiān)測排氣中氧的含量，檢測空燃比是否位于最佳工作區(qū)，并向電控單元發(fā)出反饋信號，將空燃比控制在最佳工作區(qū)附近。
豐田轎車使用的氧傳感器為氧化鋯式氧傳感器。如圖2.4所示。氧傳感器由可產(chǎn)生電動勢的多孔二氧化鋯陶瓷管、具有導(dǎo)線作用的套管以及為防止氧化鋯管破損的防護(hù)罩與導(dǎo)入排氣的通氣窗等構(gòu)成。在試管狀氧化鋯元素的內(nèi)外兩側(cè)，設(shè)置了白金電極，為了保護(hù)白金電極，用陶瓷包覆電極外側(cè)，內(nèi)側(cè)輸入氧濃度高的大氣，外側(cè)輸入氧濃度低的汽車排出氣體[13]。
圖2.4 氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu)
a）結(jié)構(gòu)圖 b）局部放大圖
1-防護(hù)置 2-氧化鋯體 3-殼體 4-輸出接頭 5-外套 6-導(dǎo)線 7-電動勢 8-大氣一側(cè)的白金電極 9-固態(tài)電解質(zhì)（氧化鋯元素）10-排氣一側(cè)的白金電極 11-涂層（陶瓷）12-排氣 13-大氣
（4）爆震傳感器
爆震是指燃燒室中本應(yīng)逐漸燃燒的部分混合氣突然自燃的現(xiàn)象。爆震使發(fā)動機(jī)部件受高溫、高壓，會使燃燒室和冷卻系過熱，嚴(yán)重的可使活塞頂部熔化，爆震還會使發(fā)動機(jī)功率下降，燃油消耗率上升。
如圖2.5為爆震控制處理時(shí)間圖，因?yàn)楸饍H在燃燒期間發(fā)生，所以為了避免干擾引起的誤檢測，只在爆震判定期間進(jìn)行判定處理。由微機(jī)程序完成的爆震控制，在檢測到爆震時(shí)，立即把點(diǎn)火時(shí)刻變成滯后角，在無爆震時(shí)，則采用提前角反饋控制形式[8]。
圖2.5為爆震控制處理時(shí)間圖
爆震傳感器檢測發(fā)則發(fā)動機(jī)爆震時(shí)，一般安裝在發(fā)動機(jī)的缸體上。比較常用的是壓電式爆震傳感器。
壓電式爆震傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的爆震傳感器，把爆震傳到缸體上的機(jī)械振動轉(zhuǎn)變成電信號，這種爆震傳感器有共振型和非共振型兩種。共振型爆震傳感器，是由與爆震幾乎具有相同共振頻率的振子和能夠檢測振動壓力并將其轉(zhuǎn)換成電信號的壓電元件構(gòu)成，非共振型爆震傳感器是用壓電元件直接檢測爆震信息。除此之外，還有在火花塞的熱圈部位裝上壓電元件，根據(jù)燃燒壓力檢測爆震信息，如圖2.6所示。
圖2.6各種壓電式爆震傳感器
a）電器連接裝置 b）共振型 c）火花塞座金屬模型
1-電器連接裝置 2-平衡塊 3-壓電元件 4-外殼 5-安裝螺紋部 6-壓電元件圓盤 7-火花塞 8-爆震傳感器
圖2.7所示為非共振型壓電式爆震傳感器的結(jié)構(gòu)，該傳感器由壓電元件、平衡塊及導(dǎo)線等構(gòu)成。
圖2.7 壓電式爆震傳感器結(jié)構(gòu)
1-導(dǎo)線 2-壓電元件 3-平衡塊
當(dāng)發(fā)動機(jī)缸體的振動傳到爆震傳感器殼體時(shí)，殼體與平衡塊之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而使夾在中間的壓電元件所承受的推壓力變化。于是，隨著壓電元件承受推壓作用力而產(chǎn)生電壓。在控制組件上只檢出頻率達(dá)到7kHz左右時(shí)爆震所產(chǎn)生的電壓，通過該電壓值的大小可判定爆震強(qiáng)度。
2、電子控制單元（ECU）
ECU是以單片微型計(jì)算機(jī)為核心所組成的電子控制裝置，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理功能。
ECU是發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的控制中心，其功用是分析處理傳感器采集到的各種信息，并向受控裝置發(fā)出控制指令[11]。
（1）ECU的功能
一般來說，ECU具有以下功能：
①接收傳感器和其他裝置輸入的信息，將輸入的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿陀?jì)算機(jī)所能接受的信號；給傳感器提供參考電壓。
②存儲、計(jì)算、分析處理信息，存儲該車型的特點(diǎn)參數(shù)，存儲運(yùn)算中的數(shù)據(jù)，存儲故障信息。
③運(yùn)算分析。根據(jù)信息參數(shù)求出執(zhí)行命令數(shù)值，將輸出的信息與標(biāo)準(zhǔn)值對比，查出故障。
④輸出執(zhí)行命令。
⑤自我修正功能。
（2）ECU的組成
ECU主要由輸入回路、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、微型計(jì)算機(jī)和輸出回路組成。
3、執(zhí)行器
電控燃油噴射系統(tǒng)的執(zhí)行器主要為噴油器，另外ECU還要完成對電動汽油泵的控制。
（1）噴油器控制即汽油噴射控制主要包括兩個(gè)方面：噴射正時(shí)控制和噴油量控制。
噴油正時(shí)控制是控制噴油器噴油開始時(shí)刻。可分為同步噴射和異步噴射兩類。同步噴射又可分為同時(shí)噴射、分組噴射、順序噴射三種基本類型。
（2）電動汽油泵控制一般符合以下要求：只有在發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電動汽油泵才工作；發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即使點(diǎn)火開關(guān)接通，電動汽油泵也不工作。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了汽油機(jī)電控系統(tǒng)的組成及汽油機(jī)電控系統(tǒng)中的燃油噴射控制工作原理，除此之外，發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)中還包括怠速控制、排放控制、自我診斷與報(bào)警系統(tǒng)控制、失效保護(hù)控制等，由于實(shí)驗(yàn)臺條件所限，這些控制內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)臺上都不能進(jìn)行工作模擬。理解和掌握發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的組成和工作原理，為下面的模擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和建立奠定了理論基礎(chǔ)。
第3章 教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
汽油機(jī)電控系統(tǒng)模擬教學(xué)演示臺通常由發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)傳感器等構(gòu)件、演示臺架顯示面板和控制部分所組成。
發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)不能模擬實(shí)車的燃燒等工況，只能模擬實(shí)車的發(fā)動機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的部分工況進(jìn)行工作，故其一些信號和實(shí)車不完全一樣。通過仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)，可以學(xué)習(xí)和研究電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、功用、原理和檢測方法以及零部件在實(shí)車中的連接方式，掌握發(fā)動機(jī)冷卻水溫度、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等工況變化時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和ECU輸入、輸出信號的檢查方法，進(jìn)行故障設(shè)定，研究當(dāng)輸入ECU的信號電路開路或短路時(shí)ECU端子電壓的變化情況。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的診斷功能，并可使用各種汽車發(fā)動機(jī)檢測儀進(jìn)行檢測。此外，可進(jìn)行零部件研究，通過單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。
實(shí)驗(yàn)臺作為電控系統(tǒng)零部件的載體，除了要滿足強(qiáng)度要求，零部件布置合理之外，還要方便使用，具有易于操作、拆裝方便等特點(diǎn)。電控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和制作主要依據(jù)豐田卡羅拉轎車的電器線束進(jìn)行設(shè)計(jì)，再根據(jù)卡羅拉轎車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)零部件的尺寸與布置情況確定實(shí)驗(yàn)臺臺面布置。
3.1實(shí)驗(yàn)臺面板的布置設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)臺面板是電控系統(tǒng)零部件的載體，總體布置應(yīng)該直觀、簡潔、方便操作。實(shí)驗(yàn)臺的顯示面板上布置了發(fā)動機(jī)的各個(gè)傳感器、發(fā)動機(jī)ECU、組合儀表、點(diǎn)火器、噴油器和ECU端子板等，ECU端子板上設(shè)有故障控制開關(guān)，用以接通或斷開電路，模擬系統(tǒng)故障。和實(shí)車一樣，可在該系統(tǒng)上用解碼器或人工讀故障碼，并清除故障碼。 各區(qū)域的設(shè)計(jì)力爭緊湊。[12]
在考慮實(shí)驗(yàn)臺布置時(shí)，遵循的基本原則是ECU—傳感器—執(zhí)行器，這樣的布置可以清晰的看清楚系統(tǒng)的工作過程，對電控系統(tǒng)的組成和工作原理也可以得到很好的理解。電控系統(tǒng)零部件布置圖詳見下圖。
圖3.1 實(shí)驗(yàn)臺布置圖
3.2教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)臺臺架設(shè)計(jì)
發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺臺架的設(shè)計(jì)是根據(jù)板面的布置情況和大小，以及某些元件的傳動需要來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)中要考慮到強(qiáng)度要求、零部件的合理布置、操作的方便等綜合因素。就模擬發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)而言，實(shí)驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)主要由實(shí)驗(yàn)臺架、面板、操作臺等組成。
3.2.1 實(shí)驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)臺架是實(shí)驗(yàn)臺的主體機(jī)構(gòu)，主要起到支承的作用，是電控系統(tǒng)零部件的載體。實(shí)驗(yàn)臺架采用四腳支承，考慮到實(shí)驗(yàn)臺移動的方便，在臺架底部設(shè)有萬向輪。
實(shí)驗(yàn)臺架整體采用鐵板焊接而成。支承操作臺部分以兩平行三角鐵為主體，如圖3.2所示。
圖3.2 主體結(jié)構(gòu)角鋼
四個(gè)立柱分別與三角鐵焊接，直到支承的作用。四個(gè)立柱亦用橫桿焊接，起到穩(wěn)定的作用。立柱和橫桿均為矩形空心結(jié)構(gòu)。如圖3.3所示。
圖3.3 臺架三維圖
該臺面與操作面成75度，整個(gè)臺面可以上下舉升，由螺紋傳動將臺面板舉升，在臺面的兩側(cè)導(dǎo)桿起到導(dǎo)向作用。如圖3.4(a)、（b）所示
（a）臺架兩側(cè)導(dǎo)桿
(b) 搖動手輪
圖3.4 臺架導(dǎo)桿及手輪圖
3.2.2 實(shí)驗(yàn)臺面板、操作臺設(shè)計(jì)
面板的作用是用來放置發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)各零部件；操作臺主要是用于放置實(shí)驗(yàn)中需要的萬用表、示波器等工具。
面板、操作臺按已設(shè)計(jì)的尺寸加工成與實(shí)驗(yàn)臺相符合的形狀即可。
面板與三角鐵為螺栓連接；操作臺直接水平放置在支承三角鐵上。
角鐵和導(dǎo)桿座焊接在一起，導(dǎo)桿和導(dǎo)桿座是通過定位螺釘固定。
3.3 模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺尺寸的確定
在確定實(shí)驗(yàn)臺的尺寸時(shí)主要是考慮到操作和觀察的方便，另外還要大小合適，布局合理等?？傮w上應(yīng)該符合人機(jī)工程學(xué)的要求。
1、實(shí)驗(yàn)臺整體尺寸的確定
參照實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有電控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)體模型，再通過實(shí)際在原車的上測量及其估算，此外，零部件之間的間隙要適中，便于安裝，整體布局應(yīng)該合理、美觀，最終確定面板的尺寸為1680×900mm。
操作臺主要是用來放置萬用表、實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具等；操作臺離地面的高，主要是考慮到實(shí)驗(yàn)者操作的方便，最終確定操作臺的尺寸為730×400mm；實(shí)驗(yàn)臺的寬度為700mm。
2、實(shí)驗(yàn)臺支承件尺寸的確定
三角鐵的尺寸為30×30mm；支柱的尺寸為30×30mm
3、實(shí)驗(yàn)臺導(dǎo)向件的尺寸的確定
導(dǎo)桿的尺寸分別為φ20×1100和φ20×650
4、實(shí)驗(yàn)臺舉升動力機(jī)構(gòu)的確認(rèn)
傳動螺桿為Tr36×6（p=6）的梯形螺紋傳動，手輪為外購件，規(guī)格為φ150
最后綜合確實(shí)實(shí)驗(yàn)臺的尺寸如圖3.5所示。
（a）主視圖尺寸
（b）俯視視圖尺寸
（c）左視圖尺寸
圖3.5 實(shí)驗(yàn)臺各部分尺寸
3.4 實(shí)驗(yàn)臺材料的選擇與強(qiáng)度校核
3.4.1 實(shí)驗(yàn)臺架材料的選擇
由于實(shí)驗(yàn)臺本身的質(zhì)量不是很大（大約100kg）左右，只承受靜載荷和輕微的電機(jī)振動，另外考慮到成本的因素，所以選擇實(shí)驗(yàn)臺架的材料為普通碳素鋼，材料牌號為Q235。
面板、操作臺選擇雙貼面細(xì)木工板即可。
3.4.2 實(shí)驗(yàn)臺強(qiáng)度校核
初步選定實(shí)驗(yàn)臺的材料后就要進(jìn)行強(qiáng)度校核。本實(shí)驗(yàn)臺主要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定校核和彎曲應(yīng)力校核。
1、壓桿穩(wěn)定校核
如圖3.5所示的實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖，可將實(shí)驗(yàn)臺簡化成圖3.6所示的力學(xué)模型。其中，m1為操作臺部分的總質(zhì)量；m2為面板部分的總質(zhì)量。
圖3.6 實(shí)驗(yàn)臺力學(xué)模型
如圖3.6所示，根據(jù)力矩平衡，可列出如下方程：
F2c=m1ga+m2g(a+b） （3.1）
其中，m1的最大承載質(zhì)量為50kg；m2的最大承載質(zhì)量為100kg；a=350mm；b=500mm；c=1680mm；g取9.8m/s2，將各值代入式3.1得，
F2=860.3N
臨界力 Fcr=π2EI4l2 （3.2）
式3.2為兩端鉸支細(xì)長壓桿的歐拉公式，所以只有當(dāng)壓桿的臨界應(yīng)力σcr未超過材料的比例極限σp時(shí)，歐拉公式才適用。因此，應(yīng)用歐拉公式的條件為：
σcr=π2Eλ2≤σp
或?qū)懽? λ≥πEσp
令 λP=πEσp
則歐拉公式的適用條件為 λ≥λP
對于實(shí)驗(yàn)臺材料的碳素鋼Q235，彈性模量E=2×105MPa，σp=200MPa，代入 λP=πEσp 后，可行λP≈100。即只有λ≥100時(shí)，才能用歐拉公式計(jì)算臨界力。
λ=μli （3.3）
i=IA （3.4）
其中，μ為長度系統(tǒng)，對于該力學(xué)模型，取μ=2；l為實(shí)驗(yàn)臺的高，l=700mm；I為極慣性矩，I=d412 ，d為正方形支柱的邊長；d=30mm； A為支柱的面積，將各值代入式3.3和式3.4可得：
λ=161.66 ≥λP≈100
所以實(shí)驗(yàn)臺力學(xué)模型可以看做細(xì)長壓桿應(yīng)用歐拉公式來計(jì)算臨界力。
將各值代入式3.2得，
Fcr=6.78×104N
穩(wěn)定安全系數(shù)[nw]=3，則許用載荷
[F]=Fcrnw=6.78×1043=2.26×104N
所以F2 <[F]，滿足強(qiáng)度要求。
2、彎曲應(yīng)力校核
如圖3.7所示，為實(shí)驗(yàn)臺支承三角鐵的截面圖。
圖3.7 三角鐵截面圖
如圖3.8所示為實(shí)驗(yàn)臺的受力簡圖。其中（b）為剪力圖；（c）為彎矩圖。最大彎矩為M=63050N·mm。
圖3.8 實(shí)驗(yàn)臺受力分析圖
（1）確定中性軸的位置
yc=25×5×17.5+30×5×2.525×5+30×5=9.32mm
（2）截面對中性軸的慣矩
IZ=5×25312+25×5×8.182+30×5312+30×5×6.822=2.2×104mm4
（3）校核強(qiáng)度
σc max=MIZyc=63050×9.3222000=26.71MPa<[σc]=158MPa
綜上所述，實(shí)驗(yàn)臺所選材料Q235滿足強(qiáng)度要求[7,9]。
3.5 滑動螺旋副傳動
3.5.1滑動螺旋傳動
1、按用途分三類：
（1）傳力螺旋——舉重器、千斤頂、加壓螺旋
特點(diǎn)：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖
（2）傳導(dǎo)螺旋——機(jī)床進(jìn)給匯杠—傳遞運(yùn)動和動力
特點(diǎn)：速度高、連續(xù)工作、精度高
（3）調(diào)整螺旋——機(jī)床、儀器及測試裝置中的微調(diào)螺旋
特點(diǎn)：是受力較小且不經(jīng)常轉(zhuǎn)動
2、傳動形式：
1）螺桿轉(zhuǎn)螺母移
2）螺桿又轉(zhuǎn)又移（螺平固定）——用得多
3）螺母轉(zhuǎn)螺桿移
4）螺母又轉(zhuǎn)又移（螺桿固定）——用得少
該臺架舉升用的螺旋就是傳力螺旋，傳動形式：為螺桿又轉(zhuǎn)又移（螺平固定）。
3.5.2滑動螺旋的特點(diǎn)
構(gòu)造簡單、傳動比大，承載能力高，加工方便、傳動平穩(wěn)、工作可靠、易于自鎖。磨損快、壽命短，低速時(shí)有爬行現(xiàn)象（滑移），摩擦損耗大，傳動效率低（30%～40%）。
3.5.3螺旋傳動的應(yīng)用
螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動將直線運(yùn)動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)傳遞運(yùn)動或動力。
3.6螺旋傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算
對于一般的傳力螺旋，其主要的失效形式是螺旋表面的磨損，螺桿的拉斷或剪切以及螺紋牙根部的剪斷及彎斷，設(shè)計(jì)時(shí)常以耐磨性計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算來確定螺紋傳動的主要尺寸；
對于受壓的長螺桿還要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性核算，要求自鎖的螺旋腰驗(yàn)算是否滿足自鎖條件；
1、耐磨性計(jì)算
螺紋的的耐磨性條件為
（3.5）
若按耐磨性條件設(shè)計(jì)螺紋中徑時(shí)，可引用系數(shù)以消去H得
（3.6）
對于梯形螺紋，h=0.5p,則
（3.7）
式中的——許用壓強(qiáng)，Mpa
——螺紋的中徑，
H——螺母高度，
F——軸向載荷，
——螺紋副許用壓強(qiáng)，N/mm2（查表11-19）。
根據(jù)表5-8查得，該材料滿足耐磨性的要求
2、螺桿強(qiáng)度計(jì)算
螺桿端面承受軸向力F和轉(zhuǎn)矩T1的作用，根據(jù)第四強(qiáng)理論，螺桿危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件為：
3、螺紋副自鎖條件校核
對有自鎖要求的螺旋，要校核其自鎖性：
通常
式中——當(dāng)量摩擦角
——摩擦因數(shù)（查表11-1-7）
S——導(dǎo)程 mm
按照綜合計(jì)算，此螺紋副具有自鎖能力。
4、臺架舉升受力分析
圖3.9 臺架舉升受力分析圖
由上圖可知，作用在Fx上的力可以用力的分解來計(jì)算
人手轉(zhuǎn)動該螺桿所需的力為
人工只需16.5公斤力就可以將螺桿轉(zhuǎn)動并且使其上升。
在臺架上升的過程中，由于有四個(gè)導(dǎo)桿做支撐作用，臺板在上升的過程中，力是始終不變的，四個(gè)導(dǎo)桿的相對位置始終處于水平狀態(tài)，螺紋傳動的過程只是單純的螺紋桿受垂直上下的力，傾斜力全都被四個(gè)導(dǎo)桿給抵消掉，導(dǎo)桿不光起到導(dǎo)向的作用，同時(shí)也起到傾斜方向的力。所以在臺板上升的過程中，螺紋傳動是不會被卡死的。
3.7 本章小結(jié)
本章主要介紹了汽油機(jī)電控系統(tǒng)模擬教學(xué)演示臺的設(shè)計(jì)，包括教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)臺面板的布置方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)臺臺架設(shè)計(jì)。涵蓋了實(shí)驗(yàn)臺的布置方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸確定、材料的選擇及強(qiáng)度校核等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)臺的整體結(jié)構(gòu)由實(shí)驗(yàn)臺架、整理臺、面板組成。臺架的材料選擇Q235，經(jīng)驗(yàn)算符合強(qiáng)度要求。實(shí)驗(yàn)臺臺架的設(shè)計(jì)則是以能夠方便教學(xué)展示為目的。本章節(jié)設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的一部分。
第4章 實(shí)驗(yàn)臺電路設(shè)計(jì)與電機(jī)控制原理
電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)中重要的一部分，直接關(guān)系到電控系統(tǒng)的正常工作。本實(shí)驗(yàn)臺的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在豐田卡羅拉轎車電路的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，去掉在實(shí)驗(yàn)臺中不需要的部分，添加了電動機(jī)的控制等內(nèi)容。
4.1 實(shí)驗(yàn)臺電路優(yōu)化設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)臺發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)所用電路是在原豐田卡羅拉轎車的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化。
由于實(shí)驗(yàn)臺的條件所限，不能模擬怠速控制、進(jìn)排氣控制、增壓控制等內(nèi)容，所以在電路中去掉了原車的相應(yīng)傳感器、執(zhí)行器的接線；另外，也去掉了空調(diào)開關(guān)、車速傳感器等控制信號。由于相比原車實(shí)驗(yàn)臺的電路要簡單得多，所以去掉了原車采用的接線盒，而直接用導(dǎo)線連接。接地點(diǎn)也集中到一點(diǎn)。為了便于觀察電路，導(dǎo)線顏色、粗細(xì)則與原車相同。此外，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)臺的特點(diǎn)，又在原車電路的基礎(chǔ)上增加了電動機(jī)的控制電路、診斷接口、傳感器信號模擬等內(nèi)容。為了方便在教學(xué)過程中更好的起到教學(xué)演示作用，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺電路的過程中，將所有連接到ECU端子的導(dǎo)線單獨(dú)連接到一起，并且增設(shè)了故障開關(guān)，方便學(xué)生進(jìn)行故障模擬和故障的檢測，加深對發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的認(rèn)識和學(xué)習(xí)。結(jié)合上述本實(shí)驗(yàn)臺的電路的特點(diǎn)，最后繪制出本實(shí)驗(yàn)臺的電路圖[14]。如圖4.1所示：
圖4.1 汽油機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺電路圖
4.2 電動機(jī)的選擇與轉(zhuǎn)速控制原理
電動機(jī)在實(shí)驗(yàn)臺中的主要作用是代替實(shí)際發(fā)動機(jī)的工作，并用于驅(qū)動曲軸正時(shí)齒輪和凸輪軸正時(shí)齒輪，同時(shí)也時(shí)刻反映實(shí)際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。
4.2.1 電動機(jī)的選擇
實(shí)驗(yàn)臺所用電源為汽車用蓄電池，額定電壓為12V。所以選用汽車空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)用永磁式直流電動機(jī)作為本實(shí)驗(yàn)臺用電動機(jī)。其電動機(jī)的參數(shù)如下表4.2所示。
表4.2 電動機(jī)參數(shù)
生產(chǎn)公司
（型號）
機(jī)殼
外徑
（mm）
機(jī)殼
長度
（mm）
轉(zhuǎn)軸
長度
（mm）
額定
電壓
（V）
最大空載
轉(zhuǎn)速（r/min）
轉(zhuǎn)矩0.3N·m時(shí)
轉(zhuǎn)矩0.6N·m時(shí)
輸出功率
(W)
電流
(A)
轉(zhuǎn)速
(r/min)
電流
(A)
轉(zhuǎn)速
(r/min)
SIEMENS
（PHW）
64
78
159
12
4500
16
3700
29
3100
170
4.2.2 實(shí)驗(yàn)臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制原理
1、電動機(jī)的基本特性
如圖4.3所示為直流電動機(jī)的簡化等效電路。電動機(jī)部分用框中的電樞電阻Ra和電動勢Ec的串聯(lián)電路來等效，電源電壓Eb通過a，b給電路供電。
圖4.3直流電動機(jī)的簡化電路
根據(jù)上圖可列寫出如下電壓方程：
Eb=Ra?Ia+Ec （4.1）
式中，Eb為電源電壓；Ec為電動機(jī)反電動勢；Ra為電樞電阻；Ia為電樞電流。
電動機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，由式（1.1）得電動機(jī)流過的電流為：
Ia=Eb-EcRa （4.2）
由式（4.2）可知，由于電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)了反電動勢，因此，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反電動勢越大，電樞電流也就越小。
2、電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理
由上述的電動機(jī)的基本特性可知，改變電源電壓的大小可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的最簡單的方法就是電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)整。
圖4.2為在電動機(jī)電樞回路中使用串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法。圖中R1、R2、R3的電阻值依次增大。當(dāng)依次切換開關(guān)SW1的A、B、C、D時(shí)，轉(zhuǎn)速即可發(fā)生變化。
圖4.4 串聯(lián)電阻調(diào)速的方法
采用電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速的方法是一種最簡單的電動機(jī)調(diào)速方法，雖然也能達(dá)到電動機(jī)變速的目的，但是不能精確控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，下面介紹一種比較精確的電動機(jī)調(diào)速方法，脈寬調(diào)制（PWM）控制方式。
PWM控制方式是利用功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制電壓恒定的直流電源，通過改變占空比（占空比是指在一個(gè)周期T里，晶體管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值）來改變電樞的平均電壓，以此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這是目前直流電動機(jī)的主要控制方式。其控制原理圖如圖4.3a所示。
a)原理圖 b)輸入輸出電壓波形電流波形
圖4.5直流電機(jī)脈寬調(diào)制控制原理和電壓波形圖
在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。主要使用的改變占空比的方法是定頻調(diào)寬法，即使周期T保持不變，而同時(shí)改變t1和t2。
3、直流電動機(jī)的不可逆PWM系統(tǒng)
直流電動機(jī)PWM控制系統(tǒng)有可逆和不可逆系統(tǒng)之分?？赡嫦到y(tǒng)是指電動機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)；不可逆系統(tǒng)是指電動機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)。本實(shí)驗(yàn)臺所應(yīng)用的電動機(jī)為單向旋轉(zhuǎn)，所以采用PWM不可逆系統(tǒng)[15,16]。
4.3 PWM調(diào)速控制的優(yōu)點(diǎn)
1、簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積變小，重量減輕，造價(jià)下降，所用功率元件少，且工作于開關(guān)狀態(tài)，因此電路的導(dǎo)通損耗小，工作效率比較高。
2、采用功率較小的低慣量奠基石，具有高的定位速度和精度。
3、低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。
4、改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和電機(jī)的運(yùn)行性能，提高了調(diào)節(jié)速度，使調(diào)節(jié)過程中電壓與頻率配合較好、動態(tài)響應(yīng)好、抗干擾能力好、可靠性能高
4.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了實(shí)驗(yàn)臺電路優(yōu)化、電動機(jī)的選擇與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等內(nèi)容，這些內(nèi)容對于電控系統(tǒng)能否正常、準(zhǔn)確工作起著關(guān)鍵的作用。實(shí)驗(yàn)臺電路主要是在豐田卡羅拉實(shí)車電路的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。去掉實(shí)驗(yàn)臺中不需要的排放控制、怠速控制等內(nèi)容，加入故障診斷、電動機(jī)控制等內(nèi)容。由于電動機(jī)控制采用單片機(jī)和PWM控制，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和電機(jī)的運(yùn)行性能，提高了調(diào)節(jié)速度，使調(diào)節(jié)過程中電壓與頻率配合較好。
第5章 電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 概述
為了精確的反應(yīng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速（實(shí)驗(yàn)臺用電動機(jī)替代）與傳感器信號變化的關(guān)系，在本實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)中，用節(jié)氣門位置傳感器的變化信號與冷卻液溫度傳感器信號變化來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，下面將具體介紹這個(gè)控制系統(tǒng)的搭建。
5.1.1 節(jié)氣門位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
節(jié)氣門位置傳感器輸出的信號為開度與轉(zhuǎn)速的線性變化關(guān)系，通過對豐田卡羅拉的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，可以測得節(jié)氣門開度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，將節(jié)氣門開度信號送入單片機(jī)，再通過單片機(jī)控制即可達(dá)到目的。
5.1.2 水溫傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
水溫傳感器是由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻組成的。發(fā)動機(jī)水溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值發(fā)生變化，通過控制電路將其轉(zhuǎn)變成電壓信號輸送給ECU。
單片機(jī)，通過P1.3口讀取節(jié)氣門位置信號，通過P1.2口讀取水溫信號。在程序設(shè)計(jì)上，通過讀取P1.3口和P1.2引腳的輸入狀態(tài)來控制電機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)P1.3口有輸入，即節(jié)氣門打開時(shí)，當(dāng)節(jié)氣門信號電壓值不大于0.5V由水溫傳感器來控制轉(zhuǎn)速。當(dāng)節(jié)氣門信號電壓值大于0.5V時(shí)，由節(jié)氣門位置傳感器來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。
如圖5.1所示，對于冷卻液溫度傳感器可以用一個(gè)可變電阻器替代，兩者并聯(lián)，用一個(gè)雙刀單擲開關(guān)來控制可變電阻器的工作。
圖5.1 冷卻液溫度傳感器電路
5.2 硬件裝置的選擇
5.2.1單片機(jī)的選擇
（1）必須帶有AD轉(zhuǎn)換，用于采集溫度信號和節(jié)氣門信號，由于溫度信號和節(jié)氣門信號的最大電壓是4.5V，所以AD應(yīng)該能采集大于4.5V的信號，為了使電路簡單，所選的單片機(jī)應(yīng)該使用5V電源,為了更精確讀取控制信號