威驰轿车的教学改装设计

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1、 22 / 28摘 要随着汽车工业的发展，汽车的控制正从机械控制向电子控制时期发展，电子技术在现代汽车中得到广泛应用。本实验台研发设计的目的是辅助汽车教学，方便学生了解汽车电控系统与单片机控制技术相结合的原理，培养学生的工程实践能力。实验台的制作以从威驰发动机上所采的数据流为依据, 对丰田系列车型具有针对性。设计的主要特点是信号控制，通过在传感器与ECU之间设置开关，用于控制传感器信号,从而实现控制系统信号测试分析。形象直观发动机舱内安装了仪表，控制柜上有数据显示，车门剖面结构紧凑，功能演示形象直观。实验台的主要功能是可以检测汽车电脑是否正常工作，并且可以用专用诊断仪器读取有关数据流，查找汽车

2、电脑的故障。可以模拟发动机电控燃油喷射、点火，满足汽车实验教学要求，操作简便。关键词：电子控制；信号模拟；电控燃油喷射；剖面；传感器ABSTRACTAlong 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 a

3、utomobile. 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 abilit

4、y 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 typeMain feature is signal imitation the sensor and ECU provided between the sensor used to control signals, testing analys

5、is. 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 correlati

6、ve data stream by special diagnosis instruments. Moreover, it can find ECUs 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-controll

7、ed fuel oil injection；Section；Sensors 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1引言11.2课题研究的背景与意义11.3 主要研究内容2第2章汽车电控系统的应用及故障诊断原理.32.1 汽车电子技术的发展32.2 现代汽车电子技术的应用32.2.1 发动机功率和排放的闭环控制系统42.2.2 汽油机电子综合控制系统42.3 国内外汽车电子系统的研究状况42.4故障诊断技术的发展趋势62.5故障诊断系统的原理72.5.1发动机控制柜的工作流程72.5.2基本组成与原理72.5.3电子控制燃油喷射的基本原理82.5.4 电子控制燃油喷射系统的组成

8、92.6点火系的组成及原理112.7 故障诊断原理122.7.1传感器的故障诊断122.7.2执行器的故障诊断122.7.3线路故障诊断122.8 发动机控制柜的功能要求132.9发动机控制柜的工作原理及过程132.10本章小结14第3章 丰田轿车发动机控制柜设计143.1 总体方案的确定143.1.1 威驰车型的选择153.1.2 控制柜总体结构的设计153.1.3 控制柜整体结构校核163.2 控制柜的制作193.2.1 台架的焊接193.2.2 控制面板的制作193.2.3组件的安装213.2.4 实验台的整体合理性213.3 线路连接转换头的设计223.3.1 针孔的布置223.3.2

9、 驾驶员座椅底部航空接头布置223.3.3 航空接头的用途233.4 实验台电路设计233.5控制柜的作用243.6本章小结24第4章 工作数据显示设计254.1数据采集和分析254.1.1 数据流的采集254.1.2 数据流的分析264.2显示控件设计284.2.1 仪表设计284.2.2 转接板设计284.2.3 显示功能294.3本章小结29第5章 威驰轿车教学剖面设计305.1 总体方案的确定305.1.1 剖面位置的选择305.1.2 剖面结构的设计305.2 汽车部件解剖315.2.1 整车棚顶的切割315.2.2 整车剖面的示教功能315.2.3 车门的解剖315.2.4 车门剖

10、切的工艺及方法325.2.5 车门剖面的示教功能325.3 本章小结33结 论.34参考文献35致 谢36附 录37第1章 绪 论1.1引言教学改装是迅速发展起来的一门新兴学科，随着教学改装的理论方法和应用技术的研究和深入以及计算机技术的发展，应用计算机对实际系统或假想的的系统进行仿真的技术越来越受到人们的重视。总结和回顾系统仿真系统的应用历史，系统仿真技术不仅在航天，航海，原子能，电力等领域进一步提高了应用水平，而且逐步发展到应用于社会，经济，交通，生态系统等各个领域，已成为高科技产品从论证，设计，生产试验，训练到更新等生命周期各个阶段不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂的系统问题提供了有效

11、的工具。1.2课题研究的背景与意义近20多年来，随着计算机和电子技术的发展，汽车工业和汽车技术取得了长足进步。采用电子技术已经成为解决汽车质量与性能诸多问题中的最佳方案。应用微机控制发动机的喷油与点火就是为了适应社会对汽车排放法规与节能的要求。目前，多数轿车都已装用发动机管理系统，对发动机各个系统进行综合控制发动机的控制已由早期的模拟装置发展成为微机控制的数字控制系统。在发动机管理系统中，微机不仅控制点火定时与喷油系统的空然比，还控制怠速转速，爆燃，增压压力，近期和废弃再循环以及变速器传动诸多方面，还增加了自诊断系统，后备系统与保护装置，提高了整个控制系统的可靠性。现代汽车工业已经进入成熟的发

12、展阶段，世界各大汽车制造商为进一步地争夺汽车销售市场，不断加强开发投资力度，试图以提高汽车安全性、降低能耗、改善舒适性和增加功能等来推动汽车工业向高附加值方向发展。汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车已经由单纯的机械产品发展为高级的机电一体化产品，成为所谓的“电子汽车”。汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。随着电子信息技术的飞速发展, 现代汽车技术与电子技术、信息技术融合在一起, 汽车已成为现代科技的载体和结晶。据核计，目前平均每辆车上的电子装备已经占到整车成本的20%-30%，在一些豪华轿车

13、上，使用单片微型计算机的数量已经达到50个，电子产品费用占到整车成本的50%以上。可以说,目前电子技术的应用已经深入到汽车所有的系统并在提高汽车的操纵性能、燃油经济性、可靠性和自动化程度等方面发挥着越来越重要的作用。在发达国家，汽车已经进入电子时代，汽车电子控制技术已经成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题。由此可以看出，现代汽车已不再是传统的机电产品，其中汽车的机械部分的发展已经达到了极致，汽车继续改进的空间将集中在传统汽车技术和电子技术的的结合上，汽车上70%的革新来自汽车电子技术及产品。然而，由于汽车运行的环境多变，特别是发动机所处的环境恶劣，因此，由发动机电子控制系统引起的故障也相应

14、增多。据相关从事汽车维修多年的人员表示，现代汽车由于电控系统引起的故障大约占全车故障的70%，特别是新车。发动机电子燃油喷射是一项涉及面很广的技术，它包括了传感器技术、微处理技术、控制工程等多方面知识。并且，在汽车修理过程中，由于车系、车型的差别，维修人员判定传感器元件信号及电子控制单元导致的故障很困难。这就给汽车维修和汽车教学带来了很大的障碍。而现有的教学试验台架绝大部分仍然基于传统的发动机，这是制约学生理论学习和提高实践能力的一个重要原因。本设计通过对发动机电子控制部分实施改制，使之形成可以脱离发动机本体试验的系统设计，应用相应传感器来模拟实际运行工况，实现故障诊断，通过故障代码的分析，查

15、找并排除故障。研制出一套对汽车电子控制系统诊断准确、操作方便、快速经济的故障诊断系统，从而把理论教学与实践过程有机地结合起来，使理论教学更直观，实践过程更容易。1.3 主要研究内容（1）控制柜的设计：具有较强的演示功能，可以实现随车故障诊断以及针对不同电子控制系统元件进行信号测试；（2）控制面板的设计：实现车辆控制信号测试；（3）车用传感器信号控制：通过对其电路ECU传感器之间设置开关进行信号控制；（4）实现相关教学功能：可以进行解剖和切割，使学生能够直观看到车门制造工艺、材料、机构及装配关系；第2章 汽车电控系统的应用及故障诊断原理 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志，现代汽车电子控制技术的

16、应用不仅提高了汽车的动力性、经济性和安全性, 改善了行驶的稳定性和舒适性, 推动了汽车工业的发展, 还为电子产品开拓了广阔的市场, 从而推动了电子工业的发展。因此, 发展汽车电子控制新技术, 加快汽车电子化速度, 是振兴和发展汽车工业的重要手段。2.1 汽车电子技术的发展世界汽车电子技术的发展过程在不同的资料介绍中略有不同，但按照时间顺序大致可以分为以下三个阶段：第一阶段 （19601975年）：20世纪60年代晶体管收音机、晶体管点火装置的实用化揭开了电子化时代的序幕，主要产品有交流发电机、电子电压调节器、电子点火控制器等。1967年，德国BOSCH公司利用进气支管绝对压力信号和模拟计算机来

17、控制发动机空燃比的D型燃油喷射系统装配在汽车上，率先达到了当时美国加州的排放法规要求，开创了汽油机电子控制燃油喷射技术的新时代。第二阶段 （19751985年）：由于计算机技术的迅速发展，汽车进入了微机控制时代，汽车上广泛应用集成电路和16位以下的微处理器。电子控制燃油喷射装置的功能得到进一步的扩充，在三元催化转化的系统中采用了氧传感器，形成了闭环控制，显著降低了污染。有的还采用了发动机整体控制系统，出现了无分电器的微机控制点火系统。其主要特点是发展专用的控制系统，主要产品有电子燃油喷射系统（EFI）、空燃比反馈控制系统、故障自诊断系统等。第三阶段 （1985年现在）：高科技的迅速发展时期，汽

18、车电子产品的研制开发竞争十分激烈，主要侧重于汽车性能的进一步提高、各种功能的进一步完善及减少汽车的质量，开始使用32位微处理器。主要产品有故障自诊断系统、信息显示系统、数字式油压表、驱动防滑系统等。2.2 现代汽车电子技术的应用汽车电子技术的应用主要体现在车用微型计算机的推广使用上。虽然汽车微机控制系统的应用范围很广, 但是技术比较成熟且应用很普遍的还是发动机控制系统。2.2.1 发动机功率和排放的闭环控制系统电子点火正时：电子点火正时是利用专用微机或大规模芯片实行对点火时刻的最佳控制, 它的关键部件是高精度曲轴位置传感器、负荷传感器、排气含氧量传感器、爆然传感器、进排气温度传感器、冷却水温度

19、传感器等。电子控制燃油供给系统。目前使用最普遍的是电子汽油喷射系统, 其次是电子式化油器和柴油发动机的电子控制等。它们的关键部件除与电子点火正时系统相同外, 还包括进气流量传感器、燃油泵和喷油嘴。电子技术在发动机上的应用往往是综合性的, 这样才易于降低成本, 提高性能。如日本日产汽车公司生产的ECCS系统就同时具有点火正时、汽油喷射、废气再循环、怠速控制系统及故障诊断等多种功能。2.2.2 汽油机电子综合控制系统汽油机电子控制装置除完成一般的电子控制汽油喷射装置的起动喷油量控制、伺服喷油量控制、暖车工况控制外, 还能实现空燃比反馈控制、点火控制、排气再循环控制和二次空气供给控制、怠速控制等。此

20、外, 新型汽油机电子控制装置还装有自适应控制, 智能控制及故障自诊断操作等。汽油机电子综合控制已将发动机的工作控制在最佳的运行状态。此外，电子技术还应用于柴油机综合控制系统、汽车动力转向系统、行驶系、主动悬架、通讯导航、娱乐和乘坐舒适性等方面。2.3 国内外汽车电子系统的研究状况当前，汽车电子技术进入了优化人-汽车-环境的整体关系的阶段，它向着超微型磁体、超高效电机以及集成电路的微型化方向发展，并为汽车上的集中控制提供了基础（例如制动、转向和悬架的集中控制以及发动机和变速器的集中控制）。汽车电子技术成就汽车工业的未来，未来汽车电子技术应在以下几方面进行突破。1传感器技术由于汽车电子控制系统的多

21、样化，使其所需要的传感器种类和数量不断增加。为此，研制新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器是十分必要的。未来的智能化集成传感器，不仅要能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号作放大和处理。同时，它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。2微处理机技术微处理机的出现给汽车仪表带来了革命性的变化，世界汽车工业的微处理机用量激增，由从前单一的仪器逐步发展为多用途、智能化仪表，不但可以很精确地把汽车上所有的待测量都检测出来，分别显示

22、和打印需要的结果，而且还有运算、判断、预测和引导等功能。如可监视汽车各大部件的工作情况，还可以对蓄电池电压、轮胎气压、车速等检测量的高低限量进行报警。微处理机将更广泛地应用于安全、环保、发动机、传动系、速度控制和故障诊断中。3软件新技术应用随着汽车电子技术应用的增加，对有关控制软件的需求也将会增加，并可能要求进一步计算机联网。因此，要求使用多种软件，并开发出通用的高水平语言，以满足多种硬件的要求。轿车上多通道传输网络将大大地依赖于软件，软件总数的增加及其功能的提高，将能够使计算机能完成越来越复杂的任务。4智能汽车及智能交通系统（ITS）的研究及应用汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商们的高

23、度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术实现。智能交通系统（ITS）的开发将与电子、卫星定位等多个交*学科相结合，它能根据驾驶员提供的目标资料，向驾驶员提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线。它装有电子地图，可以显示出前方道路、并采用卫星导航。从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况，自动筛选出最佳行车路线。未来的某天，路上行驶的都会是由计算机控制的智能汽车。5多通道传输技术多通道传输技术由试验室将逐步进入实用阶段。采用这种技术后，使各个数据线成为一个网络，以便分离汽车中心计算机的信息。微处理机可通过网络接收其它单元的信号。传感器和执行

24、机构之间要有一个新式接口，以便与多通道传输系统相联系。 6数据传输载体方面的电子新技术应用汽车电子技术未来将实现整车控制系统。这一系统要求有一个庞大而复杂的信息交换与控制系统，车用计算机的容量要求更大，计算速度则要求更高。由于汽车用计算机控制系统的数量日益增多，采用高速数据传输网络日益显得必要。光导纤维可为此传输网络提供传输介质，以解决电子控制系统防电磁干扰的问题。7汽车车载电子网络随着电控器件在汽车上越来越多的应用，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要。以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及价廉是对汽车电子网络系统的要求。在该系统中，各从

25、处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能。同时在其它处理机需要时提供数据服务。主处理机收集整理各从处理机的数据，并生成车况显示。通信控制器保证数据的正常流动。 此外，电子技术中的集成化制造技术等在未来几年内也将会有大的突破。随着汽车性能和结构的不断改进和提高，特别是近年来电子技术在汽车上的广泛应用，自动控制项目越来越多。汽车电子控制技术就是在传统汽车控制系统的基础上，采用电子技术逐步改进和完善，增加了一些新的功能。其功用一方面是提高原机械零件的工作性能及可靠性；另一方面是随着人们对汽车整体性能要求的提高，而实现更加豪华、先进、舒适和安全的要求。随着人们对汽车所造成的环境污染、交通安全问题越来

26、越多的重视，现代汽车正朝着更加节能、低污染、安全系数高的方向发展，同时也使汽车发动机控制的开发转向电子化、自动化和智能化。由于汽车电子设备数量的不断增加和更新换代，现代汽车用电脑来完成各种电子控制计算、显示等多功能。因此，发动机控制电子化、数字化、智能化、个性化是汽车的发展趋势。2.4故障诊断技术的发展趋势近年来，一些新的科学分支的出现和发展及其在设备故障诊断中的成功应用，为汽车故障诊断技术的发展开拓了新的途径。由于汽车电子化的趋势是从整体上来设计全车的控制系统，因此，现代故障诊断系统的技术正向着故障专家系统、人工智能故障诊断系统方面发展，开发要求是：具有在线更新自诊断功能、故障预测功能、自我

27、保护功能，并且还可以实现在线信息资源的交流与共想。故障诊断(Diagnostics)，是指确定故障的起因，即在不拆卸发动机本体或仅拆下个别零件的条件下，查找故障零件部位和查明故障原因的过程。诊断技术，是指能用于发现和分析故障元件及故障区域的技术。按故障诊断技术从无到有，与电控燃油喷射技术的发展水平相对应的诊断技术可分为人工经验诊断、简单仪器诊断、精密监测诊断和人工智能诊断四个阶段。人工经验诊断：20世纪50年代以前，发动机结构较简单，电控燃油喷射系统还没有应用于汽车发动机，通过简单的测试仪表，如转速表、气压表、真空表电压表、电流表等，或者是判定发动机是否有异响、是否过热、有异味等情况。再依靠人

28、工经验来完成对的发动机故障诊断工作。目前，人工经验诊断方法对某些复杂故障的诊断仍十分有效。简单仪器诊断：20世纪50年代初至70年代末，由于汽油喷射系统开始应用于汽车发动机，传感器、微处理器技术、控制工程技术也随之在汽车发动机上得到应用。因此，在汽油喷射系统故障诊断过程中就必须借助相关传感器、微处理器及示波器等仪器设备对发动机的工况进行检测，以判定其工作性能的好坏。精密监测诊断：20世纪80年代初至90年代初，电子技术的进步，对电控燃油喷射系统的控制内容更加全面，控制程度更加精确。随之，以计算机技术为核心的各种精密诊断设备得到了快速的发展，对电控发动机故障诊断的准确率也有了很大提高。如各种发动

29、机分析仪、点火正时仪、电脑检测仪以及各种电子化检测仪表等都是进行精密检测所必备的仪器。人工智能诊断：20世纪90年代开始，由于汽车电控燃油喷射技术的不断完善，而且车型及其控制技术又不尽相同。因此，在汽车维修中，故障诊断就成为关键性问题。应用人工智能理论与技术以及现代的信息技术开发出的各种故障系统将有助于电控燃油喷射系统故障诊断问题的解决。综上所述，当汽车大量采用电子元件及其计算机控制技术后，其产品本身的质量、安全性、排放性和舒适性得到了提高。同时，当汽车出现故障时，也毫无疑问地带来了故障诊断复杂化等新问题，给汽车故障诊断和维修工作带来了越来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来越高。这就对汽

30、车的现代化保养与快速检测、诊断、维修提出了新的课题。2.5故障诊断系统的原理该系统是一种硬件在线实时技术，通过外设从而模拟整个系统的运行状态。应用开关仿真研究汽车发动机电子控制系统能大大加快产品设计速度，降低成本。本文的目的就是验证发动机电子控制控制用的逻辑、算法以及确定各种控制参数，模拟发动机外部物理环境来调试、检测发动机性能。2.5.1发动机控制柜的工作流程 用户在进行实物故障诊断时，对其外部总体设计，对其控制面板、显示模块，外部插头、航空接头及对其内部电路布线设计。对其要求布局合理，演示直观，最后确定模型。2.5.2基本组成与原理发动机控制柜由箱体、插头面板、开关面板、显示面板、航空接头

31、及支架组成，通过在其内部配置ECU及合理的布线，实现对控制系统信号测试分析（1）ECUECU是实时仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的模型和程序。一般来说，采用层次化、模块化的建模法，将模块化程序划分为不同的速率块，在仿真计算机中按速率块实时调度运行。（2）物理效应设备物理效应设备的作用是模拟复现真实世间的物理环境，形成仿真环境或成为虚拟环境。物理效应设备实现的技术途径多种多样。（3）接口设备仿真计算机输出的驱动信号经变换后驱动相应的物理效应设备。接口设备同时将操作人员或实物系统的控制输入信号到仿真计算机。2.5.3电子控制燃油喷射的基本原理由内燃机原理知，汽油和空气必须按一定比例组

32、成的混合气进入气缸后，才能容易点燃和完全燃烧。理论上完全燃烧一定量的汽油所需的空气量，可以用化学当量比进行计算。按质量计，对汽油来说，空气与汽油的比例为14.7：1。一般用表示过量空气系数，即：=1时称为标准混合气，1称为浓混合气，1称为稀混合气。电子控制汽油喷射装置（EFI），就是利用计算机准确地控制发动机所需的燃油量，保证发动机在各种工况下的混合气的空燃比都在规定的范围之内。控制器综合各种不同传感器送来的信息作出判断，控制喷嘴以一定的压力，正确、迅速地把燃油喷射到发动机进气歧管里，与吸入的空气混合后，进入发动机气缸，同时配合电子控制点火在最佳时刻点燃可燃混合气。图3.1所示是电子控制燃油喷

33、射系统的基本原理图。汽 油 泵喷 油 嘴压力调节器汽 油 箱发 动 机传 感 器控 制 器图2.1 电子控制汽油喷射的基本原理方框图2.5.4 电子控制燃油喷射系统的组成电控汽油喷射系统主要由燃油供给系统、空气供给系统、控制系统组成。 1、燃油供给系统燃油供给系统的作用是将燃油从油箱中吸出，经过加压滤清后由喷嘴向发动机缸体中喷射。主要由汽油箱、汽油滤清器、电动汽油泵、压力调节器、电磁喷油器等组成。汽油在电动汽油泵的压力作用下从油箱中泵出，再经滤清器除去氧化铁、粉尘等固体夹杂物后由燃油管输送到压力调节器调节油压，使燃油压力始终高于进气管压力约0.3Mpa,然后经汽油分配管送给各缸电磁喷油器，电磁

34、喷油器根据发动机控制单元的指令将汽油适时地喷入进气管中。2、空气供给系统空气供给系统的任务是按发动机各工况的需要，适时地提供足够的空气，并测量进入气缸的空气量。空气量是由电控单元通过进气压力传感器测出的压力和发动机转速传感器测出的曲轴转速计算求得。它主要由空气滤清器、空气流量计、节气门控制单元、进气歧管等组成。发动机从外界吸入的空气，经空气滤清器除去杂质后，再由节气门根据相关工况对其进气量进行控制，将足够的空气量通过进气歧管与燃油混合后或直接送入发动机。3、控制系统的组成和控制原理控制系统的功能是根据发动机工况和车辆运行状况确定汽油的最佳喷射量和喷射时刻，使发动机即可获得较大的动力，又可具备良

35、好的经济性，同时又能满足排放的要求。该系统主要由ECU、传感器和执行器组成。基本结构如图3.2所示。传感器I/OCPU存储器执行器模拟信号数字信号输出回路转换器输入信号输入信号ECU图2.2 控制系统基本结构电子控制单元是电子控制系统的核心部件，它主要由输入回路、A/D转换器、微型计算机和输出回路等四部分组成。其基本功能如下：(1)给传感器提供基准电压，将所需输出的信息转变成控制单元所能接受的信号；(2)接受传感器或其他装置输入的各种信息；(3)进行存储、计算、分析处理信息；存储该车的特征参数；计算出输出值；存储运算中的数据；存储故障信息；(4)运算分析。根据信息参数求出执行命令数值，并将输出

36、信息与标准值比较；(5)输出执行命令，把弱信号变为强的执行命令；(6)自我修正、自我保护和自诊断功能；微机利用数字控制，能在较短的时间内处理很多信号，且具有上述功能，能够进行高精度的发动机控制。进气温度传感器：它是一个负温度系数电阻，即温度升高阻值下降。它安装于进气管道上，是检测发动机吸入空气的温度的传感器。由于吸入空气温度的变化会引起空气密度发生变化，因此需要进行燃油喷射量修正。将进气温度转变成电信号，送给控制单元，用于各种控制功能的修正。如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知进气温度，会导致热启动困难，排放升高等故障。冷却水温传感器也是一个负温度系数电阻，它安装在发动机节

37、温器处，直接与发动机冷却水接触。温度越低阻值越大，并将冷却液温度的高低，转变成电信号，输出给电控单元，从而控制供油加浓量、点火正时和怠速转速。该信号是一个较重要的修正信号，如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知冷却水温度，将会导致发动机冷热启动困难、油耗增加、怠速自适应差、排放升高等故障。空气流量计：空气流量计安装在空气滤清器和节气门体之间，用来精确地测定吸入发动机中的空气量的多少，作为决定基本喷油量的参数，确保发动机在各种工况下都能获得最佳的空燃比。根据测量原理不同，可分为叶片式、卡门涡流式、热线式和热膜式等几种。当它出现故障时，可能导致发动机功率下降、运转不稳、油耗增加等

38、故障。节气门位置传感器：节气门位置传感器安装在节气门体上，是检测节气门开度的传感器，有线性输出型和开关量输出型两种形式。它把节气门打开的角度转换成电压信号送到ECU，在节气门不同开度下进行油量控制，怠速触点信号用于断油控制和点火提前角的修正。氧传感器：氧传感器安装在三元转化器前面和排气支管或排器管内，用来检测排气中的氧含量，以确定实际空燃比与理论空燃比相比是稀还是浓，并向ECU反馈相应的电压信号，ECU根据此信号，控制喷油量的增加或减少，从而实现空燃比反馈控制。痒传感器有氧化锆和氧化钛两种，当它出现故障时，发动机的排放会增加。执行器有主继电器和短路继电器，用来控制系统和燃油泵的电源。2.6点火

39、系的组成及原理现代汽车中的普遍使用了电子点火系统，使点火时间的控制精度和可靠性发生了巨大的变化。电子点火系统主要有三大部分组成：检测发动机运行状况的传感器；处理信号并发出工作指令的ECU；执行ECU指令的执行器，包括点火器、点火线圈、分电器和火花塞等等。发动机工作期间，各种传感器分别将每瞬间发动机曲轴位置和转速、负荷（进气歧管压力）以及冷却水温度等工况信号输入ECU中。CPU根据转速和负荷信号，在存储器ROM中检查到与发动机所处工况下对应的最佳基本点火提前角和初级线圈通电时间（闭合角），并根据冷却水温度等信号查出相应的点火提前角修正值。据此，由CPU计算出最佳的点火提前角，再根据曲轴转角和曲轴

40、位置传感器判别出曲轴位置、转角及第几缸处于压缩上止点，向点火器发送点火正时信号，按所需的通电时间，先控制功率三极管接通点火线圈电路，经一段最佳通电时间，使一次电流达到饱和后，再切断初级线圈电路，在次极线圈中感应产生高压电，直接送往相应的火花塞，点燃混合气。在点火控制系统中，采用爆震传感器来检测发动机有无爆燃现象，并将信号送入发动机电子控制单元，从而对点火提前角进行修正，实现对点火时刻的闭环控制，有效地抑制了发动机爆燃现象的发生。2.7 故障诊断原理电子控制系统正常工作时，ECU输入、输出信号的电平都是在规定的范围内变动。当某信号一段时间内不变化或超出规定范围时，故障自诊断系统就会判定为该信号的

41、元件或电路出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部存储器，同时点亮仪表盘上的故障指示灯。 2.7.1传感器的故障诊断各种传感器正常工作时，其输入ECU的信号数值都是在一定范围内变化的。当某一传感器电路出现超出规定的信号时，ECU就判定为该电路或传感器信号发生故障。例如冷却液温度信号，当传感器值异常或不能识别时，ECU就可判定冷却液温度传感器出现故障。冷却液温度传感器正常工作时，其输出电压值在0.14.8V之间变化；如果输出电压低于0.1V（相当于冷却液温度高于139）或高于4.8V（相当于冷却液温度低于-50），CEU检测到电压值超出规定范围时，既判定为冷却液温度传感器短路或断路。2.7.2

42、执行器的故障诊断ECU向执行器发出指令信号，如果没有来自执行器的信号信息，则显示执行器故障。因此，在故障诊断时，常需要增加专用回路来监测执行器的工作信息。例如：当点火回路中的大功率晶体管不能正常工作时，点火器内的点火监视器回路就不能把大功率晶体管正常工作信号输送给控制发动机的ECU。如果ECU得不到点火器的监控信号，就判定点火系发生故障。此时，ECU立即采取措施，使喷油器停止燃油喷射。如果由于某种原因偶尔出现一次不正常信号，ECU并不会判定为故障。只有当不正常的信号持续一定时间或多次出现时，ECU才判定为故障。2.7.3线路故障诊断故障信号的出现，不仅与传感器或执行器本身有关，还可能与出现故障

43、的整个电路有关，而ECU在故障诊断系统判定故障时，只是提供了故障的性质和范围，要最后确定故障的原因，还应进一步检查配线、插头、ECU和相关元件，才能准确地找到出现故障的具体位置，从而排除故障。2.8 发动机控制柜的功能要求为了实现方便教学以及汽车电脑检测等目的，本系统的设计应满足以下要求：（1）电子控制方面，模拟各种传感器信号取代传感器所反馈的信号来控制实验台中执行机构的工作。（2）可以模拟发动机电控燃油喷射、电子点火，以满足教学实验的要求。（3）系统应有一个故障诊断端子，通过与发动机故障分析仪连接，可以测出各传感器信号数据流，而且可以读取ECU故障码，从而排除故障。2.9发动机控制柜的工作原

44、理及过程在系统使用前，先将从电脑输出的传感器模拟信号输出端子与跳线接口的输入端接好，再把所要检测的汽车电脑的输入口与转接板上相应的输出口相接。启动电源，根据需要来操作不同的功能开关就可以实现不同的功能。达到实验教学或检测汽车电脑工作情况的要求。（1）模拟发动机电控燃油喷射、电子点火，以满足教学实验的要求。当发动机控制柜作为教学演示使用时，应该把一个标准的、控制精确的汽车电脑接入系统。它的输入端和输出端分别与转接板和执行器相连。然后接通电源，通过操作面板上的功能开关控制执行器的各工况下的工作。接通电源前，把操作面板上的各控制开关置于空挡位置。当接通电源时，实验台控制系统自动复位，程序进行初始化，

45、此时，操作面板上转速显示数码管显示转速为800r/min，即怠速工况下的转速。同时，在系统的演示功能区里，喷油器喷油和火花塞开始演示。当把操作面板上转速控制开关置于增挡位置时，数码管显示的转速会每隔2秒钟会自动增加50转，而喷油器和火花塞的工作速度会随着转速的增加逐渐加快，当数码管上显示转速为3500r/min本实验台设计的最高转速时，转速便不再增加。相应地，执行器也对应于最高转速工作；相反，当置转速控制开关于减挡位置时，数码管显示的转速会每隔2秒钟会自动减少50转，喷油器和火花塞的工作速度会随着转速的减少逐渐减缓，当数码管上显示转速为600r/min本实验台设计的最低转速时，转速便不再减少。

46、相应地，执行器也对应于最低转速工作。在转速增加或减少的过程中，如果把转速控制开关置于空挡位置时，那么实验台将会在当前转速工况下工作。如果按下操作面板上转速复位键时，实验台执行器就回到怠速工况，随后再根据开关的状态继续工作。同样，在操作面板上还有进气温度控制开关和水温控制开关，当它们工作时，执行机构将会对应于不同的进气温度和水温进行不同工况下的工作。执行器在工作时，可以用专用仪器接在故障诊断端子上读取各信号数据流，对汽车电脑的工作进行分析，从而就可以对汽车电子控制系统进行更深入的研究。2.10本章小结本章简要地介绍了汽车电子技术的发展历程及以后的发展趋势，其中主要是对于发动机控制方面，这对于本设

47、计有宏观的指导意义，阐述发动机控制柜的基本原理，明细的讲解了车用主要传感器工作原理和控制过程。提出了控制柜的功能要求，对以后设计任务的切实开展有明确的指导作用。第3章 丰田轿车发动机控制柜设计3.1 总体方案的确定在本实验台的设计过程当中，在不破坏原有汽车电路连接基础上进行教学改装设计，考虑到教学演示操作功能的操作方便性和整体美观性以及台架整体的利用，我们设计了一个立面的控制柜。控制柜上安装了转向轮，移动很方便，形状显得更加美观大方。根据人体工程学原理，我们设计了一控制柜，有操作板，有演示板。3.1.1 威驰车型的选择在选择设计参照车型时应充分考虑它的代表性，在中国目前的家庭用车中,日本丰田威

48、驰很大比例而丰田车系的发动机由于采用了五阀电喷这一世界领先技术,它的采用双顶置凸轮轴，充气效率大大提高, 同为1.6L的排量，单缸5气阀比单缸2气阀发动机的功率从53kW提高到74kW。因为设计就是要体现理论进步的成果，在今后的几年甚至更长时间内不至于过早的被淘汰。为了使同学对汽车有一个感性认识，所以选择丰田车系的威驰为参考车型，设计发动机控制柜。为了保证实验台具有鲜明的教学特色以及更好地为汽车工程相关专业实践教学环节服务。提高学生的工程实践动手能力，拟选用丰田威驰为参考车型。威驰轿车是丰田汽车有限公司采用日本丰田公司的先进技术生产的中级汽车，该车型设计先进、选材精良、工艺一流，与同级车型比较

49、，其动力性、经济性、安全性及舒适性均为上乘，在中国的汽车行业中，有着很大的市场。一汽丰田汽车有限公司运用当今日本顶尖发动机制造技术，批量生产20阀电控多点喷射汽油发动机，并配以创新的双顶置凸轮轴。多点燃油喷射技术的应用，使燃油得到最充分的燃烧，发动机的动力性、经济性及排放性能都得到极大提高。3.1.2 控制柜总体结构的设计按照该实验台的功能要求可以知道，该实验台上需安装的主要硬件设备有显示仪表、系统电源、汽车ECU、控制面板等其他附属件。其中控制面板上安装诊断端子、各种开关等。控制柜的结构尺寸主要由显示仪表、控制面板、诊断端子、工具抽屉之间的相对位置决定。考虑到在教学实验或汽车维修过程中学生或

50、维修人员大都采用站立的姿势操作发动机控制柜，且为增强实验台的实用性，操作方便、易于观察，将实验台设计成三维一体结构。这在使用过程中将平视数字显示仪表，俯视控制面板，且控制面板与水平面成一定角度斜置。按照人机工程学的原理，人站立时的最佳垂直观察视野值大约为水平线以下65度，由于控制柜上多为诊断端子，所以可以将控制面板设计成与水平面成大90度角安装。此外，在使用过程中考虑到它移动的方便，可以在台架底面安装转向轮。控制柜总体设计为长55cm、宽30cm、高155cm的箱体。发动机控制柜如图3.1 。图3.1发动机控制柜3.1.3 控制柜整体结构校核通过上面对实验台的总体设计，可以知道实验台的总重量主

51、要由三部分组成：显示仪表、控制面板、航空接头，则台架总重大约为110Kg。台架由四个转向轮支撑，将四个支撑点转化为两根简支梁上各两个约束点，这两根简支梁分别承受55Kg的均布载荷P。简化后的力学模型如图3.2所示。yxqXLFAyAAA FByB图3.2 台架受力分析对其进行受力分析，所得到的剪力图Q和弯距图M分别如图3.2、图3.3所示。图3.3 剪力Q图图3.4 弯矩M(X)图受力较核：1求支座的约束力FAy、FBy由载荷及支座约束力的对称性可知 式中q-轴向的应力FAy = FBy = qL （3.1） 2求任意截面上的内力设所求危险截面距支座A的距离为X，由平衡条件可得Fiy = 0

52、则： FAyqXFQ(X) = 0 （3.2）弯矩Mio0 则： FAyX qX2M(X)0 （3.3）将（3.1）代入（3.2）可得： 剪力FQ(X)FAyqXqLqX （0XL） （3.4）将（3.1）代入（3.3）可得： 弯矩内力M(X)FAyXqX2qLXqX2 （3.5）因为,弯曲应力的最大之发生在弯矩最大点,求弯矩的最大值。即求M(X)的最大值。所以由（3.5）代入相关数据可得：当时X = L = 37.9N/m横截面上的最大正应力公式为： （3.6）其中Wz为弯曲截面系数由于该支撑轮处的制作材料选用的是45号钢板制成。根据型钢表可以查得：则 由参考资料查得， 该钢板的许用拉应力为

53、 许用压应力为 由受力图可知该支撑架只承受压应力，因此，此时无需对拉应力进行校核只需对压应力进行校核即可。由于 所以该支撑架符合要求，所选材料合格。3.2 控制柜的制作3.2.1 台架的焊接根据实验台所用的器材部件确定出试验台台架各边尺寸，在制做过程中要将框架的各边按照所设定的进行选材，根据校核，我们选择45#碳素钢材作为实验台架的基础材料，采用焊接技术进行连接。我们将选好的材料按实际设计的尺寸进行选截，由于理论的设计尺寸，和现实中制作的误差，在截取后还要进行尺寸测量，对不符合要求的要采取适当的方式进行校准，以满足制作的需要。在整个焊接过程中要遵循由简入繁、由外到内、由下至上的原则进行。将钢料

54、截好之后，按由下到上的顺序将各边焊接在一起，即先将下地面的各边焊接在一起之后，再焊接四根立柱，最后焊接上部横梁。在实验台框架各主边焊接完了后，我们要在框架主边上焊接或用螺栓连接一些小的部件，用来固定面板。3.2.2 控制面板的制作1、材料的选择实验台有一块控制面板，用来显示和操作。为了与台架更好的连接，选择与台架一样的材料即45号薄钢板。2、尺寸的确定为了使实验台整体布局合理、美观，所以使控制板的长度以框架的长度保持一致，同时又考虑到安装在控制板上的各组件的大小及尺寸和方便操作员的实际操作，操作面板的高度要适当。共设置三块控制面板，分别为发动机检测面板（如图3.5），自动变速器与ABS检测面板

55、（如图3.6），自动空调与车身故障设置面板（如图3.7）。尺寸均为长41cm、宽18cm。图3.5 发动机检测面板图3.6自动变速器和ABS检测面板图3.6自动空调和车身故障设置面板3、控制面板的布置考虑到控制板上的布局美观和线束的简洁和缩短线束的距离，因此我们按照接线方式和连接形式来确定各组件的安装位置。在操作板上方是数字显示仪表。3.2.3组件的安装1、在上面我们已经将各组件的位置确定了，并且使各组件间保持了一定的间隙，先将各组件在控制板上的位置用铅笔画出他们具体的位置，之后，在画出的组件的位置上用做出是组件固定在控制板上的螺纹孔。然后把各个器件依次用螺栓固定在面板上。2、把面板组放在台架

56、上，用螺栓固定。3、连接线路。3.2.4 实验台的整体合理性实验台的整体合理性：在实验台各部安装完了后，由于控制板上各组件的连接造成了实验台内线路的混乱，为了避免实验时线路损坏和实验台布线的合理性，将实验台内的线路按其分布捆成线束，以线束的方式固定，这样就避免了实验台内线路的混乱，使实验台总体布局合理。同时为了使实验台整体看起来美观，将实验台框架刷上油漆，就使实验台整体看起来整齐美观了。因为，控制板我们选用的是钢板因此就不可避免的存在边缘的不整齐和毛边，为了使控制板美观，将控制面板镀上银漆，这样就使控制板看起来美观了。3.3 线路连接转换头的设计3.3.1 针孔的布置根据线束的布置原则，此线路连接转换头设置40个针孔，并对其进行了合理的布局。线路连接转换头如图3.7。图3.7线路连接转换头3.3.2 驾驶员座椅底部航空接头布置根据实际情况，在副驾驶座椅下面设置航空接头4个，制作高10cm、长50cm钢板。装配如图3.8。图3.8座椅下航空接头装配3.3.3 航空接头的用途航空接头用途主要是线路连接转换，在线路中实现通路连接，输出回路。3.4 实验台电路设计电路分发动机电路、自动变速器电路、ABS电路。通过在ECU与传感器之间设置开关来实现对其执行器信号控制，并进行合理的布线。