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1 目錄 第一章 引言 ------------------------------------------------------------3 1.1 本課題的意義 -----------------------------------------------------3 1.2 點火系統(tǒng)的發(fā)展 ---------------------------------------------------5 第二章 點火系統(tǒng)簡介 ----------------------------------------------------6 2.1 汽車點火系統(tǒng)類型 -------------------------------------------------6 2.1.1 磁感應(yīng)式點火系統(tǒng) ----------------------------------------------6 2.1.2 霍爾效應(yīng)式電子火系 --------------------------------------------9 2.2 點火系統(tǒng)工作原理 ------------------------------------------------11 第三章 桑塔納 2000 點火系統(tǒng) --------------------------------------------13 3.1 桑塔納 2000 簡介 -------------------------------------------------13 3.2 桑塔納 2000 點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu) -----------------------------------------14 3.3 桑塔納轎車點火系統(tǒng)檢修 ------------------------------------------15 第四章 桑塔納 2000 點火系統(tǒng)檢修 ----------------------------------------18 4.1 進(jìn)氣壓力傳感器 MAP 的檢修 ----------------------------------------19 4.2 霍爾傳感器 TDCS 的檢修 -------------------------------------------19 4.3 曲軸位置傳感路 CPS 的檢修 ----------------------------------------20 4.4 節(jié)氣門位置傳感器 TPS 的檢修 --------------------------------------20 4.5 冷卻液溫度傳感器 CTS 的檢修 --------------------------------------21 致 謝 ----------------------------------------------------------------23 參 考 資 料 -----------------------------------------------------------24 附錄 I 外文文獻(xiàn)翻譯 ---------------------------------------------------25 附錄 II 外文文獻(xiàn)原文 --------------------------------------------------33 2 摘要：上海桑塔納2000型轎車的發(fā)動機(jī)采用了MOTRONIC電子控制燃油噴射點火系 統(tǒng)，不僅能明顯改善動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排氣污染，兩且具有故障的自我診斷功 能。該系統(tǒng)能識別發(fā)動機(jī)運行過程中各部件的故障并編碼儲存以供查詢，同時自動 進(jìn)行故障應(yīng)急處理，從而大大提高了汽車的安全性和可維護(hù)性。 關(guān)鍵詞：桑塔納2000，燃油噴射，點火系統(tǒng) ABSTRACT：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 3 has 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 interrogated Key Words： SANTANA 2000，F(xiàn)uel Injection，Spark System 第一章 引言 4 1.1 本課題的意義 隨著人們對汽車使用的要求不斷提高和計算機(jī)技術(shù)及控制理論的發(fā)展,汽車電 子化程度越來越高。汽車電子化的發(fā)展過程基本上可以分為三個階段:第一階段,從 20 世紀(jì)60 年代中期到70 年代末期,在汽車產(chǎn)品中采用電子裝置,以改善部分機(jī)械 部件的性能;第二階段,從20 世紀(jì)70 年代末期到90 年代中期,在汽車設(shè)計和生產(chǎn)中 形成“機(jī)電一體化”的思想與技術(shù);第三階段,從20 世紀(jì)90 年代中期至今,重點開 始廣泛應(yīng)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù),使汽車更加自動化、智能化。作為汽車電子控 制系統(tǒng)的一部分,點火控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了磁電機(jī)點火系傳統(tǒng)觸點點火系晶體管 輔助點火系普通電子式點火系微機(jī)控制式點火系的發(fā)展過程。 點火系統(tǒng)是汽油發(fā)動機(jī)重要的組成部分,對發(fā)動機(jī)的性能有著決定性的影響。 電子點火系統(tǒng)取消了機(jī)械式斷電器及觸點,從而避免了凸輪、觸點等機(jī)械磨損所造 成的點火正時變化、觸點燒蝕等缺陷。但是電子點火系統(tǒng)仍沒有擺脫真空式和離心 式點火提前角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),不能對點火正時實現(xiàn)優(yōu)化控制。點火時刻的精確控制對發(fā) 動機(jī)性能有很大影響,顯然對點火實現(xiàn)優(yōu)化控制的微機(jī)控制是今后電子點火系統(tǒng)的 發(fā)展趨勢。 在此基礎(chǔ)上,綜述了現(xiàn)代電子點火系統(tǒng),尤其是點火能量及點火控制系統(tǒng)研究的 現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢。隨著發(fā)動機(jī)向高轉(zhuǎn)速、稀混合氣方向發(fā)展,普通電子點火系統(tǒng)已 不能滿足要求,高能微機(jī)控制點火系統(tǒng)將成為今后點火系統(tǒng)的發(fā)展方向。 桑塔納 1985 年 12 月以前的采用有觸點的傳統(tǒng)式點火系統(tǒng).自 1985 年 12 月 以后,采用了以霍爾元件為傳感器的無觸 點晶體管點火系統(tǒng) .它取消了傳統(tǒng)式靠分 電器凸輪來使斷電器觸點閉合與分離的做法,代之以觸發(fā)器轉(zhuǎn)子 ,堆爾傳感器和晶體 點火控制裝 置. 點火系統(tǒng)主要常見故障表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)不能起動.其現(xiàn)象是將點火開關(guān)擰到起動位 置,起動機(jī)運轉(zhuǎn),而發(fā)動機(jī)不能起動. 故障原因: 1.導(dǎo)線連接松動,接觸不良; 2.點火線圈繞組斷路或搭鐵; 3.點火控制器故障; 4.霍爾傳感器損壞; 5 5.分電器蓋,分火間破裂漏電; 6.火花塞間隙增大,燒蝕嚴(yán)重,積油積碳過多; 7.高壓導(dǎo)線電阻過大. 點火的故障診斷與排除方法如下.如果起動機(jī)運轉(zhuǎn),表明蓄電池,起動機(jī)技術(shù)善良 好,發(fā)動機(jī)不能 起動的原因在于點火系或供油系.閥門 進(jìn)口泵 1.目視檢查導(dǎo)線或線束插接器是否松脫.如導(dǎo)線松動,應(yīng)擰緊或?qū)⒉褰悠鞑謇?使 導(dǎo)線接觸良好.如導(dǎo)線未不松脫,應(yīng)檢查點火線圈產(chǎn)生火花的能力. 2.從分電器蓋上拆下中央高壓線,用絕緣鉗夾住高壓線,使其端部離發(fā)動機(jī)機(jī)休 67 毫米.起動發(fā)動機(jī),如高壓線端部出現(xiàn)藍(lán)色火花,則表示低壓電路良好,故障在 高壓電路,應(yīng)檢查分電器該及分火頭,高壓導(dǎo)線和火花塞.如高壓線端無火花,則表示 低壓電路有故障,應(yīng)檢查點火線圈,晶體管控制器和霍爾傳感器. 桑塔納 2000 型轎車采用的是帶分電器式的電子點火系統(tǒng)，其突出特點是將點 火系統(tǒng)與燃油噴射系統(tǒng)復(fù)合在一起，由一個電控單元(ECU)來控制，結(jié)構(gòu)簡單工作 可靠。同時，也存在點火控制器故障、霍爾傳感器損壞分電器蓋、分火間破裂漏電、 火花塞間隙增大，燒蝕嚴(yán)重，積油積碳過多等問題，存在一定的改進(jìn)空間。學(xué)?？?慮到機(jī)械類本科畢業(yè)生完全有能力對汽車點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和驗證，故提出 了本課題的研究。 本課題的研究著重于使機(jī)械類本科畢業(yè)生以四年來所學(xué)的專業(yè)理論知識，結(jié)合 一些課外參考文獻(xiàn)，獨立設(shè)計適用于桑塔納 2000 型轎車的點火系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生獨 立思考、解決問題的能力和思維創(chuàng)新能力與實踐能力，使其理論結(jié)合實際，學(xué)以致 用，為以后走上工作崗位打好堅實的基礎(chǔ)。 1.2 點火系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.1 桑塔納 2000 型轎車點火系統(tǒng) 桑塔納 2000 型轎車采用的是帶分電器式的電子點火系統(tǒng)，主要由點火線圈、 分電器、火花塞。帶抗干擾元件的鏈接插座，爆燃傳感器，點火導(dǎo)線等組成，結(jié)構(gòu) 簡單，工作可靠，使用和維修比較方便。 1.2.2 桑塔納 2000 型轎車點火系統(tǒng)所要達(dá)到的效果及技術(shù)要求 點火系統(tǒng)的基本功用是在發(fā)動機(jī)各種工況和使用條件下，在氣缸內(nèi)適時、準(zhǔn)確、 可靠地產(chǎn)生電火花，以點燃可燃混合氣，使發(fā)動機(jī)作功。 6 （1）能產(chǎn)生足以擊穿火花塞兩電極間隙的電壓 使火花塞兩電極之間的間隙擊穿并產(chǎn)生電火花所需要的電壓，稱為火花塞擊穿 電壓。火花塞擊穿電壓的大小與電極之間的距離(火花塞間隙)、氣缸內(nèi)的壓力和溫 度、電極的溫度、發(fā)動機(jī)的工作狀況等因素有關(guān)?；鸹ㄈg隙越大，電極周圍氣體 中的電子和離子距離越大，受到電場力的作用越小，越不容易發(fā)生碰撞的電離，一 次要求具有較高的擊穿電壓方能點火；氣缸內(nèi)的壓力越大或者溫度越低，所要求的 火花塞擊穿電壓越高；電極的溫度對火花塞擊穿電壓也有影響，當(dāng)火花塞的電極溫 度超過混合氣的溫度時，擊穿電壓可降低 30%50%。試驗表明，發(fā)動機(jī)正常運行 時，火花塞的擊穿電壓為 78kV，發(fā)動機(jī)冷起動時達(dá) 19kV。為了使發(fā)動機(jī)在各種 不同的工況下均能可靠地點火，要求火花塞擊穿電壓應(yīng)在 1520kV。 （2）電火花應(yīng)具有足夠的點火能量 為了使混合氣可靠點燃，火花塞產(chǎn)生的火花應(yīng)具備一定的能量。發(fā)動機(jī)工作時， 由于混合氣壓縮時的溫度接近自燃溫度，因此所需的火花能量較小(15mJ)，傳統(tǒng) 點火系統(tǒng)的火花能量(1550mJ)，足以點燃混合氣。但在起動、怠速以及突然加速 時需要較高的點火能量。為保證可靠點火，一般應(yīng)保證 5080mJ 的點火能量，起 動時應(yīng)能產(chǎn)生大于 100mJ 的點火能量。 （3） 點火時刻應(yīng)與發(fā)動機(jī)的工作狀況相適應(yīng) 首先發(fā)動機(jī)的點火時刻應(yīng)滿足發(fā)動機(jī)工作循環(huán)的要求；其次可燃混合氣在氣缸 內(nèi)從開始點火到完全燃燒需要一定的時間(千分之幾秒)，所以要使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生最大 的功率，就不應(yīng)在壓縮行程終了(上止點)點火，而應(yīng)適當(dāng)?shù)靥崆耙粋€角度。這樣當(dāng) 活塞到達(dá)上止點時，混合氣已經(jīng)接近充分燃燒，發(fā)動機(jī)才能發(fā)出最大功率。 以上是點火系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求，還有一些例如工作可靠、使用壽命長、 便于拆裝等要求也是應(yīng)該在設(shè)計中考慮到的。 7 第二章 點火系統(tǒng)簡介 2.1 汽車點火系統(tǒng)類型 2.1.1 磁感應(yīng)式點火系統(tǒng) 1. 磁感應(yīng)式無觸點電子點火系統(tǒng)組成 磁感應(yīng)式無觸點電子點火系統(tǒng)也叫磁脈沖式無觸點電子點火系統(tǒng)，它主要由磁 感應(yīng)式分電器(內(nèi)裝磁感應(yīng)點火信號發(fā)生器)、點火電子組件、專用點火線圈、火花 塞等組成。 2.磁感應(yīng)信號發(fā)生器的組成 磁感應(yīng)信號發(fā)生器用來產(chǎn)生點火控制信號，裝在分電器內(nèi)的底板上，如下圖 所示，它由裝在分電器軸上的信號轉(zhuǎn)子以及永久磁鐵、鐵心和繞在鐵心上的傳感線 圈等組成。信號轉(zhuǎn)子由分電器軸驅(qū)動，轉(zhuǎn)子上的凸齒數(shù)與發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)相等。 圖 21 磁感應(yīng)信號發(fā)生器的組成 磁感應(yīng)點火信號發(fā)生器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)通過傳感線圈的磁通發(fā) 生變化時，在傳感線圈內(nèi)便產(chǎn)生交變電動勢，它相當(dāng)于一個極小的發(fā)電機(jī)。其永久 磁鐵的磁路是；永久磁鐵 N 極一空氣隙一信號轉(zhuǎn)子一空氣隙一鐵心(通過傳感線圈) 一永久磁鐵 S 極。當(dāng)發(fā)動機(jī)未轉(zhuǎn)動時，信號轉(zhuǎn)子不動，通過傳感線圈的磁通未發(fā)生 8 變化，傳感線圈不產(chǎn)生電動勢，因而無信號輸出。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動時，信號轉(zhuǎn)子便由 分電器軸帶動旋轉(zhuǎn)，這時信號轉(zhuǎn)子的凸齒與鐵心間的空氣隙將發(fā)生變化，使通過傳 感線圈的磁通發(fā)生變化，因此在傳感線圈中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 信號發(fā)生器的具體工作過程如下： 當(dāng)信號轉(zhuǎn)子的兩個凸齒中央正對鐵心的中心線時，如圖 210a 所示，磁路中 凸齒與鐵心間的空氣隙最長，通過傳感線圈的磁通量最小，且磁通變化率為零。 圖 22 磁感應(yīng)信號發(fā)生器的具體工作過程 如果信號轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，信號轉(zhuǎn)子的凸齒逐漸接近鐵心，凸齒與鐵心間的空 氣隙越來越小，通過傳感線圈的磁通逐漸增大。當(dāng)信號轉(zhuǎn)子凸齒的齒角與鐵心邊線 相對時，如圖 22b 所示，通過傳感線圈的磁通急劇增加，磁通變化率最大；當(dāng)信 號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過圖 4-2后，雖然磁通仍在增加，但磁通變化率降低；當(dāng)信號轉(zhuǎn)子凸齒 的中心正對鐵心的中心線時，如圖 22c 所示，空氣隙最小，通過傳感線圈的磁通 最大，但此時磁通變化率為零。 當(dāng)信號轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動時，凸齒與鐵心間的空氣隙逐漸增大，通過傳感 線圈的磁通逐漸減??；當(dāng)信號轉(zhuǎn)子凸齒的齒角正對鐵心的邊緣時，如圖 22d 所示， 磁通急劇的減小，通過傳感線圈的磁通變化率為負(fù)向最大值。 由上述分析可知，信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，通過傳感線圈的磁通的變化情況如 圖 22a 所示，圖中 a、b、c、d 各點與圖 22 工作過程中的 a、b、c、d 位置相 對應(yīng)。 當(dāng)信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周時，通過傳感線圈的磁通出現(xiàn)六次最大值和六次最小值。 9 圖 23 傳感線圈的磁通的變化圖 由于傳感線圈感應(yīng)電動勢的大小與線圈磁通變化率成正比，因而當(dāng)圖 22a 中 a、c 點磁通變化為零時，其感應(yīng)電動勢也為零。圖中 b、d 點磁通變化率為最大 時，其感應(yīng)電動勢也為最大，所不同的是 b 點的磁通為增加，d 點的磁通為減小， 致使兩點產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢極性相反，如圖 22b 所示，可見信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，傳 感器線圈兩端產(chǎn)生的信號是交變電動勢。信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生六個交變信號，該 交變信號輸入到點火器，以控制點火系統(tǒng)工作。 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化時，傳感線圈中的磁通變化率也跟著變化。轉(zhuǎn)速越高、磁通 變化率越大，感應(yīng)電動勢也越高。不同轉(zhuǎn)速時，傳感線圈內(nèi)的磁通及感應(yīng)電動勢的 變化情況如圖 24 所示。 圖 24 傳感線圈內(nèi)的磁通及感應(yīng)電動勢的變化情況 10 由于信號轉(zhuǎn)子的凸齒和鐵心之間的空氣間隙，直接影響到磁路的磁阻和傳感線 圈輸出信號電壓的高低，因而使用中空氣間隙的大小不能隨意變動。如間隙變化， 應(yīng)進(jìn)行正確調(diào)整。 磁感應(yīng)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)較簡單，便于批量生產(chǎn)，耐高溫。 由于次級電壓和點火能量的提高，使其對火花塞積炭不敏感，且可以加大火花 塞電極間隙，點燃較稀的混合氣，從而有利于改善發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排氣 凈化性能。 可以減少觸點火花，避免觸點燒蝕，延長觸點的使用壽命；有的還可以取消觸 點，因而克服了與觸點相關(guān)的一切缺點，改善了點火性能。 2.1.2 霍爾效應(yīng)式電子火系 以霍爾信號發(fā)生器進(jìn)行觸發(fā)的點火系統(tǒng)，稱為霍爾式電子點火系統(tǒng)。 霍爾信 號發(fā)生器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理制成的。 在我國生產(chǎn)的桑塔納、紅旗、捷達(dá)等轎車及一些進(jìn)口汽車上廣泛采用霍爾式 電子點火系統(tǒng)。它由內(nèi)裝霍爾信號發(fā)生器的分電器、點火器、點火線圈和火花塞等 組成。 1.霍爾信號發(fā)生器的工作原理和基本結(jié)構(gòu) 霍爾效應(yīng)的原理如下圖所示，當(dāng)電流通過放在磁場中的半導(dǎo)體基片(稱霍爾元 件)且電流方向和磁場方向垂直時，在垂直于電流和磁通的半導(dǎo)體基片的橫向側(cè)面 上即產(chǎn)生一個電壓，這個電壓稱為霍爾電壓。 霍爾電壓的高低與通過的電流 I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成正比。 霍爾信號發(fā)生器是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的，它裝在分電器內(nèi)?；魻栃盘柊l(fā)生 器的示意圖和基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 11 圖 25 霍爾信號發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu) 霍爾信號發(fā)生器是一個有源器件，它需要提供電源才能工作，霍爾信號集成 塊的電源由點火器提供?；魻柤呻娐份敵黾壍募姌O為開路輸出形式，其集電極 的負(fù)載電阻設(shè)置在點火器內(nèi)?；魻栃盘柊l(fā)生器有三根引出線且與點火器件相連接， 其中一根是電源輸入線，一根是霍爾信號輸出線，一根是接地線。 2.霍爾信號發(fā)生器的工作原理圖 圖 26 霍爾信號發(fā)生器的工作原理圖 3.霍爾信號發(fā)生器的優(yōu)點 12 1)工作可靠性高，霍爾信號發(fā)生器無磨損部件，不受灰塵、油污的影響，無調(diào) 整部件，小型堅固，壽命長。 2)發(fā)動機(jī)起動性能好，霍爾信號發(fā)生器的輸出電壓信號與葉輪葉片的位置有關(guān)， 但與葉輪葉片的運動速度無關(guān)。 也就是說它與磁通變化的速率無關(guān)，它與磁感應(yīng)信號發(fā)生器不同，它不受發(fā)動 機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，明顯地增強(qiáng)了發(fā)動機(jī)的起動性能，有利于低溫或其他惡劣條件下起 動。 3）大大減輕了對無線電的干擾。 4)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，體積小，使用和維修方便 5)可以不受觸點的限制，增大初級電流，提高次級電壓，改善發(fā)動機(jī)高速時的 點火性能。一般傳統(tǒng)點火系統(tǒng)的低壓電流不超過 5A，而電子點火系統(tǒng)可提高到 78A，次級電壓可達(dá) 30kV。 2.2 點火系統(tǒng)工作原理 1、基本工作原理 發(fā)動機(jī)電腦綜合各傳感器的輸入信息 ，從存貯器中選出最適當(dāng)?shù)狞c火提前角， 再根據(jù)曲軸位置傳感器判別出曲軸轉(zhuǎn)速、位置及幾缸處于壓縮上止點 ，然后控制 大功率晶體管的導(dǎo)通和截止，即控制點火線圈初級電流的斷續(xù)。 2、主要裝置 (1) 霍爾分電器 霍爾分電器是一種無觸點分電器，安裝在分電器內(nèi)部，由霍爾觸發(fā)器片和霍爾 電壓產(chǎn)生器集成電路組成?；魻栍|發(fā)器葉片窗口與凸輪軸同速運轉(zhuǎn)，按照霍爾原理 凸輪軸帶動觸發(fā)器窗口運轉(zhuǎn)，改變了霍爾元件的磁場，使霍爾觸發(fā)器產(chǎn)生一個微弱 電壓，即霍爾電壓。通過檢測窗口的出現(xiàn)，判斷出發(fā)動機(jī) 1 缸的位置。發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn) 兩周，該傳感器發(fā)出一個 11V0V 的負(fù)脈沖信號，信號的下降沿距 1 缸上止點前 92。 ，其上升沿距 1 缸上止點前 52。該信號送至 ECU，ECU 根據(jù)此信號確定噴 油器的工作順序、噴油的起始點和爆震控制。若無霍爾信號，則發(fā)動機(jī)不可能起動。 (2) 點火線圈 13 點火線圈是產(chǎn)生點火所需高壓電的一種變壓器。一般發(fā)動機(jī)點火系所采用的點 火線圈依磁路區(qū)分，可分為開磁路式及閉磁路式兩種。 1、開路式點火線圈 開磁路式點火線圈一般為罐狀結(jié)構(gòu)。它以數(shù)片硅鋼片疊合而成棒狀鐵芯，次級 線圈和初級線圈分別繞在鐵芯的外側(cè)。次級線圈為線徑 0。051mm 漆包線，匝數(shù) 23 萬圈臣。初級線圈的線徑為 0。51。0mm，較次級線圈粗，且匝數(shù)僅 150300 圈而已。初級線圈繞在次級線圈的外側(cè)，故次級線圈所產(chǎn)生的磁通變化 與初級線圈完全相同。初級線圈和次級線圈的繞線方向相同次極線圈的始端連接高 壓輸出接頭，其末端則連接于初級線圈的始端，并連接于外殼的+接柱，初級線 圈的末端連接于外殼的一接柱，并接于點火器內(nèi)功率晶體管的集電極上，由點火 器控制其初級線圈電流的通斷。 2、閉磁路式點火線圈 閉磁路點火線圈的鐵芯是封閉的，磁通全部經(jīng)過鐵芯內(nèi)部鐵芯的導(dǎo)磁能力約為 空氣的一萬倍，故開磁路點火線圈欲獲得與閉磁路點火線圈相同的磁通，則其初級 線圈非有較大的磁動勢(安培匝數(shù))不可。因此，必須采用匝數(shù)較多，線徑較大的初 級線圈；初級線圈的匝數(shù)多，如欲獲得同樣匝臣數(shù)比，則次級線圈的匝數(shù)也需增加， 因此，開磁路點火線圈的小型化是辦不到的。反之，閉磁路點火線圈，由于磁阻小， 可有效降低線圈的磁動勢，將點火線圈小型化。目前，閉磁路點火線圈已相當(dāng)小型 化，可與點火器合而為一，甚至可與火花塞連體化。經(jīng)火花塞點燃?xì)飧變?nèi)的可燃性 壓縮氣體。 14 第三章 桑塔納 2000 點火系統(tǒng) 3.1 桑塔納 2000 簡介 Santana 2000 是上海大眾為了不斷適應(yīng)和滿足市場的需求，于 1991 年 10 月 開始研制的新一代桑塔納轎車。1995 年 4 月 20 日，當(dāng)?shù)谝惠v Santana 2000 順利 下線后，它迅速占領(lǐng)了國內(nèi)中級公、商務(wù)用車的市場。此后的 8 年中，上海大眾不 斷推陳出新，先后推出了“時代超人”、“自由沸點”、“俊杰”、“時代驕子”、 “時代陽光”等系列改進(jìn)車型。 Santana 2000 是 上 海 大 眾 為 了 不 斷 適 應(yīng) 和 滿 足 市 場 的 需 求 ， 于 1991 年 10 月 開 始 研 制 的 新 一 代 桑 塔 納 轎 車 。 1995 年 4 月 20 日 ， 當(dāng) 第 一 輛 Santana 2000 順 利 下 線 后 ， 它 迅 速 占 領(lǐng) 了 國 內(nèi) 中 級 公 、 商 務(wù) 用 車 的 市 場 。 此 后 的 8 年 中 ， 上 海 大 眾 不 斷 推 陳 出 新 ， 先 后 推 出 了 “時 代 超 人 ”、 “自 由 沸 點 ”、 “俊 杰 ”、 “時 代 驕 子 ”、 “時 代 陽 光 ”等 系 列 改 進(jìn) 車 型 。 之 后 上 海 大 眾 的 工 程 技 術(shù) 人 員 們 ， 又 根 據(jù) 市 場 的 需 要 ， 在 原 有 Santana 2000 的 基 礎(chǔ) 上 ， 賦 予 其 更 為 時 尚 的 外 形 和 更 加 人 性 化 的 裝 備 ， 集 合 了 上 海 大 眾 人 智 慧 與 激 情 造 就 了 這 款 Santana 3000。 上 海 桑 塔 納 轎 車 是 上 海 大 眾 汽 車 有 限 公 司 于 1987 年 引 進(jìn) 巴 西 大 眾 汽 車 公 司 的 產(chǎn) 品 。 在 車 前 仍 使 用 大 眾 公 司 的 商 標(biāo) ； 2006 年 前 在 車 尾 使 用 文 字 商 標(biāo) “上 海 SANTANA”， 2006 年 10 月 開 始 ， 按 照 國 家 的 相 關(guān) 規(guī) 定 使 用 中 文 “上 海 大 眾 ”和 大 眾 標(biāo) 志 。 目 前 桑 塔 納 已 達(dá) 到 歐 3 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 。 桑 塔 納 （ SANTANA） 牌 轎 車 ， 是 德 國 大 眾 汽 車 公 司 在 美 國 加 利 福 尼 亞 州 生 產(chǎn) 的 品 牌 車 ， 該 廠 坐 落 在 桑 塔 納 山 谷 下 ， 該 山 谷 以 盛 產(chǎn) 名 貴 葡 萄 而 飲 譽 世 界 ， 并 且 該 山 谷 還 經(jīng) 常 刮 起 一 股 類 似 “科 羅 拉 多 ”的 旋 風(fēng) ， 所 以 當(dāng) 地 人 就 把 這 種 旋 風(fēng) 叫 做 “桑 塔 納 ”。 3.2 桑塔納 2000 點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 桑塔納 2000 型轎車發(fā)動機(jī)采用的足帶分龜器的電子控制點火系統(tǒng)。它與其他 電子控制點火系統(tǒng)不同的是。在點火系統(tǒng)內(nèi)不另設(shè)點火器大功率子極管設(shè)在 ECU 內(nèi)部，由 ECU 直接掉制點火線周初級電流的通斷使火花塞跳火。 桑塔納 2000 型轎車電子點火系統(tǒng)內(nèi)點火線圈、高壓分電器、火花塞、帶抗干 擾元件的連接插座、點火導(dǎo)線等組成，如圖 3-1 所示。高壓分電器用熊板裝在發(fā)動 15 機(jī)缸蓋上，分電器轉(zhuǎn)子直接裝在凸輪軸端頭上，內(nèi)凸輪抽驅(qū)動。點火線圈裝在蓄電 池正極處點火開關(guān)的上方，當(dāng)初級電流流通時，點火線圈的初級繞組經(jīng)電控單元中 的點火晶體管接地。高壓分電器將點火線圈的高壓電分配到各個火花塞。點火子系 統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、爆震驚號，并利用電控單元中 的綜合特仟圖、控制點火時刻、閉合角以及爆泛，使電子點火系統(tǒng)處于最佳工作狀 態(tài)。 圖 3-1 桑塔納 2000 點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.3 桑塔納轎車點火系統(tǒng)檢修 桑塔納轎車霍爾式電子點火系統(tǒng)主要由霍爾分電器、TCI 點火電子組件、點火 16 線圈等組成。 一、點火系統(tǒng)的檢查 若遇發(fā)動機(jī)不能啟動，懷疑點火系統(tǒng)有問題，可拔出分電器蓋中央高壓線， 使其端部距汽缸 57mm，接通點火開關(guān)，啟動發(fā)動機(jī)，察看線端是否跳火，否則 為點火系統(tǒng)有故障。然后再作下列檢查，以判斷是霍爾傳感器或是點火電子組件的 毛病。 拆下點火電子組件接線盒上的橡膠套。用電壓表測量接線柱 3 和 6 之間的電 壓，接通點火開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)葉輪的葉片位于永久磁鐵與霍爾元件之間的空氣隙時， 不產(chǎn)生霍爾電壓，此時，霍爾傳感器有輸出電壓，電壓表應(yīng)指示 9V 左右。轉(zhuǎn)動發(fā) 動機(jī)。當(dāng)葉片離開永久磁鐵與霍爾元件的空氣隙時，應(yīng)產(chǎn)生霍爾電雎，電壓表上應(yīng) 指示為 O4V 左右。若霍爾傳感器無輸出電壓，為之有故障，應(yīng)予更換。 撥出分電器的插接器，用電壓表測量外邊 2 個接線端之間的電壓 K 應(yīng)為蓄電 池的端電壓(12V 左右)。 若無讀數(shù)，再檢查通往怠速穩(wěn)定器的導(dǎo)線及怠速穩(wěn)定器至點火電子組件的導(dǎo)線。若 導(dǎo)線良好，再撥出點火電子組件的插接器，接通點火開關(guān)，測量接線柱 2 和 4 之間 的電壓應(yīng)為蓄電池端電壓。若在分電器插接器上沒電壓，為之點火電子組件有故障， 應(yīng)更換新件。 二、點火系統(tǒng)的檢修要點 檢查點火線圈時，應(yīng)首先拆除其上的所有導(dǎo)線，測量一次繞組的電阻時，應(yīng)將 歐姆表接在點火線圈“+”接線柱與“一”接線柱之間，電阻值應(yīng)為 0.52O.76(有觸點點火系為 1.72.1)。測量二次繞組時，霍爾分電器歐姆 表接在高壓接頭與“-”接線柱之間，電阻值應(yīng)為 2.43.5(有觸點點火系 為 712)。利用歐姆表測量分火頭的電阻值，無屏蔽時應(yīng)為(1 士 0.4)k，有觸點 點火系為(5 士 1)k，測量火花塞插頭的電阻值，無屏蔽時應(yīng)為(1 土 0.4)k，有 屏蔽時應(yīng)為(1 土 0.4)(5 土 1)k。檢查防干擾接頭電阻，其值應(yīng)為(1 士 0.4) k。在拆、接系統(tǒng)中的導(dǎo)線(包括高壓導(dǎo)線和測試儀器)時，應(yīng)先斷開點火系統(tǒng)。 當(dāng)用啟動機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)而不啟動時(如檢查汽缸壓力)，應(yīng)先拔下分電器上的中央高 壓線并將其搭鐵。若使用快速充電設(shè)備的啟動輔助裝置，僅允許最高電壓在 16.5V 以內(nèi)，使用時間最多 lmin在清洗發(fā)動機(jī)時，首先斷開點火系統(tǒng)，在進(jìn)行點焊式 電焊時，先要拆掉蓄電池的接線。若點火裝置有故障或懷疑其有故障而必須拖動汽 17 車時，需先拆下點火電子組件上的插頭。電子點火系統(tǒng)中的點火線圈不能用普通點 火線圈代用。 三、點火系統(tǒng)故障的診斷和排除 桑塔納轎車采用了以霍爾元件為傳感器火花塞。如高壓線端無火花，則表示低 壓電路有故障，應(yīng)檢查點火線圈、晶體管控制器和霍爾傳感器。無觸點晶體管點火 系統(tǒng)。它取消了傳統(tǒng)式靠分電器凸輪來使斷電器觸點閉合與分離的做法，代之以觸 發(fā)器轉(zhuǎn)子、霍爾傳感器和晶體點火控制裝置。是桑塔納 JV 發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)示意圖。 點火系統(tǒng)的主要常見故障表現(xiàn)為發(fā)動機(jī)不能啟動。其現(xiàn)象是將點火開關(guān)擰到啟動位 置，啟動機(jī)運轉(zhuǎn)，而發(fā)動機(jī)不能啟動。故障原因：導(dǎo)線連接松動，接觸不良；點火 線圈繞組斷路或搭鐵；點火控制器故障;霍爾傳感器損壞；分電器盞、分火間破裂 漏電，火花塞間隙增大，燒蝕嚴(yán)重，積油積炭過多高壓導(dǎo)線電阻過大等。點火的故 障診斷與排除方法如下：如果啟動機(jī)運轉(zhuǎn)，表明蓄電池、啟動機(jī)技術(shù)良好，發(fā)動機(jī) 不能啟動的原因在于點火系統(tǒng)或供油系統(tǒng)。目視檢查導(dǎo)線或線束插接器是否松脫。 如導(dǎo)線松動，應(yīng)擰緊或?qū)⒉褰悠鞑謇危箤?dǎo)線接觸良好。如導(dǎo)線未松脫，應(yīng)檢查點 火線圈產(chǎn)生火花的能力。從分電器盞上拆下中央高壓線，用絕緣鉗夾住高壓線，使 其端部離發(fā)動機(jī)機(jī)體 67mm。啟動發(fā)動機(jī)，如高壓線端部出現(xiàn)藍(lán)色火花，魁表示 低壓電路良好，故障在高壓電路，應(yīng)檢查分電器蓋及分火頭、高壓導(dǎo)線和點火線圈 的檢測。目視檢查點火線圈蓋上有無油污或潮氣。如有潮氣用清潔布擦干，如有油 污用酒精徹底擦凈。測量點火線圈繞組電壓以前，將點火線圈上的高壓線和正極線 柱的火線拆下，以便準(zhǔn)確地測量。一次繞組電阻的測量：將歐姆表的兩個測試針 分別與點火線圈正極及高壓線接線柱接觸。如果電阻讀數(shù)無窮大，則表示一次繞組 斷路，應(yīng)更換點火線圈。二次繞組電阻的測量。將歐姆表的兩個測試針分別與點 火線圈正極及高壓線接線柱接觸。如果點火阻讀數(shù)無窮大，則表示二次繞組斷路， 應(yīng)更換點火線圈。點火線圈搭鐵的測量。將歐姆表的兩個測試針分別與點火線圈 正板接線柱及其外殼接觸。如果點火線圈絕緣良好，則電阻讀數(shù)為無窮大。如果電 阻讀數(shù)小，則表示點火線圈搭鐵，應(yīng)予以更換。若點火線圈技術(shù)狀況良好，應(yīng)檢查 晶體管點火控制器。 晶體管點火控制器的檢測。點火控制器接線端子 1--接點火線圈負(fù)極接線柱， 綠色導(dǎo)線；端子 2--接蓄電池負(fù)極，棕色導(dǎo)線；端子 3--接霍爾傳感器負(fù)極，棕白 色導(dǎo)線；端子 4--接點火線圈止擻接線柱，黑色導(dǎo)線；端子 5--接霍爾傳感器正極， 18 紅黑色導(dǎo)線；端子 6--接霍爾傳感器信號輸出，綠白色導(dǎo)線。用歐姆表測量 1 與 4 之間電阻值，為 O52O76；用電壓表測量 2 與 4 之間的電壓，其值應(yīng)為電 源電源；在接通點火開關(guān)時用電壓表測量 3 與 5 之間的電壓其值在 9V 以上，略 低于電源電壓。接通點火開關(guān)，慢慢轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)電壓讀數(shù)開始為 2V 左右，在 12s 內(nèi)能切斷一次電流。如果上述測量結(jié)泉不符合規(guī)定值，應(yīng)更換點火控制器。 分電器蓋及分火頭的檢查。目視檢查分電器蓋上是否受潮濕，如果潮濕用于 布擦干凈。目視檢查分火頭是否出現(xiàn)裂紋，如有裂紋，必須更換。如分電器蓋和分 火頭良好，應(yīng)檢查高壓導(dǎo)線。 高壓導(dǎo)線的檢查。用歐姆表檢查高壓導(dǎo)線電阻。中央高壓線電阻為 O28k；分高壓線電阻為 0674k，如檢查結(jié)果不在規(guī)定值范圍內(nèi)，應(yīng) 更換高壓導(dǎo)線。如高壓導(dǎo)線外表絕緣層有破裂現(xiàn)象，應(yīng)予更換若高壓導(dǎo)線良好， 應(yīng)檢查火花塞。 火花塞的檢查。檢查火花塞是否燒蝕嚴(yán)重，如其電極燒蝕嚴(yán)重，應(yīng)予以更換： 如果火花塞積炭或積油，可用汽油進(jìn)行清洗，必要時用銅絲刷子刷凈。對清洗干凈 的火花塞，應(yīng)檢查和調(diào)整火花塞電極間隙，其規(guī)定值為 O7o9mm。 19 第四章 桑塔納 2000 點火系統(tǒng)檢修 桑塔納 2000 型轎車點火系統(tǒng)部件中點火線圈、火花塞、分電器蓋、分火頭及 高壓線等的常見故障及檢查方法與其他的點火系統(tǒng)相同在此不再贅述，請參閱前 面有關(guān)內(nèi)容，以下介紹進(jìn)氣斥力傳感器、霍爾傳感器、曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位 置傳感器、冷卻液溫度傳感器等的檢修。 4.1 進(jìn)氣壓力傳感器 MAP 的檢修 桑塔納 2000 型轎車采用的是電阻應(yīng)變計式進(jìn)氣壓力力傳感器、其外形如圖 4- 1 所示。 圖 4-1 進(jìn)氣壓力傳感器 在發(fā)動機(jī)運行過程中，當(dāng)進(jìn)氣壓力傳感器出現(xiàn)故障時，發(fā)功機(jī)電控單元能夠檢 測到，并能使發(fā)動機(jī)進(jìn)入故障應(yīng)急狀態(tài)運行。 當(dāng)用萬用表電阻擋檢測線柬電阻時，斷開點火開關(guān)、拔下控制器線眾插頭 和傳感器線柬活頭，檢測兩插頭上各端子之間導(dǎo)線電阻，如果阻值過大或為無窮大， 說明線束與端干接觸不良或斷路，應(yīng)予以修理。 20 4.2 霍爾傳感器 TDCS 的檢修 除電源電壓為 5v 外，霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)、原理，其線束插座及端子連接情況 如圖 4-2 所示。 當(dāng)霍爾傳感器出現(xiàn)故障時，發(fā)動機(jī)將立刻熄火而無邊運轉(zhuǎn)。由于發(fā)動機(jī)控制單 ECU 不能檢測到霍爾傳感器的故障信息。用故障閱讀儀也臣取不列傳感器故障的有 關(guān)信息，因此發(fā)動機(jī)災(zāi)然熄火，可用萬用友檢測傳感器的電源電壓和信號輸出電壓， 其數(shù)值，如果電壓值不符合正常表中規(guī)定，說明傳感器失效，應(yīng)予以更換。 圖 4-2 霍爾傳感器的連接 4.3 曲軸位置傳感路 CPS 的檢修 在桑塔納 2000Gsi 型轎車電控系統(tǒng)中，既配裝有霍爾傳感器，又配裝了磁感應(yīng) 式曲軸位置信感器。 電控系統(tǒng)的陳軸位置傳感器與整形、放大電路為一整體。檢修時、首先接通點 火開關(guān)，檢測傳感器的電源電壓是否符合標(biāo)準(zhǔn)值(5v)。然后轉(zhuǎn)動曲軸，測量傳感器 信號輸出端的輸出電壓是否有變化。如果有變化，說明傳感器良好；如果天變化， 說明傳感器失效。 4.4 節(jié)氣門位置傳感器 TPS 的檢修 桑塔納 2000 型轎車電控系統(tǒng)中，節(jié)氣門位置傳感器采用有觸點開關(guān)式和滑動 電阻式 2 種其結(jié)構(gòu)分別如圖 4-3、圖 4-4 所示。 21 當(dāng)節(jié)氣門位置傳感器 TPS 發(fā)生故障時，發(fā)動機(jī)電腦能夠檢測到，并能使發(fā)動機(jī) 進(jìn)入故障府急狀態(tài)運行。利用故障閱讀儀通過診斷插應(yīng)可以洼取此故障的有關(guān)信息。 檢修滑動電阻式 TPS 時?？捎萌f劇表檢測傳感器的電源電壓和輸出電壓，其阻 值如果與正常值不同。說明傳感器失效，應(yīng)予以更換。 圖 4-3 觸點開關(guān)式 TPS 的結(jié)構(gòu)原理 圖 4-4 滑動電阻式 TPS 的結(jié)構(gòu)原理 檢修肋點開關(guān)式 TPS 時，可用力用表測量傳感器信號輸出端子的輸出電用和觸 點接觸電阻進(jìn)行判斷。觸點接觸電阻值應(yīng)小于 0.5 歐姆，如果阻值過大，說明觸點 22 燒蝕而接觸不良，應(yīng)予以修理或更換傳感器。 4.5 冷卻液溫度傳感器 CTS 的檢修 桑塔納 2000 型轎車?yán)鋮s液溫度傳感器的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路連接如圖 4-5 所示。 冷卻液溫度傳感器出現(xiàn)故障時，發(fā)動機(jī)電腦能夠檢測到。利用 V.A.G1551 或 V.A.G1551 故障閱讀儀，通過診斷插座可以讀有關(guān)的故障信息。 圖 4-5 冷卻液溫度傳感器結(jié)構(gòu)與電路 檢測溫度傳感器時，可用萬用表就車檢測傳感器的電源電壓相信號輸出電壓。 溫度傳感器可用萬用表電阻歐姆擋單獨進(jìn)行檢測。檢測時，斷開點火開關(guān)拔下溫 度傳感器插頭檢測傳感器兩端子間的電阻值阻值大小與環(huán)境溫度有關(guān)，具體值 應(yīng)當(dāng)符合規(guī)定。如果阻值過大、過小或無窮大，說明傳感器失效，應(yīng)予以更換! 23 致 謝 在這里首先要感謝郟國中老師對我的悉心指導(dǎo)。郟國中老師作為汽車系的主要 導(dǎo)師，不僅要為汽車系的日常事務(wù)操勞，平常還要親自授課，時間的緊張可見一斑， 但是在這種情況下，他依然沒有耽誤過對我畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)。在設(shè)計的前期，由于 準(zhǔn)備考研復(fù)試，我一直在外地奔波，未能及時完成任務(wù)。在這種情況下，郟老師對 我表示了充分的理解，并給予了巨大幫助。在郟老師的指導(dǎo)下，我不僅完成了本次 設(shè)計，還學(xué)到了很多東西。作為車輛工程專業(yè)的一名學(xué)生，在進(jìn)行完電器類課程后， 我對汽車電器和機(jī)械設(shè)計等學(xué)科的接觸是很少的，這方面的知識也不豐富，剛開始 設(shè)計時完全處于一種無從下手的狀態(tài)，是郟老師為我指明了方向，還經(jīng)常耐心的為 我講解一些汽車電器和制造中的常識，及時糾正設(shè)計中出現(xiàn)的漏洞和錯誤，使我的 設(shè)計更加完善。今天，能完成這個畢業(yè)設(shè)計，我首先要感謝郟老師的指導(dǎo)。 在本次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)了很多自己的不足，由于平常學(xué)習(xí)的不認(rèn)真 和時間的遺忘，我對于汽車電器知識的了解可謂少之又少，在本次的設(shè)計使我重新 又拿起了課本，復(fù)習(xí)了我們以前學(xué)過的知識。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān) 資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也 經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我 獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有 非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探 索的艱難和成功時的喜悅。我覺得畢業(yè)設(shè)計真的非常有必要，它是我們畢業(yè)前的一 個查漏補(bǔ)缺的過程，這個過程發(fā)生在我們畢業(yè)的前夕，對于我們以后走向工作崗位 的幫助是不可估量的，謝謝學(xué)校和老師們?yōu)槲覀兲峁┑倪@次機(jī)會。在畢業(yè)之際，真 切的感謝我的母校，和母校的老師們。 24 參 考 資 料 1.陳家瑞.汽車構(gòu)造.北京：人民交通出版社，1991 2.劉唯信.汽車設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，2000 3.劉鴻文.材料力學(xué).北京：高等教育出版社，1991 4.張洪欣.汽車設(shè)計（第二版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 5.日汽車工程全書編輯委員會.汽車傳動裝置.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980 6.余志生.汽車?yán)碚摚ǖ谒陌妫?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 7.徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991 8.濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計（第八版）.北京：高等教育出版社 2000 9.日自動車技術(shù)協(xié)會.小林 明.汽車工程手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1984： 10.杜梅先，朱冬梅，蔣繼賢.畫法幾何及機(jī)械制圖.北京：高等教育出版社， 1997 11.王望予.汽車設(shè)計（第四版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 12.劉修驥.車輛傳動裝置.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 13.臧新群.汽車滾動軸承應(yīng)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997 14.周允.汽車百科全書.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989 15.北林學(xué)院中南學(xué)院汽車拖拉機(jī).北京：中國林業(yè)出版社，1982 16.王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計.北京：高等教育出版社，1995 17.曹泗秋，楊巍.機(jī)械原理.武昌：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1984 18.哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1998 19.汽車工程手冊編 輯 委 員 會 .汽 車 設(shè) 計 簡 明 手 冊 .人 民 交 通 出 版 社 ， 2001 20.孫恒，陳做模，葛文杰. 機(jī) 械 原 理 .北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ， 2006 25 26 附錄 I 外文文獻(xiàn)翻譯 估計導(dǎo)致工程幾何分析錯誤的一個正式理論 SankaraHariGopalakrishnan， KrishnanSuresh 機(jī)械工程系，威斯康辛大學(xué)，麥迪遜分校，2006 年 9 月 30 日 摘要：幾何分析是著名的計算機(jī)輔助設(shè)計/計算機(jī)輔助工藝簡化 “小或無關(guān)特征”在 CAD 模型 中的程序，如有限元分析。然而，幾何分析不可避免地會產(chǎn)生分析錯誤，在目前的理論框架實 在不容易量化。 本文中，我們對快速計算處理這些幾何分析錯誤提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?。尤其，我們集中?量解決地方的特點，被簡化的任意形狀和大小的區(qū)域。提出的理論采用伴隨矩陣制定邊值問題 抵達(dá)嚴(yán)格界限幾何分析性分析錯誤。該理論通過數(shù)值例子說明。 關(guān)鍵詞:幾何分析;工程分析;誤差估計;計算機(jī)輔助設(shè)計/計算機(jī)輔助教學(xué) 1. 介紹 機(jī)械零件通常包含了許多幾何特征。不過，在工程分析中并不是所有的特征都是至關(guān)重 要的。以前的分析中無關(guān)特征往往被忽略，從而提高自動化及運算速度。 舉例來說，考慮一個剎車轉(zhuǎn)子，如圖 1(a)。轉(zhuǎn)子包含 50 多個不同的特征，但所有這些 特征并不是都是相關(guān)的。就拿一個幾何化的剎車轉(zhuǎn)子的熱量分析來說，如圖 1(b)。有限元分析 的全功能的模型如圖 1(a)，需要超過 150,000 度的自由度，幾何模型圖 1(b)項要求小于 25，000 個自由度，從而導(dǎo)致非常緩慢的運算速度。 圖 1(a)剎車轉(zhuǎn)子 圖 1(b)其幾何分析版本 除了提高速度，通常還能增加自動化水平，這比較容易實現(xiàn)自動化的有限元網(wǎng)格幾何分 析組成。內(nèi)存要求也跟著降低，而且條件數(shù)離散系統(tǒng)將得以改善;后者起著重要作用迭代線性 系統(tǒng)。 但是，幾何分析還不是很普及。不穩(wěn)定性到底是“小而局部化”還是“大而擴(kuò)展化”， 這取決于各種因素。例如，對于一個熱問題，想刪除其中的一個特征，不穩(wěn)定性是一個局部問 題:(1)凈熱通量邊界的特點是零。(2)特征簡化時沒有新的熱源產(chǎn)生; 4對上述規(guī)則則例外。 展示這些物理特征被稱為自我平衡。結(jié)果，同樣存在結(jié)構(gòu)上的問題。 從幾何分析角度看，如果特征遠(yuǎn)離該區(qū)域，則這種自我平衡的特征可以忽略。但是，如 果功能接近該區(qū)域我們必須謹(jǐn)慎，。 從另一個角度看，非自我平衡的特征應(yīng)值得重視。這些特征的簡化理論上可以在系統(tǒng)任 27 意位置被施用,但是會在系統(tǒng)分析上構(gòu)成重大的挑戰(zhàn)。 目前，尚無任何系統(tǒng)性的程序去估算幾何分析對上述兩個案例的潛在影響。這就必須依 靠工程判斷和經(jīng)驗。 在這篇文章中，我們制定了理論估計幾何分析影響工程分析自動化的方式。任意形狀和 大小的形體如何被簡化是本文重點要解決的地方。伴隨矩陣和單調(diào)分析這兩個數(shù)學(xué)概念被合并 成一個統(tǒng)一的理論來解決雙方的自我平衡和非自我平衡的特點。數(shù)值例子涉及二階 scalar 偏 微分方程，以證實他的理論。 本文還包含以下內(nèi)容。第二節(jié)中，我們就幾何分析總結(jié)以往的工作。在第三節(jié)中，我們 解決幾何分析引起的錯誤分析，并討論了擬議的方法。第四部分從數(shù)值試驗提供結(jié)果。第五部 分討論如何加快設(shè)計開發(fā)進(jìn)度。 2. 前期工作 幾何分析過程可分為三個階段: 識別:哪些特征應(yīng)該被簡化； 簡化：如何在一個自動化和幾何一致的方式中簡化特征； 分析:簡化的結(jié)果。 第一個階段的相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)很多。例如，企業(yè)的規(guī)模和相對位置這個特點，經(jīng)常被用來 作為度量鑒定。此外，也有人提議以有意義的力學(xué)判據(jù)確定這種特征。 自動化幾何分析過程，事實上，已成熟到一個商業(yè)化幾何分析的地步。但我們注意到， 這些商業(yè)軟件包僅提供一個純粹的幾何解決。因為沒有保證隨后進(jìn)行的分析錯誤，所以必須十 分小心使用。另外，固有的幾何問題依然存在，并且還在研究當(dāng)中。 本文的重點是放在第三階段，即快速幾何分析。建立一個有系統(tǒng)的方法，通過幾何分析 引起的誤差是可以計算出來的。再分析的目的是迅速估計改良系統(tǒng)的反應(yīng)。其中最著名的再分 析理論是著名的謝爾曼-Morrison 和 woodbury 公式。對于兩種有著相似的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和剛度矩陣 設(shè)計，再分析這種技術(shù)特別有效。然而，過程幾何分析在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的剛度矩陣會導(dǎo)致一個戲劇 性的變化，這與再分析技術(shù)不太相關(guān)。 3. 擬議的方法 3.1 問題闡述 我們把注意力放在這個文件中的工程問題，標(biāo)量二階偏微分方程式(pde): .).(fauc 許多工程技術(shù)問題，如熱，流體靜磁等問題，可能簡化為上述公式。 作為一個說明性例子，考慮散熱問題的二維模塊 如圖 2 所示。 圖 2 二維熱座裝配 熱量 q 從一個線圈置于下方位置列為 coil。半導(dǎo)體裝置位于 device。這兩個地方都 屬于 ，有相同的材料屬性，其余 將在后面討論。特別令人感興趣的是數(shù)量，加權(quán)溫度 28 Tdevice 內(nèi) device(見圖 2)。一個時段，認(rèn)定為 slot 縮進(jìn)如圖 2，會受到抑制，其對 Tdevice 將予以研究。邊界的時段稱為 slot 其余的界線將稱為 。邊界溫度 假定為零。 兩種可能的邊界條件 slot 被認(rèn)為是:(a)固定熱源，即(-k t)n=q，(b)有一定溫度，即 T=Tslot。兩種情況會導(dǎo)致兩種不同幾何分析引起的誤差的結(jié)果。 設(shè) T(x，y)是未知的溫度場和 K 導(dǎo)熱。然后，散熱問題可以通過泊松方程式表示: )1()(.0).(slctltltcoilTbrnqhkaiQBCPDE)2(),(devicdyxHomputei 其中 H(x，y)是一些加權(quán)內(nèi)核?，F(xiàn)在考慮的問題是幾何分析簡化的插槽是簡化之前分析， 如圖 3 所示。 圖 3defeatured 二維熱傳導(dǎo)裝配模塊 現(xiàn)在有一個不同的邊值問題，不同領(lǐng)域 t(x，y):)3(on 0tiQ).(-kBCPDEcoilslt)4(),(deviicyxtHomput 觀察到的插槽的邊界條件為 t(x，y)已經(jīng)消失了，因為槽已經(jīng)不存在了（關(guān)鍵性變化）! 解決的問題是: 設(shè)定 tdevice 和 t(x，y)的值，估計 Tdevice。 這是一個較難的問題，是我們尚未解決的。在這篇文章中，我們將從上限和下限分析 Tdevice。這些方向是明確被俘引理 3、4 和 3、6。至于其余的這一節(jié)，我們將發(fā)展基本概念和 理論，建立這兩個引理。值得注意的是，只要它不重疊，定位槽與相關(guān)的裝置或熱源沒有任何 限制。上下界的 Tdevice 將取決于它們的相對位置。 3.2 伴隨矩陣方法 我們需要的第一個概念是，伴隨矩陣公式表達(dá)法。應(yīng)用伴隨矩陣論點的微分積分方程， 包括其應(yīng)用的控制理論，形狀優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化等。我們對這一概念歸納如下。 相關(guān)的問題都可以定義為一個伴隨矩陣的問題，控制伴隨矩陣 t_(x，y)，必須符合下列 29 公式計算23: ontiHtkdevicslotdevic0 )5().(* 伴隨場 t_(x，y)基本上是一個預(yù)定量，即加權(quán)裝置溫度控制的應(yīng)用熱源?？梢杂^察到， 伴隨問題的解決是復(fù)雜的原始問題;控制方程是相同的;這些問題就是所謂的自身伴隨矩陣。大 部分工程技術(shù)問題的實際利益，是自身伴隨矩陣，就很容易計算伴隨矩陣。 另一方面，在幾何分析問題中，伴隨矩陣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。表現(xiàn)為以下引理綜述: 引理 3.1 已知和未知裝置溫度的區(qū)別，即(Tdevice-tdevice)可以歸納為以下的邊界積分 比幾何分析插槽: slotslot dntkTtTdevicevic ).)(** 在上述引理中有兩點值得注意: 1、積分只牽涉到邊界 slot;這是令人鼓舞的?；蛟S，處理剛剛過去的被簡化信息特點 可以計算誤差。 2、右側(cè)牽涉到的未知區(qū)域 T(x，y)的全功能的問題。特別是第一周期涉及的差異，在正 常的梯度，即涉及-k(T-t) n;這是一個已知數(shù)量邊界條件-k tn 所指定的時段，未知 狄里克萊條件作出規(guī)定-k tn 可以評估。在另一方面，在第二個周期內(nèi)涉及的差異，在這 兩個領(lǐng)域，即 T 管; 因為 t 可以評價，這是一個已知數(shù)量邊界條件 T 指定的時段。因此。 引理 3.2、差額(tdevice-tdevice)不等式 dntTkdtTandtTdntknkslotslosltevicdevicslotslotsltdevicevic 22**22*).()(.)().(. 然而，伴隨矩陣技術(shù)不能完全消除未知區(qū)域 T(x，y)。為了消除 T(x，y)我們把重點轉(zhuǎn)向 單調(diào)分析。 3.3 單調(diào)性分析 單調(diào)性分析是由數(shù)學(xué)家在 19 世紀(jì)和 20 世紀(jì)前建立的各種邊值問題。例如，一個單調(diào)定 理: 添加幾何約束到一個結(jié)構(gòu)性問題，是指在位移(某些)邊界不減少。 觀察發(fā)現(xiàn)，上述理論提供了一個定性的措施以解決邊值問題。 后來，工程師利用之前的“計算機(jī)時代”上限或下限同樣的定理，解決了具有挑戰(zhàn)性的 問題。當(dāng)然，隨著計算機(jī)時代的到來，這些相當(dāng)復(fù)雜的直接求解方法已經(jīng)不為人所用。但是， 在當(dāng)前的幾何分析，我們證明這些定理采取更為有力的作用，尤其應(yīng)當(dāng)配合使用伴隨理論。 我們現(xiàn)在利用一些單調(diào)定理，以消除上述引理 T(x，y)。遵守先前規(guī)定，右邊是區(qū)別已 知和未知的領(lǐng)域，即 T(x，y)-t(x，y)。因此，讓我們在界定一個領(lǐng)域 E(x，y)在區(qū)域為: 30 e(x，y)=t(x，y)-t(x，y)。 據(jù)悉，T(x，y)和 T(x，y)都是明確的界定，所以是 e(x，y)。事實上，從公式(1)和(3)， 我們可以推斷，e(x，y)的正式滿足邊值問題: slotltntTeborqkaieSlv)(.0).( 解決上述問題就能解決所有問題。但是，如果我們能計算區(qū)域 e(x，y)與正常的坡度超 過插槽，以有效的方式，然后(Tdevice-tdevice)，就評價表示 e(X，Y)的效率，我們現(xiàn)在考慮 在上述方程兩種可能的情況如(a)及(b)。 例(a)邊界條件較第一插槽，審議本案時槽原本指定一個邊界條件。為了估算 e(x，y)， 考慮以下問題: )6(,0),(..).(2yxasyxeonqtkniSolvsltlt 因為只取決于縫隙，不討論域，以上問題計算較簡單。經(jīng)典邊界積分/邊界元方法可以引 用。關(guān)鍵是計算機(jī)領(lǐng)域 e1(x，y)和未知領(lǐng)域的 e(x，y)透過引理 3.3。這兩個領(lǐng)域 e1(x，y)和 e(x，y)滿足以下單調(diào)關(guān)系: 222 )(max)() slotsloteaurdedeslotslot 把它們綜合在一起，我們有以下結(jié)論引理。 引理 3.4 未知的裝置溫度 Tdevice，當(dāng)插槽具有邊界條件，東至以下限額的計算，只要 求:(1)原始及伴隨場 T 和隔熱與幾何分析域(2)解決 e1 的一項問題涉及插槽: dntkgdntkqt slotslotdeviclowrevicdevic 2* ).().( )(max)(, ).().(2 2**slotslot slotslotdevicuprevicdevic eaurghttTslot 觀察到兩個方向的右側(cè)，雙方都是獨立的未知區(qū)域 T(x，y)。 例(b) 插槽 Dirichlet 邊界條件 我們假定插槽都維持在定溫 Tslot。考慮任何領(lǐng)域，即包含域和插槽。界定一個區(qū)域 e(x，y)在滿足: )7(0).(slotslotnTeikSlv 31 現(xiàn)在建立一個結(jié)果與 e-(x，y)及 e(x，y)。 引理 3.5 slotslot dnekdnek22).().( 注意到，公式(7)的計算較為簡單。這是我們最終要的結(jié)果。 引理 3.6 未知的裝置溫度