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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
第1章 緒 論
1.1 電器實驗臺設(shè)計的目的和意義
1.1.1 目的
隨著轎車產(chǎn)量和保有量日益增大，相關(guān)的使用與維修問題也接踵而來，而現(xiàn)代轎車是以廣泛采用電子技術(shù)為標(biāo)志的,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,且汽車運行中電器故障所占的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他故障,約占40% ～60% ,這對從事汽車工程相關(guān)專業(yè)的人員提出了更高的要求[1]。先進(jìn)的汽車實驗臺可以培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力，分析處理問題能力，工程實踐能力和創(chuàng)新能力及商品意識，很好的滿足專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的要求。因此，設(shè)計出的汽車電器系統(tǒng)實驗臺作為實驗設(shè)備，在教學(xué)的過程中可以為學(xué)生及汽車專業(yè)技術(shù)人才營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，起到理論聯(lián)系實際的一個紐帶，為實驗教學(xué)提供了有利的條件，在滿足教學(xué)實驗的基礎(chǔ)上提高了學(xué)生及汽車故障診斷、維修能力。學(xué)生掌握汽車電器的故障診斷這項技能，對學(xué)生未來的發(fā)展是有很大幫助的。如何設(shè)計一個使學(xué)生容易理解、操作簡單、經(jīng)濟(jì)、方便維修的實驗臺是這次設(shè)計的主要目的。
1.1.2 實驗臺設(shè)計的意義
１、先進(jìn)的汽車實驗、實訓(xùn)臺設(shè)計與制作可以培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、分析處理問題的能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力及商品意識,滿足專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的要求?？梢蕴岣咂嚨氖褂脡勖徒?jīng)濟(jì)效益,推動汽車工業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
２、與實踐相結(jié)合,提高學(xué)生的實際操作能力。
３、伴隨汽車電器技術(shù)的進(jìn)步,實驗臺還可以進(jìn)行更新?lián)Q代,節(jié)約研制經(jīng)費。
４、對實驗臺的開發(fā)和設(shè)計,可以建立一種科研環(huán)境,給學(xué)生營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。在設(shè)計過程中,需要對以往學(xué)過的知識進(jìn)行復(fù)習(xí),還有很多的理論需要深入的研究,以便同實際操作結(jié)合。
汽車新技術(shù)發(fā)展十分迅速，在汽車工程上的應(yīng)用越來越普遍．而相關(guān)高校及社會技術(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在汽車新技術(shù)教學(xué)中大多以理論為主，相應(yīng)新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)為主的實踐教學(xué)手段嚴(yán)重滯后，不僅不能與汽車領(lǐng)域廣泛推出的汽車新技術(shù)同步，更跟不上汽車新技術(shù)的快速發(fā)展．為此，研制了豐田1ZZ—FE型電控發(fā)動機(jī)仿真實驗臺，希望能夠為相關(guān)教學(xué)機(jī)構(gòu)提供有益的幫助結(jié)合我校豐田技術(shù)人才培養(yǎng)的要求，本設(shè)計以豐田花冠1ZZ-FE發(fā)動機(jī)為藍(lán)本，設(shè)計制造出具有故障診斷以及教學(xué)功能演示的綜合實驗臺，可以結(jié)合實驗臺可以進(jìn)行故障設(shè)置，診斷并且進(jìn)行信號測試，數(shù)據(jù)流分析等。目的是通過理論與實踐相結(jié)合的方式，培養(yǎng)和加強(qiáng)學(xué)生的汽車故障診斷分析能力。
1.2 研究和發(fā)展現(xiàn)狀
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車作為一種代步工具，已經(jīng)進(jìn)入普及時代。目前，平均每輛汽車上的電子裝備已經(jīng)占到整車成本的20%—30%，一些高檔轎車上電器產(chǎn)品所占比重更高，電器產(chǎn)品的費用已經(jīng)占到整車成本的50%以上。據(jù)美國汽車工業(yè)界的預(yù)測，2003年全球汽車電器產(chǎn)品的總銷售額將達(dá)800億美元。
汽車電器是汽車的重要組成部分，其自身的性能對汽車的動力性、 經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、操縱性、舒適性、娛樂性等各種性能 都會產(chǎn)生直接而重要的影響?，F(xiàn)代汽車已不再是傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品， 其中汽車機(jī)械部分的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了極致，汽車電器還有廣泛的發(fā)展空間，汽車上70%的革新來自汽車電子技術(shù)及產(chǎn)品。汽車電子屬于典型的高技術(shù)、高附加值、高增長的新興產(chǎn)業(yè)，具有巨大的市場容量和很強(qiáng)的技術(shù)滲透性與產(chǎn)業(yè)帶動性，是我國占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)制高點、大力推進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的良好機(jī)遇。在發(fā)達(dá)國家，汽車已經(jīng)進(jìn)入電子時代，汽車電器技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代汽車技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注和研究的重點問題。
近20多年來，隨著計算機(jī)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(jìn)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(jī)控制發(fā)動機(jī)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(jī)管理系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)各個系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制發(fā)動機(jī)的控制已由早期的模擬裝置發(fā)展成為微機(jī)控制的數(shù)字控制系統(tǒng)。在發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中，微機(jī)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(hù)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(jìn)入成熟的發(fā)展階段，世界各大汽車制造商為進(jìn)一步地爭奪汽車銷售市場，不斷加強(qiáng)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(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)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(jī)械產(chǎn)品發(fā)展為高級的機(jī)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(biāo)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(jī)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)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(jì)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(dá)國家，汽車已經(jīng)進(jìn)入電子時代，汽車電子控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)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(jī)電產(chǎn)品，其中汽車的機(jī)械部分的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了極致，汽車?yán)^續(xù)改進(jìn)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(jī)所處的環(huán)境惡劣，因此，由發(fā)動機(jī)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(jī)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(dǎo)致的故障很困難。這就給汽車維修和汽車教學(xué)帶來了很大的障礙。而現(xiàn)有的教學(xué)試驗臺架絕大部分仍然基于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，這是制約學(xué)生理論學(xué)習(xí)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(jī)電子控制部分實施改制，使之形成可以脫離發(fā)動機(jī)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(zhǔn)確、操作方便、快速經(jīng)濟(jì)的故障診斷系統(tǒng)，從而把理論教學(xué)與實踐過程有機(jī)地結(jié)合起來，使理論教學(xué)更直觀，實踐過程更容易。
在國外主要開發(fā)的是發(fā)動機(jī)電子控制故障診斷系統(tǒng)，代表產(chǎn)品有美國通用汽車公司和福特汽車公司推出的稱之為CAMS和SBDS的故障診斷咨詢系統(tǒng)。日本豐田汽車公司的維修、信息及技術(shù)部門聯(lián)合開發(fā)了“維修技術(shù)咨詢系統(tǒng)”和豐田發(fā)動機(jī)集中電子控制TCCS的診斷系統(tǒng)。
汽車電子控制實驗臺的發(fā)展趨勢是朝著人工控制智能化的方向發(fā)展，實現(xiàn)故障診斷檢測、工作狀況的演示等功能。
我國仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用開展得比較早，發(fā)展迅速。80年代就建設(shè)了一批水平高、規(guī)模大的半實物仿真系統(tǒng)，如射頻制導(dǎo)導(dǎo)彈半實物仿真系統(tǒng)、工程飛行模擬等等，主要應(yīng)用于軍事用途。目前半實物仿真在工業(yè)、交通優(yōu)化逐步開始應(yīng)用，同時，半實物仿真技術(shù)已成為國內(nèi)汽車工程師研究的熱點，已滿足應(yīng)用設(shè)計周期的縮短、產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高、開發(fā)及設(shè)計費用的減少的要求。
在國外，汽車公司的工程師感到他們需要一種替代傳統(tǒng)設(shè)計的新途徑。他們曾經(jīng)嘗試過的方法所遇到的主要問題還是硬件原型的不完備，整個設(shè)計在工程化時需要重新設(shè)計和重新編程。因此汽車公司的工程師開始尋找一種新的方法來填補(bǔ)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)之間的空白，使得需求定義者控制器設(shè)計人員有一個共同的堅實基礎(chǔ)。
1.3 設(shè)計的要主內(nèi)容
由以上論述可知，花冠電控實驗臺主要由臺架和臺面組成。主要內(nèi)容如下：
1、完成實驗臺布局設(shè)計（臺架、展板）、演示裝置設(shè)計、
2、實現(xiàn)車用傳感器的信號輸入、盡可能解決信號之間匹配（轉(zhuǎn)速與負(fù)荷）。
3、面板設(shè)計及選擇原件定位。
4、演示裝置及檢測裝置設(shè)計。
5、實現(xiàn)故障設(shè)置，故障演示。
6、研究方法: 實驗室調(diào)研，借鑒參考臺架。
1.4 故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，一些新的科學(xué)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(yù)測功能、自我保護(hù)功能，并且還可以實現(xiàn)在線信息資源的交流與共想。
第2章 花冠1ZZ-FE發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點
2.1發(fā)動機(jī)相關(guān)資料
2.1.1發(fā)動機(jī)的作用和組成
1、發(fā)動機(jī)的作用：是使輸進(jìn)氣缸內(nèi)的燃料燃燒而發(fā)出動力。
2、發(fā)動機(jī)的組成：機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點火系統(tǒng)(汽油發(fā)動機(jī)采用)、起動系統(tǒng)等部分組成。（如圖2.1）
發(fā)動機(jī)總體構(gòu)造
曲柄連桿機(jī)構(gòu)：曲軸箱組；活塞連桿組；曲軸飛輪組。
配氣機(jī)構(gòu)：氣門組；氣門傳動組。
燃料供給系：汽油機(jī)；柴油機(jī)。
點火系
冷卻系
潤滑系
圖2.1 發(fā)動機(jī)組成示意圖
2.1.2 汽油發(fā)動機(jī)的工作原理
發(fā)動機(jī)工作須經(jīng)過進(jìn)氣，把可燃混合氣(或新鮮空氣)引入氣缸；然后將進(jìn)入氣缸的可燃混合氣壓縮，壓縮接近終點時點燃可燃混合氣；可燃混合氣著火燃燒，膨脹推動活塞下行實現(xiàn)對外作功；最后排出燃燒后的廢氣。進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個過程。把這四個過程叫做發(fā)動機(jī)的一個工作循環(huán)，工作循環(huán)不斷地重復(fù)，就實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換，使發(fā)動機(jī)能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)。
1、進(jìn)氣行程
活塞在曲軸帶動下從上止點向下止點運動，這時排氣門關(guān)閉，進(jìn)氣門打開。隨著活塞下移，氣缸內(nèi)容積增大，壓力減小，在氣缸內(nèi)形成一定的真空度，空氣和汽油混合物通過進(jìn)氣門被吸入氣缸，并在氣缸內(nèi)進(jìn)一步形成可燃混合氣
2、壓縮行程：
進(jìn)氣結(jié)束終了，曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動活塞從下止點向上止點運動，這時進(jìn)、排氣門均關(guān)閉，氣缸內(nèi)成為封閉容積，隨著活塞移動，氣缸容積不斷減小，可燃混合氣受到壓縮，壓力和溫度不斷升高，當(dāng)活塞到達(dá)上止點時壓縮行程結(jié)束。
3、做功行程;
做功行程包括燃燒過程和膨脹過程，在這一行程中，進(jìn)氣門和排氣門仍然保持關(guān)閉。當(dāng)活塞位于壓縮行程接近上止點(即點火提前角)位置時，安裝在氣缸蓋上的火花塞產(chǎn)生電火花，點燃可燃混合氣，火焰迅速傳遍整個燃燒室，同時放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，溫度和壓力急劇升高，最高壓力可達(dá)3.0～6.5MPa，最高溫度可達(dá)2200～2800K，高溫高壓氣體膨脹，推動活塞從上止點向下止點移動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機(jī)械能，除了用于維持發(fā)動機(jī)本身繼續(xù)運轉(zhuǎn)外，其余用于對外做功。隨著活塞向下運動，氣缸內(nèi)容積增加，氣體壓力和溫度逐漸降低，當(dāng)活塞運動到下止點時，做功行程結(jié)束，氣體壓力降低到0.35～0.5MPa，氣體溫度降低到1200～1500K。
4、排氣行程：
可燃混合氣在氣缸內(nèi)燃燒后生成的廢氣必須從氣缸中排出去以便進(jìn)行下一個進(jìn)氣行程。排氣行程開始時，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，曲軸通過連桿帶動活塞由下止點向上止點運動時，此時廢氣在自身生剩余壓力和在活塞的推動下，經(jīng)排氣門排出氣缸之外?；钊竭^上止點后，排氣門關(guān)閉，排氣行程結(jié)束。
受排氣阻力的影響，排氣終止時，氣體壓力仍高于大氣壓力，約為0.105～0.12MPa，溫度約為900～1100K。
曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞從上止點向下止點運動，又開始了下一個新的循環(huán)過程。可見四行程汽油機(jī)經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個行程完成一個工作循環(huán)，這期間活塞在上、下止點往復(fù)運動了四個行程，相應(yīng)地曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈。
實際汽油機(jī)的進(jìn)氣過程中，進(jìn)氣門打開。在排氣行程中，是排氣門早于下止點開啟，遲于上止點關(guān)閉。
進(jìn)氣門早開晚關(guān)的目的是為了增加進(jìn)入氣缸的混合氣量，排氣門早開晚關(guān)的目的是為了減少氣缸內(nèi)的殘余廢氣量。減少殘余廢氣量，會相應(yīng)增加進(jìn)氣量。
二行程汽油機(jī)的工作循環(huán)也是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣過程組成，但它是在曲軸旋轉(zhuǎn)一圈(360°)，活塞上下往復(fù)運動的兩個行程內(nèi)完成的。因此，二行程發(fā)動機(jī)與四行程發(fā)動機(jī)工作原理不同，結(jié)構(gòu)也不一樣。 （如圖2.2）
圖2.2 汽油機(jī)工作原理示意圖
例如曲軸箱換氣式二行程汽油機(jī)，氣缸上有三排孔，利用這三排孔分別在一定時刻被活塞打開或關(guān)閉進(jìn)行進(jìn)氣、換氣和排氣的。工作原理如下：活塞向上運動，將三排孔都關(guān)閉，活塞上部開始壓縮，當(dāng)活塞繼續(xù)上行時，活塞下方打開了進(jìn)氣孔，可燃混合氣進(jìn)入曲軸箱，活塞接近上止點時，火花塞點燃混合氣，氣體燃燒膨脹，推動活塞向下運動，進(jìn)氣孔關(guān)閉，曲軸箱內(nèi)的混合氣受到壓縮，當(dāng)活塞接近下止點時，排氣孔打開，排出廢氣，活塞再向下運動，換氣孔打開，受到壓縮的混合氣便從曲軸箱經(jīng)進(jìn)氣孔流入氣缸內(nèi)，并掃除廢氣。
第一行程：活塞從下止點向上止點運動，事先已充滿活塞上方氣缸內(nèi)的混合氣被壓縮，新的可燃混合氣又從化油器被吸入活塞下方的曲軸箱內(nèi)。??????????????????????????
第二行程：活塞從上止點向下止點運動，活塞上方進(jìn)行作功過程和換氣過程，而活塞下方則進(jìn)行可燃混合氣的預(yù)壓縮。
二行程柴油機(jī)的工作原理
二行程柴油機(jī)和二行程汽油機(jī)工作類似，所不同的是，柴油機(jī)進(jìn)入氣缸的不是可燃混合氣，而是純空氣。例如帶有掃氣泵的二行程柴油機(jī)工作過程如下：
第一行程：活塞從下止點向上止點運動，行程開始前不久，進(jìn)氣孔和排氣門均以開啟，利用從掃氣泵流出的空氣使氣缸換氣。當(dāng)活塞繼續(xù)向上運動進(jìn)氣孔被關(guān)閉，排氣門也關(guān)閉，空氣受到壓縮，當(dāng)活塞接近上止點時，噴油器將高壓柴油以霧狀噴入燃燒室，燃油和空氣混合后燃燒，使氣缸內(nèi)壓力增大。
第二行程：活塞從上止點向下止點運動，開始時氣體膨脹，推動活塞向下運動，對外作功，當(dāng)活塞下行到大約2/3行程時，排氣門開啟，排出廢氣，氣缸內(nèi)壓力降低，進(jìn)氣孔開啟，進(jìn)行換氣，換氣一直延續(xù)到活塞向上運動1/3行程進(jìn)氣孔關(guān)閉結(jié)束。
2.2 1ZZ-FE發(fā)機(jī)動的相關(guān)材料
豐田花冠1ZZ-FE引擎的缸徑為79mm，行程91.5mm；壓縮比在某些國家中所公布的數(shù)字高達(dá)10：1。而在臺灣所公布的最大馬力有136?PS/6000rpm，最大扭力則達(dá)到17.4kgm/4200rpm，排量為1.8L，汽缸最大平面卷曲度0.05，氣門坐寬度1.0-1.4，氣門錐角45°。氣門間隙為0.75，氣門彈簧為38.74，活塞環(huán)間隙為0.045，活塞環(huán)開口間隙為0.25-0.45。該發(fā)動機(jī)應(yīng)用在卡羅拉第六代車型中，目前該發(fā)動機(jī)已被替代為，新發(fā)動機(jī)1.8升2ZR-FE將替代目前車型的1ZZ-FE。發(fā)動機(jī)外型（如圖2.3）
圖2.3 發(fā)動機(jī)外型示意圖
1ZZ-FE發(fā)動機(jī)采用四缸20氣門配氣機(jī)構(gòu)，閉環(huán)電子控制汽油噴射系統(tǒng)。其最大特點是實施了集中控制，即汽油噴射和點火由同一控制單元控制，噴射系統(tǒng)為多點順序噴射，點火系統(tǒng)采用高能無分電器點火系統(tǒng)。
電控汽油噴射系統(tǒng)根據(jù)其作用不同可分為四個系統(tǒng)，即空氣供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
1.空氣供給系統(tǒng)
空氣供給系統(tǒng)的作用是測量、控制汽油燃燒所需的空氣量。主要由空氣濾清器、空氣流量計、節(jié)氣門控制單元、穩(wěn)壓箱及進(jìn)氣管下體等組成。
2.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，加壓濾清后經(jīng)噴嘴供給發(fā)動機(jī)。它由汽油箱、汽油濾清器、電動汽油泵、壓力調(diào)節(jié)器、噴嘴等組成。
電動汽油泵從油箱中將汽油泵出。經(jīng)汽油濾清器過濾及壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后使油壓始終高于進(jìn)氣管壓力約0.3Mpa,并經(jīng)汽油分配管送給各缸噴嘴，噴嘴根據(jù)發(fā)動機(jī)控制單元的指令將汽油適時地噴入進(jìn)氣管中。
3.點火系統(tǒng)
花冠轎車采用無分電器點火系統(tǒng)。它主要由點火能量終端輸出極、點火線圈、高壓導(dǎo)線、火花塞以及各種傳感器組成，由發(fā)動機(jī)控制單元實施集中控制。點火時兩缸同時串聯(lián)點火，點火順序為1-3-4-2。一個氣缸在排氣行程末期，另一個氣缸在壓縮行程末期。在排氣行程的氣缸內(nèi)壓力較低，火花塞擊穿電壓較低，點火能量消耗較少，對處于壓縮行程中的另一個氣缸的點火影響不大。這種無分電器點火系統(tǒng)的優(yōu)點是：無旋轉(zhuǎn)件，無機(jī)械磨損，高壓導(dǎo)線數(shù)少，對無線電干擾小。
該點火系中主要部件是點火線圈及終端能量輸出極（末級功率）。點火線圈及終端能量輸出極裝在一個殼體里，固定在氣缸體上，火線圈的殼體上有各缸排序標(biāo)識A、B、C、D，分別對應(yīng)的缸號為1、2、3、4。1、4缸共用一個點火線圈，2、3缸共用一個點火線圈。終端能量輸出極根據(jù)控制單元指令控制點火線圈初級繞組的通電斷電。從而在點火線圈次級產(chǎn)生點火高壓。
2.3 1ZZ-FE發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點
首先，這具引擎搭載了TOYOTA的可變閥門正時技術(shù)VVT-i。這項技術(shù)相當(dāng)為人所熟知，并常被拿來與HONDA?Ferio所使用的VTEC作比較。如果純粹就性能面或燃油的節(jié)省來看，VTEC對引擎的效果是要勝過于VVT-i的；然而VTEC是分段切換，VVT-i則為無段變化，想要在各種運轉(zhuǎn)狀況之下都能調(diào)整出理想的閥門正時，VVT-i則較居上風(fēng)。多年前的NISSAN?Sentra便已經(jīng)使用類似VVT-i這種改變凸輪相位角的機(jī)構(gòu)，但是僅為兩段變化，控制策略也相當(dāng)簡單，不像TOYOTA的VVT-i能作精確的調(diào)整與控制。
比較不為人所注意的，TOYATA特意將Altis引擎的行程設(shè)計得很長，是一具長行程引擎。長行程引擎的中低速扭力充沛，駕駛性良好，燃燒也完全，能降低HC的污染，也能節(jié)省燃油。對定位在主流產(chǎn)品的乘用車來說是相當(dāng)有利的。但是長行程引擎的高轉(zhuǎn)速性能較差，為了能提升這具長行程引擎在高轉(zhuǎn)速時的性能，TOYOTA破天荒的在這個級距的引擎里摒棄了使用傳統(tǒng)氣門座的制造方法，而以雷射在汽缸頭鍍上一層較薄的耐磨耗合金來取代氣門座的功能。
這是因為燃燒室的空間很有限，使用傳統(tǒng)氣門座的引擎，因為必須在燃燒室里擠出空間來讓給又厚又大的氣門座，很難搭配較大的氣門，高速時的性能會受到相當(dāng)?shù)木窒?。如果采用這樣的新技術(shù)，這層薄薄的耐磨耗金屬可以把珍貴的空間給讓出來，而能使用較大的氣門，讓進(jìn)排氣量更大，高速性能得以充分提升。從廠方公布的馬力數(shù)字可以明顯看出來這項技術(shù)的效果，這具長行程引擎的高轉(zhuǎn)速性能比起同級車來毫不遜色。而事實上，不只是在這個等級，即便在更高等級的豪華房車或是跑車上，也很少有使用這項技術(shù)的。另外，這具引擎的進(jìn)氣道比一般的引擎要稍高，進(jìn)排氣閥的夾角小，能有效的增加進(jìn)氣的滾流，加上緊致的燃燒室與燃燒室混合氣擠壓區(qū)的設(shè)置，不管這些東西到底是怎么運作的，結(jié)果呢？是使得這具引擎有較好的燃燒效率，并且有優(yōu)良的抗爆震性。所以，盡管這具引擎的壓縮比高達(dá)十，卻只需要使用辛烷值91（RON）的汽油即可。也就是說可以用低辛烷值的汽油來享受高壓縮比所帶來的各項利益。
在其它的機(jī)械構(gòu)造上，也相當(dāng)?shù)挠幸馑肌１M管許多同級車還在使用鑄鐵汽缸體，這具引擎卻采用了鋁合金來制作汽缸體。也就是俗稱的全鋁合金引擎。但是用鋁合金作汽缸體不算什么，值得注意的是，TOYOTA舍棄了一般傳統(tǒng)引擎慣用的鑄鐵引擎蓋，或是鋁鑄造的衍架式引擎蓋，而采用了上下曲軸箱的強(qiáng)固結(jié)構(gòu)。以一個整體式的下曲軸箱來固定波司與曲軸，剛性是十分的優(yōu)異。這樣的結(jié)構(gòu)特別適合于高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，慣用在大排氣量的機(jī)車上，而有一款并非主流乘用車定位的名車--HONDA?S2000，也采用了相同的結(jié)構(gòu)來達(dá)到跑車引擎高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的剛性要求。目前各車廠均紛紛開始要在平價的乘用車上使用這樣的設(shè)計，而TOYOTA硬是比人家搶先了好幾年甚至是十年以上的時間。
而引擎的輔機(jī)，像發(fā)電機(jī)，冷氣壓縮機(jī)等等都舍棄了以往常用的支架，而直接鎖附在引擎上，提高了這些零件與引擎之間結(jié)合的剛性，能抑制振動噪音的發(fā)生。有人抱怨Altis的隔音材料似乎太過單薄，如果真的是這樣，其實一點也不令人意外；因為這具引擎本身的剛性還及與變速箱結(jié)合的剛性都好，在NVH，也就是在振動噪音方面的特性天生就比同級車優(yōu)異許多，所以省下些隔音材料似乎也不是件不合理的事。
氣門機(jī)構(gòu)當(dāng)然也有可觀之處。這具引擎采用正時鏈條來驅(qū)動氣門。正時鏈條的壽命長，在正常的使用狀況下，一具引擎用到報廢都不需要調(diào)整與更換，信賴度跟正時皮帶比起來是要高得多了。但是整個系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本也高，車廠在過去并不太喜歡。然而最近因應(yīng)引擎壽命的增長，正時鏈條又逐漸受到車廠的重視。Altis的引擎在這方面又搶先了同級車一步。不過使用正時鏈條也不算什么了不起，雖然是新流行，但畢竟也不是新技術(shù)。比較新的技術(shù)是在這具引擎的氣門挺桿上（valve?lifter）， TOYOTA在這里不使用俗稱西姆的氣門調(diào)隙片，而以直接選配的方法來控制氣門間隙。這有什么好處呢？那就是低成本與輕量化。輕量化的結(jié)果就是使得這具引擎能使用彈簧系數(shù)較低的氣門彈簧，進(jìn)而降低摩擦損失，行駛起來就更加的省油了。根據(jù)臺灣能源會的公布資料，Altis的省油是同級車中的第一名，測試結(jié)果跟March相差無幾，當(dāng)然，很多車廠都準(zhǔn)備跟進(jìn)，在這方面又是TOYOTA領(lǐng)先了別人一步。??
???? 這具引擎還經(jīng)過了日本式的輕量化，包括了使用塑料制的進(jìn)氣岐管，不銹鋼制的排氣岐管等等各式各樣的輕量化零件，東省西扣的結(jié)果，TOYOTA得意的宣布這是世界上同排氣量引擎中最輕的一具，而且輕得很驚人，減重了百分之二十以上。一般認(rèn)為這具引擎比別人輕得很多是無可置疑的，但這么驚人的數(shù)字也許有點取樣不公的嫌疑。?
這具引擎向后方排氣，主要的原因是希望能縮短引擎與觸媒轉(zhuǎn)換器的距離，盡快提升在冷車激活時的觸媒溫度，使得觸媒轉(zhuǎn)換器能早點開始處理有害的廢氣。根據(jù)國外的報導(dǎo)，Corolla的消音器里還有個有趣的小玩意兒，是一個小小的以彈簧控制的閥，當(dāng)轉(zhuǎn)速低時，背壓較低，這個閥會關(guān)閉讓排氣走比較遠(yuǎn)的路以取得較好的消音效果。但是一旦轉(zhuǎn)速提高，這個閥會打開讓排氣抄個快捷方式以降低背壓。?
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了發(fā)動機(jī)的工作原理以及1ZZ-FE發(fā)動機(jī)的技術(shù)資料，根基該設(shè)計的要求對1ZZ-FE發(fā)動機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)及工作原理有了進(jìn)一步的了解，對設(shè)計的展開提供基本的保障。
第3章 花冠汽車電控系統(tǒng)工作原理及電路特點
3.1 花冠汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
3.1.1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
１、電源
包括蓄電池、發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器，二者并聯(lián)，提供汽車用電設(shè)備所需的電能。
2、啟動系
主要由起動機(jī)及其控制電路組成。
3、點火系
是指在噴油器和點火器，是在點火器噴出高壓電火花，以點燃混合氣，來實現(xiàn)點火。
4、儀表和報警系統(tǒng)
包括各種儀表和報警裝置，用來檢測汽車、發(fā)動機(jī)的工作情況。
6、電子控制系統(tǒng)
包括發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等，主要由相應(yīng)的傳感器、電子控制單元、執(zhí)行器組成，完成相應(yīng)對象或過程的控制。
3.1.2 工作原理
1、 導(dǎo)線
汽車電氣系統(tǒng)的導(dǎo)線采用低壓導(dǎo)線，采用銅質(zhì)多心軟線[2]。
（１）低壓導(dǎo)線
導(dǎo)線的截面積主要根據(jù)其工作電流選擇，但是對于一些工作電流較小的電器，為保證具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，汽車電器中導(dǎo)線截面積一般不小于0.5mm2。各種低壓導(dǎo)線標(biāo)稱截面積所允許的負(fù)載電流見表2.1。
表3.1 低壓導(dǎo)線截面積允許負(fù)載電流值
導(dǎo)線標(biāo)稱截面積/mm2
1.0
1.5
2.5
3.0
4.0
6.0
10
13
允許電流/A
11
14
20
22
25
35
50
60
所謂標(biāo)稱截面積是經(jīng)過換算而統(tǒng)一規(guī)定的線心截面積，不是實際線心的幾何面積，也不是各股線心幾何面積之和。電氣系統(tǒng)主要線路導(dǎo)線標(biāo)稱截面積。
導(dǎo)線顏色：汽車線路所用的低電壓導(dǎo)線用顏色加以標(biāo)識。在使用單色線的基礎(chǔ)上，為了區(qū)分多種低電壓導(dǎo)線，采用雙色線的顏色由兩種顏色配合組成，雙色線的主色所占比例大些，輔助色所占比例小些。輔助色條紋占主色條紋沿周圍表面的比例為1：3至1：5，雙色線的標(biāo)注第一色為主色，第二色為輔助色。導(dǎo)線顏色用字母代號表示，字母代號的含義見表2.3。
表3.3 導(dǎo)線顏色
B-黑
L-藍(lán)
R-紅
BR-棕
LG-淺綠
V-紫
G-綠
O-橙
W-白
GR-灰
P-粉紅
Y-黃
例如，線路圖中導(dǎo)線顏色編號為R，則說明在實際電路中，導(dǎo)線顏色為紅色。如果導(dǎo)線為雙色，則第一個字母表示配線基本顏色，第二個字母表示配線的條紋顏色。例如導(dǎo)線顏色編號為L-Y，則在實際電路中，導(dǎo)線的基本顏色為藍(lán)色，條紋顏色為黃色。
線束-汽車用低電壓導(dǎo)線除蓄電池導(dǎo)線外，都用絕緣材料如薄聚氯乙烯帶纏繞包扎成束，避免水、油的侵蝕及磨損。
（２）高壓導(dǎo)線
汽車點火線圈至火花塞之間的電路使用高壓點火線，簡稱高壓線。高壓導(dǎo)線的耐壓一般應(yīng)在1.5kV以上，因電流較小，其截面積很小，但絕緣層很厚，多采用橡膠絕緣。高壓導(dǎo)線分為普通銅芯高壓線及高壓阻尼點火線。帶阻尼的高壓線可抑制和衰減點火系產(chǎn)生的高頻電磁波，降低對無線電設(shè)備及電控裝置的干擾，
２、熔斷器
熔斷器俗稱保險管，在電路中起保護(hù)作用。當(dāng)電路中流過超過規(guī)定的過大電流時，熔斷器的熔絲自身發(fā)熱而熔斷，切斷電路，以防止燒壞電路連接導(dǎo)線和用電設(shè)備，并把故障限制在最小范圍內(nèi)。通常情況下，將很多熔斷器組合在一起安裝字熔斷器盒內(nèi)，并在熔斷器盒蓋上注明熔斷器的名稱、額定容量和位置。
一般情況下，環(huán)境溫度在180～320C時，當(dāng)流過熔斷器的電流為額定電流的1.1倍時，熔斷器不熔斷；達(dá)到1.35倍時，熔絲在60s內(nèi)熔斷；達(dá)到1.5倍時，20A以內(nèi)的熔絲在15s內(nèi)熔斷，30A以內(nèi)的熔絲在30s內(nèi)熔斷。
熔斷器在使用中應(yīng)注意一下幾點：
（１）熔斷器熔斷后，必須真正找到故障原因，徹底排除故障。
（２）更換熔斷器時，一定要與原規(guī)格相同。
（３）熔斷器支架與熔斷器接觸不良會產(chǎn)生電壓降和發(fā)熱現(xiàn)象，安裝時要保證良好接觸。
３、連接器
連接器就是通常所說的連接插頭和插座，用于線束或?qū)Ь€與導(dǎo)線間的相互連接。為了防止連接器在汽車行駛中脫開，所有的連接器均采用了閉鎖裝置。
要拆開連接器時，不允許在未解除閉鎖的情況下用力拉導(dǎo)線，這樣會損壞閉鎖或連接導(dǎo)線。正確的拆卸方法是先壓下閉鎖，再把連接器拉開。
本次設(shè)計用到的連接器如圖3.1[3].
C9、組合開關(guān) J1、J2、
J22、J28、J29、J34、J35、J37、J38、J39、中繼接線器
圖 3.1連接器圖
４、繼電器
一般用于操縱開關(guān)的觸點電容量較小，不能直接控制工作電流較大的用電設(shè)備，常采用繼電器來控制它的接通和斷開[4]。
汽車上的繼電器有很多，常見的有三類：常開繼電器、常閉繼電器和常開、常閉混合型繼電器。
常開繼電器平時觸點是斷開的，繼電器動作后觸點才接通；常閉繼電器平時觸點是閉合的，繼電器動作后觸點斷開；混合型繼電器平時常閉觸點接通，常開觸點斷開，如果繼電器線圈通電，則變成相反狀態(tài)。
５、電源及起動系統(tǒng)電路
電源及起動系統(tǒng)由蓄電池電路、發(fā)電機(jī)工作電路、儀表板中的發(fā)電機(jī)警報燈電路及起動機(jī)工作電路組成。
發(fā)電機(jī)是汽車上的主要供電設(shè)備，它與蓄電池并聯(lián)。其作用是：在汽車正常行使時，向各用電設(shè)備供電，并及時對蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。
８、儀表
花冠轎車采用的組合儀表主要包括：車速里程表、水溫表、燃油表、轉(zhuǎn)速表等，在實驗臺上有一些儀表不能工作，如車速里程表，但為了保持系統(tǒng)的完整性，在這里也未做刪減。
（１）車速里程表[5]
車速里程表由三部分組成，即車速表、里程表和單程里程計。車速表用來指示汽車行駛的瞬時速度；里程表是一個累計計數(shù)器，可記錄汽車行駛過的總里程；單程里程計是用來記錄某次行車所駛過的里程，在所記錄數(shù)據(jù)不需要時，可用按鈕清零。
（２）水溫表
水溫表指示的是發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度。點火開關(guān)打至點火檔，水溫表便開始工作。表盤上有兩個指示區(qū)域，一個是低溫區(qū)，一個是正常溫度區(qū)，在低溫區(qū)應(yīng)避免發(fā)動機(jī)高速或大負(fù)荷工作。
（３）時鐘
時鐘用來表示時間。通過按動表中的按鈕來對表。
（４）燃油表
燃油表指示的是油箱中燃油量。點火開關(guān)在點火檔，燃油表便開始工作。表盤上有一個備用油量區(qū)，指針指到該位置時，油箱內(nèi)大約還有10L左右的燃油。
（５）指示燈
指示燈可分為信號指示燈和警報指示燈。警報指示燈一般采用紅色，信號指示燈則采用綠、黃、藍(lán)等不同顏色。指示燈在儀表上是用符號來表示的。在行車過程中，當(dāng)表中標(biāo)有stop項的燈亮?xí)r，必須立即停車并讓發(fā)動機(jī)熄火，檢查故障所在。
（６）轉(zhuǎn)向信號燈
轉(zhuǎn)向信號燈工作時，該指示燈閃亮。如果某側(cè)有一個轉(zhuǎn)向信號燈不亮?xí)r，指示燈的頻率將明顯加快。
（７）遠(yuǎn)光指示燈
打開前照燈遠(yuǎn)光或使用前大燈閃光發(fā)出超車信號時，遠(yuǎn)光指示燈亮。
（８）發(fā)動機(jī)警報燈
發(fā)動機(jī)警報燈也就是所說的電源警報燈。在發(fā)動機(jī)打開點火開關(guān)時，該燈亮，發(fā)動機(jī)起動后熄滅，屬于正常。如果在行車中此燈亮起來，說明發(fā)電機(jī)不發(fā)電，應(yīng)停車檢查。
（９）機(jī)油壓力警報燈
機(jī)油壓力警報燈和發(fā)電機(jī)警報燈一樣，打開點火開關(guān)，警報燈亮，發(fā)動機(jī)起動后應(yīng)熄滅。如果發(fā)動機(jī)起動后該燈不滅或行車中亮起，應(yīng)停車檢查發(fā)動機(jī)潤滑系故障。
（10）制動報警燈及手制動指示燈
制動報警燈及手制動指示燈是在手制動器拉起或制動液液面過低時點亮。在解除手制動后，此燈仍亮必須停車檢查制動液量。
（11）冷卻液溫度及冷卻液液面警報燈
冷卻液溫度及冷卻液液面警報燈。發(fā)動機(jī)未起動，打開點火開關(guān)，該警報燈閃亮進(jìn)行功能自檢，發(fā)動機(jī)起動后熄滅，屬于正常。如果該指示燈在發(fā)動機(jī)起動后不熄滅或者在行駛時閃亮，說明冷卻液不足或溫度太高，應(yīng)停機(jī)檢查發(fā)動機(jī)冷卻系。
3.2 電路的特點分析
3.2.1 汽車線路遵循的一般原則
汽車線路由于車型結(jié)構(gòu)、安裝位置和接線方法的不同而各有差異，但其線路都應(yīng)遵循一定的原則，了解這些原則對讀圖是很有幫助的。
１、汽車線路為單線制。單線連接是汽車線路的特殊性，它是指汽車上所有電氣設(shè)備的正極均采用導(dǎo)線互相連接，而所有的負(fù)極則分別與車架或車身金屬部分相連，即搭鐵。任何一個電路中的電流都是從電源的正極出發(fā)經(jīng)導(dǎo)線流入用電設(shè)備后，由電器設(shè)備自身或負(fù)極導(dǎo)線（全車有統(tǒng)一的顏色標(biāo)識）搭鐵，通過車架或車身流回電源負(fù)極而形成回路[6]。
２、各用電設(shè)備均采用并聯(lián)。汽車上的兩個電源（蓄電池與發(fā)電機(jī)）之間以及所有用電設(shè)備之間，都是正極接正極，負(fù)極接負(fù)極，并聯(lián)連接。
３、汽車線路為負(fù)極搭鐵。一般說來，汽車線路都是負(fù)極搭鐵，負(fù)極搭鐵對車架或車身的化學(xué)腐蝕較輕，對無線電干擾較小。
４、汽車線路有顏色和編號特征。為了便于區(qū)別各線路的連接，汽車所有低壓導(dǎo)線，必須選用不同顏色的單色或雙色線，并在每根導(dǎo)線上編號，編號由生產(chǎn)廠家統(tǒng)一編定。
５、將導(dǎo)線做成線束。為了不使全車電線零亂，便于安裝和絕緣保護(hù)，將導(dǎo)線做成線束。一輛車可以有多個線束。
６、將ECU的所有線路，全部引到實驗臺板上，以連接口的形式固定在臺板上，讓學(xué)生可根據(jù)電路圖，進(jìn)行線路連接。為保證線路接口接觸良好，對接線材料要求反復(fù)使用性強(qiáng)；為了讓學(xué)生對傳感器、執(zhí)行器、電源、搭鐵線路一目了然，在選擇接線時，應(yīng)用不同線色區(qū)分，電路如圖3.2
圖3.2 電控系統(tǒng)試驗臺電路圖
3.3 本章小結(jié)
本章首先確定了全車線路中的基本元件，全車線路中的基本元件與實車一致，以方便學(xué)生與實車對照。實驗臺電路連接方式與實車一致，并分析了豐田花冠汽車電路圖的讀圖方法。
第4章 電控實驗臺的設(shè)計及校核
4.1 實驗臺的總體設(shè)計要求
基于教學(xué)功能設(shè)計的試驗臺要滿足方便師生的學(xué)習(xí)與互動，可以直觀的看到發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作過程，方便操作和進(jìn)行故障設(shè)置及工作分析?；诟倪M(jìn)要求和整體設(shè)計，設(shè)計為可移動式臺架，要求如下：
１、選型。在選擇參照車型時應(yīng)充分考慮它的代表性，因此要使所選擇的電控系統(tǒng)在實際工作性能上能夠反映花冠汽車技術(shù)的先進(jìn)性，體現(xiàn)發(fā)展的趨勢和潮流，同時具有普及性，便于汽車工程相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的展開；并且所選擇車輛具有鮮明技術(shù)特色。
２、服務(wù)教學(xué)。因為設(shè)計是為教學(xué)服務(wù)的，因此在設(shè)計實施的具體過程中，首要的問題就是要保證電控系統(tǒng)的工作性能以及每一個器件的工作原理均得到體現(xiàn)，表達(dá)要力爭簡單、明了，使用起來方便快捷，設(shè)置故障診斷功能有利于提高學(xué)生的工程實踐運用能力。
３、實驗臺布局。在考慮布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊的同時, 還要便于教學(xué)并注意各個電器元件在工作時相互之間功率的匹配。
此外，要求實驗臺具有直觀形象的教學(xué)演示功能以及良好的操縱控制性能。
4.2 花冠汽車電控實驗臺的設(shè)計
電器實驗臺的設(shè)計要實現(xiàn)良好的操控性能及示教效果,要求臺架可以實現(xiàn)折疊, 并考慮到電器系統(tǒng)構(gòu)件的支撐及定位緊湊、臺面質(zhì)量分布均勻度、臺面的整潔度、臺面穩(wěn)定性、運動件與固定件是否發(fā)生干涉等因素。
4.2.1 臺面設(shè)計
電器實驗臺的板面設(shè)計和制作主要依據(jù)花冠轎車的車身線束進(jìn)行布置,同時也參照了花冠車身的各電器元件的布置情況。板面尺寸的確定主要依據(jù)各個電器元件的形位尺寸和位置尺寸,根據(jù)線束的布置及幾個主要元件的形位尺寸,然后初步估算板面的大小,把布置在板面輪廊上的元件的位置確定下來，初步估算板面采用1800×1200×30（單位：mm）。
4.2.2 臺架的選材
臺架的材料選用45鋼,強(qiáng)度、價格均可行。臺架的各連接處均采用焊接,其強(qiáng)度不低于材料的強(qiáng)度,可以達(dá)到支撐臺面及固定、穩(wěn)定的作用。
4.2.3 臺架的設(shè)計
臺架要求方便可支撐臺面 對強(qiáng)度要求不大。臺架的制作方案：為了更好地達(dá)到汽車電控系統(tǒng)實驗臺的設(shè)計目的和完成預(yù)期的效果，為教學(xué)提供更直觀、生動的教學(xué)模具，完成發(fā)動機(jī)各工況的模擬，實驗臺的工作原理及故障演示，初步選擇臺架為如圖3-1所示，電器實驗臺臺架的設(shè)計是根據(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)計的,以45鋼的角鐵和方鋼為主,各連接處采用焊接和螺栓聯(lián)接,其強(qiáng)度不低于原材料的強(qiáng)度,可以達(dá)到支撐臺面以及固定、穩(wěn)定性的作用。為了移動方便,采用橡膠輪,這樣可以起到減震的作用。臺架的尺寸：長*高*寬=1800×700×780（單位：mm）。
圖4.1 臺架圖
4.3 實驗臺面板設(shè)計
實驗臺的演示板上合理的布置各類儀表盤、傳感器、接線盒、開關(guān)、ECU等元件。各區(qū)域設(shè)計力爭緊湊．演示板尺寸為1800 mm×800 mm，板面中部布置儀表盤，顯示系統(tǒng)的工作信息；演示板左側(cè)布置線束連接器及繼電器盒，顯示實驗臺電氣線束的布置情況，指示值的波動可輔助相關(guān)故障的判定；故障診斷區(qū)則布置在演示板的右側(cè)，具體位置如圖4 .2所示．
1．凸輪軸位置傳感器；2．空氣流量計；3．節(jié)氣門位置傳感器；4．水溫開關(guān)；5．VSV(EVAP)；6．爆震傳感器；7．EFI水溫傳感器；8．凸輪軸正時機(jī)油控制閥；9．故障開關(guān)；10．儀表盤；11．ECU；12．點火開關(guān)；13．繼電器盒；14．繼電器盒；15．開關(guān)； 16.交流發(fā)電機(jī)；17.風(fēng)扇電機(jī)；18.熱氧傳感器；19.檔位鎖止控制開關(guān)；20.點火器；21.噴油器；22.曲軸位置傳感器；23.起動機(jī)。
圖4.2 實驗臺演示板布置圖
為了演示試驗臺的教學(xué)功能，需要設(shè)計信號輸出裝置（如圖4 .3）和噴油器裝置（如圖4 .4）?？梢詫υ囼炁_的演示更直觀，更能表現(xiàn)模擬試驗臺的可靠性。
1.齒輪；2.鏈條；3.軸；4.鏈條張緊裝置
圖4.3 信號輸出裝置圖
1.油路；2.噴油嘴；3.油箱；
圖4.4 噴油裝置圖
4.4 附屬件的定位與設(shè)計
4.4.1 電動機(jī)的選擇
因花冠汽車的車用發(fā)電機(jī)的額定功率為0.6kw,額定轉(zhuǎn)速為：4000r/min，所以要求選用的電動機(jī)的額定功率應(yīng)大于發(fā)電機(jī)的額定功率?？紤]到電動機(jī)的工作環(huán)境, 選用Y系列的三項鼠異步電動機(jī)。
（１）電動機(jī)的型號：Y801-2。
（２）電動機(jī)的基本參數(shù)：額定功率為:0.75kw；滿載轉(zhuǎn)速為：2825r/min；質(zhì)量為：16kg；電動機(jī)外型：長×寬×高=285×165×170（單位：mm）；軸伸尺寸：D×E=19×40（單位：mm）；電動機(jī)中心高H為：80（單位：mm）。
4.5 實驗臺的整體校核
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：即顯示面板的重量約20Kg、主機(jī)重量約155Kg、臺架自重約50Kg，其他部分大約為25Kg，則臺架總重大約為250Kg。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125Kg的均布載荷P。簡化后的力學(xué)模型如(圖4.5)所y
x
P
X
L
FAy
AAA
FBy
B
示。
圖4.5 實驗臺臺受力分析
對其進(jìn)行受力分析，所得到的剪力圖Q和彎距圖M分別如(圖4.6)、(圖4.7)所示。
圖4.6 剪力Q圖
圖4.7 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
FAy = FBy = P =775N （4.1）
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－PX－FQ(X) = 0 （4.2）
∑Mio＝0
則： FAyX ―PX2―M(X)＝0 （4.3）
將（4.1）代入（4.2）可得：
FQ(X)＝FAy－PX＝PL－PX （0＜X＜L） （4.4）
將（4.1）代入（4.3）可得：
M(X)＝FAyX－PX2＝PLX－PX2 （4.5）
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（4.5）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：
當(dāng)時X = L =0.42m = 224.07N.m
橫截面上的最大正應(yīng)力公式為：
（4.6）
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(jìn)行校核只需對壓應(yīng)力進(jìn)行校核即可。
由于
所以該支撐架符合要求，所選材料合格。
4.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了發(fā)動機(jī)實驗臺的總體設(shè)計部分，對發(fā)動機(jī)實驗臺的主體臺架布
局，面板布置進(jìn)行了介紹。在設(shè)計過程中對實驗臺的布局部分有些不夠合理，但在經(jīng)過反復(fù)審定后，確定了發(fā)動機(jī)實驗臺的全體布局。故障診斷實驗臺的設(shè)計是該設(shè)計的主體部分，詳細(xì)闡述了其總體方案的確定，對整個實驗臺進(jìn)行了必要的受力校核，以及相關(guān)重要電器元件的選擇，控制面板的布置。這是下一步進(jìn)行軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，電器元件的好壞將直接影響到軟件系統(tǒng)的調(diào)試與運行。
第5章 實驗臺的教學(xué)演示及故障設(shè)置
5.1 實驗臺功能設(shè)定
5.1.1 工況測試功能
為保證直觀的教學(xué)效果和良好的開發(fā)，實驗臺設(shè)置了較強(qiáng)的工況測試功能，能夠適應(yīng)汽車各工況，直接利用轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的變化實施工況控制，測試電子控制單元的控制過程數(shù)據(jù)．并能利用驅(qū)動自動變速器實現(xiàn)帶負(fù)載功能的測試，從而實現(xiàn)不同工況控制過程仿真信號的測試．若借助發(fā)動機(jī)分析儀等專用儀器還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的輸出測試功能．
5.1.2 故障模擬設(shè)置與診斷功能
采集各傳感器、執(zhí)行器輸出／輸入信號設(shè)計一個與發(fā)動機(jī)ECU各端子連接的三向接口，該接頭能使實驗臺與發(fā)動機(jī)ECU進(jìn)行并聯(lián)和串聯(lián)。開關(guān)信號設(shè)置：
在對發(fā)動機(jī)設(shè)置故障時，使要設(shè)置故障的傳感器或執(zhí)行器的輸出信號先進(jìn)入實驗臺，通過實驗臺中的開關(guān)將信號改變成故障信號再輸入到發(fā)動機(jī)ECU，發(fā)動機(jī)ECU會判定該傳感器或執(zhí)行器有故障，以達(dá)到通過實驗臺設(shè)置故障的目的。為了能提高學(xué)生自主判斷能力，在設(shè)計過程中，需將故障設(shè)置控制部分放在臺板的側(cè)面，操作完畢后可鎖住，避免學(xué)生在操作過程中，根據(jù)故障設(shè)置開關(guān)的位置進(jìn)行誤判斷。模擬信號的設(shè)置：
1、對于水溫、節(jié)氣門位置、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度這些常用信號，除了采用開關(guān)通斷的故障模擬裝置外，還需采用電位計式調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)對這些信號的故障調(diào)節(jié)（圖5.1），這種故障表現(xiàn)更接近于實際故障現(xiàn)象。
圖5.1 水溫傳感器（THA）故障設(shè)置電路
2、曲軸位置及轉(zhuǎn)速傳感器信號的模擬
模擬裝置由曲軸轉(zhuǎn)速傳感器和衡圈(齒圈用60個齒分度，中間去掉2個齒)組成，利用電機(jī)帶動齒圈轉(zhuǎn)動，傳感器每經(jīng)過1個齒，就有一個脈沖信號產(chǎn)生，對曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的信號進(jìn)行模擬（見圖5.2）。當(dāng)雙擲開關(guān)處于1—2位置時，曲軸位置傳感器向ECU輸送發(fā)動機(jī)曲軸位置與轉(zhuǎn)速傳感器信號；當(dāng)雙擲開關(guān)處于1'-2’位置時，轉(zhuǎn)速傳感器向ECU輸送模擬信號。
圖5.2 曲軸位置及轉(zhuǎn)速傳感器信號的模擬
實驗臺設(shè)有包含各種常見電子控制系統(tǒng)故障的預(yù)設(shè)單元，如：傳感器、執(zhí)行元件的故障代碼操作等．針對發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的故障，可利用發(fā)動機(jī)故障指示燈進(jìn)行讀取，也可利用專用設(shè)備進(jìn)行讀取．下面以故障指示燈顯示為例加以說明．
1、讀取條件
（1）蓄電池電壓不應(yīng)低于12 V；（2）關(guān)閉全車所有用電負(fù)荷；（3）將自動變速器換檔桿置于N或P位；（4）將點火開關(guān)置于OFF位置；（5）用SST（專用跳線）將故障診斷插座中的E1與TE1端子跨接．
2、故障診斷碼的讀取
由“CHECK ENGINE”故障燈閃亮次數(shù)與時間顯示故障碼數(shù)值．
（1）系統(tǒng)正常信號輸出狀態(tài)（如圖5.3）所示．
圖5.3 故障診斷正常碼信號輸出狀態(tài)
（2）故障碼的顯示：如（圖5.4）所示，故障燈閃亮?xí)r間的長短將遵循下述規(guī)律．
1、由接通點火開關(guān)到出現(xiàn)第一個故障碼之間間隔4．0 s；
1、故障碼的第l位數(shù)字和第2位數(shù)字之間間隔1．5 s；
3、故障碼和故障碼之間問隔2．5 s；
4、所有故障碼循環(huán)與下一循環(huán)之間間隔4．5 s；
5、故障診斷碼數(shù)列反復(fù)時間將與故障診斷插座端子TE。和E。被連接的時間一樣長．
在完成故障診斷檢查之后，應(yīng)將SST(專用跳線)從故障診斷插座上拆下．
（3）清除故障診斷碼：
１、對故障部位進(jìn)行修理后，一般采用拆下EFI的15 A保險絲至少30 s的方法清除保存在ECU存儲器內(nèi)的故障診斷碼．保險絲拆下時間的長短取決于環(huán)境溫度(溫度低，保險絲拆下時間應(yīng)長)，拆下保險絲之前應(yīng)先切斷點火開關(guān)．
2、在消除故障診斷碼后，應(yīng)進(jìn)行一次工況試驗，以確認(rèn)“CHECK ENGINE”故障燈顯示“正常碼”．若同的故障診斷碼仍被顯示，表示故障部位未被徹底修理好或故障診斷碼未被有效清除．
圖5.4故障碼的顯示規(guī)律
（4）故障診斷碼的存儲原則：
1、包括“正常碼”在內(nèi)，均由ECU統(tǒng)一按編程原則存儲；
2、當(dāng)2個或2個以上的故障碼被顯示時，小的數(shù)碼將先出現(xiàn)；
3、除特殊情況外，所有被檢測到的故障診斷碼，從它被檢測到開始均由ECU保存在存儲器內(nèi)，直到被清除為止；
4、故障一旦被排除，位于儀表板上的“CHECK ENGINE”故障燈將熄滅，但是故障診斷碼仍被寄存在ECU的存儲器內(nèi)．
5.2 教學(xué)示教功能
實驗臺仿照實車研制，結(jié)構(gòu)元件均為實車部件，能夠反映相關(guān)系統(tǒng)的實際組成結(jié)構(gòu)及控制過程?？蓪崿F(xiàn)動態(tài)在線測試．實驗臺還配有教學(xué)輔助儀表，可直觀顯示系統(tǒng)的工作情況，如真空表可顯示進(jìn)氣系統(tǒng)真空度的變化，油壓表可顯示噴油壓力的變化，液壓表可顯示自動變速器換檔工作油壓，常用信號(節(jié)氣門位置、水溫、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度)進(jìn)行處理分析，轉(zhuǎn)變成能在實驗臺板的數(shù)碼管上顯示的信號。轉(zhuǎn)速、車速表與實車相符，運用指針式表頭顯示。
5.3 外設(shè)匹配功能
實驗臺設(shè)有故障診斷端子接口，可以與示波器、萬用表、發(fā)動機(jī)分析儀等設(shè)備連接，直接測量傳輸信號，進(jìn)行實車難以實現(xiàn)的故障診斷分析的實踐教學(xué)過程．因此，該接口設(shè)計具有很強(qiáng)的教學(xué)特定功能，與此相應(yīng)的即為汽車修理操作中的“斷電盒”功能．為了便于發(fā)動機(jī)各工作狀態(tài)的顯示，可以在相應(yīng)的點火電路、起動電路、噴油電路、噴油器電路等電路上分別并聯(lián)一個LED顯示燈，通過LED燈的熄亮反應(yīng)相應(yīng)的電路是否正常工作。根據(jù)以上要求設(shè)計出實驗臺顯示面板。
5.4 基本測量技術(shù)
萬用表是在檢修電路時，最長使用的測量工具。下面介紹一下使用指針式萬用表對汽車電器中常用電子元件的測量方法。
5.4.1 電阻檢測法
電阻檢測法又稱測電阻法。該方法操作簡單、安全，但只適用于對分離元件的故障檢測。具體操作步驟如下：
１、了解待檢測元件的正常電阻特性不同，要用電阻檢測法檢測元件故障，首先就要了解被測元件的正常電阻值。當(dāng)然對汽車器件電阻值的了解，很多時候并不需要嚴(yán)格查對廠家數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，而只需大致了解普通電器(如燈泡、線圈等)電阻變化規(guī)律(功率越大阻值越小)、阻值范圍（零點幾歐至百歐左右)和特殊器件(如開關(guān)、導(dǎo)線、電子器件)的電阻特性要求即可。
２、萬用表電阻檔測量待檢元件電阻值，測量前應(yīng)針對不同元件的電阻值數(shù)量級別選擇不同量程，再進(jìn)行測量。對電子元件要調(diào)換表筆分別測其正、反向電阻(注意在量程選擇后，測量前對萬用表內(nèi)電阻校零。)
３、用測量值與元件的正常電阻值比較，并判斷檢測元件的故障：（１）二者相等（或在允許范圍內(nèi)近似相等），說明器件無故障。（２）測量值為無窮大，說明斷路（測量值比正常值明顯增大，說明接觸不良)。（３）測量值為0，說明短路(測量值比正常值明顯小，說明局部短路)。
5.4.2 電壓檢測法
電壓檢測法又稱測電壓法，它適用于對整體電路(全電路)斷路故障部位的判斷，具體操作如下：
１、開關(guān)閉合，讓電路通電(帶電)。
２、把萬用表檔位選擇開關(guān)置于直流50V檔。
３、把萬用表黑表筆搭鐵，紅表筆從電源正極開始，按電流的流經(jīng)電路的先后順序依次移動。凡指針指示12V的部位都無故障。若表筆移動到某處時，．指針指示值忽然變?yōu)?或明顯減小，則此處即為故障所在，指示值為0，說明斷路；指示值明顯減小，說明接觸不良。
5.5 汽車電路檢修方法
5.5.1 直觀診斷法
汽車電路發(fā)生故障時，有時會出現(xiàn)冒煙、火花、異響、焦臭、發(fā)熱等異?，F(xiàn)象。這些現(xiàn)象可通過人的眼、耳、鼻、身感覺到，從而可以直接判斷出故障所在部位。例如汽車行駛中，突然發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向燈和轉(zhuǎn)向指示燈均不亮故障，用手一摸，發(fā)現(xiàn)閃光器發(fā)熱燙手，說明閃光器以被燒壞[11]。
5.5.2 斷路法
汽車電路設(shè)備發(fā)生搭鐵(短路)故障時，可以用斷路法判斷，即將懷疑有的搭鐵故障的電路段斷路后，根據(jù)電器設(shè)備中搭鐵故障是否還存在，判斷電路搭鐵的部位和原因。如行駛時，聽到電喇叭長嗚，則可以將繼電器“按鈕”接線柱上的導(dǎo)線拆開，此時如果喇叭停鳴，則說明喇叭按鈕至繼電器這段電路中有搭鐵現(xiàn)象。
5.5.3 短路法
汽車電路中出現(xiàn)斷路故障，還可以用短路法判斷，即用起子或?qū)Ь€將被懷疑有斷踏故障的電路短接，觀察儀表指針變化或電器設(shè)備工作狀況，從而判斷出該電路中是否存在斷路故障。例如懷疑汽車電路中的各種開關(guān)有故障，可用導(dǎo)線短接來判斷