凯美瑞轿车的教学改装设计.docx

1、凯美瑞轿车的教学改装设计摘 要丰田凯美瑞轿车为基础, 在保持原车基本功能不变的前提下, 对汽车车身及其相关部件进行剖析, 以展示内部结构。安装对外输出插座, 并制作可移动“教学控制柜”, 通过航空插头与车内插座相连后, 即可进行工况检测与故障设置, 此时可对学生进行凯美瑞轿车维修检测技术和判断排除汽车故障的训练和教学。在教学控制柜与汽车本身脱开时, 教具车仍保持原车的行驶功能状态。学生通过教具车的演示和动手操作, 掌握工况信息的采集和控制, 以及进行故障诊断分析及排除的教学和考核, 从而提高学生对丰田汽车的实际动手能力, 大大丰富汽车专业教学内容。该系统是一种硬件在线实时技术，通过外设从而模拟

2、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。关键词：电子控制；信号模拟；电控燃油喷射；控制柜；航空接头；教学演示。AbstractAlong with the development of automobile industry, the control of automobile is developing from the mechanical-controlled to electronic-controlled perio

3、d, Singlechip Electrical technology gets extensive application in modern automobile. The researching and development purpose of the experiment table is to assist teaching, it will make students convenient to know about the principle of mutual interlock between automobile electronic-controlled system

4、 and Singlechip controlled technology. It also can culture students ability of engineering practice. The development of the experiment table is according to the data stream that received from the VIOS engine, and it directed towards Toyota automotive type Key word: Electronic-controlled；Signal imita

5、tion；Electronic-controlled fuel oil injection；aviation connector . 摘要Abstract 第1章 绪论11.1现代汽车电子技术的应用状况11.2汽车电子技术应用的发展趋势11.3 国内外发展状况研究 21.4 故障诊断技术发展趋势3第2章 电子控制系统的应用52.1 汽车电子技术的发展52.2 现代汽车电子技术的应用 5 2.2.1 发动机功率控制系统 5 2.1.2 汽车电子综合控制系统6 2.3 汽车电子技术的发展趋势6第3章 发动机控制柜设计93.1系统的原理93.1.1发动机控制柜工作流程 93.1.2基本组成与原理9

6、3.2 电子控制燃油喷射103.2.1喷射系统的组成 103.3点火系的组成及原理 13 3.4故障诊断原理 133.4.1传感器故障诊断分析 133.4.2执行器的故障诊断 133.4.3线路故障诊断 133.5发动机控制柜的功能要求 134.6发动机控制柜的工作原理 13第4章 教学改进设计154.1 总体设计方案 15 4.1.1 凯美瑞轿车特点与改装计划 15 4.1.2 控制柜总体结构的设计 184.2 控制柜的制作 184.2.1 控制柜的焊接 184.2.2 控制面板的制 214.2.3 组件的安装214.3 硬件的选择与安装224.3.1 部件的选择224.3.2 主要电路图2

7、2结论25参考文献致谢附录第1章 绪 论1. 课题研究的背景与意义系统仿真是迅速发展起来的一门新兴学科，随着系统仿真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的工具。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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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。1.2国内外汽车教学改装的发展趋势我国改装技术的研究与应用开展得比较早，发展迅速。80年代就建设了一批水平高、规模大的半实物改装系统，如射频制导导弹半实物仿真改装系统、工程飞行模拟等等，主要应用于军事用途。目前半实物改装仿真在工业、交通优化逐步开始应用，同时，半实物仿真技术已成为国内汽车工程师研究的热点，已满足应用设计周期的缩短、产品质量要求的提高、开发及设计费用的减少的要求。在国外，汽车公司的工程师感到他们需要一种替代传统设计的新途径。他们曾经尝试过的方法所遇到的主要问题还是硬件原型的不完备，整个设计在工程化时需要重新设计和重新编程

13、。因此汽车公司的工程师开始寻找一种新的方法来填补传统与现代的汽车电子控制系统开发之间的空白，使得需求定义者控制器设计人员有一个共同的坚实基础。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、

14、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

15、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。1.3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

16、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、自我保护功能，并且还可以实现在线信息资源的交流与共想。1.4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）发动机工作数据显示：可以显示发动机工作油压以及进气管真空变化。通过灯、仪表演示系统工作状态。（4）典型系统工作状态演示：可以通过局部解剖切割的方法演示总成系统的工作状态。第2章 凯美瑞电子控制系统的应用汽车电子化是现代汽车发展的

17、重要标志，现代汽车电子控制技术的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。近年来，随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用，汽车电子控制技术得到了迅猛的发展，尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面有了较大突破。汽车电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志。汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器（ECU）、驱动器和控制程序软件等部分组成，与车上的机械系统配合使用（通常与动力系

18、统、底盘系统和车身系统中的子系统融合），并利用电缆或无线电波互相传输讯息，即所谓的“机电整合”，如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、电子控制悬架系统、电子控制自动变速器、电子助力转向等。汽车电子控制系统大体可分为四个部分：发动机电子控制系统，底盘综合控制系统，车身电子安全系统，信息通讯系统。其中，前两种系统与汽车的行驶性能有直接关系。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

19、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

20、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,

21、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

22、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汽车电子技术的发展趋势当前，汽车电子技术进入了优化人- 车- 环境的融化关系的阶段，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，并为汽车上集中控制提供了基础（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）。未来汽车电子

23、技术的突破口可能会在以下几个方面：（1）传感器技术：汽车电子化越发达，自动化程度越高，对传感器依赖性就越大，它是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一，所以，国内外都将车用传感器技术列为重点。其发展趋势是：多功能化、集成化、智能化、微型化，它不仅要能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号做放大和处理。同时，还具有结构紧凑、安装方便、抗干扰能力强等优点。（2）微处理技术：微机是整个系统的核心，负责指挥其他设备工作。目前汽车上用的微机以通用单片机和高抗干扰及耐振的汽车专用微机为主，但速度和精度要求不如计算用微机高。现在，车用微机正从8位、16位发展到32位，有670万个晶体管, 448

24、k字节的片上快闪内存和8个片上外围设备,可同时管理发动机和变速控制系。（3）现场总线技术：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。由于CPU传感器和执行系统的增多,汽车系统中的导线数将会达到千根以上,许多汽车的线束质量和线束直径已分别达到40Kg和12Km。由于线束太多，按传统的连线方式严重影响汽车部件的设计、布局、和制造，易使故障增多且很难诊断出故障所在，反过来就制约了控制技术在汽车中的应用。在这种情况下，将计算机网络设计中的多路复用通信技术应用到汽车中，则可促成对汽车性能的精确、高速控制，并可减少配线。目前, 由德国BOSCH公

25、司推出的CAN现场控制总线正逐渐在被欧洲汽车商使用。在我国，由于这方面的技术研究比较晚，所以发展比较慢，但已经有很多汽车厂家和相关科研单位及高校都在做这方面的技术研究，并取得了一定的成果。（4）智能汽车及智能交通系统的研究和应用：汽车智能化相关的技术问题已受到制造商们的高度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术的实现。智能交通系统的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，能根据驾驶员的目标资料，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

26、动筛选出最佳行车路线。此外，还有软件新技术、多通道传输技术、数据传输载体方面的电子新技术将在汽车上得到应用。当今社会，随着能源问题的日益突出和对安全要求的不断提高，未来汽车设计的主要问题仍将是环保节能和安全。电子技术的快速发展为汽车向智能化、网络化、多媒体的方向发展创造了条件。可以预见，未来汽车将不再仅仅是个代步工具，它同时具备了交通、娱乐、办公和通信的多种功能。汽车的电子化使汽车工业步入了数字化时代。随着集成控制技术、计算机技术和网络技术的发展，汽车电子技术已明显向集成化、智能化和网络化三个主要方向发展。（1）集成化近年来嵌入式系统、局域网控制和数据总线技术的成熟，使汽车电子控制系统的集成成

27、为汽车技术发展的必然趋势。将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制；将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统和驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接，控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统。（2）智能化智能化传感技术和计算机技术的发展，加快了汽车的智能化进程。汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商的高度重视。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、卫星定位等多个交叉学科相结合，它能根

28、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。（3）网络化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十分必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及低成本是对汽车电子网络系统的要求。在该系统中，各子处理机独立运行，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子处理机的数据，并生成车况显示。综上所述，当

29、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。这就对汽车的现代化保养与快速检测、诊断、维修提出了新的课题题。2.4 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，这对于本设计有宏观的指导意义，有助明确实验台设计的目的和确定系统最终要达到的功能要求。第3章 教学控制柜控制柜设计3.1系统的原理以丰田凯美瑞轿车为基础, 在保持原车基本功能不变的前提下, 对汽车车身及其相关部件进行剖析, 以展示内部结构。安装对外输出插座, 并制作可移动“教学控制柜”, 通过航空插头与车内插座相连后, 即可进行工况检测与故障设置, 此时可对学生进行凯美瑞轿车维修检测技术和判断排除汽车故障的训练和教学。在教学控制柜与汽车本身脱开时, 教具车仍保持原车的行驶功能状态。学生通过教具车的演示和动手操作, 掌握工况信息的采集和控制, 以及进行故障诊断分析及排除的教学和考核, 从而提高学生对丰田汽车的实际动手能力, 大大