初稿《机电一体化在汽车中的应用》资料.docx

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初稿《机电一体化在汽车中的应用》资料

机电一体化在汽车中的应用

摘要

本文从汽车空调、汽车用传感器和电子控制防抱死制动系统几个实例入手，阐述了机电一体化在汽车上的应用。

以微机为核心的电子控制取代了传统的纯机械控制，明显地提高了汽车的动力性、加速性、经济性和安全性，降低了环境污染。

机电一体化技术将使汽车进入一个崭新的时代。

关键词：

机电一体化，汽车，传感器，空调，防抱死制动系统

Abstract

Inthispaper,autoairconditioning,automotivesensorsandelectroniccontroltostartseveralinstancesofanti-lockbrakingsystem,describedmechatronicsinautomotiveapplications.Tothecoreoftheelectroniccontrolcomputertoreplacethetraditionalpurelymechanicalcontrol,significantlyimprovedthecar'spower,speed,economyandsafety,reduceenvironmentalpollution.Mechatronicswillallowcarsintoanewera.

Keywords:

mechatronics,automotive,sensors,airconditioning,anti-lockbrakingsystem

目录

1引言1

2汽车用传感器1

2.1发动机控制用传感器1

2.2非发动机用汽车传感器3

2.2.1车速传感器3

1、磁电式车速传感器4

2、霍尔式车速传感器5

2.2.2车内、外空气温度传感器6

1、车内、外空气温度传感器的识别6

2、车内、外空气温度传感器的检测6

3汽车的空调系统7

3.1汽车的基本空调系统7

3.2基本组成7

3.2.1空调系统的核心——压缩机8

4电子控制防抱死制动系统9

4.1轮速传感器9

4.2压力调节器12

4.3电子控制装置12

5总结12

参考文献14

1引言

汽车的机电一体化是汽车发展的必然趋势。

机电一体化的定义就是运用当今先进的电子技术达到改造各种机械设备的传统电器线路及开发新产品和新的制造方式。

机电一体化技术目前越来越广泛被采用于钢铁、电力、石油化工、采矿冶金、汽车、造船、航空工程以及机床、家电等工业上。

现在，无论是实现单机的全自动化操作或者是机组群的联动控制直至整个生产过程的全自动化控制，机电一体化技术都为广大工程技术人员所采用。

随着微电子技术、新空调技术、防抱死技术和传感器技术的应用，机电一体化使汽车焕然一新。

现代和未来的“汽车”逐步向满足人类需求的“舒适、安全、操纵简便以及节油、污染小”等方向发展。

要满足这些需求主要依赖于汽车机电一体化水平的提高，依赖于汽车用电子产品和传感器产品技术水平的提高。

2汽车用传感器

2.1发动机控制用传感器

传感器技术是汽车的机电一体化最重要的一环。

现代汽车发动机已实现用微机系统控制，各种传感器的并用使汽车更容易被控制。

表2-l汽车用传感器及其检测对象

项目

检测量及检测对象：

温度、冷却水、排出气体（催化剂）、吸入空气、发动机油、室外（内）空气等

压力

吸气压（计示压力、绝对压力）、大气压、燃烧压、发动机油压、制动压、种种泵压、轮胎压

转数与速度

曲轴转角、曲轴转数、车轮速度、发动机速度、车速

加速度

负加速度

流量

吸入空气量、燃料流量、排气再循环装置、二次空气量

液量

燃料、冷却水、电池液、洗窗器液、发动机油、制动油

位移方位

节流阀开口度、排气再循环阀升降度、车高（悬置、位移）、行驶距离、行驶方位

排出气体

Ｏ2、CO、NOx、碳氢化合物、集油烟

其他

转矩、爆震、料酒精成分、湿度、玻璃结霜、鉴别饮酒和睡眠状态、电池、电压、电池储能多寡、灯泡断线、荷重、冲击物、轮胎失效率

发动机控制用传感器的精度多以％表示。

这个％数值必须在各种不同条件下满足燃料经济性指标和排气污染指标规定的控制，活塞式发动机基本上就是控制曲轴的转角位置。

利用传感器可测出曲轴转角位置，计算点火提前角，并用微机计算出发动机转速，其信号以时序脉冲形式输出。

燃料供给信号可以用两种方法获得。

一种是直接测量空气的质量流量；另一种是检测曲轴位置，再由歧气管绝对压力（MAP）和温度计算出每个汽缸的空气量。

燃料控制环路多采用第二种方法或采用测量空气质量流量的方法。

因此MAP传感器和空气质量流量传感器都是重要的汽车传感器。

MAP传感器有膜盘线性差动变换传感器、电容盒MAP传感器和硅膜压力传感器、空气流量传感器等。

离子迁移式、热丝式、叶片式传感器是真正的空气质量流量计。

涡流式、祸轮式是测量空气流速的，需把它换算成质量流量。

为算出恰当的点火时刻，需要检测曲轴转角指示脉冲、发动机转速和发动机负荷三个参量。

其中，发动机负荷可用歧气管负压换算。

在美国的发动机控制系统中，虽然前两个参量均用曲轴转角位置传感器测量，但控制环路的组成方法不同。

有的系统直接测量歧气管负压，有的系统用类似MAP传感器的传感器测量环境空气压力（AAP），用减法算出歧气管负压。

后者可用准确的环境空气压力完成海拔高度修宽的空燃比范围内的工作，因而并不要求计算化学当量。

由于汽车要便于对燃料供给和废气再循环（EGR）环路进行微调，所以在点火环路中，歧气管负排气标准的确定，需从根本上改进发动机的工作状况。

为此，很多汽车采用了一种三元催化系统——三元催化剂。

只有废气比例较小时，才能有效地净化HC、CO和NOx。

所以，发动机必须正确计算化学当量的7％范围内的工作。

带催化剂的发动机可看作气体发生器。

按要求需在燃料供给环路中加装氧环路，这一环路的关键传感器是氧传感器。

它可以检测废气中是否存在过剩的氧气。

氧化锆氧传感器和二氧化钛氧传感器可以完成此项工作。

为了确定发动机的初始条件或随时进行状态修正，还需使用一些其他传感器，如空气温度和冷却水温度传感器等。

最新式的汽车中，不少还安装了爆震传感器，是由于涡轮增压发动机在中间或高负荷状态下振动较大。

过去的火花点火发动机是在很从而带来许多问题，安装爆震传感器后，当振动超过某一限度时，就自动推迟点火时间，直至振动减弱到要求范围为止。

即发动机在无激烈振动时提前点火，从而找出最佳超前量。

2.2非发动机用汽车传感器

为了提高汽车的安全、可靠、操纵方便及舒适性，还采用了非发动机用传感器，如表2-2所示。

工业自动化领域的各类传感器直接或稍加改进，即可作为汽车非发动机用传感器使用。

表2-2非发动机用汽车传感器

项目

传感器

防打滑的制动器

对地速度传感器，车辆转速传感器

液压转向装量

车速传感器，油压传感器

速度自动控制系统

车速传感器，加速踏板位置传感器

轮胎

压力传感器

自动空调

车内温度传感器，吸气温度传感器

亮度自动控制

光传感器

电子式驾驶

车速传感器，气流连度传感器

自动门锁系统

磁传感器

2.2.1车速传感器

车速传感器检测电控汽车的车速，控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。

车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，车速传感器信号线通常装在屏蔽的外套内，这是为了消除有高压电火线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频干扰，用于保证电子通讯不产生中断，防止造成驾驶性能变差或其他问题，在汽车上磁电式及光电式传感器是应用最多的两种车速传感器，在欧洲、北美和亚洲的各种汽车上比较广泛采用磁电式传感器来进行车速（VSS）、曲轴转角（CKP）和凸轮轴转角（CMP）的控制，同时还可以用它来感受其它转动部位的速度和位置信号等，例如压缩机离合器等。

1、磁电式车速成传感器

  磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器，它们产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。

这两个线圈接线柱是传感器输出的端子，当由铁质制成的环状翼轮（有时称为磁组轮）转动经过传感器时，线圈里将产生交流电压信号。

  磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。

输出信号的振幅（峰对峰电压）与磁组轮的转速成正比（车速），信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。

传感器磁芯与磁组轮间的气隙大小对传感器的输入信号的幅度影响极大，如果在磁组轮上去掉一个或多个齿就可以产生同步脉冲来确定上止点的位置。

这会引起输出信号频率的改变，而在齿减少时输出信号幅度也会改变，发动机控制电脑或点火模块正是靠这个同步脉冲信号来确定触发电火时间或燃油喷射时刻的。

  测试步骤

  可以将系统驱动轮顶起，来模拟行驶时的条件，也可以将汽车示波器的测试线加长，在行驶中进行测试。

  波形结果

  车轮转动后，波形信号在示波器显示中心处的零伏平线上开始上下跳动，并随着车速的提高跳动越来越高。

波形显示与例子十分相似，这个波形是在大约30英里/小时的速度下记录的，它又不像交流信号波形，车速传感器产生的波形与曲轴和凸轮轴传感器的波形的形状特征是十分相似的。

  通常，波形在零伏线上下的跳变是非常对称的，车速传感器的信号的振幅随车速增加。

速度越快波形幅值就越高，而且车速增加，波形频率也将增加，示波器将显示有较多的波形震荡。

  确定振幅、频率和形状等关键的尺度是正确的、可重复的、有规则的、可预测的。

这是指波峰的幅值正常，两脉冲间的时间不变，形状是不变的且可预测的，尖峰高低不平是因传感器的磁芯与磁组轮相碰所引起的，这可能是有传感器的轴衬或传动部件不圆造成的，尖峰丢失是损坏缺点的磁组轮造成的。

  不同型式的传感器，其波形的峰值电压和形状有轻微的差异，另外由于传感器内部是一个线圈，所以故障是与温度有关的，在大多数情况下波形会变得短很多，变形也很大，同时还可能设定故障码（DTC），故障在示波器上显示的摇动线束，这可以更进一步确定磁电式传感器是造成故障的根本原因，车速传感器信号输出最常见的故障是根本不产生信号，但如果驾驶汽车时波形是齐直的直线，那么应该先检查示波器和传感器的连线，确定电路有没有对地搭铁，确认零部件能否转动（塑料齿轮有没有咬死等）确认传感器气隙是否正常，然后再断定传感器。

2、霍尔式车速传感器

   霍尔效应传感器[4]（开关）在汽车应用中是十分特殊的，这主要是由于变速器周围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器，它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。

   霍尔效应传感器或开关，由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场，因此，叶片转子窗口的作用是开关磁场，使霍尔效应象开关一样地打开或关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类似电子设备称为霍尔开关的原因，该组件实际上是一个开关设备，而它的关键功能部件是霍尔效应传感器。

   测试步骤

   将驱动轮顶起模拟行使状态，也可以将汽车示波测试线加长进行行驶的测试。

   波形结果

   当车轮开始转动时，霍尔效应传感器开始产生一连串的信号，脉冲的个数将随着车速增加而增加，与图例相像，这是大约30英里/小时记录的，车速传感器的脉冲信号频率将随车速的增加而增加，但位置的占空比在任何速