机电一体化技术在汽车中的应用.docx
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机电一体化技术在汽车中的应用
机电一体化技术在汽车中的应用
学生毕业设计(论文)报告
毕业设计(论文)开题报告
设计(论文)题目
机电一体化技术在汽车中的应用
一、选题的背景和意义:
机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织结构目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。
如今机电一体化技术已经遍及人们的日常生活以及国民经济的各个方面,成为一个新兴的行业,而各国也纷纷将机电一体化的研究和发展作为一项重要内容列入经济发展计划中。
汽车行业是我国的经济支柱产业,但我国汽车行业较国外汽车行业竞争力较低,没有独立的研发平台,在零部件方面的开发、电子化方面比较低。
通过这篇论文希望可以巩固自己的装也知识并且希望接触一些新的知识。
二、课题研究的主要内容:
1.主要了解机电一体化技术的发展历程以及未来趋势
2.了解分析机电一体化技术在汽车中的应用现状。
3.展望机电一体化技术在在汽车应用中发展前景。
三、主要研究(设计)方法论述:
1.主要通过查阅资料来完善论文的完整度。
2.上网查找有关资料了解最新相关技术。
3.请教指导老师,完善论文。
4.以文字论述方式为主完成本论文的写作。
四、设计(论文)进度安排:
时间(迄止日期)
工作内容
2009.8.1~2009.8.2
选题、熟悉课题、收集查找资料。
2009.8.3~2009.8.5
完成开题报告,提交指导老师。
2009.8.6~2009.8.23
书写论文内容。
2009.8.24~2009.8.25
完成初稿,交指导老师审阅。
2009.8.25~2009.8.27
完善初稿。
2009.8.28~2009.8.30
完成论文并定稿,答辩。
五、指导教师意见:
指导教师签名:
年月日
六、系部意见:
系主任签名:
年月日
机电一体化技术在汽车中的应用
Notableofcontentsentriesfound.机电一体化技术在汽车中的应用
摘要:
汽车产业的机电一体化,是指汽车产品及其制造系统的机电一体化。
机电一体化的汽车,在操作性、可靠性、安全性、维护性、和舒适性等方面都能大幅度提高。
在汽车生产系统中,机电一体化主要运用在汽车零部件加工、汽车整车装配以及汽车生产企业的管理之中。
采用现代机电一体化生产系统,汽车生产的质量和产量得到大幅度提高,同时更加适应小批量、多品种的汽车生产的要求。
本文主要通过介绍机电一体化技术的发展趋势、世界机电一体化的特点、通过实例介绍机电一体化技术如何在汽车中得到体现并分析我国汽车产品机电一体化的特点与不足,提出解决方法。
关键词:
机电一体化;汽车;检测;发展;
Mechatronicsapplicationinautomobile
Abstract:
Automobileindustryoftheelectromechanicalintegration,referstotheautomotiveproductsandmanufacturingsystemofelectromechanicalintegration.Thecarinmechatronics,practical,reliability,safety,comfort,andmaintenanceetc.Canbegreatlyimproved.Inautomobileproductionsystem,mainlyusedinautomobilemechatronicsautopartsprocessing,assemblingandautoproductionenterprisemanagement.Adoptmodernelectromechanicalsystem,autoproductionqualityandyieldwasincreasedgreatly,andsmallbatch,themorevarietiesofautoproductionrequirements.Byintroducingthedevelopmenttrendoftheelectromechanicalintegrationtechnology,theelectromechanicalintegrationcharacteristics,throughintroducingmechatronicstechnologyinthecar,howwerereflectedinChina'sautomobileproducts,andanalyzesthecharacteristicsandelectromechanicalintegration,proposesthesolutionmethod.
Keywords:
Machine-electricintegralization;car;detection;development
引言
汽车机电一体化是指汽车技术与现代电子技术相结合,形成各种集成功能的部件(有人称之为“魔包”),它以半导体技术、集成电路技术、微机技术等为基础工具,以实现汽车洁净、节能和安全、舒适为主要目标,以电子控制系统与汽车各总成系统相结合为主要形式,使汽车的结构、性能、功能等都得到全面发展与提高。
在世界汽车最近40年的发展过程中,汽车机电一体化技术得到了迅猛发展,已经成为汽车技术发展的主要方向之一。
实践证明,汽车机电一体化技术所形成的各种系统是现代汽车提高燃油经济性、降低排放污染性、改善操纵稳定性、增进行驶安全性、增强乘座舒适性的主要手段。
随着微电子技术和传感器技术的应用,机电一体化使汽车焕然一新。
据专家预测,未来十年内机电一体化发展最为迅速的部门之一将是汽车工业。
世界各汽车制造厂家均将汽车的机电一体化技术视为竞争的焦点。
在汽车生产系统中,机电一体化主要运用在汽车零件加工、汽车整车装配以及汽车生产企业的管理之中。
在现代汽车工业中,大量应用计算机进行生产控制、管理与经营;使用数控机床和柔性生产系统进行零件加工;使用机器人从事喷漆、焊接、组装、搬运等工作。
汽车车身通常有3000一4000个焊点,其中90%以上的焊点可由工业机器人完成。
数控自动化生产能节约原材料、减轻工人的劳动强度,并使劳动生产率提高300倍左右。
采用现代机电一体化生产系统,使得汽车生产的质量和产量大幅度提高,同时可以通过改变程序使整个生产系统适应不同型号汽车的制造,缩短新产品设计与生产周期,使其适应小批量、多品种的现代汽车生产方式。
汽车生产用模具的水平,直接关系到汽车的质量与市场状况,因为,在汽车整车中,有大部分机械零部件系由模具与相应冲压自动化线配合完成,模具质量直接影响这些汽车零件的质量。
此外,现代汽车市场复杂,车型繁多且多变,因此开发相应模具成为各汽车厂首要任务。
在模具生产中,机电一体化技术又成为设计系统与制造系统的关键。
为适应模具换型,现代企业大量应用CAD系统、CAM系统及NC设备。
数控NC设备已成为现代机械金属加工的基础。
从最低的NC机床到CNC控制、DNCYMTL、CAD/CAM系统、FMS单元,再到高级的FA工厂、CIMS系统,这一系列的NC家族,无不为模具设计与制造提供尽善尽美的服务。
所以,无论从汽车产业的模具看,还是从整个模具工业看,机电一体化技术的大量应用势在必行。
第一章汽车机电一体化发展综述
1.1汽车机电一体化概念的确立
汽车机电一体化自进入本世纪80年代以来得到了极大发展,电子化的汽车辅助系统的种类不断增加,而且批量也急速增长。
本文对汽车机电一体化的开发历史、现状和将来发展方向作一概要介绍。
如果要寻找汽车机电一体化发展的重要原因,则不能不归功于电子技术的进步,此外,环境保护、汽车性能和功能的提高都进一步促进了汽车电子化的发展。
由于晶体管(半导体)、集成电路和微机的发明和投入应用充分提高了汽车电子元件的可靠性和有利于降低成本。
汽车电子化迅猛发展的社会因素与汽车排放限制和节约能源密切相关。
半导体技术,特别是微机的发展引起了汽车技术的重大变革。
迄今汽车技术与电子技术已获得有效的结合,机电一体化(mehatronics)已成为汽车技术发展的方向。
可以毫不夸大地说.汽车机电一体化是提高汽车操纵稳定性、安全性、舒适性等汽车技术的动力。
电子技术能获得广泛应用的原因.主要是电子控制系统的功能自由度大,精度高,工作稳定。
利用这些优点并与汽车各个系统相结合便能研究开发出新一代的产品。
汽车电子化发展动向是:
不断扩大汽车电子部件的控制功能.向车身计算机系统发展,不断完善信息显示装置和汽车安全装置。
1.2汽车机电一体化的发展历史
汽车机电一体化应用.首先为了适应废气排放法规、能源危机等的外部环境变化,开始应用于发动机控制系统.接着为了改善汽车的行驶性能和乘座舒适性,逐渐扩大到底盘控制系统,并进一步在信息显示装置、导航装置获得了应用。
1.2.1汽车电子化引人期(本世纪60年代)
60年代晶体管式点火装置、全晶体管收音机的应用揭开了电子化的序幕。
为了提高发动机性能.必须改善点火系的着火性能和可靠性。
用晶体管元件代替了点火系的机械触点方式,开发了高能量点火性能良好、寿命长的点火装置。
这是采用了性能不断改进的硅晶体管而付之实现的。
1967年德国波许公司开发了进气管压力检测方式的电子控制燃油喷射装置(D-Jetronics)。
燃油与点火是重要的控制因素。
目前仍在孜孜不断改进控制。
作为废气排放的对策和适应发动机输出功率提高的有效竞争手段的电子控制方式被置于重要的地位。
在电子控制燃油喷射装置中,燃油供应的机构分别由传感器部分、控制部分、执行元件部分组成,在控制部分中可以进行复杂而快速的计算处理,从而迅速提高了控制自由度。
在燃油控制中又增加了修正控制,显著提高了发动机性能和实用性。
美国邦第克斯公司开发的真空管式燃油喷射装置比德国波许公司开发的D-Jetronic约早10年。
当时由于电子部件可靠性低,成本高,不可能普及。
随着半导体技术的进步,晶体管式电子电路装车实用,并研制开发各中电子装置。
自本世纪60年代后半叶到70年代初,又相继开发了自动稳速行驶装置、电子控制变速器,但是由于价格高,并采用模拟电路,不能够开发更为复杂的控制系统。
所以、这一时期称为汽车电子化的引入期。
1.2.2汽车机电一体化成长期(70年代)
这是续集成电路(IC)、大规模集成电路(LSI)之后微机投入应用的时期。
由于电子控制技术在解决废气排放中发挥了卓有成效的作用,迎来了汽车电子化的成长期。
在汽车工业发达国家.特别在美国、日本等国大城市汽车排放造成的公害严重威胁着人类的生态环境。
为此,各大汽车公司都把解决废气排放作为主要的技术课题,对发动机作了改进,并对点火系、燃油系的控制作了进一步开发,特别是催化系统、废气再循环(FGR)都必须依靠电子控制的技术。
晶体管点火装置的改进和扩大应用,电子控制燃油喷射装置(EFI)的控制功能扩大,在EFI中应用了吸人空气量直接检测方式(L-Jetronios)提高了控制精度,在三效催化器系统中,开发了应用氧传感器的反馈控制闭环系统。
电子技术有效用于废气排放的控制,为汽车电子化作为汽车技术的崭新技术领域莫定了牢固的基础。
1.2.3汽车机电一体化发展期(本世纪70年代末以来)
续汽车废气排放问题出现以后的第一次能源危机,又提出了在解决废气排放问题的前提下,进一步要求降低汽车能耗,提高燃油经济性。
汽油价格飞涨要求汽车进一步向节能化方向发展。
对此,汽车向小型轻量化发展,采用新型发动机、前驱动方式,成为汽车工业的重大技术变革点。
降低废气排放和提高燃油经济性是一个难以统一的命题,为此又把单个的控制系统.如燃油喷射系统、点火控制系统、EGR的控制系统进行综合控制,在符合废气排放指标的约束条件下获得的最优燃油耗的控制变数进行组合,实行综合控制,而70年代中期出现的微机则担当了重要的控制任务。
微机引入的最大特点是,电子控制系统能用软件加以描述和实现控制功能。
在大规模复杂系统中。
如果能用逻辑方法正确加以描述的话,那么就能根据这种逻辑方法进行控制。
可是,为了自由运用软件,必须具备相关知识,随着系统规模的不断扩大,复杂软件的编制、检验、维修就成为很困难的间题。
另一方面,要让一般技术人员方便地使用电子技术。
即使是没有化油器专门知识的技术人员也能自由控制燃油喷射技术.在电子技术与机械技术之间,由于软件技术领域的出现,从而使机械工程人员与电子技术人员互相接近,共同合作。
由此,从事于控制系统开发的技术人员的数量显著增加。
发动机电子控制揭开了汽车电子化的成长期。
从驱动系控制扩大到底盘控制,并进一步向汽车安全系统、车身控制、信息显示系统发展。
随着各种电子系统的增加.又出现了电子部件在装车实用时遇到的约束条件。
为了便于装车使用。
电子部分(电子电路、传感器、执行元件)向小型化、集成化发展,汽车线束进一步简化改进和降低成本而采用了多通道通信和局域网(LAN:
LocalAreaNetwork)。
1.3电子化在汽车信息系统中的应用
1.3.1信息系统
在利用电子技术控制车辆三大基本功能(行驶、转向、制动)的基础不断加强的同时,通过信息系统向驾驶者提供车辆的周围环境信息和交通信息。
以导航装置为先导的信息辅助系统将进入新一代并将不断实用化,其发展顺序包括:
①车载系统的自律系的完善(如导航装置);②通过全球定位系统GPS(globalpositioningsystem)、信标(Beeon)等公共基础设施的信息交流技术、信息利用技术的发展;③车辆与车辆之间的信息交换技术。
由于信息传递的电子硬件装置的实用化进展,依赖于信息的应用开发研究,其中应以预测道路交通危险状况和防止事故作为优先研究开发的项目。
1.3.2人机接口(man-machineInterface)
如前所述,控制对象大多数属于车辆的三大性能。
今后将进一步满足驾驶者要求。
增加控制的自由度,使它起到人一机系统中的神经系统的功能。
此外,使乘员获悉车辆运行状态的显示技术,能直接以视听感觉使驾驶者获知信息,这便要求人机接口,以便能在任何环境下具有良好的视认性和优异的外形设计感从而确保驾驶者安心感和对道路交通安全感。
汽车电子化无疑将进一步发挥其应有的功能。
1.3.3要素技术
电子技术对控制信息和显示系统起到了重大的作用,并对其期望值甚高。
为了实现这些目标,必须开发通用技术,其中包括以下4个方面:
(1)为了增加电子机器种类,进一步应用高密度的电路装配技术和小型化技术.在原有容积上将装有几十倍功能的电路;
(2)在高密度电路之间,在传感器、执行元件之间利用集成化的多通道通信技术。
(3)高性能微机与控制系统技术相结合的ASIC技术(ASIC:
ApplicationSpecificIntegratedCircuit,实用专门集成电路)。
(4)将发展用于提高软件开发效率和方法的软件开发支援系统(SoftwareBack-upSystem)。
随着我国汽车工业的发展,汽车电子产品的市场前景广阔。
以上回顾了汽车电子化开发应用的历史变革,并对技术现状和将来动向作了概要分析。
第二章汽车机电一体化的发展特点
2.1发动机控制“无微不至”
发动机是汽车的一个十分复杂的被控对象,发动机控制系统是由许多小的子控制系统或小的控制项目组成的。
目前,世界汽车发动机控制可以说是“无微不至”,其控制的主要项目见表1。
其中空燃比控制是发动机控制中最重要的项目,其次是点火时刻控制发动机怠速控制和废气再循环(EGR)控制。
表1 当代汽车发动机主要控制项目表
控制项目
控制量
操作量
目的
传感器
执行结构
空燃比控制
空燃比
燃油喷射量
经济性
洁净性
空气流量计、氧传感器、水温传感器、节气门开度传感器
燃油喷射量
燃油泵调节器
EGR控制
EGR率
EGR阀门开度
EGR阀门
点火时刻控制
点火时刻
点火线圈的电流
经济性洁净性和回避异常燃烧
曲轴转角传感器、爆震传感器、水温传感器
点火火花塞、点火线圈、分电器
怠速控制
怠转速
真空控制电磁阀的电流
维持设定的怠转速
转速传感器
VCM阀门、AAC阀门、FICD电磁阀
燃油泵驱动控制
燃料流量
泵马达的电压
减小噪音和电力消耗
转速传感器、空气流量计、
燃油泵
氧传感器加热控制
氧传感器的温度
加热器的电压
氧传感器的活性化
转速传感器、空气流量计、点火开关
氧传感器加热器
增压控制
进气管内的压力
涡轮阀门的电流
维持设定的增压
压力传感器
涡轮增压装置、涡轮阀门
空调切换控制
空调的动作
空调继电器的电流
高转速、急加速时空调的切换
转速传感器、空调开关
空调继电器
2.2底盘和车身控制“无所不能”
在以发动机控制为重点之后,汽车的安全性和舒适性又成为不断的追求,电子技术的发展和应用为此提供了广阔的空间。
电子技术在世界汽车底盘控制和车身控制中的应用过程可从表2中看出。
表2 世界汽车底盘和车身控制发展简史
年代
底盘控制
车身控制
50~60年代
二轮防抱死制动系统(福特);四轮防抱死制动系统(克莱斯勒)
汽车空调(通用);自动门锁、组合灯、自动变速器超速档(丰田)
1970~1979
电子防抱死制动系统、车速感应式动力转速系统(丰田);二轮车高调整系统(通用、日产)
汽车空调(日产);前照灯定位器、微机控制汽车空调(丰田);安全气囊(通用);电波遥控无键式门锁(福特)
1980~1983
二轮防抱死制动系统、四轮防抱死制动系统、车速感应动力转向、电子控制悬架、车速感应式动力转向、四轮车高调系统得到普及
无线电话、微机控制行驶装置(日产);自动防防眩后视镜、车速感应式刮水器、个人无线隧道式加热开关、中央控制门锁(丰田);接触式传感器问世
1984~1987
防滑控制(沃尔沃);电子控制空气悬架、主动悬架、电动动力转向、扰流器控制、四驱驱动控制、转向控制(丰田)
导航系统(日产);微机控制转向系统、光盘、电传终端计算、无线电卡式指令、新兴仪表板、机械传感式安全气囊(丰田);轮胎气压报警(通用);自动对讲机(三菱)
1988~1990
新型悬架、电子控制油压驱动散热器风扇(丰田);主动空气动力学系统(三菱)
自动发光式模拟仪表(丰田)
1991年以来
三菱及丰田新型防抱死制动系统
高性能行路导驶系统
2.3全球市场“无孔不入”
随着汽车安全技术、动力技术、节能技术和环保技术的广泛应用和发展,近年来汽车电子产品及系统的应用以每年至少5%的速度增长。
1996年,仅日本汽车生产商就从世界电子市场上购买了总价值达250亿美元的电子零部件。
日本专家估计:
到2000年,日本普通汽车的电子系统的价值将占汽车总平均价格的25%以上;德国生产的豪华车(如宝马7系列车)的电子产品价值将占汽车总价值的40%以上;北美部分汽车电子产品或系统的普及也将迅速提高。
作为世界汽车零部件市场中增长最快的汽车机电一体化产品,其市场的增长潜力将非常可观(见表3)。
专家们一致认为,近期或下个世纪初汽车电子产品的发展趋势将是机电一体化及其市场的发展。
推动汽车电子产品机电一体化发展的动力仍将主要是汽车安全、节能和环保的需要。
这是由于机械装置与技术在汽车安全、节能和环保领域的应用已相当成熟,有的已达到了其物理极限,有的要进一步发展存在投入或成本等方面的局限,而电子产品的质量轻、占用空间小、处理速度快、传感精确、信息容量大,在上述领域有着十分广阔的发展与应用前景。
正是因为这一点,世界汽车企业才纷纷加大投入,世界知名的电子企业也角逐其间,推动了汽车电子产品与系统的发展。
据日本汽车工业专家分析,今后的十几年,汽车机电一体化将主要集中在如下几个领域:
汽车用局域网系统(LANs)和处理器(CPUs);发动机控制;机-电接口;ABS和行驶控制;电子控制传动系统;抬头显示系统(HUDs);声音识别技术;行车导驶系统及多媒体技术;撞击传感技术。
具体表现在以下五个方面:
1.车载局域网将逐步替代单独控制器;车载计算机的处理能力将显著提高:
8位处理器仍将在汽车上广泛应用,同时16位处理器在汽车发动机和传动系的控制方面将扮演重要角色,而32位处理器将用于汽车的导驶系统和信息系统,64位甚至128位处理器也将在未来的5年里出现在汽车上。
2.处理器的功能进一步一体化,如ABS与行驶控制、发动机和传动系控制、导驶系统与其它信息系统的一体化趋势将加快。
3.在未来的5年内,电子控制传动系统甚至在最普通的汽车上都可装备;到2010年,持续可变的传动系统将被用于各种发动机功率的汽车上。
4.多媒体显示系统将为汽车驾驶者提供比现在多得多的有关信息,包括图像信息;目前仍处在探索阶段的声音识别技术可望在5年内有重大突破,并应用到汽车领域;比CD-ROM存储量大6~7倍的DVD-ROM将大量用于汽车的导驶系统和多媒体系统。
5.汽车电子系统的成本将进一步大幅下降。
表3 2000年汽车电子装置在世界主要市场的占有率预测(与1991年对比)
电子装置
美国
西欧
日本
1991年
2000年
1991年
2000年
1991年
2000年
发动机控制
40
30
35
50
25
20
传动系统控制
10
20
40
45
50
35
悬架控制
-
15
-
60
-
25
四轮转向控制
20
22
0
60
80
18
全天候控制
25
34
50
30
5
36
电控中央门锁
20
25
58
48
22
17
防抱死制动系统
28
25
50
45
12
30
数字式显示仪
42
22
30
48
28
30
随车诊断装置
30
30
58
45
12
25
导航装置
55
35
35
35
10
30
汽车电话
-
50
-
40
-
10
第三章当代汽车工业“机电一体化”趋势
近年来,汽车工业大量采用先进的“机电一体化”技术,一些过去由机械部件完成的功能被电子元件所取代,使汽车在性能、功能、效率、节能等方面都向更高水平发展。
现代汽车工业中电子技术的应用十分广泛,70年代已实现充电电机电压调整器和点火装置的集成电路化,以后又发展了电子控制的燃料喷射装置。
80年代,由于微型计算机的应用,出现了发动机电子控制系统,随之又涌现了为解决节能、排气、安全间题而开发的电子控制汽化器、防滑和集中报警装置,为便于操纵行驶而开发的自动变速装置,为乘坐舒适而开发的空气净化及调节、自动照明控制系统等等。
近来,随着专用集成电路的发展,各种电子系统已在汽车上陆续装备起来,如电子点火装置适应现代汽车高转速、高压缩比和多缸的发展趋势,可实现高能量点火。
_又如在排气控制方面引入电子技术改善发动机的燃烧方式,使排气成份中CO气体含量大为减少。
另外,在汽车制造工艺中也广泛采用了微电子技术。
如车身冲压、
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