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机电一体化在汽车中的应用毕业论文
机电一体化在汽车中的应用毕业论文
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沈阳工业大学
继续教育大学
毕业设计论文
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学生姓名:
指导教师:
论文(设计)题目:
机电一体化技术在汽车中的应用于发展
摘要…………………………………………………………1
关键词……………………………………………………。
.1
正文:
第一章前言
第二章汽车用传感器在汽车中的应用
2。
1发动机控制用传感器在汽车中的应用
2。
2非发动机用传感器在汽车中的应用
2。
2。
1车速传感器在汽车中的应用
(1)磁电式车速传感器在汽车中的应用
(2)霍尔式车速传感器在汽车中的应用
2.2.2车内、车外空气温度传感器识别与检测在汽车中的应用
第三章电子控制防爆死系统在汽车中的应用
3。
1轮速传感器在汽车中的应用
3。
2压力调节器在汽车中的应用
3.3电子控制装置在汽车中的应用
第四章机电一体化技术在汽车中的发展趋势
4.1机电一体化概述
4。
1。
1机电一体化设计的关键技术
4.1。
2精密机械技术
4.1。
3信息处理技术
4。
1。
4检测与传感器技术
4。
1。
5自动控制技术
4.1。
6伺服驱动技术
4.1.7系统总体技术
4.2汽车机电一体化技术的发展状况
4。
3机电一体化的应用
4.3。
1发动机微机控制系统
4.3。
2汽车激光雷达自动防撞微机控制系统
4。
3。
3电子控制
4。
3。
4ABS系统
5。
1发展反方向
5.1.1柔性化方向
5.1。
2智能化方向
5。
1。
3仿生物系统化方向
5。
1。
4微型化方向
第五章结论
摘要:
关键词:
正文:
第一章前言
第二章汽车用传感器在汽车中的应用
2.1发动机控制用传感器在汽车中的应用
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.本文为互联网收集,请勿用作商业用途本文为互联网收集,请勿用作商业用途
2。
2非发动机用汽车传感器在汽车中的应用
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车速传感器在汽车中的应用
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在汽车中的应用
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)霍尔式车速传感器在汽车中的应用
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度下保持恒定不变。
车速传感器越高,在示波器上的波形脉冲也就越多.
确认从一个脉冲到另一个脉冲的幅度,频率和形状是一致的,这就是说幅度够大通常等于传感器的供电电压,两脉冲间隔一致,形状一致,且与预期的相同。
确定波形的频率与车速同步,并且占空比决无变化,还要观察如下内容:
观察波形的一致性,检查波形顶部和底部尖角。
观察幅度的一致性:
波形高度应相等,因为给传感器的供电电压是不变的。
有些实例表明波形底部或顶部有缺口或不规则。
这里关键是波形的稳定性不变,若波形对地电位过高,则说明电阻过大或传感器接地不良。
观察由行驶性能问题的产生和故障码出现而诱发的波形异常,这样可以确定与顾客反映的故障或行驶性能故障产生的根本原因直接有关信号问题。
虽然霍尔效应传感器一般设计能在高至150℃温度下运行,但它们的工作仍然会受到温度的影响,许多霍尔效应传感器在一定的温度下(冷或热)会失效。
如果示波器显示波形不正常,检查被干扰的线或连接不良的线束,检查示波器和连线,并确定有关部件转动正常(如:
输出轴、传感器转轴等)。
当示波器显示故障时,摇动线束,这可以提供进一步判断,以确认霍尔效应传感器是否是故障的根源。
2。
2.2车内、外空气温度传感器识别与检测在汽车中的应用
识别
车内、外空气温度传感器[4]用于测量车内、车外的空气温度,为汽车空调控制系统工作温度的控制提供信息.车内、外空气温度传感器用负温度系数热敏电阻制成。
当车外空气温度发生变化时,传感器的电阻值发生变化,温度升高时,电阻值减小;温度降低时,电阻值增大。
车外空气温度传感器与车内空气温度传感器在空调系统中与电位计串联,当车外空气温度变化时,车外空气温度传感器的电阻值也随之发生变化,这时,空调控制系统起动空调压缩机运转,保持车内温度恒定在设定范围。
车外空气温度传感器一般安装在汽车前部。
检测
空调器控制器总成内、外空气温度信息控制空调器的工作,室内温度不能保持恒定时空调系统发生故障,这时应检查车内、外空气温度传感器,判断工作状况。
雷克萨斯LS400轿车车内、外空气温度传感器的检查内容如下。
(1)车内空气温度传感器的检查:
拆下仪表板下连接板,拔下传感器连接器接头,用万用表测量传感器连接器接头端子1和2之间的电阻。
(2)车外空气温度传感器的检查:
拆下汽车散热器护栅,拔下传感器连接器接头,用万用表测量传感器连接器接头端子1和2之间的电阻。
第三章电子控制防抱死制动系统在汽车中的应用
电子控制防抱死制动系统[8](ABS)是提高汽车行驶安全性的一个重要装置.它的主要功用是防止汽车制动时车轮打滑和车轮抱死。
该系统主要由轮速传感器、压力调节器[9]和电子控制装置3部分组成。
3。
1轮速传感器在汽车中的应用
由于磁电式传感器工作稳定可靠,几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响,所以,目前在汽车中使用的轮速传感器[10]广泛采用变磁阻式电磁传感器。
变磁阻式轮速传感器由定子和转子组成。
定子包括感应线圈和磁头(为永久磁铁构成的磁级)两部分。
转子可以是齿圈或齿轮两种形式.齿轮形式的转子如图4-1所示.磁头固定在磁极支架上,支架固定在长轴上,齿圈通过轮毂、制动毂连为一体,长轴穿过车轮与内部的轴承配合,如图4-2所示。
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4—1轮速传感器及安装示意图
转子的转速与车轮的角速度成正比.转鼓带动车轮转动,传感器转子的齿顶、齿间的间隙交替地与磁极接近、离开,使定子感应线圈中的磁场周期性的变化,在线圈中感应出交流正弦波信号。
控制试验台使车轮运转在各种工况,对传感器输出信号进行测量。
实验结果表明了变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特征:
(1)传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号。
(2)正弦波信号的幅值受气隙间隔(磁头与齿圈间的气隙,一般在1.0mm左右为最理想)和车轮转速的影响。
气隙间隔越小,车轮速度越高,正弦波信号的幅值越大。
(3)正弦波信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影响,为每秒钟经过磁头线圈的齿数,即等于齿圈齿数乘以每秒钟的轮速。
变磁阻式轮速传感器所产生的信号如图4-2所示。
试验模拟的是BJ212车型的前轮,用转鼓转速模拟车速。
当控制转鼓转速为3km/h时,88齿的传感器产生正弦波信号的幅值约为1V,其频率为31Hz;当控制转鼓转速为100km/h时,传感器产生的正弦波信号的幅值约为7V,其频率为1037Hz.由于齿轮加工产生的毛刺和其它环境因素的影响,实际信号为在上述信号中叠加了一定频率成分干扰信号,见图4-2。
4—2不同车速时轮速传感器的输出信号
将轮速传感器输出的每个正弦波信号调理整形产生一个方波信号,后续电路对方波信号的处理可有以下几种方法:
(1)直接送单片机的T0记数,用T1作定时器。
在每个T1定时时间内读出T0的记数值,经计算得到轮速;
(2)将方波信号先进行F/V转换,再由单片机A/D转换而得到轮速;(3)方波信号送单片机的外部中断/INT0引脚,将其设定为边沿触发方式,用T1作定时器对方波信号进行周期测量,经计算得到轮速.第一种方法在低速时所测得的轮速误差较大。
假定轮速不变,每个T1定时时间读一次T0的记数值,在T1i和T1i+1时间内读得数值由于读数时磁头与齿顶的位置关系有时会相差1,轮速较低时,T1定时时间内T0的记数值较小,因而相对误差较大,导致轮速识别的门槛值过高。
第二种方法可提高低速时的测量准确度,但增加了硬件F/V和A/D转换芯片的开支。
第三种方法可以在不增加硬件开支的前提下,有效地提高低速时的测量准确度。
总之,轮速传感器充分发挥了磁感应式传感器的潜能,具有车速识别的门槛值低(3km/h)、测量准确度高、实用性和抗干扰性强、工作可靠等优点,适合在汽车运动环境中使用,且易于与其它测控节点组成网络,实现传感器数据的网络化传输。
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3.2压力调节器在汽车中的应用
压力调节器的主要功用是转换电子控制装置的指令.当它接到电子控制装置的指令后,自动调节车轮制动器中的压力。
它主要由回油泵、存储器(每个制动回路一个)和电磁阀等构成。
3.3电子控制装置在汽车中的应用
电子控制装置[11]的主要功用是接收传感器送来的电信号,先对信号进行测量比较、分析放大和判断处理,然后通过精确计算,得出制动滑转率和车轮角加速度,最后将指令信号送至压力调节器执行制动压力调节的任务。
第四章机电一体化技术在汽车中的发展趋势
4.1机电一体化概述
机电一体化概述机电一体化是在以机械、电子技术和计算机科学为主的多门学科相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术学科,而机电一体化产品是在机械产品的基础上,采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。
初级的机电一体化产品是指采用微电子技术代替和完善机械产品中的一部分,以提高产品的性能;而高级的机电一体化产品是利用机电一体化技术使机械产品实现自动化、数字化和智能化,并使产品性能实现质的飞跃.
因此,机电一体化是在机械产品中的机构主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术和计算机技术,并将机损装置和电子设备以及计算机软件等有机结合起来构成的系统总称。
机电一体化技术同时也是工程领域不同种类技术的综合及集合,它是建立在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、电力电子技术、伺服驱动技术以及系统总体技术基础之上的一种高新技术.近年来,随着微电子技术和计算机应用技术的快速发展,机电一体化技术领域在不断地扩大和完善。
目前机电一体化的研究和开发主要包括计算机数控系统、机器人、计算机辅助设计/辅助制造系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。
机电一体化产品和系统的特点是产品和系统功能的实现是机构中所有部分功能共同作用的结果,这与传统机电设备中机械与电子系统相对独立,可以分别工作具有本质的区别。
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4.1.1机电一体化设计的关键技术
机电一体化产品是由多种技术以及相关的组成部分构成的综合体,而机电一体化技术是由多种技术相互交叉、相互渗透形成的一门综合性边缘技术,它所涉及的技术领域非常广泛.概括起来,机电一体化设计的关键技术包括下述6个方面.
4.1。
2精密机械技术
机械技术是机电一体化技术的基础,因为机电一体化产品的主功能和构造功能大都以机械技术为主来得以实现.在机械传动和控制与电子技术相互结合的过程中,对机械技术提出了更高的要求,如传动的精密性和精确度的要求与传统机械技术相比有了很大的提高。
在机械系统技术中,新材料、新工艺、新原理以及新结构等方面在不断地发展和完善,以满足机电一体化产品对缩小体积、减轻重量、提高刚度以及改善工作性能等方面的要求。
4。
1.3信息处理技术
信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中,与工作过程中各种参数和状态以及自动控制有关的信息的交换、存取、运算、判断和决策分析等。
在机电一体化产品中,实现信息处理技术的主要工具是计算机。
计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。
在机电一体化产品中,计算机信息处理装置是产品的核心,它控制和指挥整个机电一体化产品的运行,因此,计算机应用及其信息处理技术是机电一体化技术中最关键的技术,它包括目前广泛研究并得到实际应用的人工智能技术、专家系统技术以及神经网络技术等。
4。
1。
4检测与传感器技术
在机电一体化产品中,工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收,并通过相应的信号检测装置进行测量,然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置,以实现产品工作过程的自动控制。
机电一体化产品要求传感器能快速和准确地获取信息并且不受外部工作条件和环境的影响,同时检测装置能不失真地对信息信号进行放大和输送及转换。
4。
1。
5自动控制技术
机电一体化产品中的自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、校正、补偿等.机电一体化产品中自动控制功能的不断扩大,使产品的精度和效率都在迅速提高.通过自动控制,机电一体化产品在工作过程中能及时发现故障,并自动实施切换,减少了停机时间,使设备的有效利用率提高。
由于计算机的广泛应用,自动控制技术越来越多地与计算机控制技术结合在一起,它已成为机电一体化技术中十分重要的关键技术.该技术的难点在于现代控制理论的工程化和实用化,控制过程中边界条件的确定,优化控制模型的建立以及抗干扰等。
4。
1.6伺服驱动技术
伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题,它涉及设备执行操作的技术,对所加工产品的质量具有直接的影响。
机电一体化产品中的执行元件有电动、气动和液压等类型,其中多采用电动式执行元件,驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路,目前多为电力电子器件及集成化的功能电路构成。
执行元件一方面通过接口电路与计算机相联,接受控制系统的指令,另一方面通过机械接口与机械传动和执行机构相联,以实现规定的动作.因此,伺服驱动技术直接影响着机电一体化产品的功能执行和操作,对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等具有决定性的影响。
4.1.7系统总体技术
系统总体技术是从整体目标出发,用系统的观点和方法,将机电一体化产品的总体功能分解成若干功能单元,找出能够完成各个功能的可能技术方案,再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价,综合优选出适宜的功能技术方案。
系统总体技术的主要目的是在机电一体化产品各组成部分的技术成熟、组件的性能和可靠性良好的基础上,通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品实现经济、可靠、高效率和操作方便等.系统总体技术是最能体现机电一体化设计特点的技术,也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。
4。
2汽车机电一体化技术的发展状况
社会的需求、技术的进步以及法规的推动,使汽车采用了机电一体化技术,并快速发展。
在法规方面,如最早的安全法规,以及随后的噪声、尾气排放和燃油的经济性等法规的推出,强制地推动了电子技术在汽车上的广泛应用,使许多机械控制系统被电子控制系统所代替,并形成了汽车机电一体化发展的3个阶段。
第1阶段:
20世纪60年代中期到20世纪70年代末期。
从20世纪60年代中期到20世纪70年代末期,主要是应用电子装置改善部分机械性能,如电子控制燃油喷射和硅整流发电机等。
第2阶段:
20世纪70年代末期到20世纪90年代中期。
从20世纪70年代末期到20世纪90年代中期,在汽车的设计制造中,体现出机电一体化的思想和技术。
大规模集成电路得到广泛应用,并解决了机械部件无法解决的复杂自动控制问题,增加了可靠性。
第3阶段:
20世纪90年代中期到现在。
从20世纪90年代中期到现在,随着微电子技术的快速发展,及与汽车工业的紧密相连,汽车机电一体化技术已发展成熟,强调了整体的
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