淺談機(jī)電一體化技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李鵬 王松 張瑾

摘 要：隨著社會的不斷進(jìn)步，人們對車輛這一代步工具的要求也隨之逐漸增大。我國汽車行業(yè)的發(fā)展也得到了穩(wěn)步的提升。為了適應(yīng)人們快速增加的物質(zhì)需求，汽車制造者將機(jī)電一體化的技術(shù)應(yīng)用到了現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)中來。讓生產(chǎn)出的汽車在性能上有了顯著的提升，極大地提高了國產(chǎn)汽車的性價比。據(jù)此，闡述了汽車設(shè)計(jì)過程中涉及的機(jī)電一體化技術(shù)的一些重要內(nèi)容以及有關(guān)理論知識。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;汽車設(shè)計(jì);應(yīng)用

引言

早期，人們將機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的這一技術(shù)稱之為機(jī)電一體化技術(shù)，之后這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到了我國。經(jīng)過科技的發(fā)展人們把機(jī)械電子技術(shù)的處理中加入了計(jì)算機(jī)的主要功能，將自動化技術(shù)、微控電子、信息處理等技術(shù)綜合地與機(jī)械電子技術(shù)相結(jié)合，在更深的領(lǐng)域上發(fā)展了機(jī)電一體化技術(shù)。

一、機(jī)電一體化技術(shù)的簡介

機(jī)電一體化技術(shù)是融合機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科所實(shí)現(xiàn)的一體化應(yīng)用技術(shù)，其以特定功能的實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，通過機(jī)械裝置、電子裝置等的有機(jī)組合，形成了有機(jī)的整體，從而滿足了人們的使用需求。機(jī)電一體化技術(shù)通過機(jī)械系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，賦予了裝置全新的性能，使其能夠更好地滿足用戶的使用需求。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、跑步機(jī)等都是機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的典范。

二、機(jī)電一體化技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

（一）發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的核心是發(fā)動機(jī)控制單元ECU，其普遍配置于各類汽車的發(fā)動機(jī)之中，通過壓力傳感器、速度傳感器以及溫度傳感器等，對發(fā)動機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并對發(fā)動機(jī)的狀態(tài)及時進(jìn)行調(diào)整，確保發(fā)動機(jī)始終運(yùn)行于最佳狀態(tài)下。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)形成了自閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其通過對空氣燃料比、點(diǎn)火時間以及排氣等的實(shí)時監(jiān)測，對空氣燃料比進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將結(jié)果反饋至ECU，從而保證最優(yōu)的空氣燃料比，大大提高了發(fā)動機(jī)的節(jié)能性與穩(wěn)定性。當(dāng)空氣燃料比過高時，燃料較少不利于點(diǎn)火，而當(dāng)空氣燃料比較低時，氧氣不足將導(dǎo)致燃料的燃燒不充分，一方面造成了燃料的浪費(fèi)，另一方面產(chǎn)生了大量的一氧化碳、碳化氫等有毒氣體，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。過高過低的空氣燃料比都對發(fā)電機(jī)的壽命有著不利的影響，因此發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用通過最優(yōu)空氣燃料比的控制，能夠保證發(fā)動機(jī)始終運(yùn)行于最佳狀態(tài)下，不僅提高了發(fā)動機(jī)的燃燒效率，更有效延長了發(fā)動機(jī)的使用壽命。

（二）電子制動系統(tǒng)

汽車的電子制動系統(tǒng)主要包括BBW系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)以及ASR系統(tǒng)三大部分。

BBW系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)造，剎車腳踏板到剎車片間傳遞的不再是液壓信號，而是通過電信號進(jìn)行傳播，不僅有效縮短了機(jī)械裝置的制動反映時間，更大大提高了制動系統(tǒng)的可靠性。BBW系統(tǒng)主要由電子踏板模塊、ECM控制模塊以及制動模塊三部分組成，當(dāng)駕駛者踩下剎車板時，電子踏板模塊將其轉(zhuǎn)換為電信號，并將信號傳遞至ECM控制模塊，ECM控制模塊通過分析判斷后向制動模塊發(fā)出信號，控制啟動制動電機(jī)，通過制動器活塞將制動片按壓到制動盤上進(jìn)行制動;相反地，當(dāng)駕駛者松開剎車板時，電子踏板模塊也將其轉(zhuǎn)換為電信號并傳遞至ECM控制模塊，控制模塊判斷駕駛員松開腳踏板后向制動模塊發(fā)出信號，控制制動電機(jī)反轉(zhuǎn)釋放制動活塞壓力，此時制動片將脫離制動盤，汽車恢復(fù)行駛狀態(tài)。

隨著汽車行駛速度的不斷提升，對制動能力的要求越來越高，為了實(shí)現(xiàn)更短的制動距離，單純的后輪制動已經(jīng)無法滿足汽車的制動需求，制動裝置也開始在前輪得到配置。當(dāng)汽車發(fā)生急剎車時，前輪增重后輪減重以及后輪抱死的現(xiàn)象對制動過程中車輛的方向控制十分不利，容易發(fā)生失控事故，因此ABS系統(tǒng)應(yīng)用而生，其在BBW系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了汽車的制動能力。ABS系統(tǒng)在汽車制動時，通過傳感器對各制動輪的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行檢測，并通過運(yùn)動狀態(tài)計(jì)算得到各制動輪的最佳制動力矩，從而有效避免了輪上抱死現(xiàn)象，大大提高了汽車制動過程中的控制性與穩(wěn)定性，減少了汽車的制動距離，有效增強(qiáng)了汽車制動過程中的安全性。

在ABS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，ASR系統(tǒng)又被人們提出，有效解決了汽車行駛及制動過程中出現(xiàn)的驅(qū)動輪打滑現(xiàn)象。在雨雪天氣后，路面的摩擦力大大減小，汽車加速或制動時經(jīng)常發(fā)生打滑現(xiàn)象，當(dāng)汽車采用后輪驅(qū)動時，驅(qū)動輪打滑將導(dǎo)致車輛甩尾，而當(dāng)汽車采用前輪驅(qū)動時，驅(qū)動輪打滑將導(dǎo)致車輛的失控。在汽車制動或轉(zhuǎn)彎過程中，驅(qū)動輪的打滑現(xiàn)象將導(dǎo)致車身向一側(cè)偏移，容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。ASR系統(tǒng)通過對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的實(shí)時監(jiān)測，一旦發(fā)生某一驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速異常增大時，即認(rèn)為該驅(qū)動輪發(fā)生了打滑現(xiàn)象，此時自動控制降低發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，對打滑的驅(qū)動輪進(jìn)行制動，保持與路面狀況相適應(yīng)的最佳動力輸出，能夠有效避免打滑造成的安全事故。

（三）倒車?yán)走_(dá)及倒車影像

機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用除了帶來安全性上的提高外，還大大改善了駕駛者的駕駛體驗(yàn)。由于視野盲區(qū)的限制，駕駛者在倒車時無法準(zhǔn)確及時地感知車輛后部信息，往往需要有人下車指引，倒車?yán)走_(dá)與倒車影像的應(yīng)用使得駕駛者的倒車操作變得更為便捷。

倒車?yán)走_(dá)主要有超聲波傳感器、控制器及蜂鳴器三部分組成。超聲波傳感器主要分布于汽車車尾的保險杠上，在汽車倒車時向外發(fā)出超聲波，并接收外部物體的反射回波，并將相關(guān)信息傳遞至控制器;控制器通過對信息的處理判斷車輛與障礙物的距離，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近控制蜂鳴器按照特定的頻率發(fā)出警報，為駕駛者提供相應(yīng)的距離信息。

與倒車?yán)走_(dá)相比，倒車影像所提供的倒車信息更為直觀形象。當(dāng)駕駛者進(jìn)行倒車時，車尾處的倒車攝像頭自動打開，對車后方的路面信息進(jìn)行拍攝，并將視頻信號實(shí)時傳輸至車輛的顯示屏上，駕駛者通過顯示屏即可準(zhǔn)確把握車輛后方的路面信息，從而使得倒車操作更為便捷。

三、汽車行業(yè)中機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著信息化時代的到來，機(jī)電一體化技術(shù)在各行各業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用，發(fā)揮了越來越重要的作用，從汽車行業(yè)來看，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用主要呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。

（一）標(biāo)準(zhǔn)化。機(jī)電一體化的汽車產(chǎn)品種類繁多，不同產(chǎn)品的機(jī)械接口、電氣接口各不相同，這就導(dǎo)致汽車在配置機(jī)電一體化產(chǎn)品時需要進(jìn)行復(fù)雜的適配操作以保證產(chǎn)品能夠正常運(yùn)行，因此數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、接口的標(biāo)準(zhǔn)化正逐步成為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（二）智能化。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的迅速發(fā)展，智能化已成為機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向，并在汽車中取得了廣泛的應(yīng)用。自動泊車技術(shù)、自動導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，甚至無人駕駛技術(shù)也將逐步走向應(yīng)用。

（三）網(wǎng)絡(luò)化。信息化時代下萬物互聯(lián)將成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢，汽車作為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾煌üぞ?，也是信息網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)，通過網(wǎng)絡(luò)化駕駛者可以實(shí)現(xiàn)汽車的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視，并利用大數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高汽車行駛的安全性。

四、結(jié)束語

雖然目前機(jī)電一體化技術(shù)還存在很多問題，但是不難看出機(jī)電一體化技術(shù)有著不可估量的未來，在不久的將來會成為一個新興的技術(shù)種類，促使人們研究發(fā)展。

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