汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

馬玉嬌

Abstract： The virtual experiment system of automobile engine fault is an important training equipment to cultivate the practical operation ability of students majoring in automobile repair and master the skills of automobile fault maintenance virtual reality technology for the development of higher vocational college to build an engine experiment system provides important technical support， so this article combining with the working practice for many years， on the carrier of jetta 1.6 LATK type engine design experimental bench， according to the engine fault points were set up common faults， let the student through the virtual practice operation with the method of the corresponding failure characterization and maintenance， so as to cultivate high quality craftsman auto repair talents.

關(guān)鍵詞： 汽車發(fā)動(dòng)機(jī);虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)臺(tái)架;檢測(cè)診斷

Key words： automobile engine;virtual experiment system;experimental bench;detection diagnosis

中圖分類號(hào)：U472.1 ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0248-03

0 ?引言

隨著我國(guó)汽保有量的不斷增加，社會(huì)對(duì)汽修人才的需求不斷增加。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心設(shè)備，是汽車故障發(fā)生的主要位置。讓學(xué)生掌握發(fā)動(dòng)機(jī)維修方法是汽修專業(yè)人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)之一。但是根據(jù)統(tǒng)計(jì)高職院校所培養(yǎng)的人才與汽修崗位之間還存在較大的差距，尤其是在實(shí)踐動(dòng)手能力方面表現(xiàn)的比較匱乏。剖析原因主要是由于高職院校缺乏供學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬平臺(tái)，導(dǎo)致學(xué)生不能客觀全面的熟悉汽車維修原理。由于發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因比較多，ATK發(fā)動(dòng)機(jī)采用的直列4缸2氣門多點(diǎn)噴射。所以本文主要是以該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障視角構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 ?發(fā)動(dòng)機(jī)故障虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的總體要求

發(fā)動(dòng)機(jī)故障是汽車常見故障，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，出現(xiàn)故障的原因比較多樣。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式難以讓學(xué)生清晰地了解到發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生的機(jī)理與原因，因此為了讓學(xué)生能夠較為直觀的理解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，熟悉掌握發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)各元件的安裝位置及結(jié)構(gòu)組成，增強(qiáng)學(xué)生維修發(fā)動(dòng)機(jī)故障的技能，高職院校要構(gòu)建基于虛擬技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要滿足以下要求：①展示功能，為了讓學(xué)生可以清晰的了解發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的組成構(gòu)成，發(fā)動(dòng)機(jī)電控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要將發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的電路圖清晰的展現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)板上，這樣便于學(xué)生在實(shí)訓(xùn)操作時(shí)可以快速的了解電控系統(tǒng)電路圖，達(dá)到理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的有效結(jié)合。②測(cè)量功能。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控故障檢修中需要頻繁對(duì)傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)量，因此為了延長(zhǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用壽命，應(yīng)該在展示區(qū)設(shè)置測(cè)量端口，便于學(xué)生進(jìn)行測(cè)量操作。③故障設(shè)置。故障設(shè)置是發(fā)動(dòng)機(jī)故障實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，要求實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有方便的故障設(shè)置功能，而且故障現(xiàn)象需要與實(shí)車保持一致，能夠設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的各種故障。④安全便捷。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須要考慮到學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)，尤其是在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路設(shè)置上要做好安全防護(hù)工作，避免油路、散熱等給學(xué)生帶來人身傷害。

2 ?發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和軟件設(shè)備。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)臺(tái)是支撐發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作的主要硬件設(shè)備?；趯?shí)訓(xùn)教學(xué)的考慮，實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要在捷達(dá)實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)置成移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)試箱兩個(gè)部分。為了保證可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的安全性，需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸使用方管和圓管焊接成框架結(jié)構(gòu)，并且涂抹防腐劑涂料。由于電控發(fā)動(dòng)機(jī)的體積比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在工作中還會(huì)產(chǎn)生廢氣，因此在具體的設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全性和便捷性因素，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)應(yīng)在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況合理布局，保證整體的緊湊性。例如可以將散熱器布置在前端、將冷卻液儲(chǔ)存罐安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的上部右后端，蓄電池安裝在下部右后端，尾氣管在后下端。具體見圖1所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架需要具備以下功能：一是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)展示功能。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)主要是為了便于學(xué)生可以直觀的了解發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的電路，因此需要在可移動(dòng)臺(tái)架上設(shè)置操作顯示面板，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)電控ECU和傳感器、執(zhí)行器的電路圖繪制在面板上;二是故障設(shè)置功能。發(fā)動(dòng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是模擬和排除故障，因此功能設(shè)置功能是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。故障設(shè)置的關(guān)鍵就是選擇故障點(diǎn)，而故障點(diǎn)主要是根據(jù)校企合作中汽修企業(yè)常會(huì)遇到的維修點(diǎn)而設(shè)置的;三是數(shù)據(jù)檢測(cè)功能。故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還必須要設(shè)置數(shù)據(jù)檢測(cè)功能，利用各種故障診斷儀器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)并且查找故障點(diǎn)。由于在實(shí)訓(xùn)操作中，學(xué)生需要不斷拔下線束插頭測(cè)量電壓、電阻等物理量，以此為了保證實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用壽命，需要在元器件測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在電路控制系統(tǒng)電路中并且固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)顯示面板上。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制柜的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)控制柜是實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的CPU，其不僅要顯示發(fā)動(dòng)機(jī)電路系統(tǒng)的電路圖，而且還需要預(yù)留測(cè)量端、各元件連接線路等。因此實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制柜主要包括以下部位：①實(shí)驗(yàn)臺(tái)顯示板的整體設(shè)計(jì)。顯示板相當(dāng)于汽車儀表，是展現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的顯示板。根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造，顯示板包括點(diǎn)火開關(guān)、真空表、燃油壓力表以及故障診斷接口等等。由于顯示板的功能要求比較多，因此為了便于學(xué)生直觀了解發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造，需要對(duì)顯示板進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，具體就是將ECU設(shè)置在顯示板的中間、顯示儀表盤設(shè)在上方、點(diǎn)火開關(guān)、診斷接口、真空表、燃油壓力表依次設(shè)在面板的下方，這樣便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。②顯示區(qū)電路圖設(shè)計(jì)。捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因此在具體的電路圖設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)車的具體情況而設(shè)計(jì)。根據(jù)調(diào)查由于捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障主要是線路短路或者元件本身故障。因此在設(shè)置檢測(cè)端子時(shí)，需要在電子元件和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元之間的連線上設(shè)置兩處，便于學(xué)生進(jìn)行檢測(cè)操作。③實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接區(qū)布置。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)是對(duì)捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝組成的，電力系統(tǒng)的電路比較多，因此為了方便接線，需要將連接區(qū)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)顯示柜顯示面板的背面。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是使用手持無線控制終端對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)置虛擬故障。結(jié)合實(shí)踐調(diào)查捷達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障，選擇17個(gè)電子元件設(shè)計(jì)38個(gè)故障點(diǎn)，故障點(diǎn)均通過手持無線故障設(shè)計(jì)終端控制實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 手持故障終端設(shè)計(jì)

故障設(shè)置終端主要是給通過特定的程序?qū)?shí)驗(yàn)臺(tái)上的控制器、傳感器、信號(hào)線等設(shè)置短路、斷路等故障。為了便于實(shí)踐教學(xué)，采取手持式故障終端設(shè)計(jì)方案更為合理，能夠結(jié)合不同學(xué)生的特點(diǎn)而設(shè)置相應(yīng)的故障點(diǎn)。手持故障終端結(jié)構(gòu)見圖2所示。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)故障設(shè)置板的設(shè)計(jì)

故障設(shè)置是發(fā)動(dòng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要功能，根據(jù)前面所述，將故障設(shè)置板（見圖3）一般安裝在控制柜的背面，這樣可以串聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各傳感器、執(zhí)行器的電路中從而實(shí)現(xiàn)設(shè)置故障的目的。一實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可以安裝多個(gè)故障設(shè)置板，故障設(shè)置板采用ARM控制器控制，控制器選用的是 STM32F429IGT6芯片，該芯片共有176個(gè)引腳，需要3.3V電源供電。具體設(shè)計(jì)流程圖見圖4所示。

2.2.3 手持故障終端與故障設(shè)置板之間的通信

故障設(shè)置終端和故障設(shè)置板之間采用的是ZigBee無線通信技術(shù)。

3 ?發(fā)動(dòng)機(jī)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能測(cè)試

功能測(cè)試是保障發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要舉措，在測(cè)試中不僅要關(guān)注改造后發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠正常使用，而且還需要分析故障設(shè)置后是否出現(xiàn)理論上的故障現(xiàn)象、是否與實(shí)際汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障一致。因此本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試：

3.1 故障點(diǎn)設(shè)置的性能測(cè)試

故障點(diǎn)設(shè)置測(cè)試非常重要，為了分析故障設(shè)置與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)故障現(xiàn)象的差異，本次采取分組測(cè)試的方式，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示故障設(shè)置的現(xiàn)象與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際故障基本沒有差異，部分存在差異的主要原因是由于實(shí)際車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載不同造成的。具體差異情況見表1所示。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)性能是否正常直接關(guān)系到實(shí)訓(xùn)教學(xué)的成效。為了準(zhǔn)確檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，教師在未啟動(dòng)故障設(shè)計(jì)功能的情況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行展示。目的就是讓學(xué)生可以直觀的了解到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。具體在測(cè)試時(shí)分別以啟動(dòng)、怠速、低速以及高速等工況動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，并且利用儀表對(duì)輸入信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)教學(xué)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。通過觀察，實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，達(dá)到950r/min，經(jīng)過清洗發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門后，怠速轉(zhuǎn)速基本達(dá)到正常水平;大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在噪音明顯增大的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速達(dá)到3500r/min，分析原因主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架之間的連接點(diǎn)沒有擰緊，導(dǎo)致產(chǎn)生共振現(xiàn)象，因此對(duì)其連接部進(jìn)行擰緊，但是其現(xiàn)象仍然存在。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

總之，汽車維修專業(yè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要求學(xué)生要具備較強(qiáng)的實(shí)踐操作能力。基于復(fù)合型人才需求的不斷增加，傳統(tǒng)的汽修專業(yè)人才培養(yǎng)模式已經(jīng)不適應(yīng)汽修行業(yè)的發(fā)展。因此高職院校要依托虛擬技術(shù)構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以此為學(xué)生提供實(shí)踐操作的平臺(tái)，增強(qiáng)學(xué)生熟練處理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障的技能。

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