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汽車工業(yè)機電一體化研究:汽車工業(yè)機電一體化內(nèi)涵特點研究

摘要：機電一體化有機地融合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、機械工程技術(shù)、電力工程技術(shù)等相關(guān)技術(shù)和設(shè)施設(shè)備，對于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)管理控制的自動化起著非常重要的價值和作用。本文分析了機電一體化的內(nèi)涵特點，并以汽車工業(yè)為例探討了汽車產(chǎn)品中機電一體化的解決方案。

關(guān)鍵詞：機電一體化；內(nèi)涵；汽車工業(yè)；應(yīng)用

一、機電一體化的內(nèi)涵

機電一體化綜合集成了電子工程和機械工程技術(shù)，實現(xiàn)了面向任務(wù)的機電一體化功能，它可以有效地協(xié)助技術(shù)設(shè)計人員對某項生產(chǎn)管理項目進行特定的技術(shù)開發(fā)和設(shè)計。機電一體化的方法論包括信息控制理論和工程系統(tǒng)理論，而一體化是機電一體化的核心思想。

二、機電一體化的特點

1.安全性高

機電一體化系統(tǒng)可以提供包括警報、監(jiān)控、診斷、保護在內(nèi)的一體化自動服務(wù)，在工作過程中當(dāng)發(fā)生相關(guān)故障時可以自動采取保護辦法，諸如當(dāng)工作電壓過高或過低時，會自動停止工作或發(fā)出警報提醒操作人員采取措施，最大程度上保障相關(guān)設(shè)備和操作人員的安全，保障財產(chǎn)設(shè)備等不受損害。

2.生產(chǎn)能力強

機電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)的信息處理與控制一般都是自動化的，具有較高靈敏的檢測控制能力，在計算機控制系統(tǒng)的作用下可以更為精確地確保機械設(shè)備裝置完成所設(shè)計的動作，從而更好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量。更為重要的是，機電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)自動化的控制和操作，極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低了單位產(chǎn)品的成本。

3.適用范圍廣

機電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)強大的技術(shù)綜合能力使之已經(jīng)超越了單一產(chǎn)品功能的范疇，再加上其自身較高的自動化水平，可以滿足客戶更為復(fù)雜的需求，提供個性化解決方案。機電一體化產(chǎn)品較高的智能化、自我保護性、自動監(jiān)控性、可擴展性使之可以應(yīng)用于不同的環(huán)境和場合。

三、汽車工業(yè)領(lǐng)域機電一體化的應(yīng)用

1.自動變速器系統(tǒng)

汽車自動變速器的主要作用是降低汽車行駛過程中的功率損耗，提升汽車動力系統(tǒng)的有效功率，通過增加變速檔數(shù)實現(xiàn)汽車的舒適安全行駛。汽車行駛過程中，發(fā)動機的實時運行狀態(tài)需要借助傳感系統(tǒng)進行測量，測量的數(shù)據(jù)信息通過電子監(jiān)控設(shè)備進行處理，并且具有換擋信息程序、開關(guān)程序以及開關(guān)關(guān)閉程序，根據(jù)汽車最優(yōu)行駛的條件要求來選擇相應(yīng)的電子監(jiān)控裝置。如汽車發(fā)動機啟動后，相關(guān)的警示燈關(guān)閉，說明系統(tǒng)功能正常；如果警示燈未關(guān)閉，那么這時的自動變速器就處于非電控狀態(tài)，但其仍然可以正常工作，只是相關(guān)的優(yōu)化性能不再生效。

2.制動系統(tǒng)

起初的汽車一般在后輪安裝制動設(shè)備，隨著汽車行駛速度的不斷提升，單純在后輪安裝制動設(shè)備已經(jīng)無法有效提供充足的制動動力，促使了汽車前輪也需要安裝相應(yīng)的制動設(shè)備。當(dāng)汽車制動設(shè)備工作時，汽車的動態(tài)軸負荷就會轉(zhuǎn)移、前輪的載重量就會增加、后輪載重量降低，但后輪發(fā)生抱死時更容易使汽車失去方向控制能力，于是汽車防抱死制動設(shè)備就產(chǎn)生了。汽車防抱死制動設(shè)備的主要功能就是可以感知制動發(fā)生時每個車輪的瞬間運動方向，并且根據(jù)相關(guān)情況調(diào)節(jié)制動設(shè)備的動力鉅大小，防止抱死現(xiàn)象的發(fā)生。ABS防抱死系統(tǒng)就是比較著名的電子監(jiān)控技術(shù)，提升了汽車行駛的安全性。

3.計算機控制發(fā)電機系統(tǒng)

計算機微處理器或者集成電路用以控制發(fā)電機單元，利用傳感器負責(zé)接收電壓信號，并獲得發(fā)動機的脈沖數(shù)據(jù)，傳送到發(fā)動機電控單元中。信號模擬器通過數(shù)字模型輸出數(shù)字信號，以這些信息為基礎(chǔ)發(fā)電機控制單元對點火時間、燃料空氣比例、循環(huán)排氣效率進行優(yōu)化計算，并將計算結(jié)果作為控制點火設(shè)備和燃料閥開關(guān)大小的參數(shù)，從而控制燃料與空氣的適當(dāng)比例。在燃料空氣比增加時，會使得點火困難；當(dāng)燃料空氣比降低時由于氧氣缺乏，造成燃料燃燒不充分，排放的氣體中一氧化碳的含量會增加。

4.激光測距雷達系統(tǒng)

在汽車前面部位安裝測距激光雷達，當(dāng)激光光束遇到障礙物后就會散射，當(dāng)散射信號被捕捉到，測出車輛與障礙物之間的距離，使用計算機系統(tǒng)對障礙物方位信息進行持續(xù)的動態(tài)測量和跟蹤，就能夠準確判斷障礙物是否在運動，并計算出其運動速度和車間距離，根據(jù)運行軌跡判斷其是否能夠與車輛發(fā)生碰撞，從而提醒車輛駕駛員調(diào)整車輛運行速度、方向。當(dāng)出現(xiàn)危險情況時，系統(tǒng)會發(fā)出警報信息。

四、總結(jié)

機電一體化融合了眾多技術(shù)、跨越了多個領(lǐng)域，它是一種集成產(chǎn)品，特別是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)為機電一體化的實現(xiàn)帶來了真正的飛躍和突破，成為工業(yè)生成自動化控制中的一項重要技術(shù)。它有效地提升了汽車產(chǎn)品的質(zhì)量和駕乘舒適度，隨著機電一體化解決方案智能化和汽車工業(yè)的發(fā)展，兩者的融合深度將會進一步增強。

作者：嚴俊杰 單位：鄂州職業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院

汽車工業(yè)機電一體化研究:機電一體化在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

摘 要：本文探討了機電一體化新技術(shù)、新產(chǎn)品在現(xiàn)代汽車和汽車制造廠中的應(yīng)用，并特別介紹了傳感器及微特電機在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機電一體化；汽車；電機；傳感器

1 機電一體化在現(xiàn)代汽車中的運用

由于大型汽車，先進豪華型的轎車均已開始裝備各類機電一體化產(chǎn)品，由于車載機電一體化裝備和電子控制裝置的增加，現(xiàn)代汽車在性能、安全、質(zhì)量及豪華舒適等方面將日趨完善。

1.溫度監(jiān)控

車身內(nèi)冷熱水溫度自動空調(diào)，通風(fēng)量自動控制，熱密封控制，發(fā)動機冷卻水，油量控制，傳動系統(tǒng)潤滑油溫度控制，結(jié)冰警告系統(tǒng)，進氣管預(yù)加熱，自動控制管。

2.汽車電動機及其控制

中央鎖上機構(gòu)自動動作，風(fēng)窗刮水器遇雨自動開啟，可伸縮的前照燈自動開啟與關(guān)閉，駕駛座椅用電動按鈕無級調(diào)整位置等。

3.加熱監(jiān)控

汽車燃料自動加熱，控制開關(guān)并有液晶數(shù)字顯示。

4.液位檢測

車軸位、發(fā)動機油、制動液、燃料、水的液位數(shù)字自動顯示。

5.設(shè)備保護

與電源或信號線路相連的各種裝置的保護。

6.汽車點火裝置方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的有觸點點火裝置在歐美、日本等發(fā)達國家早已淘汰。國外研制生產(chǎn)的機電一體化汽車無觸點火裝置現(xiàn)在已經(jīng)普及，傳統(tǒng)的有觸點點火裝置在國內(nèi)已經(jīng)受到嚴重沖擊，現(xiàn)已基本淘汰。更高檔的轎車上還開始裝備有電子控制自動變速器，電子控制化油器，自動催化轉(zhuǎn)換器等機電一體化新產(chǎn)品。

2 C電一體化在汽車制造廠的應(yīng)用新意義

當(dāng)今汽車產(chǎn)品市場的激烈競爭，實質(zhì)上就是汽車制造廠家自動化生產(chǎn)發(fā)展的直接動因，因此面向市場的生產(chǎn)自動化的目的，不僅僅在于節(jié)省大量的勞動力和改善人們的勞動條件，更主要的目的是在于提高汽車制造業(yè)的競爭能力，即提高對市場變化的響應(yīng)速度，包括提高生產(chǎn)效率優(yōu)化控制過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和保持產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和降低產(chǎn)品的成本，縮短制造周期，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q供，從而使現(xiàn)代化的高質(zhì)量、優(yōu)性能、多品種、低成本的汽車源源不斷地生產(chǎn)出來，并牢牢地占領(lǐng)市場。

而機電一體化技術(shù)在現(xiàn)代汽車工業(yè)中對實現(xiàn)全自動化控制、大規(guī)模、高質(zhì)量生產(chǎn)等方面均起著關(guān)鍵的作用，隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)代汽車制造技術(shù)水平必將發(fā)展到一個新的階段。

長期以來，汽車生產(chǎn)基本上停留在靠通風(fēng)機床和工人技術(shù)的工藝水平上，其結(jié)果是生產(chǎn)周期長成本高，質(zhì)量不易穩(wěn)定，而到八十年代中期充分運用機電一體化技術(shù)制造的各類數(shù)控機床得到了迅猛發(fā)展，數(shù)控機床的出現(xiàn)圓滿地解決了高生產(chǎn)效率和高度靈活性的矛盾，所以它迅速成了工廠生產(chǎn)自動化的熱點，數(shù)控機床比普通機床有著不可比擬的優(yōu)點。用數(shù)控機床TNT，可以獲得更高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量，因為它是根據(jù)規(guī)定程序自動加工的，沒有人為的干擾因素，而可以利用軟件進行精度校正，所以可以獲得比機床精度更高的加工精度和重復(fù)精度；數(shù)控機床具有高生產(chǎn)率與普通機床相比，可以提高2～3倍，某種條件下甚至可以提高十幾至幾十倍；數(shù)控機床可以適用不同品種及尺寸規(guī)格零件的自動加工，一般借助普通夾具，只要更換一條程序紙帶即可改變工件的品種，因此，可以大大縮短生產(chǎn)周期，幾乎不需要專用工裝；一機多用，數(shù)控機床，特別是可自動換刀的數(shù)控機床，在一次裝卡條件下，幾乎可完成工件全部需要加工部件的，因此一臺這樣的數(shù)控機床可替代5～7臺普通機床；數(shù)控機床可實現(xiàn)普通機床難以實現(xiàn)的復(fù)雜形面加工優(yōu)勢。因此，目前世界上各工業(yè)發(fā)達國家均把發(fā)展數(shù)控機床作為實現(xiàn)機械工業(yè)技術(shù)革新的戰(zhàn)略重點。

3 傳感器在汽車中的應(yīng)用

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息，并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗，是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證，如缺少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測，系統(tǒng)的信息處理，控制決策功能就無法談及和實現(xiàn)?，F(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。根據(jù)傳感器的作用，可以分類為測量溫度、壓力、流量、位置，氣體濃度、速度、光亮度、干溫度、距離等功能的傳感器，它們各司其職，一旦某個傳感器失靈，對應(yīng)的裝置工作就會不正常，甚至不工作，因此，傳感器在汽車上的作用是很重要的。

4 微特電機在汽車中的應(yīng)用

除了汽車發(fā)電機、起動機外，隨著汽車向著舒適化、人性化的要求發(fā)展，應(yīng)用了大量不同規(guī)格的永磁直流電動機。如散熱風(fēng)扇、洗滌器、雨刮器、玻璃升降器、汽車空調(diào)器、燃油泵、后視鏡、電動天窗、電動座椅、門窗、音響產(chǎn)品等配套產(chǎn)品，在發(fā)動機底盤的閥門，節(jié)氣門和速度表中也應(yīng)用了永磁步進電機，在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）中還應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)變壓器和無刷力矩電動機，隨著汽車部件的電動化，自動化程度不斷提高和對汽車微特電機的噪音、電磁兼容、效率的高要求，將采用永磁無刷直流電動機替代有刷的永磁直流電動機。

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是汽車電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電動化驅(qū)動系統(tǒng)逐步替代傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)，在各種檔次的汽車中大量采用各種不同類型和規(guī)格的微特電機。微特電機全稱微型特種電機，簡稱微電機，是指直徑小于160mm或額定功率小于750W或具有特殊性能、特殊用途的電機。微特電機常用于控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)機電信號或能量的檢測、解算、放大、執(zhí)行或轉(zhuǎn)換等功能，或用于傳動機械負載，也可作為設(shè)備的交、直流電源。汽車微特電機以年遞增高10%的需求量增長，高級型轎車需40～50臺，豪華轎車多達70～80臺，汽車尤其是轎車已成為微特電機的一大應(yīng)用領(lǐng)域。

為了適用汽車有限的空間和移動的環(huán)境，要求汽車用微特電機具有一系列的特點：1.低電壓大電流

汽車上的電源由發(fā)動機驅(qū)動交流發(fā)電機后向蓄電池充電獲得，電壓一般為直流14V，所以汽車微特電機大部分是低電壓的直流電動機，其工作電流都較大。

2.工作電壓波動大

汽車上使用了種類繁多的電器和電子系統(tǒng)，都由蓄電池供電，而在不同時間內(nèi)蓄電池供電的電壓變化范圍大，所以要求電機在電源電壓8～16V范圍內(nèi)也能正常地工作。

3.環(huán)境條件苛刻

汽車微特電機與工業(yè)用，家用電器用和微特電機相比較，環(huán)境條件更為苛刻，應(yīng)滿足耐、耐沖擊振動、防水、防腐蝕等要求，能在環(huán)境-40℃～+80℃下正常工作，例如在四輪操縱系統(tǒng)中使用的混合式步進電動機，由于安裝在汽車底盤上，所以要求耐振動6g，耐沖擊150g，并在結(jié)構(gòu)上采取防水和通風(fēng)的措施。

4.“三防”及防塵性能好

汽車作為一種交通工具，要求電機具有良好的防潮，防霜，防鹽霧及防塵的性能，有消除無線電干擾的措施。直流電動機因換向器和電刷摩擦產(chǎn)生的火花會造成元線電干擾，所以采取消除干擾的措施，如接入濾波電容器。

5.效率高、功率重量比大

隨著耗電量的增加，發(fā)動機的負載也增加了，從而使耗電量上升，當(dāng)耗電量增加10W時，汽車的耗油成本增加0.3%～0.6%，為了節(jié)約耗油量，就要求汽車微特電機效率高，功率重量比大。

汽車微特電機的這些應(yīng)用特點，要求在設(shè)計、工藝、材料、生產(chǎn)技術(shù)和裝備等方面更為先進。

綜上所述，機電一體化新技術(shù)、新產(chǎn)品在現(xiàn)代汽車和汽車制造廠中得到了廣泛應(yīng)用，對汽車工業(yè)的發(fā)展十分重要。

汽車工業(yè)機電一體化研究:汽車工業(yè)領(lǐng)域機電一體化的應(yīng)用

一、汽車工業(yè)領(lǐng)域機電一體化的應(yīng)用

1.自動變速器系統(tǒng)

汽車自動變速器的主要作用是降低汽車行駛過程中的功率損耗，提升汽車動力系統(tǒng)的有效功率，通過增加變速檔數(shù)實現(xiàn)汽車的舒適安全行駛。汽車行駛過程中，發(fā)動機的實時運行狀態(tài)需要借助傳感系統(tǒng)進行測量，測量的數(shù)據(jù)信息通過電子監(jiān)控設(shè)備進行處理，并且具有換擋信息程序、開關(guān)程序以及開關(guān)關(guān)閉程序，根據(jù)汽車最優(yōu)行駛的條件要求來選擇相應(yīng)的電子監(jiān)控裝置。如汽車發(fā)動機啟動后，相關(guān)的警示燈關(guān)閉，說明系統(tǒng)功能正常；如果警示燈未關(guān)閉，那么這時的自動變速器就處于非電控狀態(tài)，但其仍然可以正常工作，只是相關(guān)的優(yōu)化性能不再生效。

2.制動系統(tǒng)

起初的汽車一般在后輪安裝制動設(shè)備，隨著汽車行駛速度的不斷提升，單純在后輪安裝制動設(shè)備已經(jīng)無法有效提供充足的制動動力，促使了汽車前輪也需要安裝相應(yīng)的制動設(shè)備。當(dāng)汽車制動設(shè)備工作時，汽車的動態(tài)軸負荷就會轉(zhuǎn)移、前輪的載重量就會增加、后輪載重量降低，但后輪發(fā)生抱死時更容易使汽車失去方向控制能力，于是汽車防抱死制動設(shè)備就產(chǎn)生了。汽車防抱死制動設(shè)備的主要功能就是可以感知制動發(fā)生時每個車輪的瞬間運動方向，并且根據(jù)相關(guān)情況調(diào)節(jié)制動設(shè)備的動力鉅大小，防止抱死現(xiàn)象的發(fā)生。ABS防抱死系統(tǒng)就是比較著名的電子監(jiān)控技術(shù)，提升了汽車行駛的安全性。

3.計算機控制發(fā)電機系統(tǒng)

計算機微處理器或者集成電路用以控制發(fā)電機單元，利用傳感器負責(zé)接收電壓信號，并獲得發(fā)動機的脈沖數(shù)據(jù)，傳送到發(fā)動機電控單元中。信號模擬器通過數(shù)字模型輸出數(shù)字信號，以這些信息為基礎(chǔ)發(fā)電機控制單元對點火時間、燃料空氣比例、循環(huán)排氣效率進行優(yōu)化計算，并將計算結(jié)果作為控制點火設(shè)備和燃料閥開關(guān)大小的參數(shù)，從而控制燃料與空氣的適當(dāng)比例。在燃料空氣比增加時，會使得點火困難；當(dāng)燃料空氣比降低時由于氧氣缺乏，造成燃料燃燒不充分，排放的氣體中一氧化碳的含量會增加。

4.激光測距雷達系統(tǒng)

在汽車前面部位安裝測距激光雷達，當(dāng)激光光束遇到障礙物后就會散射，當(dāng)散射信號被捕捉到，測出車輛與障礙物之間的距離，使用計算機系統(tǒng)對障礙物方位信息進行持續(xù)的動態(tài)測量和跟蹤，就能夠準確判斷障礙物是否在運動，并計算出其運動速度和車間距離，根據(jù)運行軌跡判斷其是否能夠與車輛發(fā)生碰撞，從而提醒車輛駕駛員調(diào)整車輛運行速度、方向。當(dāng)出現(xiàn)危險情況時，系統(tǒng)會發(fā)出警報信息。

二、總結(jié)

機電一體化融合了眾多技術(shù)、跨越了多個領(lǐng)域，它是一種集成產(chǎn)品，特別是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)為機電一體化的實現(xiàn)帶來了真正的飛躍和突破，成為工業(yè)生成自動化控制中的一項重要技術(shù)。它有效地提升了汽車產(chǎn)品的質(zhì)量和駕乘舒適度，隨著機電一體化解決方案智能化和汽車工業(yè)的發(fā)展，兩者的融合深度將會進一步增強。

作者：嚴俊杰 單位：鄂州職業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院