商用车电气系统设计

一.课题简介汽车电气系统是现代汽车的重要组成部分，对商用车整车电气系统进行设计研究具有重要的实际意义及应用价值。本文所进行的商用车整车电气系统的设计与研究工作是建立在现有载货车技术水平基础上完成的。通过分析研究现行法规要求、法规的发展趋势、前一代车的技术特点以及国内现在汽车零部件的发展水平，确立电气系统设计目标，据此实现了样车整车电气系统的原理设计、参数设计和布置设计。本文在线束设计过程中，本课题具有实际工程应用价值，通过对整车电气系统进行设计研究，形成了一套比较完整科学的设计方案。通过规范设计流程、借助CAD手段及相关分析理论的应用，可以避免设计缺陷，缩短设计周期，降低生产成本，从而取得市场竞争优势。1．1课题的来源、目的及意义随着电子技术的发展，汽车电器在现代汽车整车中的比重越来越高，除在传统的电气系统如：灯光、点火、起动外，还在电子驱动控制，自动变速器，电子牵引力控制，电子防抱死系统等得到广泛的应用。随着我国经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，对汽车舒适性、经济性和安全性的要求也越来越高。与此相适应，国家相继出台了一系列的政策和法规来进一步规范汽车厂家的生产和引导大众的汽车消费。东风汽车有限公司目前的载货车主要是在八十年代引进日本IEI产柴六、七十年代的汽车技术发展起来的。其汽车电气系统比较简单，仅有传统的点火系，起动系，照明系统等。显然易见，如此简单的汽车电气系统已经不但落后于电子技术的发展水平，也难以满足日益严格的国家法规的要求了。以汽车排放法规为例，自2004年7月1日起，在全国范围内开始实施相当于欧II标准的国家机动车污染物排放标准第二阶段限值。2005年，北京将实施欧IlI排放标准。新标准的实施，标志着我国的机动车污染。防治进入了一个新的阶段。然而，传统的柴油发动机即使采用增压、中冷等技术也只能达到欧II标准。因此，作为满足柴油机排放、节能和提高性能的重要途径，柴油机电子控制技术已成为当前柴油机技术的重要发展方向。柴油机电子控制以其快速灵活的特点，保证了系统的实时性和精确性，并可根据需要采用不同的控制算法和调节规律，从而突破了传统机械调节系统速度慢和适应性差的弱点。再者，随着人民生活水平的提高，对汽车舒适性、安全和环保都提出了更高的要求，如此一来，汽车上的电器电子设备不断增多，如何使众多的设备协调、高效的工作，给汽车电气系统设计提出了新的课题。作为中国载货车行业的排头兵，东风汽车公司于2003年将开发新一代重型载货车列入东风汽车公司战略性开发项目，以驾驶室换代、发动机达欧III排放标准为契机。二.商用车传统电气系统的组成及设计原则2．1电源系统汽车供电系统一般由发电机、电压调节器和蓄电池组成：发电机对柴油机而言大多采用硅整流交流发电机。电压调节器主要有电磁式电压调节器，分立元件半导体电压调节器，电子式无触点电压调节器几种。蓄电池有起动用铅酸蓄电池和低锑免维护蓄电池等。汽车的用电系统较多，所有系统都需要大量电能维持其工作，蓄电池只能维持一个短时间，其电能一旦耗尽，发动机将停机。为解决这个问题，汽车装有供电系统，它在发动机达到一定转速时向全车各个用电系统供电，并向蓄电池充电。这就解决了在发动机停机时，蓄电池可重复向各个用电系统供电的问题。蓄电池供电持续时间取决于蓄电池容量的大小。2．1．1蓄电池的型式选择70年代开始，少维护或免维护铅蓄电池在国际市场上逐年增高。随着汽车工业和运输业迅速发展，要求启动用蓄电池少维护或免维护，这也是汽车整体可靠性的～环。所谓少维护或免维护，其含义是在汽车的使用过程中(包括静止状态)，不需要监视电解液面(因电解水导致损耗)，不致于因搁置产生自放电。换言之，不进行维护或少维护仍然保持蓄电池在启动和行驶所需要的能量。由于自放电的存在，蓄电池在放置时也会失掉容量。特别是长时间或高温情况下，一定时间后，同于硫酸化，即使再充电也不能恢复原状，致使蓄电池不能再使用。免维护蓄电池和少维护蓄电池与普通蓄电池相比，容量保持有明显差别，见图2-1。普通启动用铅蓄电池栅板多采用铅一锑(Pb—sb)合金(锑含量4％～7％)，锑量增多有利于提高栅板的机械强度，改善铸造性能。但是在充电时，阳极栅板中的锑逐渐溶解到溶液中，并在阴极表面上沉积，与阴极活性物质铅形成微电池，导致自放电增大。因锑的过电压比铅小，所以充电电压降低，在用定电压充电时，充电电流逐渐增加，从而加剧了水的分解，加速了电解液量的减少。因此，要使所使用的合金能达到栅板机械强度大，耐腐蚀，可铸造性等特点，目前实际使用的合金为以下两大类：一是铅一钙合金；二是低锑多元合金。铅一钙合金自放量少，耐过充性好，水耗低，但低效率深放电容量下降快，铸造工艺较复杂，需要防钙高温易氧化的措施和快速测量，定钙量的仪器。低锑多元合金白放电用电解液损耗特性不如铅钙合金好，但明显优于铅一锑合金。2.1．2发电机的选择随着时代的发展，汽车上的电气设备越来越多，这就要求供电系统提供更多的电能，以维持全车用电设备的正常工作，除要求输出功率要大，还要求效率高，重量轻，早在六十年代初期，这些要求迫使生产厂家更新换代，从此，交流发电机取代了直流发电机。随着汽车技术的发展，对汽车的性能要求越来越高，大量的用电装置在汽车上的应用导致了汽车用电量的增加，发电机是车辆运行过程中的主要电源，它供给除起动机外的所有用电设备电能，并向蓄电池充电，如何确定发电机的功率不仅取决于其生产厂家，而且与汽车生产厂家也密切相关。发电机的输出功率等于输出电流与输出电压的乘积，在汽车上供电电压是一定的，这样我们可通过用电负荷来确定发电机的功率。若选取的功率小于用电器的需要量，一方面面使用电设备不能正常工作(如灯光变暗，指示仪表发生误差等)，另一方面不能保证向蓄电池充电，使蓄电池长期放电，使其寿命缩短，维修费用增加。但是若将发电机功率选得过大，其本身的功率将不能充分发挥，且使供电系统重量增加，也不经济。用电负荷取决于电器的功率和工作性质以及运行条件，按其工作性质不同可分为：长期用电负荷、连续用电负荷和短时间间歇用电负荷。按运行条件不同则可分为冬季和夏季、白天和夜间、晴天和雨雪等情况。2．2起动系统汽车起动系统一般由起动机，蓄电池和起动继电器组成。起动系统的设计品质直接影响汽车的起动性能，因此设计起动系统时，必须确定起动机设计参数，即根据发动机的起动特性确定对相应起动机的性能要求。起动系统的最主要部件为直流电动机，它将蓄电池提供的电能转变为机械能。它能够输出一定的功率，使发动机的最低转速达100r／min以上。因为这样的转速才能使燃油雾化和压缩可燃混合气，使发动机起动。2．2．1发动机的起动特性及对起动机的性能要求起动是发动机进入工作的准备阶段。发动机借助于起动机使曲轴由静止状态加速到能进行混合汽燃烧，进入独立的工作状态。发动机在起动时的工作过程与正常运转时基本相同但起动是发动机在冷车或停车的状态下被起动机带动旋转，起动过程中曲轴旋转的主转矩及旋转角速度是瞬时变化的，开始起动时阻转矩迅速升至最大值，然后下降，经过一段时间后才趋于稳定值。发动机对起动机的性能要求有两点：一方面起动机必须能够提供足够的起动转矩，保证在一定的环境温度下均能克服发动机的最大起动阻转矩，使曲轴旋转；另一方面，起动机必须具有在最低起动转速以上时驱动发动机的能力，即起动机必须具有足够的功率，使其克服发动机的平均阻转矩时具有足够的转速以顺利起动发动机。2．2．2起动机型式在汽车工业发展过程中，人们过去普遍使用电磁式起动机作为起动装置。但是电磁式起动机有体积庞大、造价高等缺点，现在，由于永久磁铁材料的改进，起动机的磁场基本使用永久磁铁提供，其结构更加紧凑，体积变小，重量减轻。起动机的激磁绕组可以和主线路用电枢串联或并联。起动机输出的转矩与磁场的磁通量和电流大小成正比。对于串励式起动机，当电枢转速为零时，磁通量和电流量最大，此时转矩也最大。当电枢转速慢慢增加时，由于电枢切割磁通产生了反电动势，使电流减小。反电动势随速度增加而增加，而电流随之减小，结果使起动机输出转矩逐渐降低。串励式起动机这一特性，非常适合汽车发动机的起动要求。发动机开始起动时，需要很大转矩，而发动机各机件运动起来后，由于阻力减小，起动机输出转矩即可适当减小。目前，国内外汽车起动机一般都采用串激直流起动机。2．2．3起动机基本参数的选择在选择启动机时，必须确定的基本参数是：启动机的功率，启动机与发动机曲轴的传动比以及蓄电池的容量。2．2．3．1启动机功率的选择为了使发动机能够迅速、可靠地启动，启动机必须具有足够的功率。如启动功率不够，就会使重复启动的次数增多，启动时间延长，这不仅对蓄电池不利，而且对燃料的消耗、零件的磨损以及车辆的工作都是极其不利的。启动发动机所必须的功率P，取决于发动机的最低启动转速ns和发动机的启动阻力矩M。，即2．2，3．2传动比的确定启动机与发动机之间的传动比如选择不当，则启动机的功率就不能充分利用，仍会使发动机启动困难。因此，必须正确的选择传动比，以使肩动机在发动机最低启动转速时能发出最大功率。1．最佳传动比的确定所谓最佳传动比是指启动机工作在最大功率时的转速np，与发动机可靠启动的最低启动转速n。之比，计算最佳传动比时，若已知启动机的工作特性曲线，则可从特性曲线上找出与最大功率对应的启动机转速nP’并将发动机最低启动转速nI代入式(2—9)计算求得。若无启动机工作特性曲线，则可根据启动机的最大功率出现在电枢电流最大值一半时的原则来确定。即先测定启动机在制动工况时的最大电流值l。。，再给启动机加上负载力矩，使J。=去，。，测定其稳定运行时的转速n。，代入式(2—9)即2．传动比的实际选择在实际选择时，常将传动比选得比上述最佳值稍小，使启动机的工作电流接近于制动电流1．，的2／3。此时启动机功率虽有所下降，但启动转矩可以增加很多，对启动发动机有利。另外，发动机飞轮齿圈的节圆直径与发动机总体布置有关，不能任意增大。齿轮模数决定了齿的强度。所以驱动齿轮的齿数也不能任意减小a柴油机因启动转速较高，传动比较小，一般为8—10。2．3照明与信号系统2．3．1汽车照明系统的基本组成及要求2．3．1．1现代汽车对照明的要求为保证汽车在夜闻及能见度低的情况下安全行驶，对照明设备有如下的要求：汽车行进时的道路照明汽车前方道路照明是汽车夜间安全行车的必备条件。现代汽车车速较高，要求照明设备能提供车前100m以上明亮均匀的道路照明，并且不应对迎面来车司机造成眩目。随着车速的不断提高，要求道路照明的距离也相应增加。2．3．2汽车信号系统的基本组成及要求汽车上信号装置的作用是通过声响和灯光向其他车辆的司机和行人发出警告，已引起注意，确保车辆行驶的安全。2．3．2．1声响信号装置声响信号装置有气喇叭、电喇叭和倒车蜂鸣器等。气喇叭是利用气流使金属膜片振动发声，在一些装备气压制动的汽车上装用。气喇叭的音量高，在城市市区内禁止使用。所有汽车都必须装有电喇叭。要求电喇叭的声音清脆悦耳，其音量不得超过105dB。2．4传感器及信息显示系统现代汽车电子控制中，传感器广泛应用在发动机、底盘和车身各个系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输，由电脑(电子控制单元)对信息进行处理后向执行器发出指令，实行电子控制。传感器在电子控制和自我诊断系统中是非常重要的装置，它能及时识别外界的变化和系统本身的变化，再根据变化的信息去控制本身系统的工作。各个系统控制过程正是依靠传感器，进行信息的反馈，实现自动控制工作的。传感器输出的信号有模拟信号和数字信号两种，其中数字信号直接输入电子控制单元，而模拟信号则要通过A／D转换器转换成数字信号后再输入电子控制单元。电子控制单元不断地检测各个传感器的信号，一旦检测出某个输入信号不正常，就可将错误的信号存入存储器内，需要时可以通过专用诊断仪或采取人工方法读取故障信息，再根据故障码信息内容，进行维修。电子控制单元有效地控制着系统的工作，需要具备完整的条件。而传感器的精度、响应性、可靠性、耐久性及输出的电压信号等，对系统的控制稳定性起着至关重要的作用。传感器按能量关系