機電一體化技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

劉桃

(連云港中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 連云港 222002)

0 前言

機電一體化是指機械工程與自動化的一種技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)C械與微電子技術(shù)緊密結(jié)合，使得機械設(shè)計變得更加智能化與人性化。將該技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機的中心控制、智能檢測及自動駕駛等方面，能夠提高汽車的整體性能。該技術(shù)已成為各國汽車企業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，因此有必要對其應(yīng)用狀況及問題對策展開研究。

1 機電一體化技術(shù)在我國汽車設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由德國和美國等發(fā)達(dá)國家率先使用了電子技術(shù)對汽車燃油噴射裝置及電路裝車進(jìn)行了改造，但由于造價成本較高，未能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的使用，但這也預(yù)示了在未來汽車設(shè)計之中應(yīng)用電子技術(shù)是可行的。20世紀(jì)70年代末期，隨著信息技術(shù)及機械技術(shù)的發(fā)展，在汽車設(shè)計中應(yīng)用機電一體化技術(shù)被推向了一個高潮[1]。

我國在20世紀(jì)80年代便設(shè)立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組，考慮到國際對相關(guān)技術(shù)發(fā)展動向所帶來的影響后，便開始在各大院校引入該專業(yè)。但就目前的發(fā)展形勢來看，我國與發(fā)達(dá)國家間還存在較明顯的差距，由于起步較晚，部分敏感技術(shù)無法擁有主動權(quán)；而基于全球經(jīng)濟(jì)一體化的背景，受氣候經(jīng)濟(jì)的影響，我國又必須在短時間內(nèi)實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的突破，才能占據(jù)經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)地位。因此，對機電一體化技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用問題及對策進(jìn)行研究，具有現(xiàn)實意義。

2 制約因素

2.1 技術(shù)設(shè)備落后

隨著汽車行業(yè)市場競爭逐漸激烈，當(dāng)前我國大部分汽車企業(yè)都逐漸重視機電一體化技術(shù)在汽車設(shè)計中起到的重要作用，但汽車機電一體化設(shè)計相關(guān)設(shè)備造價較高，部分企業(yè)由于資金問題無法實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，加上部分部件的制造技術(shù)仍掌握在發(fā)達(dá)國家手中，導(dǎo)致發(fā)展緩慢，尤其是在新能源汽車的設(shè)計方面。

2.2 設(shè)計理念滯后

我國汽車設(shè)計在機電一體化應(yīng)用方面，自主創(chuàng)新研發(fā)的項目較少，而發(fā)達(dá)國家所創(chuàng)設(shè)的部分項目成為了市場驅(qū)動的主流。許多企業(yè)在看到商機后，才開始紛紛研究與試驗起來，缺乏了創(chuàng)新性。部分設(shè)計人員未能充分發(fā)揮機電一體化技術(shù)的功能，在人性化與智能化設(shè)計方面仍有欠缺，而新能源汽車的駕駛安全問題，也是需要關(guān)注的焦點之一。

2.3 專業(yè)人才缺乏

我國雖然在20世紀(jì)80年代開始便陸續(xù)在對口院校中設(shè)置了相關(guān)專業(yè)，但是機電一體化設(shè)計技術(shù)的機理復(fù)雜，缺少理論與實踐能力突出的“雙師型”人才，這也導(dǎo)致了企業(yè)在這方面的人力資源缺口較大[2]。

3 應(yīng)用對策

3.1 實現(xiàn)汽車設(shè)計電子化

機電一體化技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的電子化，在設(shè)計時可以將其應(yīng)用在汽車的電源系統(tǒng)中。在過去設(shè)計汽車的發(fā)動機時多采用直流型發(fā)電機，而當(dāng)前利用機電一體化技術(shù)，可以使用交流型與硅二極管型組合的方式，以進(jìn)一步提高發(fā)動機的充電效率，提升汽車在行駛過程中的穩(wěn)定性。不僅如此，機電一體化技術(shù)還可以應(yīng)用在調(diào)整電壓環(huán)節(jié)中。在過去設(shè)計汽車電壓調(diào)整環(huán)節(jié)時大多采用機械式電壓調(diào)整器，而通過機電一體化技術(shù)的改革，在設(shè)計時可采用固體電路調(diào)整器，利用功率晶體管代替原有的機械式凸輪，提高了發(fā)動機點火裝置配電器的穩(wěn)定性，也提升了汽車整體的安全程度[3]。

3.2 發(fā)動機微機控制系統(tǒng)

將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機的微機控制系統(tǒng)設(shè)計中，能夠降低汽車能源的損耗，有利于實現(xiàn)環(huán)保低碳的理念。微機控制系統(tǒng)的設(shè)計核心為使用通用的微處理器或者為汽車發(fā)動機專門設(shè)計的大規(guī)模集成電路。在實際駕駛的過程中，可以通過各類傳感器所輸送的模擬電壓信號，從而控制發(fā)動機的輸出軸，最終輸入的脈沖信號均會被傳送至發(fā)動機控制單元中，從而實現(xiàn)對燃料的控制。在設(shè)計時，需要根據(jù)各模塊所輸送的基礎(chǔ)信息對空氣燃料比、點火時間及排氣再循環(huán)率進(jìn)行最佳狀態(tài)的計算，計算結(jié)果可作為控制燃料噴射閥及點火裝置的驅(qū)動信號輸出，這樣就能夠保證汽車在駕駛過程中維持最佳的空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量比[4]。不僅如此，當(dāng)空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量比失衡時，則會出現(xiàn)汽車難以啟動等現(xiàn)象，因此將其維持在最佳狀態(tài)下，不僅能夠減少燃料的消耗，還對發(fā)動機的啟動、預(yù)熱及加速等狀態(tài)有較大的影響，可以維持汽車各運動環(huán)節(jié)的正常負(fù)荷。

3.3 汽車?yán)走_(dá)自動防撞系統(tǒng)

汽車?yán)走_(dá)自動防撞系統(tǒng)的主要功能是安全防護(hù)，在實際駕駛或者倒車的過程中，汽車周圍會出現(xiàn)較多的障礙物，而這對駕駛?cè)藛T的技術(shù)產(chǎn)生了極大的考驗。為了提高汽車的智能性與安全性，設(shè)計人員可以將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于汽車的激光雷達(dá)自動防撞系統(tǒng)和激光-單片機組合汽車防撞系統(tǒng)中，使駕駛?cè)藛T在駕駛的過程中能夠在汽車畫面或提示中有效得到周圍障礙物的反饋信息。如果汽車前后方存在障礙物，且與汽車的距離達(dá)到臨界范圍，則可通過自動報警功能，提示駕駛?cè)藛T，防止交通事故的發(fā)生。該系統(tǒng)主要集合了計算機技術(shù)、激光雷達(dá)測距技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，不僅能夠清晰識別汽車周圍的環(huán)境狀態(tài)，還可以感受到實際車速，便于駕駛?cè)藛T掌控車速。

在設(shè)計時，應(yīng)將激光雷達(dá)測距模塊安置在汽車的前部格柵中心點。當(dāng)遇到障礙物后，該模塊可以通過光學(xué)電線發(fā)出激光束，判別障礙物具體的距離及方位信息；同時，可以判斷物體是否處于運動狀態(tài)，并精準(zhǔn)計算出運動物體與車輛的相對速度和間距，避免發(fā)生接觸，一旦發(fā)生危險，系統(tǒng)將及時發(fā)出警報，提高了車輛運動過程中的安全可靠性。

3.4 防抱死制動系統(tǒng)(ABS)

防抱死制動系統(tǒng)(ABS)主要應(yīng)用于汽車的制動環(huán)節(jié)，使用自動化技術(shù)控制制動器的制動力，使得車輪不被抱死，處于邊滾邊滑的狀態(tài)，實現(xiàn)車輪與地面的最大附著力，保證汽車與車內(nèi)人員的安全。該技術(shù)誕生于20世紀(jì)70年代后機電一體化技術(shù)飛速崛起時期，其靈感來源于數(shù)字式電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路。20世紀(jì)80年代以來，發(fā)達(dá)國家將ABS的研發(fā)重點投擲在了高性價比的方向，減少投入成本，提高普通汽車的安全性能，因此對于ABS結(jié)構(gòu)的簡化與優(yōu)化，也成為當(dāng)前主要的設(shè)計研究方向。機電一體化技術(shù)能使經(jīng)濟(jì)型的輕型貨車及客貨兩用汽車在后輪及四座中設(shè)置ABS，這對于其應(yīng)用普及范圍來講，是較大的飛躍。但使用機電一體化技術(shù)進(jìn)行ABS的設(shè)計，也存在一定的缺點，其整體系統(tǒng)還是無法突破物理規(guī)律的束縛，在某些特定狀態(tài)之下無法提供最短的制動距離，而這也是未來汽車設(shè)計需要解決的問題之一。

3.5 自動變速系統(tǒng)

將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于汽車自動變速系統(tǒng)的設(shè)計中，能夠有效降低汽車變聲器的功率損耗，并進(jìn)一步提高傳遞功率，使得在換檔及變速方面有所提升，從而形成最佳的汽車行駛速比，達(dá)到省力、節(jié)能及安全的目的。汽車自動變速系統(tǒng)與ABS的結(jié)合設(shè)計，能夠充分應(yīng)用機電一體化技術(shù)的光學(xué)技術(shù)優(yōu)勢，從而提高汽車的柔性動能，可應(yīng)用于當(dāng)前較為先進(jìn)的無人駕駛技術(shù)之中，形成良好的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。在實際作業(yè)的過程中，傳感器會將發(fā)動機作業(yè)過程中的相關(guān)設(shè)備檢測信息輸入到電子控制設(shè)備之中；設(shè)備根據(jù)指令，結(jié)合程序開關(guān)進(jìn)行檔位及速度的變換控制。汽車自動變速系統(tǒng)利用液壓變量完成檔位的調(diào)控，其還具備了減速及失效監(jiān)測的功能。

4 應(yīng)用方向

4.1 智能化及柔性化設(shè)計

基于機電一體化技術(shù)所存在的諸多優(yōu)勢，在未來的汽車設(shè)計之中，向著智能化發(fā)展是主流的應(yīng)用方向，其具體表現(xiàn)為能夠?qū)崿F(xiàn)汽車控制的全息化，加大對模糊技術(shù)及信息技術(shù)的結(jié)合，尤其是在汽車操作軟件的開發(fā)及芯片植入技術(shù)上會有極大的革新，以滿足現(xiàn)代人對于汽車的多功能需求。柔性化主要體現(xiàn)在控制及執(zhí)行系統(tǒng)具備較高的冗余度，這樣就能使得汽車具有較高的柔性度。當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時，每個模塊可以被分解為自律分配模塊，既能夠?qū)崿F(xiàn)整體系統(tǒng)的聯(lián)動與整合，子系統(tǒng)又能獨立工作。這樣便于針對不同狀況進(jìn)行反應(yīng)，而當(dāng)某一系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于子系統(tǒng)相對獨立，還可以方便工作人員的維修。

4.2 仿真生物化設(shè)計應(yīng)用

在未來，機電一體化技術(shù)及相關(guān)裝置對仿真生物學(xué)的依賴性較大，尤其是在以信息技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的系統(tǒng)基礎(chǔ)上，仿真生物學(xué)能夠進(jìn)一步改變當(dāng)前汽車駕駛與操作的性質(zhì)。通過仿真生物技術(shù)對機電一體化在汽車設(shè)計之中的使用進(jìn)行優(yōu)化，以控制系統(tǒng)為中心，從而支配汽車的各種運作方式，與人類決策思想保持一致，能夠進(jìn)一步提高汽車的安全性，同時還有利于實現(xiàn)產(chǎn)品的微型化發(fā)展。

4.3 提升設(shè)計師專業(yè)水平

資料顯示，我國在機電一體化方面的高素質(zhì)復(fù)合型技術(shù)人才缺口較大，因此為進(jìn)一步提高機電一體化技術(shù)在汽車設(shè)計中應(yīng)用的實效性，應(yīng)進(jìn)一步提升設(shè)計師的專業(yè)水平，并大力推廣有關(guān)方面的教育體系建設(shè)，從而實現(xiàn)我國汽車行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。首先，設(shè)計人員應(yīng)加大在崗在位的學(xué)習(xí)力度。機電一體化技術(shù)與設(shè)備更新?lián)Q代較快，汽車行業(yè)波動也較大，設(shè)計人員要具備一定的設(shè)計敏感度與市場敏感度，保持與時俱進(jìn)的精神，從而推動我國汽車設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，爭取與發(fā)達(dá)國家水平平齊。其次，在各大院校及產(chǎn)教融合項目中，應(yīng)廣泛開展電子基礎(chǔ)知識教育，為未來社會主義現(xiàn)代化建設(shè)做好打算，提高專業(yè)人員的電子技術(shù)知識掌握水平[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，在汽車設(shè)計中應(yīng)用機電一體化技術(shù)已成為汽車行業(yè)的主流，其不僅能夠提高汽車的整體性能，還對環(huán)境保護(hù)起到了重要的作用，對于新能源汽車的發(fā)展十分關(guān)鍵。由于我國在機電一體化技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，發(fā)展初期受技術(shù)及設(shè)備的限制，導(dǎo)致部分作業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)還不夠牢靠，因此政府與企業(yè)要加大對此項技術(shù)的重視，注重人才培養(yǎng)，從而推動我國汽車行業(yè)的發(fā)展。