淺析機電一體化技術在汽車中的應用

張欣榮

摘 要：機電一體化技術作為機械、電子以及計算機等多門學科的交叉領域，近年來開始得到人們的普遍重視，尤其是隨著汽車行業的迅速發展，機電一體化技術得到了廣泛的應用，使得汽車在駕駛性能、安全性以及舒適性等方面得到了較大的提高，推動了汽車產業的發展。文章主要以發動機控制系統、電子制動系統、倒車雷達以及倒車影像系統等為例，對機電一體化技術在汽車中的應用進行了簡要的分析與闡述。

關鍵詞：機電一體化；汽車；電子制動系統

1 概述

隨著信息技術的不斷發展，機電一體化技術的優勢越來越得到人們的認可，在生產生活的諸多領域中都得到了廣泛的應用。縱觀汽車行業的發展歷史，從蒸汽時代、內燃機時代、電氣時代再到如今的信息時代，汽車的發展歷史也是機電一體化技術的應用發展史，尤其是隨著信息技術的不斷發展，倒車影像、自動泊車、抬頭顯示等技術的應用使得機電一體化技術在汽車中的應用不斷被人們賦予嶄新的定義。本文主要以發動機控制系統、電子制動系統、倒車雷達及倒車影像系統為例，對機電一體化技術在汽車中的應用進行分析與闡述。

2 機電一體化技術的簡介

機電一體化技術是融合機械、電子、計算機等多門學科所實現的一體化應用技術，其以特定功能的實現為導向，通過機械裝置、電子裝置等的有機組合，形成了有機的整體，從而滿足了人們的使用需求。機電一體化技術通過機械系統與電子系統的有機結合，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。隨著信息技術的迅速發展，機電一體化技術已經在生產生活的諸多領域得到了廣泛的應用，數控機床、機器人、跑步機等都是機電一體化技術應用的典范。

3 機電一體化技術在汽車中的應用

隨著機電一體化技術的不斷發展，其在汽車行業中也得到了廣泛的應用，從歷史角度來看，機電一體化技術在汽車中的應用主要可以分為三個階段：第一階段是二十世紀六十到七十年代期間，機電一體化技術在汽車中的應用主要體現在對汽車機械裝置的改善中，電控燃油噴射、電動助力轉向等技術開始得到應用；第二階段是八十到九十年代期間，隨著集成電路的廣泛應用，其在汽車中也得到了一定的應用，解決了機械裝置難以實現的汽車控制難題，大大提高了汽車行駛的安全性；第三階段是二十世紀末至今，隨著信息技術特別是網絡技術的不斷發展，機電一體化技術在汽車中的應用更為成熟廣泛，推動汽車不斷向自動化、智能化方向發展。

3.1 發動機控制系統

發動機控制系統的核心是發動機控制單元ECU，其普遍配置于各類汽車的發動機之中，通過壓力傳感器、速度傳感器以及溫度傳感器等，對發動機的狀態進行實時監測，并對發動機的狀態及時進行調整，確保發動機始終運行于最佳狀態下。發動機控制系統形成了自閉環的控制系統，其通過對空氣燃料比、點火時間以及排氣等的實時監測，對空氣燃料比進行調節，并將結果反饋至ECU，從而保證最優的空氣燃料比，大大提高了發動機的節能性與穩定性。當空氣燃料比過高時，燃料較少不利于點火，而當空氣燃料比較低時，氧氣不足將導致燃料的燃燒不充分，一方面造成了燃料的浪費，另一方面產生了大量的一氧化碳、碳化氫等有毒氣體，對環境造成了嚴重的污染。過高過低的空氣燃料比都對發電機的壽命有著不利的影響，因此發動機控制系統的應用通過最優空氣燃料比的控制，能夠保證發動機始終運行于最佳狀態下，不僅提高了發動機的燃燒效率，更有效延長了發動機的使用壽命。

3.2 電子制動系統

汽車的電子制動系統主要包括BBW系統、ABS系統以及ASR系統三大部分。

BBW系統的應用改變了傳統制動系統的機械構造，剎車腳踏板到剎車片間傳遞的不再是液壓信號，而是通過電信號進行傳播，不僅有效縮短了機械裝置的制動反映時間，更大大提高了制動系統的可靠性。BBW系統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，當駕駛者踩下剎車板時，電子踏板模塊將其轉換為電信號，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出信號，控制啟動制動電機，通過制動器活塞將制動片按壓到制動盤上進行制動；相反地，當駕駛者松開剎車板時，電子踏板模塊也將其轉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出信號，控制制動電機反轉釋放制動活塞壓力，此時制動片將脫離制動盤，汽車恢復行駛狀態。

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，為了實現更短的制動距離，單純的后輪制動已經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。當汽車發生急剎車時，前輪增重后輪減重以及后輪抱死的現象對制動過程中車輛的方向控制十分不利，容易發生失控事故，因此ABS系統應用而生，其在BBW系統的基礎上，進一步提高了汽車的制動能力。ABS系統在汽車制動時，通過傳感器對各制動輪的運動狀態進行檢測，并通過運動狀態計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象，大大提高了汽車制動過程中的控制性與穩定性，減少了汽車的制動距離，有效增強了汽車制動過程中的安全性。ABS系統的控制框圖如圖1所示。

在ABS系統的基礎上，ASR系統又被人們提出，有效解決了汽車行駛及制動過程中出現的驅動輪打滑現象。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常發生打滑現象，當汽車采用后輪驅動時，驅動輪打滑將導致車輛甩尾，而當汽車采用前輪驅動時，驅動輪打滑將導致車輛的失控。在汽車制動或轉彎過程中，驅動輪的打滑現象將導致車身向一側偏移，容易導致事故的發生。ASR系統通過對驅動輪轉速的實時監測，一旦發生某一驅動輪轉速異常增大時，即認為該驅動輪發生了打滑現象，此時自動控制降低發動機的轉速，對打滑的驅動輪進行制動，保持與路面狀況相適應的最佳動力輸出，能夠有效避免打滑造成的安全事故。

3.3 倒車雷達及倒車影像

機電一體化技術的應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。由于視野盲區的限制，駕駛者在倒車時無法準確及時地感知車輛后部信息，往往需要有人下車指引，倒車雷達與倒車影像的應用使得駕駛者的倒車操作變得更為便捷。

倒車雷達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出超聲波，并接收外部物體的反射回波，并將相關信息傳遞至控制器；控制器通過對信息的處理判斷車輛與障礙物的距離，并根據距離的遠近控制蜂鳴器按照特定的頻率發出警報，為駕駛者提供相應的距離信息。

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

4 汽車行業中機電一體化技術的發展趨勢

隨著信息化時代的到來，機電一體化技術在各行各業中得到了越來越多的應用，發揮了越來越重要的作用，從汽車行業來看，機電一體化技術的應用主要呈現出標準化、智能化、網絡化的發展趨勢。

標準化。機電一體化的汽車產品種類繁多，不同產品的機械接口、電氣接口各不相同，這就導致汽車在配置機電一體化產品時需要進行復雜的適配操作以保證產品能夠正常運行，因此數據的標準化、接口的標準化正逐步成為機電一體化技術的發展趨勢。

智能化。隨著機器學習、人工智能的迅速發展，智能化已成為機電一體化的重要發展方向，并在汽車中取得了廣泛的應用。自動泊車技術、自動導航技術已經得到了較為廣泛的應用，甚至無人駕駛技術也將逐步走向應用。

網絡化。信息化時代下萬物互聯將成為不可逆轉的大趨勢，汽車作為人們日常生活中的重要交通工具，也是信息網絡中的重要一環，通過網絡化駕駛者可以實現汽車的遠程控制與監視，并利用大數據進一步提高汽車行駛的安全性。

5 結束語

本文主要以發動機控制系統、電子制動系統以及倒車雷達、倒車影像系統為例，簡要分析了機電一體化技術在汽車中的應用，相信隨著信息技術的不斷發展，機電一體化技術必將在汽車行業中得到越來越廣泛的應用。

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