汽車發(fā)動機(jī)防誤起動裝置教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

廖連瑩，林琳，陳德寶，王民，邱平凡

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

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汽車發(fā)動機(jī)防誤起動裝置教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

廖連瑩，林琳，陳德寶，王民，邱平凡

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

摘要：發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若起動機(jī)再次被起動，將可能造成對起動機(jī)或發(fā)動機(jī)損壞。為避免誤起動的發(fā)生，分別設(shè)計(jì)開發(fā)了繼電器式、機(jī)械式和電子控制式3種防誤起動裝置。以這3種裝置為基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計(jì)了汽車起動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。所設(shè)計(jì)制作的實(shí)驗(yàn)臺運(yùn)行良好，能夠滿足實(shí)際教學(xué)要求。

關(guān)鍵詞：電控發(fā)動機(jī)；防誤起動；起動系統(tǒng)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺

0引言

現(xiàn)代汽車制造技術(shù)已越來越先進(jìn)，特別是在噪聲和振動控制技術(shù)上得到了很大提高。在很多時(shí)候，發(fā)動機(jī)雖然處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但其運(yùn)行過于平穩(wěn)和安靜，駕駛員感覺不到它在工作。特別是在嘈雜的街道上，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這種現(xiàn)象就更加明顯，如汽車在等紅燈時(shí)。這又將引起另一種現(xiàn)象的發(fā)生，即駕駛員在發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)下，誤以為發(fā)動機(jī)已熄火，再次旋轉(zhuǎn)起動鑰匙，試圖“點(diǎn)火”。結(jié)果，起動機(jī)驅(qū)動齒輪向飛速旋轉(zhuǎn)的飛輪齒圈移動，并試圖與之嚙合。這一動作將導(dǎo)致以下不良后果：一是起動驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈無法嚙合，而發(fā)生激烈碰撞，發(fā)出“噠噠噠”的刺耳聲音，甚至折斷齒輪；二是起動驅(qū)動齒輪若與飛輪齒圈碰巧嚙合，那么高速旋轉(zhuǎn)的齒圈將帶著起動機(jī)以更高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致起動機(jī)散架或燒毀的嚴(yán)重后果[1]。

基于以上狀況，本課題重在開發(fā)了一種發(fā)動機(jī)防誤起動裝置，即發(fā)動機(jī)已處于運(yùn)行狀態(tài)中，即使旋轉(zhuǎn)起動鑰匙，起動系統(tǒng)也將不起作用，從而避免起動機(jī)與高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)飛輪嚙合，引起刺耳的打齒聲音，甚至發(fā)生折齒或燒毀起動機(jī)的不良后果。以自主開發(fā)的發(fā)動機(jī)防誤起動裝置為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)其他組件，設(shè)計(jì)開發(fā)一款便于進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的發(fā)動機(jī)起動系實(shí)驗(yàn)臺[2]。

1發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

普通汽車發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)主要由蓄電池、起動開關(guān)、起動機(jī)控制器、起動電機(jī)和起動驅(qū)動齒輪等組成，如圖1所示。

1-吸引線圈；2-保持線圈；3，4，5-接線柱；6-活動鐵芯；7-撥叉圖1　發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)按下開點(diǎn)火關(guān)SW時(shí)，起動控制器中的吸引線圈1和保持線圈2的電路接通，蓄電池電流導(dǎo)通，電流方向?yàn)樾铍姵卣龢O→接線柱3→點(diǎn)火開關(guān)SW→接線柱4，然后分2路，1路為保持線圈2→搭鐵→蓄電池負(fù)極。另1路為吸引線圈1→接線柱5→起動機(jī)繞組→搭鐵→蓄電池負(fù)極。

這時(shí)活動鐵芯6在2個線圈電磁吸力的作用下，克服回位彈簧的彈力而向右運(yùn)動，帶動撥叉7將起動驅(qū)動齒輪推出與飛輪齒輪嚙合。這時(shí)由于吸引線圈的電流流經(jīng)起動機(jī)繞組，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。所以起動機(jī)驅(qū)動齒輪是在緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中嚙合的。當(dāng)齒輪嚙合好后，接觸盤開關(guān)SB接通，于是蓄電池的大電流流經(jīng)起動機(jī)繞組，產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)起動發(fā)動機(jī)。與此同時(shí)，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈2的吸力來保持。

當(dāng)發(fā)動機(jī)起動后，松開點(diǎn)火開關(guān)SW瞬間，保持線圈中的電流只能經(jīng)吸引線圈構(gòu)成回路。由于此時(shí)兩線圈所產(chǎn)生的磁通方向相反而相互抵消，于是活動鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下回至原位，起動驅(qū)動齒輪退出嚙合，接觸盤開關(guān)斷開，切斷起動電路，起動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

如圖1所示的傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)，無論發(fā)動機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)，即飛輪是否旋轉(zhuǎn)，只要按下點(diǎn)火開關(guān)SW，起動驅(qū)動齒輪就會向左運(yùn)動，并在旋轉(zhuǎn)中試圖與飛輪嚙合。如此就不可避免會發(fā)生上述的發(fā)動機(jī)誤起動事件。

2發(fā)動機(jī)防誤起動裝置設(shè)計(jì)

為了避免發(fā)動機(jī)誤起動，只要在圖1所示的起動電路中，設(shè)計(jì)一種防誤起動裝置，當(dāng)發(fā)動機(jī)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即使按下起動開關(guān)SW，起動機(jī)也將無法工作。

根據(jù)這一目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺便于制作、成本低廉、易于教學(xué)的設(shè)計(jì)理念，選取了較為成熟的繼電器防誤起動裝置作為防誤起動實(shí)驗(yàn)臺裝置之一外，還設(shè)計(jì)了機(jī)械式和電子控制式2種防誤起動裝置。

2.1　繼電器式防誤起動裝置

該裝置工作原理為：在圖1所示的發(fā)動機(jī)起動電路中，在起動開關(guān)SW和接線柱4之間串聯(lián)起動繼電器，并加上保護(hù)繼電器，通過繼電器作用，避免起動機(jī)在發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)再次起動，如圖2所示。

圖2　繼電器式防誤起動裝置

圖中起動繼電器控制起動機(jī)電磁開關(guān)的工作，其觸點(diǎn)是常開的。保護(hù)繼電器控制起動繼電器保持線圈通斷，其觸點(diǎn)是常閉的，其中保持線圈與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)N相連。當(dāng)起動機(jī)起動后，發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)保護(hù)繼電器保持線圈通電，保護(hù)繼電器觸點(diǎn)斷開，切斷了起動繼電器保持線圈的接地線路。此時(shí)即使旋轉(zhuǎn)點(diǎn)火鑰匙，讓SW觸點(diǎn)結(jié)合，L1中仍然無電流通過，因此，起動繼電器觸點(diǎn)始終處于斷開狀態(tài)，起動機(jī)電路不能接通，起動機(jī)不工作，從而避免誤起動事件的發(fā)生[4]。

2.2　機(jī)械式防誤起動裝置

設(shè)計(jì)該裝置的目的就是利用機(jī)械點(diǎn)火鎖模式，防止汽車發(fā)動機(jī)二次起動，即防誤起動，造成對發(fā)動機(jī)的傷害。此類裝置雖然在大眾等汽車品牌上已有所使用，但由于涉及商業(yè)機(jī)密，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未對外公布。因此，課題組設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、工作原理易懂的機(jī)械式防誤起動點(diǎn)火鎖，如圖3所示。

1-外殼;2-中心撥叉(點(diǎn)火鑰匙);3-擋板片;4-回位彈簧;5-限位簧片圖3　機(jī)械式防誤起動裝置結(jié)構(gòu)原理圖

該裝置由外殼、中心撥叉(點(diǎn)火鑰匙)、擋板片、回位彈簧和限位簧片組成。外殼固定不動，回位彈簧一端固定在外殼上，一端與限位簧片相連，并對限位簧片施加一個朝向擋板片的力。限位簧片一端固定在外殼上，另一端起限值中心撥叉的作用。

通過限位簧片的作用，該裝置可實(shí)現(xiàn)避免誤起動作用，工作原理如圖4所示。

汽車發(fā)動機(jī)未點(diǎn)火前，鑰匙處于OFF位置圖(見圖4(a))。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鑰匙到ON位置時(shí)(見圖4(b))，中心撥叉逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，擋板片處于靜止?fàn)顟B(tài)，限位簧片壓緊在擋板片外緣。若繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鑰匙到START位置(見圖4(c))，則接通起動機(jī)，發(fā)動機(jī)起動。這一過程，中心撥叉帶動擋板片一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至START位置，限位簧片從擋板片外緣滑落，處于自由狀態(tài)。發(fā)動機(jī)起動后，點(diǎn)火鑰匙從START回到ON位置(見圖4(d))，完成整個點(diǎn)火過程。此時(shí)，中心撥叉滑過限位簧片，與擋板片A點(diǎn)靠在一起，限位簧片依然處于自由狀態(tài)。在圖4(d)這種狀態(tài)，限位簧片很好地限制了中心撥叉直接旋轉(zhuǎn)到START位置，即點(diǎn)火鑰匙無法直接再次從ON旋轉(zhuǎn)到START位置，而必須先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鑰匙到OFF位置，同時(shí)帶動擋板片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，回到圖4(a)所示位置。然后重復(fù)上述過程，依OFF→ON→START順序進(jìn)行點(diǎn)火。從而避免了發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行二次誤起動。

圖4　機(jī)械式防誤起動裝置工作原理圖

2.3　電子控制式防誤起動裝置

設(shè)計(jì)電子控制式防誤起動裝置的目標(biāo)為：當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，由該裝置控制切斷起動電路，使起動機(jī)斷電，并且只要發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，起動機(jī)電源始終被切斷，從而起到保護(hù)起動系統(tǒng)的作用。

該裝置主要由3部分組成[5]，包括速度傳感器、電子控制單元(U1)和執(zhí)行器(RL1)，如圖5所示。

圖5　電子控制式防誤起動裝置

執(zhí)行器為一常開電磁閥，常開觸點(diǎn)連接在汽車電源正極與起動機(jī)電磁控制裝置之間，用于控制起動機(jī)起動線路。電磁閥線圈一端接地，另一端與三極管(Q1)集電極相連。三極管發(fā)射極與汽車點(diǎn)火開關(guān)起動端子相連，基極與電子控制單元的輸出控制端(P20)相連。轉(zhuǎn)速傳感器獲取的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，通過輸入端(P32)輸入給電子控制單元。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速信號高于所設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，電子控制單元輸出給三極管基極低電平，反之輸出高電平。

汽車發(fā)動機(jī)起動時(shí)，當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)撥至ON時(shí)防誤起動裝置供電，電子控制單元復(fù)位。此時(shí)無發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，電子控制單元輸出到三極管基極為高電平，三極管處于待導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)一步將點(diǎn)火開關(guān)撥至START位置時(shí)，三極管發(fā)射極接上電源，三極管導(dǎo)通，電磁閥線圈通電，電磁閥觸點(diǎn)閉合，將起動機(jī)線路接通，起動機(jī)開始正常工作。

汽車發(fā)動機(jī)起動后，速度傳感器檢測到轉(zhuǎn)速信號，并輸入給電子控制單元。當(dāng)此轉(zhuǎn)速信號達(dá)到或超過所設(shè)定的轉(zhuǎn)速門限，則電子控制單元給三極管基極輸出為低電平，三極管截止，電磁閥線圈斷電，電磁閥觸點(diǎn)斷開，從而切斷了起動線路。所以，此時(shí)即使點(diǎn)火開關(guān)誤操作至START位置，起動機(jī)的電源也不會接通，從而避免了因?yàn)檫@種誤操作而對起動系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)造成的損害。

3實(shí)驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的目標(biāo)是制作包含繼電器式防誤起動裝置、機(jī)械式防誤起動裝置和電子控制式防誤起動裝置的起動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。實(shí)驗(yàn)臺能較好地展示發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。3種防誤起動裝置布置在同一實(shí)驗(yàn)臺上，且能分別工作，并展示其工作原理。根據(jù)這一目標(biāo)要求，該實(shí)驗(yàn)臺總體布置如圖6所示。

由圖可知，帶防誤起動裝置的發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺，是在普通發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)中，串聯(lián)防誤起動裝置。為了使機(jī)械式防誤起動裝置、繼電器式防誤起動裝置和電子控制式防誤起動裝置能分別工作，該實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)了2個選擇開關(guān)。

圖6　實(shí)驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)圖

通過選擇開關(guān)的選擇模式，可以實(shí)現(xiàn)3種防誤起動裝置分別獨(dú)立工作。

1)當(dāng)選擇開關(guān)1置于圖示左邊時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺處于機(jī)械式防誤起動工作模式，起動線路為“蓄電池→選擇開關(guān)1→機(jī)械式防誤起動點(diǎn)火開關(guān)→起動機(jī)”。

2)當(dāng)選擇開關(guān)1置于右邊，同時(shí)選擇開關(guān)2置于左邊時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺處于繼電器式防誤起動工作模式，起動線路為“蓄電池→選擇開關(guān)1→普通點(diǎn)火開關(guān)→選擇開關(guān)2→繼電器式防誤起動裝置→起動機(jī)”。

3)當(dāng)選擇開關(guān)1置于右邊，同時(shí)選擇開關(guān)2置于右邊時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺處于電子控制式防誤起動工作模式，起動線路為“蓄電池→選擇開關(guān)1→普通點(diǎn)火開關(guān)→選擇開關(guān)2→電子控制式防誤起動裝置→起動機(jī)”。

最后實(shí)驗(yàn)臺按上述設(shè)計(jì)要求，遵循設(shè)計(jì)合理、價(jià)格便宜、使用壽命長、便于移動等原則，制作成防誤起動實(shí)驗(yàn)臺。

制作完成的實(shí)驗(yàn)臺通過調(diào)試后運(yùn)行良好，可以滿足實(shí)際教學(xué)需要，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

4結(jié)語

所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)臺分別實(shí)現(xiàn)了繼電器式防誤起動、機(jī)械式防誤起動和電子控制式防誤起動3種功能，其中后2種裝置設(shè)計(jì)新穎，具有創(chuàng)新性。電子控制式防誤起動裝置成本低廉、接線簡單，尤其適合用于目前無防誤起動汽車的改裝，具有良好的市場前景。

所制作完成的實(shí)驗(yàn)臺成本較低，但功能強(qiáng)大，能滿足汽車類專業(yè)的“汽車電器與電子設(shè)備”“汽車電控技術(shù)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。

[參考文獻(xiàn)]

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責(zé)任編輯：陳亮

DesignofaTeachingTest-bedforAutomotiveEngineStartingSystemwithAnti-misplayStartingDevices

LIAOLianying，LINLin,CHENDebao,WANGMin,QIUPingfan

(SchoolofMechanicalandVehicleEngineering,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002)

Abstract：When the engine is working,turning on the ignition switch will damage the starter or engine.In order to avoid re-starting the starter,three anti-misplay devices were designed.They were relay anti-misplay starting device,mechanical anti-misplay starting device,and electronic control anti-misplay starting device.Combining the three anti-misplay starting devices,the teaching test-bed for automotive engine starting system was designed.The test-bed was debugged when it was completed.The results show that the test-bed had achieved the desired goal and met the requirements of the actual teaching.

Key words：electronically controlled engine;anti-misplay starting;starting system;teaching test-bed

中圖分類號：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-0436(2015)04-0079-05

作者簡介：廖連瑩(1978—)，男，博士生，副教授。

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201311055002)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201311055002Z)。

收稿日期：2014-12-31