帶有保護器的汽車起動機耐久實驗平臺的系統(tǒng)設(shè)計

劉廣達，李嘉賢，吳英男，徐治強

（遼東學院機械電子工程學院，遼寧丹東118003）

【機械與電子工程】

帶有保護器的汽車起動機耐久實驗平臺的系統(tǒng)設(shè)計

劉廣達，李嘉賢，吳英男，徐治強

（遼東學院機械電子工程學院，遼寧丹東118003）

針對帶有保護器的汽車起動機的特點設(shè)計了一種節(jié)能型耐久實驗平臺，首先分析起動機保護器功能的具體需求，對起動機耐久實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)和啟動邏輯進行了優(yōu)化，分析了測試程序中的典型故障邏輯，在實施了起動機的有效耐久測試的同時，通過發(fā)電機回收了發(fā)動機能源，最后通過實踐證明了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

起動機；保護器；耐久測試

汽車起動機是汽車點火的核心裝置，容易因為人們的使用不當而發(fā)生故障，尤其是發(fā)動機啟動后對起動機的反拖，會加速單向器、轉(zhuǎn)子、電刷和齒輪的磨損，極大縮短了起動機的壽命。為了降低發(fā)動機的故障率，發(fā)動機制造商要求起動機必須配備智能保護器，它的作用是防止二次啟動及反拖的發(fā)生從而更好的保護起動機［1］。驗證起動機保護器的有效性，評價起動機的運行狀態(tài)，評估保護器對起動機耐久性的影響等是發(fā)動機制造商重點關(guān)心的問題，需要對新型起動機進行能力評估和壽命預(yù)測［2］。而傳統(tǒng)的起動機耐久實驗主要存在以下問題：（1）按照耐久標準要求，起動機給電需要超過4 s，在沒有保護器的系統(tǒng)中必須采用開關(guān)電源作為能源裝置以確保能量供應(yīng)，因此無法激活起動機保護邏輯，也就無法對其耐久性進行驗證；（2）由于采用開關(guān)電源，發(fā)動機將空轉(zhuǎn)6 s，沒有任何能量回收，造成了大量的能源浪費；（3）起動機測試平臺沒有保護器的邏輯判斷，無法對保護器的保護作用進行評價［3-5］。為此文章首先分析了保護器的工作邏輯，在起動機測試標準的基礎(chǔ)上，設(shè)計了能夠滿足保護器測試的時序邏輯，并根據(jù)時序邏輯的需求設(shè)計了基于PLC的分散式控制系統(tǒng)，并結(jié)合起動機的需求對典型的判斷邏輯進行了分析和表達。設(shè)計了新的能量供給系統(tǒng)，以回收由于發(fā)動機空轉(zhuǎn)所帶來的能量消耗。

1 保護器原理和測試系統(tǒng)狀態(tài)需求

耐久測試裝置控制系統(tǒng)要首先滿足保護器工作的具體邏輯和特點。如圖1所示為起動機工作時的汽車電瓶電壓狀態(tài)，在起動機工作后電壓首先出現(xiàn)波動，約1.1 s以后發(fā)動機點火成功，則電瓶兩端電壓回升超過20 V以后認為起動機啟動完成，保護器斷開供電，啟動完成。

圖1 啟動過程的電壓狀態(tài)

根據(jù)起動機耐久測試標準，汽車起動機要啟動汽車發(fā)動機，需要經(jīng)過“死啟動”、“活啟動”和“超越”三個階段［6］。汽車起動機耐久測試要模擬汽車啟動的整個過程。耐久測試的時序邏輯如圖2所示，其中油門和點火邏輯是耐久測試要求的測試過程［7］。其中，T1：充電器接觸器斷開至起動機繼電器開始通電間的時間，防止充電電壓對試驗系統(tǒng)的影響，約0.2～0.5 s；T2：起動機繼電器通電后，發(fā)動機不給油時間，即起動機死拖時間，0～5 s；T3：起動機繼電器總通電時間，約3～5 s；T4：發(fā)動機總給油時間，約6～10 s；T5：發(fā)動機斷油熄火至充電器接觸器再次閉合時間，約0.2～0.5 s；T6：循環(huán)周期時間，約30 s。

在未使用保護器的時候，起動機會在發(fā)動機啟動后被發(fā)動機反拖，起動機至少要有6 s的帶電狀態(tài)，消耗的電能大，所以需要使用開關(guān)電源拖動起動機。而采用保護器之后，在正常狀態(tài)下給定油門1 s之內(nèi)發(fā)動機就會啟動完成，起動機停止工作，電能消耗被終止，所以整體消耗的電能和發(fā)動機所產(chǎn)生的電能基本平衡，系統(tǒng)需要檢測電瓶兩端的電壓，當電瓶電壓低于23 V時候才利用發(fā)動機空閑時間對電瓶進行充電［8］。為此，在新系統(tǒng)設(shè)計過程中需要充分考慮電能的回收和利用。

圖2 起動機耐久實驗平臺的時序邏輯

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

結(jié)合起動機耐久測試的標準邏輯和時序構(gòu)建的控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)如圖3所示，其中開關(guān)電源柜為28 V充電電路，負責為電瓶充電，單個開關(guān)電源柜可以負責多個耐久測試單元的充電；分散式控制系統(tǒng)采用PLC對某個耐久測試單元進行控制；汽車發(fā)動機為起動機的耐久提供基礎(chǔ)平臺，發(fā)電機則用于對電瓶充電，同時模擬真實汽車電瓶的工作狀態(tài)，以激活保護器的保護功能。起動機、發(fā)電機和發(fā)動機構(gòu)成了測試平臺的汽車動力系統(tǒng)的基本單元。

主要的信號檢測及邏輯如表1所示，1#、4#、5#、6#、7#用于電瓶狀態(tài)的控制和檢測，其中6#和7#用于檢測電瓶的電量；2#、3#、8#、9#、10#、11#、12#、13#用于對汽車動力系統(tǒng)的基本狀態(tài)進行控制和檢測，發(fā)動機和起動機的檢測信號采用接近開關(guān)將齒輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。

耐久系統(tǒng)采用分散式控制系統(tǒng)模式，由測試平臺模塊和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)最多支持10個測試平臺同時工作，主通訊采用西門子的ProfiBus現(xiàn)場總線。其中測試平臺由分散式控制單元進行具體控制和監(jiān)視；監(jiān)控系統(tǒng)則負責整體測試平臺的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、保存、分析和記錄。

圖3 起動機耐久測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

表1 信號功能及名稱

續(xù)表1信號功能及名稱

3 測試系統(tǒng)的程序設(shè)計和評價邏輯

除了主程序外還需要對整個系統(tǒng)的狀態(tài)進行判斷，主要邏輯描述如下：

(1)起動成功：起動機斷電1 s后，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值則啟動成功。

(2)起動失?。浩饎訖C斷電1 s后，若發(fā)動機沒有轉(zhuǎn)速則判定為起動失敗。

（3）頂齒：起動機通電后1 s，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈有電壓，起動機開關(guān)無電壓，開關(guān)觸點不通。

（4）銑齒：起動機通電后1 s，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈有電壓，起動機有轉(zhuǎn)速信號，發(fā)動機無轉(zhuǎn)速。

圖4 測試平臺的控制系統(tǒng)邏輯圖

（5）保護器不通電：通電1 s，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈無電壓。起動繼電器觸點不通。

（6）保護器提前斷電：通電后，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈有電壓，起動機開關(guān)有電壓，發(fā)動機有轉(zhuǎn)速，但在起動機斷電前0.2～0.3 s測不到發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

（7）開關(guān)觸點粘連：起動機停止供電信號給出后1 s，繼電器線圈無電壓，起動機開關(guān)有電壓，發(fā)動機有轉(zhuǎn)速。

（8）起動繼電器觸點粘連：起動機停止供電信號給出后1 s，繼電器線圈有電壓，起動機開關(guān)有電壓，發(fā)動機有轉(zhuǎn)速。

（9）保護器直通：發(fā)動機斷油后5 s，給起動繼電器線圈輸出端5 V電壓0.5 s，若起動繼電器線圈輸出端對B-直通，則保護器內(nèi)部直通，保護器損壞。

（10）發(fā)電機不發(fā)電：起動機斷電后，發(fā)動機斷油前，發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值，若B+端電壓持續(xù)升高超過25.8 V，判定為發(fā)電機發(fā)電；B+端電壓不持續(xù)升高，在發(fā)動機斷油前0.5 s，B+電壓上升不到25.8 V，判定為發(fā)電機不發(fā)電。

（11）充電邏輯：發(fā)電機停止供電后，電瓶兩端電壓低于23 V則開始使用開關(guān)電源充電，并記錄充電的次數(shù)。

4系統(tǒng)實現(xiàn)測試系統(tǒng)的實現(xiàn)及節(jié)能對比

根據(jù)以上方案設(shè)計了某型6缸發(fā)動機起動機的測試平臺，如圖5所示為實現(xiàn)該平臺的硬件結(jié)構(gòu)，及分布式控制單元；圖6為分布式控制單元的觸摸屏截圖。

圖5 耐久測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

在改測試平臺上配置400 A的起動機，并配備75A的發(fā)電機進行10萬次耐久測試過程中所得的詳細輸入如表2所示，實踐表明帶有保護器的啟動電機可以承受4萬次的耐久測試而基本保持良好的狀態(tài)，而且啟動成功和保護成功的比率很高，而保護器從給油門到斷開平均時間小于1 s。經(jīng)過對比測試，整體實現(xiàn)能量回收70%，整體能源需要很少的補充就能完成系統(tǒng)測試。

圖6 耐久測試系統(tǒng)的上位機截圖

表2 實驗結(jié)果

5 結(jié)論

文章對帶有保護器的起動機耐久測試系統(tǒng)的時序邏輯進行了分析，并搭建了耐久系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)并設(shè)計了典型故障的判斷邏輯。實踐結(jié)果表明，本設(shè)計可以用于評估保護器對起動機的保護狀態(tài)，評價帶有保護器之后起動機的耐久性，并且整個系統(tǒng)充分利用了發(fā)動機的能源進行充電，減少了額外充電次數(shù)，大量的節(jié)省了能源。

［1］黃正午，王昕利.汽車起動機保護電路的設(shè)計［J］.裝備制造技術(shù)，2016（8）：92-98.

［2］張軍.汽車用起動機臺架耐久試驗標準解讀［J］.汽車電器，2012（7）：63-65.

［3］管功湖，趙小明.基于PLC的汽車起動機耐久性試驗系統(tǒng)［J］.微特電機，2009（7）：26-28.

［4］張宗法.汽車起動機性能測試系統(tǒng)設(shè)計［D］.東北大學碩士論文，2010（6）：7-21.

［5］董衛(wèi)方.車輛起動機性能自動測試平臺的設(shè)計［D］.東北大學碩士論文，2012：9-25.

［6］王文林.新型汽車起動機綜合測試設(shè)備的研制［J］.工程設(shè)計學報，2003，10（4）：183-186.

［7］楊亭、李民鋒.汽車起動機性能自動測試系統(tǒng)研究與應(yīng)用，2005（6）：89-92.

［8］金巧蘭.起動機與發(fā)動機的性能匹配［J］.重慶理工大學學報（自然科學版），2010，12（24）：127-152.

（責任編輯：龍海波）

Durability experiment platform system design of auto starter with protector

LIU Guang-da，LI Jia-xian，WU Ying-nan，XU Zhi-qiang
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，Chin）

An energy-saving durability experimental platform was designed according to the characteristics of the automobile starter with protector.The requirements for the starter protector to realize its function was analyzed.The hardware structure and enable logic of the starter durability experiment platform were optimized. The typical fault logic in the test program was analyzed.As ensuring the durability test of the starter，the energy of the engine was recycled with an electric generator.Finally，the practical results show that the design is effective.

auto starter；protector；durability experiment

TM33

A

1673-4939（2017）03-0164-04

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.03.03

2017-04-05

劉廣達（1980—），男，遼寧葫蘆島人，博士，講師，研究方向：機械電子。