防汽車誤起動齒輪碰撞線路的設(shè)計(jì)

麥冬玲　黃國光　蒙輝

【摘 要】人們在駕駛汽車的過程中，誤打起動機(jī)，當(dāng)起動機(jī)小齒輪將要接觸飛輪齒圈時(shí)，傳感器感應(yīng)將信號傳給控制元件，控制元件又把信號傳給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件產(chǎn)生動作，將電磁開關(guān)電源線斷開，就可以切斷起動機(jī)小齒輪與飛輪齒圈的嚙合?？梢苑乐蛊嚻饎影l(fā)動機(jī)飛輪和起動機(jī)小齒輪不正常嚙合，保護(hù)發(fā)動機(jī)飛輪和起動機(jī)，保證汽車的安全。所以研究“防汽車誤起動齒輪碰撞線路的設(shè)計(jì)”切斷起動機(jī)小齒輪與動態(tài)飛輪齒圈的嚙合，起到保護(hù)齒輪的作用，延長零件使用壽命具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】起動機(jī);線路;單片機(jī);設(shè)計(jì)

中圖分類號： U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）36-0012-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.005

0 引言

從世界上第一汽車的誕生到現(xiàn)在，汽車的發(fā)展僅有133年，在城市、鄉(xiāng)村、大街小巷，無處不看到汽車的身影。人們生活水平的提高、汽車擁有量在不斷增加和汽車市場的不斷擴(kuò)大，如今我們的出行都離不開汽車，根據(jù)中國長遠(yuǎn)發(fā)展研究的報(bào)告顯示，進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國汽車銷量和保有量均呈高速增長趨勢，2018年中國汽車保有量已突破2億數(shù)量，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展、電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用比比皆是，傳感器的應(yīng)用更加廣泛，如氧傳感器、曲軸位置傳感器、水溫傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進(jìn)氣溫度壓力傳感器、爆震傳感器等，期待起動機(jī)傳感器的誕生拭目以待。單片機(jī)的研制也是熱門的話題，汽車發(fā)動機(jī)控制單元、ABS控制單元等都有單片機(jī)，因此研究汽車“傳感器+單片機(jī)+繼電器”應(yīng)用領(lǐng)域，用于汽車起動線路顯得尤為重要。

1 起動線路分析

1.1 傳統(tǒng)起動線路

1.1.1 起動方式類型

傳統(tǒng)的汽車起動方式很多，歸納如下：

（1）手動變速器，置空檔，拉駐車制動器桿，起動發(fā)動機(jī);

（2）手動變速器，置空檔，踩離合器踏板，起動發(fā)動機(jī);

（3）自動變速器，置N檔，起動發(fā)動機(jī);

（4）自動變速器，置N檔，踩制動踏板，起動發(fā)動機(jī)。

1.1.2 起動線路簡圖

不帶起動繼電器的起動電路。

圖1

1.1.3 起動線路工作原理

目前，現(xiàn)有的起動控制線路和工作原理如下：

回路一：蓄電池+→點(diǎn)火開關(guān)→起動機(jī)電磁開關(guān)S→電磁開關(guān)中的保持線圈和吸引線圈→直流電動機(jī)M→蓄電池-。

此時(shí)，電磁開關(guān)中的鐵芯在通電的狀態(tài)下產(chǎn)生吸力，T型接觸盤往右移動，接觸盤分別與主觸頭1、2接觸。T型接觸盤往右移動的同時(shí)，通過撥叉將起動機(jī)小齒輪往外推，使小齒輪與飛輪齒圈嚙合。

回路二：蓄電池+→觸頭1→觸頭2→直流電動機(jī)M→蓄電池-。

此時(shí)，蓄電池放電，產(chǎn)生200-400A的電流，電流通過轉(zhuǎn)子線圈，受磁場力的作用，使獲得很大的轉(zhuǎn)矩，帶動起動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使起動機(jī)小齒輪有足夠的轉(zhuǎn)矩帶動飛輪齒圈轉(zhuǎn)動，飛輪慢速旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)工作，松開點(diǎn)火開關(guān)，回到點(diǎn)火開關(guān)一檔，起動檔斷開，起動機(jī)電磁開關(guān)無電，起動機(jī)小齒輪在彈簧力的作用自動回位，起動機(jī)齒與飛輪齒圈分離。

可見以上起動線路都沒有考慮發(fā)動機(jī)在工作狀態(tài)下，人為地誤打起動機(jī)的情況。從而使起動機(jī)小齒輪與飛輪齒圈不同步嚙合，產(chǎn)生撞擊聲，使得齒輪易崩齒。

1.2 新型起動線路

為解決上述問題，下面提供一種汽車新型起動線路，可以防止汽車起動發(fā)動機(jī)飛輪和起動機(jī)不正常嚙合，保護(hù)發(fā)動機(jī)飛輪和起動機(jī)，保證汽車的安全。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型起動線路采取的技術(shù)方案為：

1.2.1 新型起動線路的機(jī)理

圖2

新型起動線路，包括傳感器、控制元件和執(zhí)行元件。傳感器為發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氧傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，安裝在汽車飛輪上，用于進(jìn)行馬達(dá)齒與飛輪之間距離的檢測，并將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制元件;控制元件為單片機(jī)，采用51系列的AT89S51或者STC89C52單片機(jī)，控制元件負(fù)責(zé)接收傳感信號，并將信號傳遞給執(zhí)行元件;執(zhí)行元件為特制的繼電器，安裝在起動機(jī)電磁開關(guān)之前，執(zhí)行元件產(chǎn)生動作，將電磁開關(guān)電源線斷開，從而切斷起動機(jī)小齒輪與飛輪齒圈的嚙合。

1.2.2 傳感器分析

（1）發(fā)動機(jī)氧傳感器。

氧傳感器主要是檢測汽車尾氣排放含氧氣量的多少，將這一數(shù)據(jù)反饋給ECU，氧氣多說明可燃混合氣體稀，氧氣少說明可燃混合氣體濃，控制單元根據(jù)氧傳感器的信號合理調(diào)整噴油的大小，使混合氣體達(dá)到最佳的空燃比，使燃料完全燃燒，發(fā)動機(jī)功率增大，節(jié)能。通過試驗(yàn)，根據(jù)汽車傳感器功能分析，該傳感器不適合運(yùn)用于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)，由于該傳感器檢測的是尾氣，汽車尾氣的濃與稀程度存在不確定因素，不能明確的表達(dá)汽車發(fā)動機(jī)是否正常轉(zhuǎn)動。

（2）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器即曲軸或凸輪軸位置傳感器，它是將曲軸或凸輪軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種儀器。按信號形式的不同可分為模擬式和數(shù)字式兩種。曲軸或凸輪軸位置傳感器用于檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞上止點(diǎn)位置。只有活塞在不同的位置，曲軸才旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)就工作。該傳感器適合運(yùn)用于本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，不論是模擬式或數(shù)字式信號，經(jīng)過整流濾波后，都變成一個穩(wěn)定的直流信號。汽車發(fā)動機(jī)工作后，該傳感器會返回一個3V以上的直流電壓信號。

1.2.3 控制電路的設(shè)計(jì)

1）電路的組成框圖

圖3

（1）最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和晶振電路組成，主要是穩(wěn)定和控制起動的時(shí)間，起動3-5秒后指示燈亮，發(fā)動機(jī)工作后誤鈕點(diǎn)火開關(guān)起動擋，指示燈滅。

（2）電源由汽車蓄電池提供，它的作用是使起動機(jī)有足夠的轉(zhuǎn)矩帶動曲軸轉(zhuǎn)動，另提供傳感器信號及單片機(jī)、限時(shí)器電源的電壓。

（3）傳感器信號采集由曲軸位置傳感器或凸輪軸位置傳感器完成，它的作用是獲取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸或凸輪軸準(zhǔn)確角度位置，提供給主控MCU輸入系統(tǒng)，MCU通過數(shù)據(jù)處理，控制噴油器最佳噴油時(shí)間。

（4）信號處理可由整流橋、穩(wěn)壓管等元件組成，它的作用是把記錄在汽車傳感器上的信號進(jìn)行處理，以便抽取出3V以上的高平直流電壓的過程。

（5）控制電路由單片機(jī)組成，它的作用是負(fù)責(zé)接收傳感信號，并將信號傳遞給繼電器。

2）電路原理圖

圖4

總體電路工作原理：首先構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)，使單片機(jī)能正常工作，在程序中一直對發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器信號進(jìn)行判斷，曲軸位置傳感器返回一個低電平信號，說明發(fā)動機(jī)還沒起動，則繼電器打開（閉合），允許起動機(jī)通電，從而帶動發(fā)動機(jī)起動;如果曲軸位置傳感器返回一個大于3V的高電平信號，則表明發(fā)動機(jī)已正常起動，控制繼電器關(guān)閉（斷開），起動機(jī)不通電，起動機(jī)小齒輪和飛輪齒圈不能進(jìn)入嚙合狀態(tài)，起動機(jī)小齒輪就不會跟發(fā)動機(jī)齒輪碰撞而造成熄火。

1.2.4 元器選擇

圖5

反復(fù)實(shí)驗(yàn)，元件選擇10uF電解電容2個;30pF瓷片電容2個;0.1uF電解電容2個;33uF電解電容1個;220uF/16V電解電容1個;104瓷片電容2個;47uF/16V電解電容1個;電源轉(zhuǎn)換器1個;Head 4H觸發(fā)器1個;小功率LED 3個;10千歐電阻2個;120歐電阻1個;延時(shí)速短開關(guān)1個;普通開關(guān)1個;AT89C52單片機(jī)1個;KBP310整流橋1個;LM317T可調(diào)穩(wěn)壓管1個;7805穩(wěn)壓管1個;IN4007整流二極管3個;11.0592MHZ晶振管1個等元件。

1.2.5 AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目通過AT89C52單片機(jī)不斷檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器是否返回電壓信號，來控制繼電器，從而間接控制汽車起動機(jī)，防止駕駛員誤點(diǎn)火，導(dǎo)致汽車發(fā)動機(jī)熄火事件。

（1）主程序

圖6

（2）單片機(jī)

設(shè)計(jì)的電路，默認(rèn)狀態(tài)下，繼電器是打開的，由單片機(jī)通過檢測到霍爾傳感器的信號，判斷發(fā)動機(jī)是否起動，使繼電器執(zhí)行動作。當(dāng)發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器檢測有1信號，說明發(fā)動機(jī)曲軸已轉(zhuǎn)動，關(guān)閉繼電器;當(dāng)曲軸位置傳感器檢測為0信號，說明發(fā)動機(jī)曲軸未轉(zhuǎn)動，打開繼電器。另外，還可以控制起動的時(shí)間長短，發(fā)動機(jī)正常起動3-5秒，發(fā)動機(jī)起動后扭動的鑰匙還不回位，繼電器也可延遲3秒鐘斷開與起動機(jī)電磁開關(guān)連接的電路，從而使得駕駛?cè)思词乖倥予€匙到起動位置也不會起動發(fā)動機(jī)，從而很好地避免了人為誤打起動機(jī)或打起動機(jī)時(shí)間過久情況的發(fā)生。

2 結(jié)論

通過利用“傳感器+單片機(jī)+繼電器”對汽車起動線路的改進(jìn)，不僅能控制打起動機(jī)時(shí)間長的缺陷，而且能控制發(fā)動機(jī)工作時(shí)誤打起動機(jī)引起的不良后果，防止汽車起動齒輪長期嚙合導(dǎo)致不必要的磨損，提高汽車零件的使用壽命。在不同汽車上加裝改進(jìn)后的起動控制線路，起動駕駛將隨心所欲。

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