汽车起动系统电路模拟演示板设计与制作

汽车起动系统电路模拟演示板设计与制作

朱江,李波,陈冠伊,李佳琦

（辽宁科技学院  辽宁 本溪 117000）

摘要：当今时代，科学技术的飞速发展极大地推动了汽车技术和汽车工业的快速发展，汽车日益渗透到社会的方方面面和人们的日常生活中，这使得汽车维修成为一个快速发展的行业。因为现代汽车不仅仅是简单的机械结构，而且还集成了大量的电子技术、计算机技术、现代通信和控制技术。其中，启动系统比较隐蔽，包含大量电路，不利于维护和检测，也给实际教学造成很大障碍，电路的方向不利于学生的学习和理解。以汽车起动系统为研究对象，以物理电路仿真演示板的研发为目标，实现汽车起动系统控制电路工作参数的显示、电路方向的可视化展示、主要部件起动器的结构认知， 这对实战技能培训具有重要意义。

关键词：汽车起动系统结构；模拟演示板；起动电路

引言

汽车发动机的启动需要直流电动机产生电磁转矩，通过传动机构带动飞轮旋转，并推动发动机曲轴跟随旋转，从而驱动活塞连杆压缩可燃混合物，使发动机从静止到启动工作。燃油车的发动机起动系统包括起动旋钮、蓄电池、继电器、传动机构和直流电机。实际控制电路错综复杂，无法直观显示，教学困难，学生难以理解。在实践中，故障诊断会导致误判和误报。本文设计的汽车起动电路仿真演示板直观地展示了汽车起动系统的组成和起动系统电路的正确方向。它不仅准确描述了汽车启动系统的工作过程，而且满足了启动系统实用技能学习的需要。

1.电路模拟演示板设计过程

汽车启动系统电路模拟演示板以强制啮合式起动系统和QD124起动机以及其电路为原型进行制作。

开发前期：运用AutoCAD进行电路图设计和绘制，使后期电路图得到准确输出绘制，同时以此来验证电路图的合理性和可行性。运用solidworks进行三维实物绘制，保证后期实物制作可按照规划进行以减少误差浪费制作时间。运用KeiluVision4进行单片机控制电路程序编写，在Proteus8Professional搭建以AT89C51单片机为控制中心的汽车起动系统电路控制模型。将编写好的程序输入至模型中运行电路仿真。

模拟电路板演示板采用蓄电池供电，蓄电池的输出电压为12V与实车起动电压保持一致，以保证模拟板的准确性。

具体规划流程：

汽车起动系统调查：通过运用调查问卷的形式调查了学生学习汽车起动系统的难点和疑点。调查人数100人，其中百分之75的学生放映课程内容和课堂上太过于枯燥乏味，电路看不清楚不明白；百分之20的学生觉得内容很难，学不会；剩下的百分之5的学生选了其他选项。通过调查问卷，我们清楚的了解到课程的学习的主要痛点是：电路错综复杂不清晰，难以理解，电路走向以及电路流通的先后顺序不明确。接下来所要做的就是解决学生学习痛点，以汽车起动系统电路图为主要设计对象，将起动系统的电路走向，电路接通的先后顺序，以及其中的每一条电路的电流电压直观、准确地表达出来。将电路图做到可视化表达，供学生直观学习。

电路模拟演示方案论证：明确研究方向和设计思路后，开始设计电路，如何使电路精准表达，更容易让学生理解和接纳。确定演示板的控制方式。我们通过CAD会绘制出设计的电路图，使用Proteus8Professional构建电路控制模型，最后得出结论：设计方案可行。

演示板制作

电路设备安装

设备调试

演示板验收

1.1起动系统电路模拟演示板制作流程

(1)内燃机汽车起动系统电路演示板布局应合理规范、简洁正确，参考相关资料、文献和书籍设计起动系统的电路控制、机械控制、导线连接方向及各项功能，为演示板的实物生产做好准备。

(2)模拟电路演示板制作过程要简洁实用，不需要过多的功能和复杂结构设计，应具有使用灵活性、简便性，具有低成本特点。

(3)电控电路设计应规范化和实践化，能够结合整车汽车启动系统直观地学习和观察，有利于起动系统各组成模块理论知识与实操结合。

(4)演示板设计方案经多次论证，力求台架的制作细致无误。

1.2电路演示板的创新之处

电路仿真演示板包含电子零件展示，机械零件展示及启动过程，起动过程电路走向。且创新采用51单片机和红外遥控器进行整体电路控制。

(1)通过实物展示起动系统的组成部分的实物展示，全方位演示起动机的起动过程，避免进行起动机实物过度拆卸的检修的过程对零部件造成的损坏。

(2)直观显示启动过程中的工作电流、电压等参数，弥补启动过程中无法合理识别电信号的缺陷;还可以直观地显示启动过程回路方向的顺序。

2.起动系统电路模拟演示板的结构组成

起动系统电路组成：

蓄电池：为起动系统提供所需的电源。

起动机：

作用：产生电磁转矩带动发动机起动。

原理：起动机主要产生电磁转矩的是直流电动机，直流电动机的主要部件是由定子、转子、电刷架以及电刷组成。起动机工作时，电流通过电刷和换向片流入转子绕组。转子绕组表面的N极下导体可以流过相同方向的电流，根据左手定则导体将受到逆时针方向的力矩作用；转子表面S极下部分导体也通过相同方向的电流。同样根据左手定则导体也将受到逆时针方向力矩的作用。这样，整个转子绕组将按逆时针方向旋转。输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。

起动继电器：

作用：接通和断开吸拉线圈和保位线圈的电路。

工作原理：起动继电器为常开触点，当线圈通电时，继电器铁芯产生电磁吸力，使常开触点闭合，使得继电器控制的吸拉线圈和保位线圈电路接通。

点火开关：接通或断开起动系统电路。

起动系统起动电路过程：起动发动机时，起动开关接通起动继电器的电路，电流从蓄电池正极-电流表-点火开关-线圈-搭铁-蓄电池负极。此时，继电器线圈产生电磁吸力，使触点闭合，接通起动机的吸拉线圈和保位线圈。电路为电流从蓄电池正极-磁扼-触点-起动机接线柱-保位线圈-搭铁-蓄电池负极。另一部分电路为电流从蓄电池正极-磁扼-触点-起动机接线柱-吸拉线圈-电动机磁场绕组和电枢绕组-搭铁-蓄电池负极。在吸拉线圈和保位线圈的作用下，活动铁芯被吸动，带动拨叉轴推出离合器使驱动齿轮和飞轮齿圈啮合；同时，又带动接触盘将主接线柱接通，蓄电池的起动电流流入起动机，起动机的主电路为电流从蓄电池正极-接触盘-电动机磁场绕组和电枢绕组-搭铁-蓄电池负极。产生大转矩，驱动曲轴旋转起动汽油发动机。启动后断开起动开光，起动电路断电，活动铁芯在复位的作用下自动回位。切断了电动机的电路，同时也使驱动齿轮与飞轮齿圈脱离啮合，起动结束。

起动系统电路模拟演示板注重突出理论与实践的结合，有起动机构、起动控制电路演示图、起动工作电流电压指标表，这些模块的合理布局使演示板的功能更加完整，也令起动流程得到更加完善的描述。

2.1机械部分

汽车起动系统工作需要一定的机械传动结构，此次采用的是QD124型起动机。

QD124型起动机为励磁式起动机，该起动机靠励磁绕组和磁极铁心建立磁场，结构复杂，但可以输出较大的扭矩和功率。

QD124型起动机主要由控制装置、直流电动机、传动机构组成。直流电动机的作用是将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生电磁转矩，带动飞轮齿圈旋转进而带动曲柄连杆机构做功，从而启动发动机。

传动机构又称为起动机离合器或啮合器。主要由驱动杠杆（拨叉）、单向离合器、驱动齿轮组成，其作用是在起动车辆时，将直流电动机产生的转矩传递给发动机曲轴。当发动机转速超过直流电动机转 速时，在单向离合器的辅助下，驱动齿轮打滑以防止直流电动机超速损坏；同时，在拨叉的辅助下，驱动齿轮退回至起动之前的初始位置，脱离与飞轮齿圈的啮合状态，整个起动过程一般持续 3-5 秒。

控制装置的作用是用于接通和断开电动机与蓄电池之间的电路。控制装置主要由衔铁、电磁开关（触盘和触点）、驱动杠杆（拨叉）、回位弹簧、吸引线圈及保持线圈组成。控制装置能够控制起动机主电路通断，实现起动机通电或断电；同时控制驱动齿轮与飞轮齿圈的啮合与分离过程。

2.2电源部分

在保证理论学习的基础上，启动系统仿真演示板也保证了操作人员的安全。基于操作人员对设备的未知知识，可能会导致操作过程中频繁误操作。为了保证模拟演示板的正常运行，该演示板采用6-QWLZ-85铅酸电池作为电源。

铅酸蓄电池是目前唯一大量使用的车载动力电池，与其他动力电池相比具有性能可靠、技术成熟、价格便宜；大功率性能优异、电压平稳；维护简便或免维护；适用范围广、原材料丰富；自放电低，回收技术成熟等优秀特点。因此使用铅酸蓄电池作为电源是最经济的器材，且最接近实际工况。

电池电极柱通过螺栓紧固件连接，以避免因电线连接松动而引起断路。使用可拆卸绝缘胶套管将电源两极包裹。电池上表明注意事项，当电源电能耗尽，充电时充电器应选用的电压的档为，红色和黑色充电夹头所对应的电源电极，避免误操作损坏电池。导线通过闸刀开关控制蓄电池到单片机输入电源整体电路的打开和关闭。避免电池的反复拆卸，提高电池的使用和循环及寿命。

2.3电路电控部分

演示板的电路电控主要采用51单片机进行相关的电路控制，使用红外遥控装置控制电路通断。主要包括启动电路控制原理图、开关、不同颜色的发光二极管、电阻器、液晶显示器、不同颜色的导线、51单片机电脑板、红外遥控器。

电路部分使用使用外径0.6mm，线芯0.2mm2的红色和黑色两种铜芯导线，以便区分正负极。导线与导线连接处使用锡线将其焊接，额外再使用热缩管将焊接处包裹，最后使用热熔胶将导线固定在主板上。

发光二极管选用红色、绿色、蓝色三种，以对应启动时所连通的不同线路。使用的二极管规格为0.04W，15mA。由于单片机的输出电压为5V，则每个发光二级管需串联一个160欧的电阻。单条线路二极管与二极管之间为并联连接方式，二极管焊接时正极接于红线，负极接于黑线。

由于蓄电池的输出电压为12V，单片机的输入电压最高为5V，为保证电路正常运行。因此需要搭建减压电路。此前搭建的方案呢有两种：线性降压电路和开关降压电路。线性降压电路只能用于降压变换，输入电流几乎等于输出电流，当输入输出压差大时，系统转换效率较低，功耗变高，不符合设备要求。搭建开关降压电路较为复杂。因此选用较为快捷的方式；使用稳压二极管。电源串联一个69欧电阻和稳压二极管，将单片机串联一个大于54欧的电阻再与稳压二极管并联，此时得到的电路电压输入至单片机的电压在安全范围之内。

单片机输出电压为5V，若要驱动机械部分的QD124型起动机运行，则需要有12V的电压输出。在连接起动机前将5V电路接入升压电路中升压转换器，使其输出12V电压，足以驱动起动机运转。

电控部分使用的是一个AT89C52单片机，其输入电压为5V，输出电压为5V。主要作用是对整体电路进行一个控制，其中还包括红外信号接收模块，主要是单片机对于远程控制信号的接收。

使用KeiluVision4进行电控部分的单片机程序编写，程序所要实现的主要功能是电路运行先后次序、实时电流电压监测、红外遥控控制电路运行和终止。

2.4演示板主板制作

主板制作主要采用亚克力板，使用CAD绘制电路图并在亚克力板上进行喷绘。在主板上打孔安装发光二极管，用于模拟电路走向。

主板使用亚克力立板原因是成本低易加工。设计出的电路图喷绘于主板上使用手持电钻安装5毫米钻头沿电路图上的发光二极管预置位置打孔，并将二极管安装于孔内并用热熔胶固定。将机械部分安装在预置位置，并用螺栓紧固件固定。

2.5演示板运行调试

将二极管、导线、电阻连接，与单片机主板控制端相接，机械部分安装完毕，接通电源开始设备运行调试。运行过程中发现的问题有：

问题一：红外遥控不精准，时而无法对系统进行运行和停止的控制。

解决方案：检查红外接收器是否有物体遮挡，使用手机打开摄像头对准红外遥控器的信号发射二极管,观察手机屏幕中的信号发射二极管是否屏闪，若没有屏闪则更换遥控电池。

问题二：表达电路的二极管线路运行次序不正确。

解决方案：检查线路与单片机主板的输出端是否连接正确，若不正确则重新进行连接；若正确，则检查编写的程序是否正确。使用Proteus8搭建的电路模型中再次运行程序，检车程序的故障点，对故障点进行修改。

问题三：发光二极管整体不发光，电路不运行。

解决方案：使用电子万用表拨至直流2V档位检查单片机输出端是否有5V电压输出。若没有，则检查单片机输入端是否有电压输入；若没有电压输入，则进行电源电压检车和降压电路检查，更换蓄电池。若输入端输入较大电流，超出单片机可承受的负载电压，说明单片机损坏，需要对单片机进行检查和零部件的更换或者更换整体；还要将降压电路中的电阻更换更大阻值电阻。

问题四：某些二极管不发光。

解决方案：对故障处的二极管进行检测。若发现发光二极管被击穿说明引脚的正负极接反，需要更换。如果是烧毁，则更换的同时还要检查发光二极管的输入电压是否超过额定电压，若超过，还需更换更大阻值的电阻。发光二极管正常，检查线路是否虚焊或者导线断路。对虚焊处进行加固焊接。

3.汽车起动系统演示板的应用可行性分析

模拟演示板能够通过理论与直观演示一体化教学分析：

(1)通过51单片机的控制增加了演示板的科技趣味，和教学吸引性。

(2)起动机起动旋转，使拨叉轴推出离合器进而使驱动齿轮旋转，够进行近距离观看，对汽车起动过程进行理性认识。对起动机起动阶段，电压表及电流表的动态参数进 行记录及计算，具有科学性。

4.结论

该起动系统电路仿真演示板采用低压12V电池供电系统、51单片机电路控制系统、电压电流表等参数测量装置，反映了汽车的起动过程、起动部件的组成以及起动电路的电压电流数据监控。该车的启动系统演示板具有启动系统显示功能，工作可靠稳定，成本低廉，操作维护方便。

参考文献

[1].尚连峰.一种起动系统模拟实训台:黄河科技学院报.2021(11)

[2].赵福堂.汽车电器与电子设备.第三版.北京理工大学出版社.

大学生创新创业项目：2022年辽宁科技学院创新创业训练计划项目“汽车起动系统示教板的设计与制作”（202211430022）

辽宁省教育厅科学研究资助项目：新能源汽车交流电机直接转矩控制技术研究项目（项目编号：LNKJZ1058）

通讯作者：李波（1978.12–），女，汉族，辽宁本溪人，硕士研究生，副教授，研究方向：汽车电器

作者简介：朱江（1999.09-），男，瑶族，广西贺州人，辽宁科技学院本科在读，研究方向：汽车服务工程