劉廣達(dá)，李嘉賢，吳英男，徐治強(qiáng)

（遼東學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，遼寧丹東118003）

【機(jī)械與電子工程】

帶有保護(hù)器的汽車起動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉廣達(dá)，李嘉賢，吳英男，徐治強(qiáng)

（遼東學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，遼寧丹東118003）

針對(duì)帶有保護(hù)器的汽車起動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種節(jié)能型耐久實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先分析起動(dòng)機(jī)保護(hù)器功能的具體需求，對(duì)起動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)和啟動(dòng)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，分析了測(cè)試程序中的典型故障邏輯，在實(shí)施了起動(dòng)機(jī)的有效耐久測(cè)試的同時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)回收了發(fā)動(dòng)機(jī)能源，最后通過(guò)實(shí)踐證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

起動(dòng)機(jī)；保護(hù)器；耐久測(cè)試

汽車起動(dòng)機(jī)是汽車點(diǎn)火的核心裝置，容易因?yàn)槿藗兊氖褂貌划?dāng)而發(fā)生故障，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后對(duì)起動(dòng)機(jī)的反拖，會(huì)加速單向器、轉(zhuǎn)子、電刷和齒輪的磨損，極大縮短了起動(dòng)機(jī)的壽命。為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商要求起動(dòng)機(jī)必須配備智能保護(hù)器，它的作用是防止二次啟動(dòng)及反拖的發(fā)生從而更好的保護(hù)起動(dòng)機(jī)［1］。驗(yàn)證起動(dòng)機(jī)保護(hù)器的有效性，評(píng)價(jià)起動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)估保護(hù)器對(duì)起動(dòng)機(jī)耐久性的影響等是發(fā)動(dòng)機(jī)制造商重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題，需要對(duì)新型起動(dòng)機(jī)進(jìn)行能力評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)［2］。而傳統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)主要存在以下問(wèn)題：（1）按照耐久標(biāo)準(zhǔn)要求，起動(dòng)機(jī)給電需要超過(guò)4 s，在沒(méi)有保護(hù)器的系統(tǒng)中必須采用開(kāi)關(guān)電源作為能源裝置以確保能量供應(yīng)，因此無(wú)法激活起動(dòng)機(jī)保護(hù)邏輯，也就無(wú)法對(duì)其耐久性進(jìn)行驗(yàn)證；（2）由于采用開(kāi)關(guān)電源，發(fā)動(dòng)機(jī)將空轉(zhuǎn)6 s，沒(méi)有任何能量回收，造成了大量的能源浪費(fèi)；（3）起動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)沒(méi)有保護(hù)器的邏輯判斷，無(wú)法對(duì)保護(hù)器的保護(hù)作用進(jìn)行評(píng)價(jià)［3-5］。為此文章首先分析了保護(hù)器的工作邏輯，在起動(dòng)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了能夠滿足保護(hù)器測(cè)試的時(shí)序邏輯，并根據(jù)時(shí)序邏輯的需求設(shè)計(jì)了基于PLC的分散式控制系統(tǒng)，并結(jié)合起動(dòng)機(jī)的需求對(duì)典型的判斷邏輯進(jìn)行了分析和表達(dá)。設(shè)計(jì)了新的能量供給系統(tǒng)，以回收由于發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)所帶來(lái)的能量消耗。

1 保護(hù)器原理和測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)需求

耐久測(cè)試裝置控制系統(tǒng)要首先滿足保護(hù)器工作的具體邏輯和特點(diǎn)。如圖1所示為起動(dòng)機(jī)工作時(shí)的汽車電瓶電壓狀態(tài)，在起動(dòng)機(jī)工作后電壓首先出現(xiàn)波動(dòng)，約1.1 s以后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，則電瓶?jī)啥穗妷夯厣^(guò)20 V以后認(rèn)為起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成，保護(hù)器斷開(kāi)供電，啟動(dòng)完成。

圖1 啟動(dòng)過(guò)程的電壓狀態(tài)

根據(jù)起動(dòng)機(jī)耐久測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，汽車起動(dòng)機(jī)要啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，需要經(jīng)過(guò)“死啟動(dòng)”、“活啟動(dòng)”和“超越”三個(gè)階段［6］。汽車起動(dòng)機(jī)耐久測(cè)試要模擬汽車啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程。耐久測(cè)試的時(shí)序邏輯如圖2所示，其中油門和點(diǎn)火邏輯是耐久測(cè)試要求的測(cè)試過(guò)程［7］。其中，T1：充電器接觸器斷開(kāi)至起動(dòng)機(jī)繼電器開(kāi)始通電間的時(shí)間，防止充電電壓對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的影響，約0.2～0.5 s；T2：起動(dòng)機(jī)繼電器通電后，發(fā)動(dòng)機(jī)不給油時(shí)間，即起動(dòng)機(jī)死拖時(shí)間，0～5 s；T3：起動(dòng)機(jī)繼電器總通電時(shí)間，約3～5 s；T4：發(fā)動(dòng)機(jī)總給油時(shí)間，約6～10 s；T5：發(fā)動(dòng)機(jī)斷油熄火至充電器接觸器再次閉合時(shí)間，約0.2～0.5 s；T6：循環(huán)周期時(shí)間，約30 s。

在未使用保護(hù)器的時(shí)候，起動(dòng)機(jī)會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后被發(fā)動(dòng)機(jī)反拖，起動(dòng)機(jī)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(kāi)關(guān)電源拖動(dòng)起動(dòng)機(jī)。而采用保護(hù)器之后，在正常狀態(tài)下給定油門1 s之內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)完成，起動(dòng)機(jī)停止工作，電能消耗被終止，所以整體消耗的電能和發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電能基本平衡，系統(tǒng)需要檢測(cè)電瓶?jī)啥说碾妷?，?dāng)電瓶電壓低于23 V時(shí)候才利用發(fā)動(dòng)機(jī)空閑時(shí)間對(duì)電瓶進(jìn)行充電［8］。為此，在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮電能的回收和利用。

圖2 起動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的時(shí)序邏輯

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合起動(dòng)機(jī)耐久測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)邏輯和時(shí)序構(gòu)建的控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)如圖3所示，其中開(kāi)關(guān)電源柜為28 V充電電路，負(fù)責(zé)為電瓶充電，單個(gè)開(kāi)關(guān)電源柜可以負(fù)責(zé)多個(gè)耐久測(cè)試單元的充電；分散式控制系統(tǒng)采用PLC對(duì)某個(gè)耐久測(cè)試單元進(jìn)行控制；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為起動(dòng)機(jī)的耐久提供基礎(chǔ)平臺(tái)，發(fā)電機(jī)則用于對(duì)電瓶充電，同時(shí)模擬真實(shí)汽車電瓶的工作狀態(tài)，以激活保護(hù)器的保護(hù)功能。起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成了測(cè)試平臺(tái)的汽車動(dòng)力系統(tǒng)的基本單元。

主要的信號(hào)檢測(cè)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(cè)，其中6#和7#用于檢測(cè)電瓶的電量；2#、3#、8#、9#、10#、11#、12#、13#用于對(duì)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的基本狀態(tài)進(jìn)行控制和檢測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)的檢測(cè)信號(hào)采用接近開(kāi)關(guān)將齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。

耐久系統(tǒng)采用分散式控制系統(tǒng)模式，由測(cè)試平臺(tái)模塊和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)最多支持10個(gè)測(cè)試平臺(tái)同時(shí)工作，主通訊采用西門子的ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線。其中測(cè)試平臺(tái)由分散式控制單元進(jìn)行具體控制和監(jiān)視；監(jiān)控系統(tǒng)則負(fù)責(zé)整體測(cè)試平臺(tái)的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、保存、分析和記錄。

圖3 起動(dòng)機(jī)耐久測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

表1 信號(hào)功能及名稱

續(xù)表1信號(hào)功能及名稱

3 測(cè)試系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)邏輯

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

(1)起動(dòng)成功：起動(dòng)機(jī)斷電1 s后，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值則啟動(dòng)成功。

(2)起動(dòng)失敗：起動(dòng)機(jī)斷電1 s后，若發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)速則判定為起動(dòng)失敗。

（3）頂齒：起動(dòng)機(jī)通電后1 s，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈有電壓，起動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)無(wú)電壓，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)不通。

（4）銑齒：起動(dòng)機(jī)通電后1 s，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈有電壓，起動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)速。

圖4 測(cè)試平臺(tái)的控制系統(tǒng)邏輯圖

（5）保護(hù)器不通電：通電1 s，電瓶電壓大于22 V，繼電器線圈無(wú)電壓。起動(dòng)繼電器觸點(diǎn)不通。

（6）保護(hù)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(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)有電壓，發(fā)動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)速，但在起動(dòng)機(jī)斷電前0.2～0.3 s測(cè)不到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

（7）開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)粘連：起動(dòng)機(jī)停止供電信號(hào)給出后1 s，繼電器線圈無(wú)電壓，起動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)有電壓，發(fā)動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)速。

（8）起動(dòng)繼電器觸點(diǎn)粘連：起動(dòng)機(jī)停止供電信號(hào)給出后1 s，繼電器線圈有電壓，起動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)有電壓，發(fā)動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)速。

（9）保護(hù)器直通：發(fā)動(dòng)機(jī)斷油后5 s，給起動(dòng)繼電器線圈輸出端5 V電壓0.5 s，若起動(dòng)繼電器線圈輸出端對(duì)B-直通，則保護(hù)器內(nèi)部直通，保護(hù)器損壞。

（10）發(fā)電機(jī)不發(fā)電：起動(dòng)機(jī)斷電后，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)定值，若B+端電壓持續(xù)升高超過(guò)25.8 V，判定為發(fā)電機(jī)發(fā)電；B+端電壓不持續(xù)升高，在發(fā)動(dòng)機(jī)斷油前0.5 s，B+電壓上升不到25.8 V，判定為發(fā)電機(jī)不發(fā)電。

（11）充電邏輯：發(fā)電機(jī)停止供電后，電瓶?jī)啥穗妷旱陀?3 V則開(kāi)始使用開(kāi)關(guān)電源充電，并記錄充電的次數(shù)。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及節(jié)能對(duì)比

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)了某型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)的測(cè)試平臺(tái)，如圖5所示為實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)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(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在改測(cè)試平臺(tái)上配置400 A的起動(dòng)機(jī)，并配備75A的發(fā)電機(jī)進(jìn)行10萬(wàn)次耐久測(cè)試過(guò)程中所得的詳細(xì)輸入如表2所示，實(shí)踐表明帶有保護(hù)器的啟動(dòng)電機(jī)可以承受4萬(wàn)次的耐久測(cè)試而基本保持良好的狀態(tài)，而且啟動(dòng)成功和保護(hù)成功的比率很高，而保護(hù)器從給油門到斷開(kāi)平均時(shí)間小于1 s。經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試，整體實(shí)現(xiàn)能量回收70%，整體能源需要很少的補(bǔ)充就能完成系統(tǒng)測(cè)試。

圖6 耐久測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)截圖

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

文章對(duì)帶有保護(hù)器的起動(dòng)機(jī)耐久測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)序邏輯進(jìn)行了分析，并搭建了耐久系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了典型故障的判斷邏輯。實(shí)踐結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以用于評(píng)估保護(hù)器對(duì)起動(dòng)機(jī)的保護(hù)狀態(tài)，評(píng)價(jià)帶有保護(hù)器之后起動(dòng)機(jī)的耐久性，并且整個(gè)系統(tǒng)充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的能源進(jìn)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(dòng)機(jī)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2016（8）：92-98.

［2］張軍.汽車用起動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)［J］.微特電機(jī)，2009（7）：26-28.

［4］張宗法.汽車起動(dòng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.東北大學(xué)碩士論文，2010（6）：7-21.

［5］董衛(wèi)方.車輛起動(dòng)機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)［D］.東北大學(xué)碩士論文，2012：9-25.

［6］王文林.新型汽車起動(dòng)機(jī)綜合測(cè)試設(shè)備的研制［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2003，10（4）：183-186.

［7］楊亭、李民鋒.汽車起動(dòng)機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究與應(yīng)用，2005（6）：89-92.

［8］金巧蘭.起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能匹配［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，12（24）：127-152.

（責(zé)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(dá)（1980—），男，遼寧葫蘆島人，博士，講師，研究方向：機(jī)械電子。