防汽車誤起動齒輪碰撞線路的設計

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，當起動機小齒輪將要接觸飛輪齒圈時，傳感器感應將信號傳給控制元件，控制元件又把信號傳給執行元件，執行元件產生動作，將電磁開關電源線斷開，就可以切斷起動機小齒輪與飛輪齒圈的嚙合。可以防止汽車起動發動機飛輪和起動機小齒輪不正常嚙合，保護發動機飛輪和起動機，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計”切斷起動機小齒輪與動態飛輪齒圈的嚙合，起到保護齒輪的作用，延長零件使用壽命具有重要的意義。

【關鍵詞】起動機;線路;單片機;設計

中圖分類號： U462.1 文獻標識碼： 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在，汽車的發展僅有133年，在城市、鄉村、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大，如今我們的出行都離不開汽車，根據中國長遠發展研究的報告顯示，進入21世紀以來，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2億數量，隨著汽車工業的迅速發展、電子技術在汽車上的應用比比皆是，傳感器的應用更加廣泛，如氧傳感器、曲軸位置傳感器、水溫傳感器、節氣門位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、進氣溫度壓力傳感器、爆震傳感器等，期待起動機傳感器的誕生拭目以待。單片機的研制也是熱門的話題，汽車發動機控制單元、ABS控制單元等都有單片機，因此研究汽車“傳感器+單片機+繼電器”應用領域，用于汽車起動線路顯得尤為重要。

1 起動線路分析

1.1 傳統起動線路

1.1.1 起動方式類型

傳統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，起動發動機;

（2）手動變速器，置空檔，踩離合器踏板，起動發動機;

（3）自動變速器，置N檔，起動發動機;

（4）自動變速器，置N檔，踩制動踏板，起動發動機。

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，現有的起動控制線路和工作原理如下：

回路一：蓄電池+→點火開關→起動機電磁開關S→電磁開關中的保持線圈和吸引線圈→直流電動機M→蓄電池-。

此時，電磁開關中的鐵芯在通電的狀態下產生吸力，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，通過撥叉將起動機小齒輪往外推，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M→蓄電池-。

此時，蓄電池放電，產生200-400A的電流，電流通過轉子線圈，受磁場力的作用，使獲得很大的轉矩，帶動起動機轉子旋轉，使起動機小齒輪有足夠的轉矩帶動飛輪齒圈轉動，飛輪慢速旋轉，發動機工作，松開點火開關，回到點火開關一檔，起動檔斷開，起動機電磁開關無電，起動機小齒輪在彈簧力的作用自動回位，起動機齒與飛輪齒圈分離。

可見以上起動線路都沒有考慮發動機在工作狀態下，人為地誤打起動機的情況。從而使起動機小齒輪與飛輪齒圈不同步嚙合，產生撞擊聲，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動機飛輪和起動機不正常嚙合，保護發動機飛輪和起動機，保證汽車的安全。

為實現上述目的，本實用新型起動線路采取的技術方案為：

1.2.1 新型起動線路的機理

圖2

新型起動線路，包括傳感器、控制元件和執行元件。傳感器為發動機內部的氧傳感器和轉速傳感器，安裝在汽車飛輪上，用于進行馬達齒與飛輪之間距離的檢測，并將檢測到的數據發送至控制元件;控制元件為單片機，采用51系列的AT89S51或者STC89C52單片機，控制元件負責接收傳感信號，并將信號傳遞給執行元件;執行元件為特制的繼電器，安裝在起動機電磁開關之前，執行元件產生動作，將電磁開關電源線斷開，從而切斷起動機小齒輪與飛輪齒圈的嚙合。

1.2.2 傳感器分析

（1）發動機氧傳感器。

氧傳感器主要是檢測汽車尾氣排放含氧氣量的多少，將這一數據反饋給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，控制單元根據氧傳感器的信號合理調整噴油的大小，使混合氣體達到最佳的空燃比，使燃料完全燃燒，發動機功率增大，節能。通過試驗，根據汽車傳感器功能分析，該傳感器不適合運用于本項目設計，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，不能明確的表達汽車發動機是否正常轉動。

（2）發動機轉速傳感器。

發動機轉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速轉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字式兩種。曲軸或凸輪軸位置傳感器用于檢測發動機轉速和活塞上止點位置。只有活塞在不同的位置，曲軸才旋轉，發動機就工作。該傳感器適合運用于本項目的設計，不論是模擬式或數字式信號，經過整流濾波后，都變成一個穩定的直流信號。汽車發動機工作后，該傳感器會返回一個3V以上的直流電壓信號。

1.2.3 控制電路的設計

1）電路的組成框圖

圖3

（1）最小系統由復位電路和晶振電路組成，主要是穩定和控制起動的時間，起動3-5秒后指示燈亮，發動機工作后誤鈕點火開關起動擋，指示燈滅。

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

（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，它的作用是獲取發動機轉速和曲軸或凸輪軸準確角度位置，提供給主控MCU輸入系統，MCU通過數據處理，控制噴油器最佳噴油時間。

（4）信號處理可由整流橋、穩壓管等元件組成，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）控制電路由單片機組成，它的作用是負責接收傳感信號，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：首先構成單片機的最小系統，使單片機能正常工作，在程序中一直對發動機曲軸位置傳感器信號進行判斷，曲軸位置傳感器返回一個低電平信號，說明發動機還沒起動，則繼電器打開（閉合），允許起動機通電，從而帶動發動機起動;如果曲軸位置傳感器返回一個大于3V的高電平信號，則表明發動機已正常起動，控制繼電器關閉（斷開），起動機不通電，起動機小齒輪和飛輪齒圈不能進入嚙合狀態，起動機小齒輪就不會跟發動機齒輪碰撞而造成熄火。

1.2.4 元器選擇

圖5

反復實驗，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;電源轉換器1個;Head 4H觸發器1個;小功率LED 3個;10千歐電阻2個;120歐電阻1個;延時速短開關1個;普通開關1個;AT89C52單片機1個;KBP310整流橋1個;LM317T可調穩壓管1個;7805穩壓管1個;IN4007整流二極管3個;11.0592MHZ晶振管1個等元件。

1.2.5 AT89C52單片機設計

本項目通過AT89C52單片機不斷檢測發動機轉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，防止駕駛員誤點火，導致汽車發動機熄火事件。

（1）主程序

圖6

（2）單片機

設計的電路，默認狀態下，繼電器是打開的，由單片機通過檢測到霍爾傳感器的信號，判斷發動機是否起動，使繼電器執行動作。當發動機曲軸位置傳感器檢測有1信號，說明發動機曲軸已轉動，關閉繼電器;當曲軸位置傳感器檢測為0信號，說明發動機曲軸未轉動，打開繼電器。另外，還可以控制起動的時間長短，發動機正常起動3-5秒，發動機起動后扭動的鑰匙還不回位，繼電器也可延遲3秒鐘斷開與起動機電磁開關連接的電路，從而使得駕駛人即使再扭動鑰匙到起動位置也不會起動發動機，從而很好地避免了人為誤打起動機或打起動機時間過久情況的發生。

2 結論

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

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