商用車電氣系統教學儀器設計開發及應用研究

關鍵詞：商用車；電氣系統；教學儀器；設計；開發

0 引言

目前我國很多高校和職業院校的汽車專業教學設備更新滯后，與企業發展和科技進步步伐不符，導致在校學生和培訓人員實踐操作不足，理論知識與實際應用脫節。尤其是一些設置了與商用車相關專業的高?；蚵殬I院校，專業教學設備和教具相對更為落后。為解決這一問題并縮小這一差距，高校需改革教學模式，及時更新教學設備，加強校企合作，結合實際需求和實操，為廣大學子提供更多實踐機會，以培養符合企業需求的高技能人才。

因此，如果院校能夠自己設計開發一套高效、實用的商用車電氣系統教學儀器，對于商用車汽車電氣系統的教學質量具有重要的現實意義和應用價值。首先，通過設計開發專門的教學儀器，使商用車電氣系統的教學更加直觀、生動，有助于學生理解和掌握相關知識。其次，儀器能夠模擬真實的商用車電器系統工作環境，使學生在實踐中學習和掌握電氣系統的故障診斷與排除技能[1]。另外，教學儀器能夠滿足商用車維修人員、技術人員等群體的技能培訓需求，幫助他們提升電氣系統的維修和保養能力。

本研究設計了一款用于商用車電氣系統教學的臺架儀器，涵蓋商用車電氣系統的各個主要組成部分，包括電源、起動、點火、照明與信號、儀表系統、輔助電氣以及電子控制等系統。而且儀器應能夠模擬各種故障情況，以便學生進行故障診斷與排除的訓練。另外，該教學儀器的設計操作簡便性，能夠使學生能夠輕松上手并快速掌握使用方法。同時，該儀器具備完善的安全保護措施，確保學生在使用過程中的人身安全和設備安全。最重要一點就是該儀器可模擬真實工作環境，讓學生掌握故障診斷與維修技能，同時滿足企業后市場技術人員培訓需求，提供實操訓練平臺。

1 商用車電氣系統教學儀器現狀與挑戰

1.1 商用車電氣系統教學儀器簡述

商用車電氣系統教學儀器是專為教育和培訓領域設計的，旨在幫助學生掌握商用車電氣系統的工作原理、結構認知、電路識讀、電路測量、數據分析及故障排除等技能。這些教學儀器通常包含多種實訓臺，如商用車整車電氣系統實訓臺、商用車空調系統實訓臺和商用車ABS 系統實訓臺等。商用車整車電氣系統實訓臺配置了全車電氣系統，包括燈光、車門和音響等系統，能夠模擬真實的車輛環境，供學生進行系統演示和實操練習[2]。這樣的實訓臺有助于學生深入理解汽車全車電氣系統的構成和工作原理，提高其在電氣系統檢測和維修方面的技能?？偟膩碚f，商用車電氣系統教學儀器是教育和培訓領域的重要工具，能夠幫助學生掌握商用車電氣系統的相關知識和技能，提高其在實際工作中的競爭力。

1.2 現有教學儀器的優缺點及面臨的挑戰

商用車電氣系統的教學需要依賴一定的教學資源和設施，如實驗室、教學設備及教學軟件等。目前，許多高校和培訓機構都建立了專門的實驗室和實訓基地，配備了先進的教學設備和軟件。這些資源和設施為學生提供了良好的學習環境和實踐機會，一定程度上有助于提高學生的實踐能力和創新能力。

例如，山東派蒙機電技術有限公司針對于汽車專業的研究領域，先后設計開發了汽車電器實訓平臺、汽車電控基礎實踐平臺和汽車電控單元實踐平臺等，主要應用于汽車電子元器件的原理認知、線路連接、硬件原理圖分析和發動機各傳感器的工作原理及故障診斷。歐緯德教學儀器設備公司針對于汽車專業課程的研究領域，先后設計開發了汽車電器實訓與電路設計平臺、汽車傳感器信號采集平臺和整車綜合實訓平臺等，主要應用于汽車電子及電路的識別，以及整車電器原理的分析及故障模擬診斷。不過這些教學儀器都是基于基本電器理論設計的，并未結合企業實車現狀，所以對學生來說可能存在所學不能立即為我所用的情況[3]。

另外，國內生產的商用車電氣系統教學設備起步遲、起點低，技術含量相對較低。大部分設備是演示性、論證性的，缺乏實戰性，難以滿足實戰化教學需求。教學儀器廠商生產的產品質量與市場需求存在差距，部分產品技術含量不高，無法滿足教學需求等一系列問題。

1.3 教學現狀分析

盡管商用車電氣系統的教學內容涵蓋了理論和實踐兩個方面，但在實際教學中，往往存在理論與實踐脫節的問題。學生雖然掌握了理論知識，但在實際操作中卻難以靈活運用。為了解決這一問題，需要加強實踐教學環節，提高學生的實踐能力和創新能力。隨著商用車技術的不斷發展，教學資源和設施的需求也在不斷增加。然而，一些高校和培訓機構由于資金、場地等限制，無法提供足夠的教學資源和設施。這限制了學生的學習和發展空間，也影響了教學質量和效果。

商用車電氣技術日新月異，新的技術、產品和標準不斷涌現。然而，由于教學儀器的落后，導致教學內容的更新往往滯后于技術的發展。這導致學生在學習中難以接觸到最新的技術和知識，影響了他們的競爭力和就業前景。目前，商用車電器系統的教學方法仍以傳統的課堂教學為主，缺乏多樣性和靈活性。這種教學方法難以滿足學生的個性化需求和學習興趣。商用車電器系統技術日新月異，教學儀器需要不斷更新以跟上技術發展的步伐。

2 商用車電氣系統教學儀器的設計與開發

2.1 教學儀器的結構功能需求目標分析

教學儀器需要實現結構功能目標主要包括以下3 項。

（1）故障診斷與排除功能：儀器應提供故障診斷與排除的教學模塊，使學生能夠學習并實踐商用車電氣系統的故障診斷與排除方法。

（2）數據處理與分析功能：具備數據采集、處理和分析功能，可以幫助學生了解商用車電氣系統的工作狀態，分析故障數據，提高故障診斷的準確性。

（3）互動與教學反饋功能：儀器應具備與學生進行互動的功能，能夠根據學生的操作提供實時反饋，幫助學生更好地理解和掌握商用車電氣系統的相關知識。

2.2 教學儀器的結構和功能定義

商用車電氣系統教學儀器實訓臺架的實體需滿足和符合實際設計需求，其具體構成主要包括以下幾方面的內容。

（1）教學儀器的實訓臺架硬件構成：實訓臺架包含整車部分電器系統電器（燈光系統、雨刮、喇叭、門窗， 電器、儀表系統、啟動系統、空調系統、熔絲繼電器、ABS 電磁閥及相關線束、駕駛室線束、底盤線束和前圍線束）；包含發動機部分電器（ECU及ECU 相關線束）；包含后處理部分電器（尿素泵、NOX 傳感器、后處理相關線束）。

（2）臺架能實現全方位移動，帶制動。臺架的電源系統能實現整車上電，電鎖1 擋工況下空調、雨刮、喇叭、小燈、MP5 能正常上電和起動；電鎖2 擋工況下儀表上電，整車上電；電鎖3擋工況下起動機能正常上電起動。在打鑰匙到START 擋位，臺架的起動系統保證起動機可以正常運轉。

（3）臺架的燈光系統需保證遠光、近光能正常工作、正常切換；左、右轉向燈能正常工作；蜂鳴器正常報警；前霧燈能正常開啟、正常關閉；制動燈能正常開啟、正常關閉；倒車燈能正常工作；位置燈、示寬燈等小燈能正常開啟、正常關閉。

（4）臺架還需保證雨刮及喇叭能響，各個擋位能正常工作（高速擋、低速擋和間歇擋）。

（5）空調系統：打開A/C 開關，鼓風機能工作。

（6）門鎖及玻璃升降：打開/ 關閉門鎖和玻璃升降開關，門鎖電機和玻璃電機能正常運轉[4]。

2.3 具體設計方案

教學儀器選用某大型車企的商用車H7 為設計開發研究對象，結合企業的商用車電器系統技能人才知識儲備需求和高校的學院人才培養計劃，從而設計和開發出合理并切合實際的商用車電器教學儀器。該教學儀器可以應用于汽車制造與試制技術專業的人才技能培養和校企合作項目的企業技能型人才培養，最終保證需求和設計目標達成。

教學儀器的主要的開發設計階段和各階段詳細的設計內容包括以下幾個方面。

第一階段，方案策劃階段。結合需求分析內容，該教學儀器需要實現的目標制定設計開發計劃和節點，組織確認項目組人員的角色扮演等。

第二階段，平面設計階段。結合實際需求和調研結果對電器教學儀器的全局進行布置，通過二維布局圖布局出該教學儀器的整體框架結構。這一步主要是為了下一步在進行三維設計時提供布局參考。

第三階段，三維設計階段?；谏弦徊酵ㄟ^CAD 布局的二維平面布置圖，采用UG 三維軟件開展具體的三維設計工作。在此過程中，需精心規劃商用車電氣系統各電器元件的具體位置，位置要保證意義實現和互換、維修等。三維設計布局主要是為了保證各電器元件的精確性和實用性（圖1）。

第四階段，三維模型布置與實際需求進行擬合階段。在三維模型布置匹配過程中，需要根據試驗工裝臺所需實際線束的長度，對各個電器元件進行更加合理化的三維布局優化調整，確保各個單元的元器件之間的匹配和連接的合理性。這一步要保證符合實際教學儀器需求，同時避免線束過長或過短或者過度打折扭曲等問題[5]。

第五階段：型材選擇及工藝焊接階段，首先必須選用性價比高的型材（比如無縫方管、焊接圓管等），此類工裝一般采用CO2氣體保護焊的焊接工藝，主要是考慮該工藝簡單且易于實施，在保證教學儀器的結構穩定性、經濟性和長期使用的可靠性同時，也節省成本。

第六階段，商用車電器元器件及線束、開關燈布置安裝階段。參照前期已經設計好的三維模型，進行實物電器元件和線束、開關等零部件的安裝，安裝過程中務必保證每個元件的安裝位置準確，線束連接正確且符合二維及三維布置圖要求。

第七階段，也就是對該教學儀器進行最后的安裝和調試。這一步需要通過反復測試和模擬，確保教學儀器的正常運行和教學功能的實現，保證開發目標達成。

2.4 設計開發過程

詳細設計是教學儀器開發過程中的關鍵環節。在這一階段，需要對儀器的各個部分進行具體的設計和優化，包括電路設計、機械結構設計、軟件設計等方面。對于商用車電氣系統教學儀器而言，詳細設計需要重點關注以下幾個方面。

（1）電路設計：根據商用車電氣系統的實際情況，設計合理的電路圖，并選擇合適的元器件進行組裝。同時，需要考慮電路的安全性、穩定性和可靠性，確保儀器在使用過程中不會出現故障或安全事故。

（2）機械結構設計：設計合理的機械結構，確保儀器能夠穩固地支撐和固定各個部件，并方便學生進行實踐操作。

（3）軟件設計：如果儀器需要配備軟件系統，如故障診斷系統或數據分析系統等，那么需要進行相應的軟件設計。

在此基礎上，選擇合適的型材并進行工藝焊接，然后進行元器件及線束的布置安裝。最后，完成整個教學儀器的安裝與調試工作，確保其正常運行和教學效果。

2.5 最終達到的效果

該項目在構建教學儀器平臺時，特別采用了與原車企實體商用車H7 相同的電器配件，以此確保學生在學習和操作過程中能夠獲得與實際車輛維修完全一致的體驗[6]。通過運用CAD 軟件進行二維布局設計，以及UG 軟件進行三維模型構建，項目團隊精心規劃和實現了教學儀器的合理化布局。這一過程不僅保證了電器元件的精確位置，還優化了安裝步驟，使得教學儀器在功能性和實用性上都達到了高標準。最終，教學儀器的布局和安裝既符合汽車電器系統的真實工作原理，又便于教學活動的開展，極大地提升了教學效果，最終設計開發出來的商用車電氣系統教學儀器實訓平臺實物如圖2 所示。

3 教學儀器實現的創新之處

（1）校企合作緊密：本項目在設計和試制教學儀器的過程中，充分考慮了企業的實際需求和學院的人才培養目標，實現了校企雙方的深度合作。這種合作模式不僅確保了教學儀器的實用性和前瞻性，也為學生提供了與企業接軌的學習平臺。

（2）實用性強：教學儀器選用了與原車相同的電器配件，使得學生在操作過程中能夠體驗到與實際工作環境完全一致的場景。這種高度仿真的設計明顯提升了學生的實踐能力和故障排除技巧。

（3）市場應用廣泛：這套教學儀器不僅適用于學校教學，其高仿真度和實用性也使其成為企業技術人員培訓的理想選擇。因此，它在市場上具有廣泛的應用前景，能夠滿足不同層次的技術人才培養需求。

4 結束語

該商用車教學儀器的設計及開發應用，不僅為學生們提供了一個鍛煉設計、制作和思考能力的實踐平臺，更是通過這一過程，使學生們在商用車電器設備的電路測試專項能力上得到了顯著提升。該教學儀器的合理設計和高實用性，使其能夠更好地契合學校教學和企業技術人員的培訓需求。這款教學儀器擁有廣闊的推廣前景，不僅能夠為教育領域帶來深遠影響，還預計將產生良好的經濟效益，為學校和企業創造價值。另外該商用車電氣教學儀器的成功開發和應用，實現了教學與實踐的深度融合。該教學儀器不僅提升了學生的電器系統維護能力，還滿足了企業技術人員的培訓需求，為校企合作和人才培養提供了新的思路和方法。