商用車電氣系統(tǒng)教學儀器設(shè)計開發(fā)及應用研究

關(guān)鍵詞：商用車；電氣系統(tǒng)；教學儀器；設(shè)計；開發(fā)

0 引言

目前我國很多高校和職業(yè)院校的汽車專業(yè)教學設(shè)備更新滯后，與企業(yè)發(fā)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(jié)。尤其是一些設(shè)置了與商用車相關(guān)專業(yè)的高?；蚵殬I(yè)院校，專業(yè)教學設(shè)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(shè)備，加強校企合作，結(jié)合實際需求和實操，為廣大學子提供更多實踐機會，以培養(yǎng)符合企業(yè)需求的高技能人才。

因此，如果院校能夠自己設(shè)計開發(fā)一套高效、實用的商用車電氣系統(tǒng)教學儀器，對于商用車汽車電氣系統(tǒng)的教學質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。首先，通過設(shè)計開發(fā)專門的教學儀器，使商用車電氣系統(tǒng)的教學更加直觀、生動，有助于學生理解和掌握相關(guān)知識。其次，儀器能夠模擬真實的商用車電器系統(tǒng)工作環(huán)境，使學生在實踐中學習和掌握電氣系統(tǒng)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(shù)人員等群體的技能培訓需求，幫助他們提升電氣系統(tǒng)的維修和保養(yǎng)能力。

本研究設(shè)計了一款用于商用車電氣系統(tǒng)教學的臺架儀器，涵蓋商用車電氣系統(tǒng)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(tǒng)、輔助電氣以及電子控制等系統(tǒng)。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(shè)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(shè)備安全。最重要一點就是該儀器可模擬真實工作環(huán)境，讓學生掌握故障診斷與維修技能，同時滿足企業(yè)后市場技術(shù)人員培訓需求，提供實操訓練平臺。

1 商用車電氣系統(tǒng)教學儀器現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 商用車電氣系統(tǒng)教學儀器簡述

商用車電氣系統(tǒng)教學儀器是專為教育和培訓領(lǐng)域設(shè)計的，旨在幫助學生掌握商用車電氣系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)認知、電路識讀、電路測量、數(shù)據(jù)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(tǒng)實訓臺、商用車空調(diào)系統(tǒng)實訓臺和商用車ABS 系統(tǒng)實訓臺等。商用車整車電氣系統(tǒng)實訓臺配置了全車電氣系統(tǒng)，包括燈光、車門和音響等系統(tǒng)，能夠模擬真實的車輛環(huán)境，供學生進行系統(tǒng)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(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，提高其在電氣系統(tǒng)檢測和維修方面的技能。總的來說，商用車電氣系統(tǒng)教學儀器是教育和培訓領(lǐng)域的重要工具，能夠幫助學生掌握商用車電氣系統(tǒng)的相關(guān)知識和技能，提高其在實際工作中的競爭力。

1.2 現(xiàn)有教學儀器的優(yōu)缺點及面臨的挑戰(zhàn)

商用車電氣系統(tǒng)的教學需要依賴一定的教學資源和設(shè)施，如實驗室、教學設(shè)備及教學軟件等。目前，許多高校和培訓機構(gòu)都建立了專門的實驗室和實訓基地，配備了先進的教學設(shè)備和軟件。這些資源和設(shè)施為學生提供了良好的學習環(huán)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(chuàng)新能力。

例如，山東派蒙機電技術(shù)有限公司針對于汽車專業(yè)的研究領(lǐng)域，先后設(shè)計開發(fā)了汽車電器實訓平臺、汽車電控基礎(chǔ)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(fā)動機各傳感器的工作原理及故障診斷。歐緯德教學儀器設(shè)備公司針對于汽車專業(yè)課程的研究領(lǐng)域，先后設(shè)計開發(fā)了汽車電器實訓與電路設(shè)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(shè)計的，并未結(jié)合企業(yè)實車現(xiàn)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(nèi)生產(chǎn)的商用車電氣系統(tǒng)教學設(shè)備起步遲、起點低，技術(shù)含量相對較低。大部分設(shè)備是演示性、論證性的，缺乏實戰(zhàn)性，難以滿足實戰(zhàn)化教學需求。教學儀器廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與市場需求存在差距，部分產(chǎn)品技術(shù)含量不高，無法滿足教學需求等一系列問題。

1.3 教學現(xiàn)狀分析

盡管商用車電氣系統(tǒng)的教學內(nèi)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(jié)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(huán)節(jié)，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。隨著商用車技術(shù)的不斷發(fā)展，教學資源和設(shè)施的需求也在不斷增加。然而，一些高校和培訓機構(gòu)由于資金、場地等限制，無法提供足夠的教學資源和設(shè)施。這限制了學生的學習和發(fā)展空間，也影響了教學質(zhì)量和效果。

商用車電氣技術(shù)日新月異，新的技術(shù)、產(chǎn)品和標準不斷涌現(xiàn)。然而，由于教學儀器的落后，導致教學內(nèi)容的更新往往滯后于技術(shù)的發(fā)展。這導致學生在學習中難以接觸到最新的技術(shù)和知識，影響了他們的競爭力和就業(yè)前景。目前，商用車電器系統(tǒng)的教學方法仍以傳統(tǒng)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(tǒng)技術(shù)日新月異，教學儀器需要不斷更新以跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

2 商用車電氣系統(tǒng)教學儀器的設(shè)計與開發(fā)

2.1 教學儀器的結(jié)構(gòu)功能需求目標分析

教學儀器需要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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?qū)W習并實踐商用車電氣系統(tǒng)的故障診斷與排除方法。

（2）數(shù)據(jù)處理與分析功能：具備數(shù)據(jù)采集、處理和分析功能，可以幫助學生了解商用車電氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)，分析故障數(shù)據(jù)，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(jù)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(tǒng)的相關(guān)知識。

2.2 教學儀器的結(jié)構(gòu)和功能定義

商用車電氣系統(tǒng)教學儀器實訓臺架的實體需滿足和符合實際設(shè)計需求，其具體構(gòu)成主要包括以下幾方面的內(nèi)容。

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

（2）臺架能實現(xiàn)全方位移動，帶制動。臺架的電源系統(tǒng)能實現(xiàn)整車上電，電鎖1 擋工況下空調(diào)、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(tǒng)保證起動機可以正常運轉(zhuǎn)。

（3）臺架的燈光系統(tǒng)需保證遠光、近光能正常工作、正常切換；左、右轉(zhuǎn)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(guān)閉；制動燈能正常開啟、正常關(guān)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(guān)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(diào)系統(tǒng)：打開A/C 開關(guān)，鼓風機能工作。

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

2.3 具體設(shè)計方案

教學儀器選用某大型車企的商用車H7 為設(shè)計開發(fā)研究對象，結(jié)合企業(yè)的商用車電器系統(tǒng)技能人才知識儲備需求和高校的學院人才培養(yǎng)計劃，從而設(shè)計和開發(fā)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(shù)專業(yè)的人才技能培養(yǎng)和校企合作項目的企業(yè)技能型人才培養(yǎng)，最終保證需求和設(shè)計目標達成。

教學儀器的主要的開發(fā)設(shè)計階段和各階段詳細的設(shè)計內(nèi)容包括以下幾個方面。

第一階段，方案策劃階段。結(jié)合需求分析內(nèi)容，該教學儀器需要實現(xiàn)的目標制定設(shè)計開發(fā)計劃和節(jié)點，組織確認項目組人員的角色扮演等。

第二階段，平面設(shè)計階段。結(jié)合實際需求和調(diào)研結(jié)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(jié)構(gòu)。這一步主要是為了下一步在進行三維設(shè)計時提供布局參考。

第三階段，三維設(shè)計階段。基于上一步通過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(shè)計工作。在此過程中，需精心規(guī)劃商用車電氣系統(tǒng)各電器元件的具體位置，位置要保證意義實現(xiàn)和互換、維修等。三維設(shè)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(jù)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(yōu)化調(diào)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和長期使用的可靠性同時，也節(jié)省成本。

第六階段，商用車電器元器件及線束、開關(guān)燈布置安裝階段。參照前期已經(jīng)設(shè)計好的三維模型，進行實物電器元件和線束、開關(guān)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(diào)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(xiàn)，保證開發(fā)目標達成。

2.4 設(shè)計開發(fā)過程

詳細設(shè)計是教學儀器開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這一階段，需要對儀器的各個部分進行具體的設(shè)計和優(yōu)化，包括電路設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計等方面。對于商用車電氣系統(tǒng)教學儀器而言，詳細設(shè)計需要重點關(guān)注以下幾個方面。

（1）電路設(shè)計：根據(jù)商用車電氣系統(tǒng)的實際情況，設(shè)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(wěn)定性和可靠性，確保儀器在使用過程中不會出現(xiàn)故障或安全事故。

（2）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)計合理的機械結(jié)構(gòu)，確保儀器能夠穩(wěn)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(shè)計：如果儀器需要配備軟件系統(tǒng)，如故障診斷系統(tǒng)或數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等，那么需要進行相應的軟件設(shè)計。

在此基礎(chǔ)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(diào)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(gòu)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(shè)計，以及UG 軟件進行三維模型構(gòu)建，項目團隊精心規(guī)劃和實現(xiàn)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(yōu)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(tǒng)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(shè)計開發(fā)出來的商用車電氣系統(tǒng)教學儀器實訓平臺實物如圖2 所示。

3 教學儀器實現(xiàn)的創(chuàng)新之處

（1）校企合作緊密：本項目在設(shè)計和試制教學儀器的過程中，充分考慮了企業(yè)的實際需求和學院的人才培養(yǎng)目標，實現(xiàn)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(yè)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(huán)境完全一致的場景。這種高度仿真的設(shè)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(yè)技術(shù)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(shù)人才培養(yǎng)需求。

4 結(jié)束語

該商用車教學儀器的設(shè)計及開發(fā)應用，不僅為學生們提供了一個鍛煉設(shè)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(shè)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(shè)計和高實用性，使其能夠更好地契合學校教學和企業(yè)技術(shù)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(lǐng)域帶來深遠影響，還預計將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益，為學校和企業(yè)創(chuàng)造價值。另外該商用車電氣教學儀器的成功開發(fā)和應用，實現(xiàn)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(tǒng)維護能力，還滿足了企業(yè)技術(shù)人員的培訓需求，為校企合作和人才培養(yǎng)提供了新的思路和方法。