汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐長釗，毛理想，位翠翠，于 洋，張 坤

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

汽車電子風(fēng)扇高低速控制電路，在汽車專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)中屬于比較典型的控制電路和結(jié)構(gòu)，但是將汽車電子風(fēng)扇高低速控制電路直接應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，讓學(xué)生進(jìn)行線路連接學(xué)習(xí)，因?qū)嵻囯娐分胁捎玫臏乜亻_關(guān)會增加實(shí)驗(yàn)的時長和難度，使風(fēng)扇控制電路一直處于通電工作狀態(tài)，同時頻繁長時間放電會增加實(shí)驗(yàn)電源蓄電池的損耗[1]，由于電瓶、控制電路以及電器元件都有一定重量，且實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中會經(jīng)常移動設(shè)備，若沒有移動升降裝置，實(shí)驗(yàn)操作過程中電瓶、控制電路電器以及操作實(shí)驗(yàn)臺不方便移動，同時長時間不健康的操作姿勢會造成學(xué)生身體的疲憊等問題。設(shè)計(jì)方案通過在整體電路中設(shè)置高速閉合開關(guān)以及低速按鈕開關(guān)來替代溫控開關(guān)，解決傳統(tǒng)的汽車風(fēng)扇高低速控制裝置通常采用溫控開關(guān)，由此增加實(shí)驗(yàn)的時長和難度的問題；通過安裝熱敏電阻，熱敏電阻在長時間工作時溫度升高，電阻變大，整體電路會斷開，解決傳統(tǒng)的汽車風(fēng)扇高低速控制裝置，頻繁長時間放電增加實(shí)驗(yàn)電源蓄電池的損耗的問題；通過設(shè)置有移動輪以及升降支撐板，驅(qū)動移動輪移動整體裝置，驅(qū)動升降支撐板來控制裝置高度，解決傳統(tǒng)的汽車風(fēng)扇高低速控制裝置不方便移動，長時間不健康的操作姿勢會造成學(xué)生身體疲憊的問題。

1 現(xiàn)有汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置分析

1.1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況

在汽車電子風(fēng)扇線路連接的實(shí)驗(yàn)過程中，所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括實(shí)驗(yàn)桌、汽車電子風(fēng)扇兩個、四角繼電器兩個、五角繼電器一個、導(dǎo)線若干，由于現(xiàn)實(shí)中溫控開關(guān)的功能不便于實(shí)現(xiàn)，且需要進(jìn)行溫度控制，所以是在完成線路連接后直接使用搭鐵線的通斷來實(shí)現(xiàn)溫控開關(guān)的功能，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在操作人員和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用高度上，大學(xué)生身高一般在1.7～1.85 m，而實(shí)驗(yàn)桌的高度卻在1.2 m左右，實(shí)際操作過程中，操作人員經(jīng)常處于彎腰狀態(tài)，長期維持一個動作會增加操作人員的疲勞情況，若操作高度能控制在1.4～1.6 m，且可進(jìn)行相應(yīng)高度調(diào)節(jié)，將大大提高實(shí)驗(yàn)操作時的便捷、降低疲勞強(qiáng)度。如圖2、圖3所示。

圖2 操作人員與實(shí)驗(yàn)桌高度對比

圖3 操作過程彎腰情況

同時，在實(shí)驗(yàn)的過程中，操作人員需要頻繁對實(shí)驗(yàn)設(shè)備如蓄電池、實(shí)驗(yàn)桌進(jìn)行移動和搬抬，這樣勢必會在搬抬中存在安全隱患，且不便于實(shí)驗(yàn)操作，如圖4所示。

圖4 操作過程實(shí)驗(yàn)設(shè)備搬抬

1.2 現(xiàn)有汽車電子風(fēng)扇控制電路分析

汽車發(fā)動機(jī)的冷卻方式主要有水冷式和風(fēng)冷式兩種[2]。在實(shí)車中較為常用的是液體冷卻，即水冷式，通過散熱器散熱對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫，汽車發(fā)動機(jī)電子風(fēng)扇用于增加通過散熱器的空氣流量，加速散熱過程。

汽車電子風(fēng)扇控制電路主要是用在發(fā)動機(jī)冷卻過程中，汽車發(fā)動機(jī)在較高溫度的工作情況下必須進(jìn)行有效冷卻，從而保證發(fā)動機(jī)處在正常的工作溫度，以保證汽車發(fā)動機(jī)正常的工作性能、使用壽命以及發(fā)動機(jī)排放達(dá)到要求。汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)在此起著至關(guān)重要的作用。而汽車發(fā)動機(jī)冷卻系控制技術(shù)，主要用在汽車電子風(fēng)扇的控制過程。汽車風(fēng)扇高低速控制電路控制形式因車型不同而有所不同，其中以高低速溫控開關(guān)控制形式較為典型，該控制電路成本相對較低，控制過程實(shí)現(xiàn)難度不大，能較好地對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻工作。

在普及型轎車中應(yīng)用廣泛，采用兩個四角繼電器和一個五角繼電器通過溫控開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩個汽車電子風(fēng)扇高低速的轉(zhuǎn)換，是汽車電器電路中非常典型且具有代表性的控制電路，采用兩個四角繼電器和一個五角繼電器通過溫控開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩個汽車電子風(fēng)扇高低速的轉(zhuǎn)換[3]。汽車電子風(fēng)扇控制電路工作過程包括以下幾種情況：1）發(fā)動機(jī)冷卻液溫度較低時低于85 ℃，此時高速和低速溫控開關(guān)均不閉合，兩個汽車電子風(fēng)扇均不工作；2）當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度處于85～105 ℃時，此時，低速溫控開關(guān)閉合，高速溫控開關(guān)不閉合，兩個電子風(fēng)扇為串聯(lián)連接方式，低速運(yùn)轉(zhuǎn)；3）當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度大于 105 ℃時，此時，高速和低速溫控開關(guān)同時閉合，兩個電子風(fēng)扇為并聯(lián)連接方式，高速運(yùn)轉(zhuǎn)。對于汽車專業(yè)學(xué)習(xí)來說，若能進(jìn)行該控制電路的電路連接，可以將汽車電器相關(guān)知識進(jìn)行較好的應(yīng)用，且提高汽車電器安全操作、線路連接、故障排除的基本功，且為后續(xù)汽車電器的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

2 汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置方案設(shè)計(jì)

為了解決上述問題，本汽車風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置通過對汽車風(fēng)扇高低速控制電路和裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究內(nèi)容主要是使汽車電子風(fēng)扇電路更適用于汽車專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高設(shè)備使用安全性，汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)便于學(xué)生操作和使用。

2.1 汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置由支撐底架、移動輪、閉合卡扣、支撐架、轉(zhuǎn)動箱、固定架、收放架、旋轉(zhuǎn)柄、活動擋板、推桿、傳動帶、定滑輪及操作箱體等主要部件組成。汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括支撐底架，支撐底架上有升降控制裝置。其中升降控制裝置包括：移動輪、支撐架、轉(zhuǎn)動箱、一對固定架、收放架、旋轉(zhuǎn)柄、活動擋板、推桿、傳動帶、定滑輪、升降支撐板和控制組件；移動輪安裝在支撐底架下壁面，支撐架安裝在支撐底架上，一對固定架安裝在支撐架上，傳動箱安裝在一對固定架上，收放架安裝在傳動箱內(nèi)，旋轉(zhuǎn)柄安裝在收放架驅(qū)動端，活動擋板安裝在支撐架上，推桿安裝在支撐架上，定滑輪安裝在支撐架上端，傳動帶安裝在收放架上，升降支撐板安裝在支撐架另一側(cè)。

控制組件包括操作箱體、蓄電池、熱敏電阻、若干保險絲、第一四腳繼電器、高速閉合開關(guān)、第一風(fēng)扇、五腳繼電器、第二風(fēng)扇、第二四腳繼電器、導(dǎo)線和低速按鈕開關(guān)。操作箱體安裝在升降支撐板上，蓄電池安裝在操作箱體內(nèi)一側(cè)，熱敏電阻安裝在導(dǎo)線上，若干保險絲分別安裝在導(dǎo)線上，第一四腳繼電器安裝在操作箱體內(nèi)部，高速閉合開關(guān)安裝在導(dǎo)線上，第一風(fēng)扇安裝在導(dǎo)線上，五腳繼電器安裝在操作箱體內(nèi)部，第二風(fēng)扇安裝在導(dǎo)線上，第二四腳繼電器安裝在操作箱體內(nèi)部，低速按鈕開關(guān)安裝在導(dǎo)線上。

支撐架上安裝有限位環(huán)，通過限位環(huán)放置傳動帶發(fā)生偏移。升降支撐板上有加強(qiáng)板，通過加強(qiáng)板增加升降支撐板的強(qiáng)度。移動輪上安裝有閉合卡扣，通過閉合卡扣固定整體裝置防止產(chǎn)生位移。操作箱體上有抓耳，通過抓耳增加移動裝置時的舒適性。

當(dāng)需要對裝置整體移動升降時，首先推動推桿，通過推桿驅(qū)動移動輪將裝置移動到指定位置，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)柄，傳動帶在旋轉(zhuǎn)柄的作用下在收放架上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過定滑輪控制升降支撐板移動，升降高度，可根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。從而解決了實(shí)驗(yàn)裝置整體移動不便，各電器裝置移動不便的問題，這樣將實(shí)驗(yàn)設(shè)備均安裝在一個結(jié)構(gòu)整體上，且相對位置可調(diào)。

2.2 汽車電子風(fēng)扇控制電路改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

實(shí)車中的風(fēng)扇高低速控制電路，采用溫控開關(guān)進(jìn)行控制，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作后，若使用原車高低速溫控開關(guān)響應(yīng)，需要對溫控開關(guān)再次加熱控制，增加了實(shí)驗(yàn)的時長，且電路連接練習(xí)重點(diǎn)是驗(yàn)證線路連接正確與否，所以在控制電路設(shè)計(jì)時將實(shí)車的溫控開關(guān)替換成普通開關(guān)，這樣學(xué)生完成線路連接后可直接驗(yàn)證操作，若出現(xiàn)短路情況，學(xué)生可通過迅速斷開開關(guān)對電器設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，如圖6所示。

圖6 帶過載保護(hù)功能的汽車風(fēng)扇電路原理圖

在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)后都會比較有成就感，出于好奇會對電器設(shè)備通電時長沒有概念，結(jié)合實(shí)際情況和學(xué)生使用特點(diǎn)，在控制電路回路中加裝熱敏電阻。當(dāng)溫度升高時電阻值就會增大[4]，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中若學(xué)生長時間通電，會使得附加電阻溫度升高，阻值變大，當(dāng)超過附加電阻允許值時，由于附加電阻阻值增大，使得電流減小，這時無論第一風(fēng)扇V1和第二風(fēng)扇V2是高速運(yùn)轉(zhuǎn)還是低速運(yùn)轉(zhuǎn)電路，都近乎停止，這時學(xué)生按教師要求可斷開控制電路電源檢測并排除問題所在，從而能有效防止實(shí)驗(yàn)過程中長時間過放電對實(shí)驗(yàn)蓄電池的損壞，有效地保證了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的完好。圖6中的N1為附加電阻、K1為低速手動開關(guān)、K2為高速手動開關(guān)[5]。

3 汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)分析

3.1 基于設(shè)計(jì)方案的模擬分析

本實(shí)驗(yàn)裝置，主要解決實(shí)驗(yàn)使用過程中，電器設(shè)備如蓄電池、電子風(fēng)扇、控制電路等不便于移動和實(shí)驗(yàn)操作問題以及實(shí)車汽車電子風(fēng)扇控制電路不適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)等問題，通過在實(shí)驗(yàn)場地不同高度的操作實(shí)驗(yàn)臺選擇更符合人體工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)桌高度進(jìn)行記錄，以便確定后續(xù)汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置的升降高度；根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備將實(shí)車汽車電子風(fēng)扇控制電路，溫控開關(guān)部分，替換為普通開關(guān)，且在電路中設(shè)計(jì)熱敏電阻，對控制電路進(jìn)行過載保護(hù)；通過以上幾項(xiàng)改進(jìn)方案，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)教師與學(xué)生操作情況，切實(shí)可行。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，選取兩個班級分別進(jìn)行汽車電子風(fēng)扇線路連接，每班實(shí)驗(yàn)時長為45 min，將每班同學(xué)分成 4組，分別采用不同的實(shí)驗(yàn)桌高度進(jìn)行線路連接，通過學(xué)生與指導(dǎo)教師操作現(xiàn)場情況，最終確定實(shí)驗(yàn)裝置可調(diào)高度范圍作為汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置可調(diào)高度范圍區(qū)間，為學(xué)生實(shí)際操作最適宜高度區(qū)間，且經(jīng)過反復(fù)結(jié)合現(xiàn)場反復(fù)調(diào)研；控制電路部分分組進(jìn)行設(shè)計(jì)后的電路連接，由于采用了實(shí)驗(yàn)室常用開關(guān)，電路驗(yàn)證過程更加直觀，起到過載保護(hù)功能的溫控開關(guān)在通電時間達(dá)到3 min時，由于附加電阻溫度升高，阻值增大，實(shí)驗(yàn)學(xué)生若是初次連接會進(jìn)行線路連接判斷，找出故障現(xiàn)象所在，既鞏固了電路控制原理，又對實(shí)驗(yàn)電路的控制創(chuàng)新提供了思路，增強(qiáng)其電路分析及故障排除能力，起到了很好的電路保護(hù)功能。

3.3 汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用分析

通過對汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，可以將汽車專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所涉及的汽車電器線路連接實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)中，如起動系統(tǒng)線路連接、汽車輔助電器線路連接等，因?yàn)檫@些線路連接實(shí)驗(yàn)均會用到實(shí)驗(yàn)電源蓄電池、實(shí)驗(yàn)桌、電器元件等，其相對位置需要經(jīng)常移動，且通電時長通過增加附加電阻串入電路可增加對電器設(shè)備的保護(hù)。同時一些有操作安全隱患的電器元件可以通過實(shí)驗(yàn)裝置相應(yīng)位置進(jìn)行固定，因其起動力矩較大，且運(yùn)動部件外露，這些結(jié)構(gòu)如果直接放在普通實(shí)驗(yàn)桌上不便于觀察其工作過程，且存在運(yùn)轉(zhuǎn)安全隱患（如起動機(jī)、電子風(fēng)扇、玻璃升降器等）。該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及推廣有較大的市場空間和實(shí)用價值，經(jīng)過多年汽車專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，其實(shí)用性較高，同時也期待在不久的將來該實(shí)驗(yàn)裝置能真正投入市場進(jìn)行量產(chǎn)[6]。當(dāng)然該實(shí)驗(yàn)裝置還存在一些可更新和優(yōu)化的空間，可根據(jù)市場需求和具體操作要求進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

4 總結(jié)

通過以上汽車電子風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)以及電子風(fēng)扇控制電路的設(shè)計(jì)，有效地對實(shí)驗(yàn)裝置通電時長進(jìn)行了控制，從而最大限度保證了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用安全。實(shí)驗(yàn)裝置高度可根據(jù)學(xué)生的操作習(xí)慣和設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行有效范圍調(diào)節(jié)，更便于教師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作更加便捷。