10607010209 黄安琪
摘要：起动机用于起动汽车发动机，汽车起动性能是衡量汽车性能的重要指标，是汽车发动机总成上的重要零部件之一，其性能直接影响到汽车整体的性能和可靠性。因此汽车起动电机综合性能测试台是汽车起动电机生产和开发中必不可少的关键设备。它要求能在模拟工况下完成汽车起动电机的空载试验、加载性能试验、堵转试验、电磁开关试验、断电能力试验、超速试验，在试验过程中分别测试起动电机的起动电流、电压、转速、扭矩、功率、效率、温度并画出电压、转速、扭矩、功率、效率、温度等与电流的关系曲线。其测试的特点是：测量项目多、测试时间短、测量范围宽、起动电流大、转速高。因此对检测设备的自动化程度、反应时间、适应范围提出了极高的要求。本文采用工业计算机、专用数据采集卡和现场总线设计的一种自动测试系统，这种测试系统能够满足启动电机性能自动测试和实验控制的要求。
Abstract: A starter for starting automobile engines, auto-start performance is an important indicator to measure performance of the car is a car engine assembly, one of the important components, its performance directly affects the overall vehicle performance and reliability. Therefore, comprehensive performance automobile starter motor auto starter motor test bed is an essential production and development of key equipment. It requires to be completed in a simulated operating conditions the motor vehicle starter load test, load performance test, locked rotor test, electromagnetic switch test, power capacity test, speed test, in the course of the experiment were tested starting the motor starting current, voltage, speed, torque, power, efficiency, temperature and draw the voltage, speed, torque, power, efficiency, temperature and current relationship between the curves. Its test is characterized by: measuring the project more test time is short, measuring range, starting current, high speed. Therefore, the degree of automation of the testing equipment, reaction time, presented a high adaptability requirements. In this paper, industrial computer, special-purpose data acquisition card and fieldbus design of an automatic test system, this test system to meet the start motor performance automatic test and experiment control requirements.
关键词：汽车启动机 性能测试试验 测试系统 （翻译成英文）
1绪论
起动机是将蓄电池提供的电能转化为机械能,通过起动机上的小齿轮与发动机飞轮啮合,利用减速增矩的方法带动飞轮旋转,由于飞轮与曲轴相连,所以活塞开始工作,供油系供油,点火系点火,使发动机启动起来。起动机要使发动机启动要满足两个条件:1.起动机的转矩足够大2.蓄电池电流足够大,保证起动机转速足够大。
我国汽车起动机的发展现状20世纪80年代始，随着我国汽车工业尤其是轿车工业的掘起与迅猛发展，起动机的发展十分迅速，各主要企业先后引进国际先进技术与产品，建立合资企业，如湖北神电汽车电动机有限公司引进美国GM公司DELCO-REMY的技术，中汽长电股份有限公司引进德国BOSCH公司的技术，上海法雷奥汽车电器系统有限公司引进法国VALEO的技术，天津电装汽车电动机有限公司引进日本电装的技术，开封拖拉机电动机厂引进日本管理，提高了起动机的技术水平，加大了开发与生产能力，使我国的起动机水平向前迈进了一大步。而一批新兴的企业如湖州德宏汽车电器系统股份有限公司、江苏恒力电动机集团股份有限公司等的出现和快速发展更是一只不可忽视的力量，起动机行业进入了百花争艳、百家争鸣的激列竞争的市场经济格局。目前，在轿车用起动机中，铁氧体永磁减速型起动机占据了绝对优势，上海桑塔纳、神龙富康、一汽－大众捷达、一汽红旗等轿车均已采用以引进技术生产的国产永磁减速起动机。这些起动机均已达到或接近国际先进水平，代表了我国当前起动机的水平。
起动机用于起动汽车发动机，汽车起动性能是衡量汽车性能的重要指标，是汽车发动机总成上的重要零部件之一，其性能直接影响到汽车整体的性能和可靠性。因此汽车起动电机综合性能测试台是汽车起动电机生产和开发中必不可少的关键设备。它要求能在模拟工况下完成汽车起动电机的空载试验、加载性能试验、堵转试验、电磁开关试验、断电能力试验、超速试验，在试验过程中分别测试起动电机的起动电流、电压、转速、扭矩、功率、效率、温度并画出电压、转速、扭矩、功率、效率、温度等与电流的关系曲线。其测试的特点是：测量项目多、测试时间短、测量范围宽、起动电流大、转速高。因此对检测设备的自动化程度、反应时间、适应范围提出了极高的要求。
2汽车启动机的组成结构及工作原理
（注意图重新统一编号！）
2.1汽车启动机的组成
起动机一般由直流电动机、传动机构和电磁开关三部分组成。起动机是作为启动发动机的作用，启动机上的齿轮工作时和发动机曲轴相连的飞轮咬合,驱动飞轮，带动发动机。负责汽车起步。汽车起动机的控制装置包括电磁开关、起动继电器和点火起动开关灯部件，其中电磁开关于起动机制作在一起。
直流电动机组成、作用、特性：直流电动机由电枢、磁极、外壳、电刷与刷架等组成。 起动机工作时间很短，所以一般采用滑动轴承。减速起动机由于其电枢的转速很高，电枢轴承则采用滚动轴承。
起动机传动机构：起动机的传动机构实际上是一个单向离合器。单向离合器的作用是单方向传递转矩，即起动发动机时将起动机的转矩传给发动机曲轴，而当发动机起动后，它又能自动打滑，不使飞轮齿环带动起动机电枢旋转，以免损坏起动机。单向离合器有滚柱式，摩擦片式、弹簧式、棘轮式等不同型式。其中，摩擦片式的单向离合器多用于大功率起动机。
电磁操纵机构： 起动机电磁操纵机构主要由吸引线圈、保持线圈、驱动杠杆、起动开关接触片等组成（注意图重新统一编号！）
2.2 汽车启动机的工作原理
汽车起动机的控制装置包括电磁开关、起动继电器和点火起动开关灯部件，其中电磁开关于起动机制作在一起。
2.2.1 电磁开关
电磁开关结构特点：电磁开关主要由电磁铁机构和电动机开关两部分组成。电磁铁机构由固定铁心、活动铁心、吸引线圈和保持线圈等组成。固定铁心固定不动，活动铁心可以在铜套里做轴向移动。活动铁心前端固定有推杆，推杆前端安装有开关触盘，活动铁心后段用调节螺钉和连接销与拨叉连接。铜套外面安装有复位弹簧，作用是使活动铁心等可移动部件复位。
电磁开关工作原理：当吸引线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相同时，其电磁吸力相互叠加，可以吸引活动铁心向前移动，直到推杆前端的触盘将电动开关触点接通势电动机主电路接通为止。当吸引线圈和保持线圈通电产生的磁痛方向相反时，其电磁吸力相互抵消，在复位弹簧的作用下，活动铁心等可移动部件自动复位，触盘与触点断开，电动机主电路断开。
2.2.2起动继电器
起动继电器由电磁铁机构和触点总成组成。线圈分别与壳体上的点火开关端子和搭铁端子“E”连接，固定触点与起动机端子“S”连接，活动触点经触点臂和支架与电池端子“BAT”相连。起动继电器触电为常开触点，当线圈通电时，继电器铁心便产生电磁力，使其触点闭合，从而将继电器控制的吸引线圈和保持线圈电路接通。
控制电路：控制电路包括起动继电器控制电路和起动机电磁开关控制电路。起动继电器控制电路是由点火开关控制的，被控制对象是继电器线圈电路。当接通点火开关起动挡时，电流从蓄电池政界经过起动机电源接线柱到电流表，在从电流表经点火开关，继电器线圈回到蓄电池负极。于是继电器铁心产生较强的电磁吸力，是继电器触点闭合，接通起动机电磁开关的控制电路。
主电路：电磁开关接通后，吸引线圈3和保持线圈4产生强的电磁引力，将起动机主电路接通。电路为：
蓄电池正极→起动机电源接线柱 → 电磁开关→ 励磁绕阻 → 电枢绕阻→搭铁→ 蓄电池负极，于是起动机产生电磁转距，起动发动机。
3 .汽车启动机的技术参数、测试标准及性能
3.1 性能
起动系统采用的起动机确定之后，可以从起动机产品技术条件中查出起动机空载性能参数（电压、电流、转速）、额定功率时的性能参数（电压、电流、转速、转矩）、制动性能参数（电压、电流、力矩）。再按ＱＣ／Ｔ ２７７规定的试验规范获得起动机特性曲线，见图４。
注意图重新统一编号
3.2 试验要求
某起动机的出厂性能测试要求如下：
输入电压： AC 三相380V ±10% /50HZ
测试功率： 1—3KW (满足12V/24V系列起动机测试要求)
输出电压: 0 ---25V 精度: ≤±0.5%
输出电流: 0 ––2000A 精度: ≤±1%
输入电流： ≤80A
转 速: 0 --15000r/min 精度: ≤±1%
转 矩: 0 ––40N.m 精度: ≤±0.5%
波 纹： ≤500mV
负载装置最大力矩：1000N*m
使用温度范围： -5－+40°C
湿度范围： 30－85%(相对湿度) 不结露水
该试验装置要能24小时连续工作，性能稳定可靠。
说明：转速和转矩不只是在显示屏上可以监控，还有信号端可以输出，以便于操作者记录和校对数据，所有电信号均转换成0－5V标准信号通过端子输出。
4汽车启动机测试系统试验台设计
启动电机试验自动采集与控制系统的设计主要是通过对试验电源系统的设计、电机型式试验台的设计、智能仪表采集显示系统的设计、计算机采集处理系统的设计及电机试验报告自动生成等五大部分着手，实现了对电机试验的各项数据，即直流电阻、绝缘电阻、电流、电压、功率、转速、温度、振动、噪声等实行自动采样，所有数据经计算机处理分析后，自动生成试验报告（见图？注意图重新统一编号）。
（注意图重新统一编号！）
主从：上位机利用实验室已有的PC机，为其配备相应的系统测试软件；下位机采用以单片机为核心设计的GPIB仪器或专用数据采集卡，单片机控制数据的采集和通信功能；大部分数据处理工作由上位机完成。 主从机之间可靠、迅捷的通信是系统设计的关键。
（注意图重新统一编号！）
4.1 测控系统硬件设计
4.1.1硬件结构
汽车起动电机测试台硬件系统主要由蓄电池模拟电源、交流测功机电力加载控制系统、气动系统、机械系统等部分组成。蓄电池模拟电源采用IGBT斩波可调电源，可根据试验的需要选择模拟电源或手调稳压电源。加载系统采用ABB最新一代的高性能直接转矩控制交流测功机，它使用三相鼠笼式异步电机作为加载设备，异步电机由变频器提供可变频率的驱动电源，并精确控制其转矩和转速，交流测功机吸收的能量直接回馈到电网。工件的装夹、工况的转换采用导轨式气动自动装夹系统。机械系统还包括发动机起动齿轮盘、惯量模拟盘以及联轴器、导轨、平台、工装夹具等。
汽车起动电机测试台测控系统由工业控制计算机、转矩转速传感器、温度传感变送器、电流电压传感器、位移传感器、位置接近传感器、气压压力开关以及数据采集卡、通讯卡、控制输出卡等组成。数据采集控制卡采用PCL-812PG，通过扩展端子板可以实现16路模拟量采集、2路模拟量输出、16路DI、16路DO；转矩转速的测量直接通过CAN通讯卡实现直接数字量读取。控制系统结构框图如图1所示。
4.1.2 工作原理
系统的控制过程主要是实现起动电机运行状态的模拟，以及各种极限工况的模拟。通过控制模拟电源，使起动电机工作在起动拖动状态，同时通过控制测功机模拟出汽车发动机在起动过程中的阻力实现对起动电机的加载。由继电器通过气动电磁阀对气缸、导轨等执行机构和测功机以及模拟电源的配合控制实现起动电机的空转、堵转、电磁开关试验、断电能力试验、超速试验、疲劳寿命试验等试验过程。计算机测试系统通过相应的传感器、变送器及计算机采集卡实现。转矩转速通过CAN卡实现全数字化采集。电流、电压、温度采用高精度的传感器和变送器通过滤波端子板由PCL-812PG数据采集卡采集。主装夹辅助装夹到位信号、电磁开关通断信号、手/自动转换信号、起动电源通断信号、故障信号等通过数字量隔离输入接口板由采集卡DI端口采集；起动电源通断信号、测功机起停通断信号、控制气缸动作信号、传感器切换信号、报警信号等由采集卡通过数字输出继电器接口板驱动。
4.2 测控系统软件设计
4.2.1软件结构
系统采用Windows程序设计，功能模块的切换采用分级菜单方式，各个试验功能共享系统设置相关参数，同时各试验模块相对，并可被成组编组在一起依次按任意设定顺序自动执行，系统的软件菜单结构如图2所示。
4.2.2 蓄电池特性模拟函数模块的设计
蓄电池特性的模拟是起动电机测控系统中重要的功能之一。在以往的试验过程中常常会使用稳压电源或开环的变压器整流电源，其特性通常会跟实车上的蓄电池的特性不一样，而导致测试结果不准确。也有时直接使用车用蓄电池来进行测试的，但是蓄电池特性多变使得测量出的结果很难得具有重复性，测试结果可靠性不高，同时，对蓄电池的充电、保养及更换增加了工作量，特别是一些极限测试还容易损伤蓄电池。于是我们设计了能模拟蓄电池伏安特性的模拟电源。其原理为一台由计算机控制的可调稳压电源。通过计算机调节函数控制使输出电压按照一定的要求随输出电流的变化而相应变化，其特性曲线能模拟多种蓄电池的伏安特性。根据实际需要，设计成有增量式多段直线拟合的特性模拟函数。
设由D/A对模拟电源的给定为V_set,由A/D采集到的电压、电流传感器的值经过归一化处理后分别为V、I，则对模拟电源的电压给定指令为
其中1、2……n为分段的段号，分段数量可设定。电池的特性由一列二维数组
（， ），（，）……（，）组成，该数组由电池的特性曲线计算出
来或实测得到，在设置窗口可以逐点设置或者由一定格式的文件读入。如果将段数设为1段，则
即为蓄电池的内阻，为蓄电池的初始电压，这是最简单常用的特性曲线。
4.2.3 加载试验模块的设计
系统的软件模块很多，其中加载试验模块软件结构图如图3所示。当运行该模块后，先检查夹具是否到位，然后由主气动阀将起动电机平移到加载工位，到位后起动模拟电源和测功机，按要求给定载荷大小，同时记录相关数据，然后停模拟电源和测功机，将电机移回初始预备工况。最后提示存储数据，然后进行数据处理。
4.2.4试验数据的后期处理
数据的采集后期处理主要有起动电机的输入、输出功率的计算，进而得出电机的能量转换效率；并实现电压、转速、扭矩、功率、效率、温度等与电流的关系曲线；通过设定起动电机的品质判断参数实现对电机品质等级的评价、报表的输出以及采集数据的存储、回放、多组数据的对比、以及试验项目管理、历史数据的管理等。
4.3 人机界面
控制程序以Microsoft Windows2000为运行环境，采用美国国家仪器有限公司(NI)的LabWindowsCVI7.0为开发平台[3]。该开发平台内建专业的测控系统专用的按钮、图表优化显示、数据分析工具。对板卡和计算机端口操作简单，大大缩短开发周期。所设计的软件系统采用菜单选择的模块化操作方式，每个试验项目对应一个专用的测试界面。图4为加载性能试验模块，是主要的试验界面之一。
系统设计有计算机调试操作程序模块，可以对每一个输出动作、输出信号以及输入信号单独进行试运行、标定以保证系统调试安全和得到准确的测量结果。
5 结论
通过对文献的阅读和分析我逐步了解了汽车启动电机的结构、工作原理、性能、技术参数及测试标准、发展趋势，通过使用各种各种软件及测试平台可以对汽车启动机综合性能进行初步测试。
参考文献：
1胡明义，汽车起动机结构、原理与检修[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007
2 杨树文 现代汽车发动机起动系统简论 【J】内燃机与动力装置2006.6
3 雷 霖. 微机自动检测与系统设计[M].北京:电子工业出版社,2003.
4肖顺利等 汽车起动电机试验台测控系统设计【J】电机控制与应用2008,35 ( 5 )
5 王玮钊等 LabVIEW的汽车变速器换挡性能测试系统【J】现代制造工程2009年 2
6 王文林 新型汽车起动机综合测试设备的研制工程设计学报【J】 2003.8
7 陈天殷 美日汽车起动机性能指标解析【J】汽车电器 2009.6
8 ZBT1101《启动机特性试验方法》
9 许文斌单片机实时数据采集系统设计【J】机械与电子-2009年5期
10徐灏主编．机械设计手册．机械工业出版社，1991.9
11 陈家瑞主编，《汽车构造》[M]，第二版，机械工业出版社，2003年
12 王兆安，黄俊主编，《电力电子技术》[M]， 第二版，北京：机械工业出版社2003年
13 王建新，《LabWindows/CVI测试技术及工程应用 》[M]，北京：化学工业出版社， 2006年
14 李茂森，《新型电机测试系统简介》，《电机控制与应用》[J]，2006年12期，33－34页
15 Kuebler, R. and Schielen, W., 2000, 《TwoMethods of Simulator Coupling》 Mathematical and Computer Modeling of Dynamic Systems,Vol. 6, No. 2, pp. 93--114.
16 Karnopp, D.C., Margolis, D.L. and Rosen-berg, R.C., 2000, System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronics Systems, John Wiley & Sons.下载本文
