汽车电子风扇实验装置设计与开发

徐长钊，毛理想，位翠翠，于 洋，张 坤

（山东华宇工学院，山东 德州 253000）

汽车电子风扇高低速控制电路，在汽车专业实验实训学习中属于比较典型的控制电路和结构，但是将汽车电子风扇高低速控制电路直接应用到实验实训教学，让学生进行线路连接学习，因实车电路中采用的温控开关会增加实验的时长和难度，使风扇控制电路一直处于通电工作状态，同时频繁长时间放电会增加实验电源蓄电池的损耗[1]，由于电瓶、控制电路以及电器元件都有一定重量，且实验学习过程中会经常移动设备，若没有移动升降装置，实验操作过程中电瓶、控制电路电器以及操作实验台不方便移动，同时长时间不健康的操作姿势会造成学生身体的疲惫等问题。设计方案通过在整体电路中设置高速闭合开关以及低速按钮开关来替代温控开关，解决传统的汽车风扇高低速控制装置通常采用温控开关，由此增加实验的时长和难度的问题；通过安装热敏电阻，热敏电阻在长时间工作时温度升高，电阻变大，整体电路会断开，解决传统的汽车风扇高低速控制装置，频繁长时间放电增加实验电源蓄电池的损耗的问题；通过设置有移动轮以及升降支撑板，驱动移动轮移动整体装置，驱动升降支撑板来控制装置高度，解决传统的汽车风扇高低速控制装置不方便移动，长时间不健康的操作姿势会造成学生身体疲惫的问题。

1 现有汽车电子风扇实验装置分析

1.1 现有实验设备情况

在汽车电子风扇线路连接的实验过程中，所用到的实验设备主要包括实验桌、汽车电子风扇两个、四角继电器两个、五角继电器一个、导线若干，由于现实中温控开关的功能不便于实现，且需要进行温度控制，所以是在完成线路连接后直接使用搭铁线的通断来实现温控开关的功能，如图1所示。

图1 现有实验设备

在操作人员和实验设备的使用高度上，大学生身高一般在1.7～1.85 m，而实验桌的高度却在1.2 m左右，实际操作过程中，操作人员经常处于弯腰状态，长期维持一个动作会增加操作人员的疲劳情况，若操作高度能控制在1.4～1.6 m，且可进行相应高度调节，将大大提高实验操作时的便捷、降低疲劳强度。如图2、图3所示。

图2 操作人员与实验桌高度对比

图3 操作过程弯腰情况

同时，在实验的过程中，操作人员需要频繁对实验设备如蓄电池、实验桌进行移动和搬抬，这样势必会在搬抬中存在安全隐患，且不便于实验操作，如图4所示。

图4 操作过程实验设备搬抬

1.2 现有汽车电子风扇控制电路分析

汽车发动机的冷却方式主要有水冷式和风冷式两种[2]。在实车中较为常用的是液体冷却，即水冷式，通过散热器散热对发动机冷却系统进行降温，汽车发动机电子风扇用于增加通过散热器的空气流量，加速散热过程。

汽车电子风扇控制电路主要是用在发动机冷却过程中，汽车发动机在较高温度的工作情况下必须进行有效冷却，从而保证发动机处在正常的工作温度，以保证汽车发动机正常的工作性能、使用寿命以及发动机排放达到要求。汽车发动机冷却系统在此起着至关重要的作用。而汽车发动机冷却系控制技术，主要用在汽车电子风扇的控制过程。汽车风扇高低速控制电路控制形式因车型不同而有所不同，其中以高低速温控开关控制形式较为典型，该控制电路成本相对较低，控制过程实现难度不大，能较好地对发动机冷却系统进行冷却工作。

在普及型轿车中应用广泛，采用两个四角继电器和一个五角继电器通过温控开关实现两个汽车电子风扇高低速的转换，是汽车电器电路中非常典型且具有代表性的控制电路，采用两个四角继电器和一个五角继电器通过温控开关实现两个汽车电子风扇高低速的转换[3]。汽车电子风扇控制电路工作过程包括以下几种情况：1）发动机冷却液温度较低时低于85 ℃，此时高速和低速温控开关均不闭合，两个汽车电子风扇均不工作；2）当发动机冷却液温度处于85～105 ℃时，此时，低速温控开关闭合，高速温控开关不闭合，两个电子风扇为串联连接方式，低速运转；3）当发动机冷却液温度大于 105 ℃时，此时，高速和低速温控开关同时闭合，两个电子风扇为并联连接方式，高速运转。对于汽车专业学习来说，若能进行该控制电路的电路连接，可以将汽车电器相关知识进行较好的应用，且提高汽车电器安全操作、线路连接、故障排除的基本功，且为后续汽车电器的学习打下良好的基础。

2 汽车电子风扇实验装置方案设计

为了解决上述问题，本汽车风扇实验装置通过对汽车风扇高低速控制电路和装置整体结构进行设计。研究内容主要是使汽车电子风扇电路更适用于汽车专业实验教学提高设备使用安全性，汽车电子风扇实验装置结构便于学生操作和使用。

2.1 汽车电子风扇实验装置的组成及结构特点

汽车电子风扇实验装置由支撑底架、移动轮、闭合卡扣、支撑架、转动箱、固定架、收放架、旋转柄、活动挡板、推杆、传动带、定滑轮及操作箱体等主要部件组成。汽车电子风扇实验装置的三维结构如图5所示。

图5 汽车电子风扇实验装置示意图

实验装置主要包括支撑底架，支撑底架上有升降控制装置。其中升降控制装置包括：移动轮、支撑架、转动箱、一对固定架、收放架、旋转柄、活动挡板、推杆、传动带、定滑轮、升降支撑板和控制组件；移动轮安装在支撑底架下壁面，支撑架安装在支撑底架上，一对固定架安装在支撑架上，传动箱安装在一对固定架上，收放架安装在传动箱内，旋转柄安装在收放架驱动端，活动挡板安装在支撑架上，推杆安装在支撑架上，定滑轮安装在支撑架上端，传动带安装在收放架上，升降支撑板安装在支撑架另一侧。

控制组件包括操作箱体、蓄电池、热敏电阻、若干保险丝、第一四脚继电器、高速闭合开关、第一风扇、五脚继电器、第二风扇、第二四脚继电器、导线和低速按钮开关。操作箱体安装在升降支撑板上，蓄电池安装在操作箱体内一侧，热敏电阻安装在导线上，若干保险丝分别安装在导线上，第一四脚继电器安装在操作箱体内部，高速闭合开关安装在导线上，第一风扇安装在导线上，五脚继电器安装在操作箱体内部，第二风扇安装在导线上，第二四脚继电器安装在操作箱体内部，低速按钮开关安装在导线上。

支撑架上安装有限位环，通过限位环放置传动带发生偏移。升降支撑板上有加强板，通过加强板增加升降支撑板的强度。移动轮上安装有闭合卡扣，通过闭合卡扣固定整体装置防止产生位移。操作箱体上有抓耳，通过抓耳增加移动装置时的舒适性。

当需要对装置整体移动升降时，首先推动推杆，通过推杆驱动移动轮将装置移动到指定位置，转动旋转柄，传动带在旋转柄的作用下在收放架上进行旋转，进而通过定滑轮控制升降支撑板移动，升降高度，可根据需要在一定范围内进行调整。从而解决了实验装置整体移动不便，各电器装置移动不便的问题，这样将实验设备均安装在一个结构整体上，且相对位置可调。

2.2 汽车电子风扇控制电路改进设计方案

实车中的风扇高低速控制电路，采用温控开关进行控制，学生完成实验操作后，若使用原车高低速温控开关响应，需要对温控开关再次加热控制，增加了实验的时长，且电路连接练习重点是验证线路连接正确与否，所以在控制电路设计时将实车的温控开关替换成普通开关，这样学生完成线路连接后可直接验证操作，若出现短路情况，学生可通过迅速断开开关对电器设备进行保护，如图6所示。

图6 带过载保护功能的汽车风扇电路原理图

在多年的实验教学中发现，学生在完成一项实验任务后都会比较有成就感，出于好奇会对电器设备通电时长没有概念，结合实际情况和学生使用特点，在控制电路回路中加装热敏电阻。当温度升高时电阻值就会增大[4]，当学生在实验过程中若学生长时间通电，会使得附加电阻温度升高，阻值变大，当超过附加电阻允许值时，由于附加电阻阻值增大，使得电流减小，这时无论第一风扇V1和第二风扇V2是高速运转还是低速运转电路，都近乎停止，这时学生按教师要求可断开控制电路电源检测并排除问题所在，从而能有效防止实验过程中长时间过放电对实验蓄电池的损坏，有效地保证了实验设备的完好。图6中的N1为附加电阻、K1为低速手动开关、K2为高速手动开关[5]。

3 汽车电子风扇实验装置实验分析

3.1 基于设计方案的模拟分析

本实验装置，主要解决实验使用过程中，电器设备如蓄电池、电子风扇、控制电路等不便于移动和实验操作问题以及实车汽车电子风扇控制电路不适用于实验教学等问题，通过在实验场地不同高度的操作实验台选择更符合人体工程学的实验桌高度进行记录，以便确定后续汽车电子风扇实验装置的升降高度；根据现有实验设备将实车汽车电子风扇控制电路，温控开关部分，替换为普通开关，且在电路中设计热敏电阻，对控制电路进行过载保护；通过以上几项改进方案，结合实际实验过程中指导教师与学生操作情况，切实可行。

3.2 实验验证

在实验教学过程中，选取两个班级分别进行汽车电子风扇线路连接，每班实验时长为45 min，将每班同学分成 4组，分别采用不同的实验桌高度进行线路连接，通过学生与指导教师操作现场情况，最终确定实验装置可调高度范围作为汽车电子风扇实验装置可调高度范围区间，为学生实际操作最适宜高度区间，且经过反复结合现场反复调研；控制电路部分分组进行设计后的电路连接，由于采用了实验室常用开关，电路验证过程更加直观，起到过载保护功能的温控开关在通电时间达到3 min时，由于附加电阻温度升高，阻值增大，实验学生若是初次连接会进行线路连接判断，找出故障现象所在，既巩固了电路控制原理，又对实验电路的控制创新提供了思路，增强其电路分析及故障排除能力，起到了很好的电路保护功能。

3.3 汽车电子风扇实验装置的应用分析

通过对汽车电子风扇实验装置的设计，可以将汽车专业实验教学中所涉及的汽车电器线路连接实验应用到该实验装置结构中，如起动系统线路连接、汽车辅助电器线路连接等，因为这些线路连接实验均会用到实验电源蓄电池、实验桌、电器元件等，其相对位置需要经常移动，且通电时长通过增加附加电阻串入电路可增加对电器设备的保护。同时一些有操作安全隐患的电器元件可以通过实验装置相应位置进行固定，因其起动力矩较大，且运动部件外露，这些结构如果直接放在普通实验桌上不便于观察其工作过程，且存在运转安全隐患（如起动机、电子风扇、玻璃升降器等）。该实验装置的设计及推广有较大的市场空间和实用价值，经过多年汽车专业实践教学，其实用性较高，同时也期待在不久的将来该实验装置能真正投入市场进行量产[6]。当然该实验装置还存在一些可更新和优化的空间，可根据市场需求和具体操作要求进行相应改进。

4 总结

通过以上汽车电子风扇实验装置结构以及电子风扇控制电路的设计，有效地对实验装置通电时长进行了控制，从而最大限度保证了实验设备的使用安全。实验装置高度可根据学生的操作习惯和设备的结构特点进行有效范围调节，更便于教师开展实验教学工作，学生实验操作更加便捷。