起動(dòng)機(jī)的匹配

李蕓蕓，田生虎，盧振東，吳功平，王瑞平，

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336;2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江寧波 315800)

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起動(dòng)機(jī)的匹配

李蕓蕓1，田生虎1，盧振東1，吳功平2，王瑞平1，2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336;2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江寧波 315800)

介紹汽車起動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)組成部分，著重介紹在起動(dòng)系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的起動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及其工作原理，電磁開關(guān)控制起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)齒輪的嚙合、脫離情況，保證汽車正常起動(dòng)對(duì)起動(dòng)機(jī)的基本要求。在匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)出的發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)速度及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)選擇和計(jì)算，簡(jiǎn)要地對(duì)汽車起動(dòng)系統(tǒng)中各組成部件的匹配情況做出規(guī)定。由于溫度對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)中各組成部件有一定的影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮溫度對(duì)起動(dòng)性能的影響。

起動(dòng)機(jī)；蓄電池；功率；扭矩；溫度

0　引言

汽車起動(dòng)系統(tǒng)包括起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火起動(dòng)開關(guān)、蓄電池、起動(dòng)繼電器和安全起動(dòng)開關(guān)等部分。其中較核心的部件就是起動(dòng)機(jī)了。

1　起動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

起動(dòng)機(jī)又叫馬達(dá)，它是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，它是使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)部件。根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制裝置的不同，起動(dòng)機(jī)可分為慣性嚙合式起動(dòng)機(jī)、機(jī)械嚙合式起動(dòng)機(jī)、電磁嚙合式起動(dòng)機(jī)和電樞移動(dòng)式起動(dòng)機(jī)。其中在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較廣泛的是電磁嚙合式起動(dòng)機(jī)，如圖1所示為電磁嚙合式起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。起動(dòng)機(jī)由以下三部分組成：直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)。起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)開關(guān)接通即點(diǎn)火鑰匙接通至起動(dòng)擋，電磁開關(guān)的保持線圈和吸引線圈同時(shí)通電，在電流和電磁鐵心的作用下，產(chǎn)生磁場(chǎng)力使電磁開關(guān)接通驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使之運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)工作即帶動(dòng)撥叉將驅(qū)動(dòng)齒輪推出，使之與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪起動(dòng)齒圈嚙合；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將速度和扭矩通過(guò)單向離合器傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，同時(shí)還保護(hù)起動(dòng)機(jī)以免發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，飛輪帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)電機(jī)超速旋轉(zhuǎn)而損壞；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，斷開起動(dòng)開關(guān)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，撥叉返回原來(lái)位置，使驅(qū)動(dòng)齒輪和飛輪起動(dòng)齒圈脫離，起動(dòng)機(jī)停止工作。

為了保證起動(dòng)機(jī)正常工作，要求起動(dòng)機(jī)具有以下5個(gè)特點(diǎn)：

(1)制動(dòng)力矩大。起動(dòng)機(jī)在剛接通時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩最大，因此起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩只有大于發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的最大阻力矩時(shí)才可正常起動(dòng)；

(2)良好的超越離合性。發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)且點(diǎn)火后，以很高的轉(zhuǎn)速反拖起動(dòng)機(jī)，此時(shí)如果起動(dòng)機(jī)的超越離合性差，很容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)從而燒毀損壞起動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，起動(dòng)機(jī)不能再和飛輪起動(dòng)齒圈嚙合。也就表示控制機(jī)構(gòu)能很好地工作，從而保護(hù)起動(dòng)機(jī)；

(3)齒輪嚙合容易。保證齒輪和飛輪起動(dòng)齒圈順利嚙合，從而保證順利起動(dòng)；

(4)起動(dòng)機(jī)工作可靠，經(jīng)久耐用。每個(gè)起動(dòng)機(jī)都要求有一定的使用壽命。

(5)起動(dòng)機(jī)的電源由蓄電池提供，蓄電池的容量由起動(dòng)機(jī)的消耗決定。

2　起動(dòng)系統(tǒng)的匹配

起動(dòng)機(jī)選擇主要決定于發(fā)動(dòng)機(jī)，而蓄電池的容量則由起動(dòng)機(jī)的消耗決定。起動(dòng)機(jī)的選擇與兩個(gè)因素有關(guān)，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定工作環(huán)境最低溫度下的阻轉(zhuǎn)矩和在設(shè)定工作環(huán)境最低溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)的最低起動(dòng)速度。發(fā)動(dòng)機(jī)阻轉(zhuǎn)矩包括摩擦阻力矩、壓縮阻力矩和慣性阻力矩，其中摩擦阻力矩和壓縮阻力矩與環(huán)境溫度有很大關(guān)系。溫度越低，機(jī)油黏度越大，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦阻力矩增大，同時(shí)也會(huì)使燃油黏度變大，使燃油汽化困難，不利于燃油和空氣的混合，從而使混合氣點(diǎn)燃或壓燃困難，同時(shí)影響到壓縮阻力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)的最低起動(dòng)速度。并且當(dāng)溫度較低時(shí)，蓄電池的容量會(huì)變低，內(nèi)阻會(huì)增加，致使輸入起動(dòng)機(jī)的功率降低。所以選擇起動(dòng)機(jī)的型號(hào)應(yīng)以最低溫度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩和最低起動(dòng)速度參數(shù)為依據(jù)。

通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)可以測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和阻力矩。通過(guò)標(biāo)定測(cè)得某品牌一款發(fā)動(dòng)機(jī)在-30 ℃時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速n1為140 r/min，起動(dòng)阻力距M1為94 N·m。

P=(M ×n)/9 549.3

根據(jù)公式可算出起動(dòng)功率約為1.378 kW，起動(dòng)機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞效率約為0.93，但在實(shí)際工作過(guò)程中這個(gè)傳遞效率都包括在標(biāo)定測(cè)試內(nèi)，所以起動(dòng)機(jī)的輸出功率P1約為1.378 kW。發(fā)動(dòng)機(jī)上起動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速為140 r/min，i取10，則起動(dòng)機(jī)上起動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速n2約為1 400 r/min，起動(dòng)機(jī)上起動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)矩約為10 N·m。

起動(dòng)機(jī)的電磁功率

P2=P1/ηd=1.378/0.9=1.531 kW

式中：ηd為電機(jī)電磁效率，按經(jīng)驗(yàn)及參考資料，ηd可取為0.9。

根據(jù)P2計(jì)算溫度為-30 ℃時(shí)，蓄電池額定容量C20的值。蓄電池額定容量可用下式表示：

C20=P2L/UH

式中：P2為功率，L為比能量，UH為蓄電池的額定電壓。圖2中虛線表示UH為12 V時(shí)最大功率對(duì)應(yīng)的比能量，實(shí)線表示UH為24 V最大功率對(duì)應(yīng)的比能量。蓄電池的額定電壓為12 V，根據(jù)圖2可查出，在-30 ℃時(shí)，功率為1.531 kW處的比能量L取950，則C20可表示為：

C20=P2L/UH=1.531×950/12=121.213

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5008.2-2013可查得取規(guī)格為120 A·h的蓄電池，查得起動(dòng)電流為480 A。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求起動(dòng)機(jī)的工作區(qū)在起動(dòng)機(jī)的最大功率點(diǎn)附近，可設(shè)置起動(dòng)機(jī)的最大功率為1.5 kW，在最大功率點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流為480 A，經(jīng)起動(dòng)機(jī)輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)速和扭矩分別為1 400 r/min和10 N·m。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)流經(jīng)起動(dòng)機(jī)的電流，可以確定起動(dòng)機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；確定好起動(dòng)機(jī)內(nèi)部的線圈繞數(shù)及電樞等參數(shù)后，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩就可確定，再經(jīng)過(guò)減速裝置就可得到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最低轉(zhuǎn)速和扭矩。

減速裝置一般分為外嚙合式、內(nèi)嚙合式和行星齒輪式，其中行星齒輪減速裝置是應(yīng)用最廣泛的一種，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、噪聲低、安裝方便等。通過(guò)齒數(shù)確定傳動(dòng)比，得到所需的轉(zhuǎn)速和扭矩，剩下的就只有與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒圈嚙合的齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)確定。其中比較重要的是飛輪起動(dòng)齒圈距起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪端面的距離，這個(gè)數(shù)據(jù)的大小對(duì)起動(dòng)性能及其壽命有很大的影響，距離過(guò)大，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)際嚙入齒圈的有效長(zhǎng)度過(guò)短，使齒輪受力不正常，導(dǎo)致齒頭疲勞折斷，同時(shí)使銑齒的情況加重，使齒圈損壞嚴(yán)重；過(guò)小會(huì)造成齒輪嚙合成功率降低，尤其是在蓄電池放電特性下降的情況下，在脫離時(shí)，由于距離太小很可能會(huì)造成旋轉(zhuǎn)的飛輪齒圈打傷起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪，影響起動(dòng)機(jī)壽命。一般飛輪齒圈到起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪之間間隙值取(3±1) mm，必要時(shí)再增加調(diào)整墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，軸向間隙的大小還會(huì)帶來(lái)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和飛輪齒圈嚙合前鄰接碰撞力大小的變化。一般間隙越大鄰接碰撞力越大，鄰接碰撞力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致齒面損傷、嚙入困難并發(fā)生頂齒故障。根據(jù)所需的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速和扭矩可以確定傳動(dòng)比，從而確定起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒數(shù)，再考慮齒輪壽命及經(jīng)驗(yàn)可以確定齒輪的模數(shù)、壓力角等

相關(guān)參數(shù)；起動(dòng)齒輪硬度的選擇影響驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈的耐磨性，設(shè)計(jì)時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪比飛輪齒圈的硬度要高出HRC3～5，一般起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪取HRC57～64，中小型飛輪齒圈取HRC45～50，大型發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈取HRC50～55，這樣的匹配對(duì)兩嚙合的齒輪壽命都有幫助，較合適。為了不影響起動(dòng)機(jī)的工作性能及壽命，起動(dòng)機(jī)安裝部位的溫度必須控制在60 ℃以下，所以起動(dòng)機(jī)一般安裝在進(jìn)氣側(cè)。

3　總結(jié)

(1)汽車起動(dòng)系統(tǒng)包括起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火起動(dòng)開關(guān)、蓄電池、起動(dòng)繼電器和安全起動(dòng)開關(guān)等部分，其中較核心的部件就是起動(dòng)機(jī)；

(2)起動(dòng)機(jī)是由直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成，直流電動(dòng)機(jī)控制起動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將功率傳遞給飛輪齒圈，而控制機(jī)構(gòu)可以控制起動(dòng)齒輪和飛輪齒圈的嚙合和脫離，起到保護(hù)起動(dòng)機(jī)的作用；

(3)介紹起動(dòng)系統(tǒng)的匹配。由于溫度對(duì)起動(dòng)的影響非常大，為了保證起動(dòng)正常，設(shè)計(jì)時(shí)考慮低溫時(shí)的起動(dòng)性能配合，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，設(shè)計(jì)蓄電池的容量及起動(dòng)機(jī)的參數(shù)。

【1】楊河清.汽車起動(dòng)機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)與整車匹配[J].輕型汽車技術(shù)，2000(3)：51-54.

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【7】張玲玲，張小印.汽車起動(dòng)機(jī)性能要求的確定方法[J].汽車電器，2000(3)：6-7.

Starter Matching

LI Yunyun1，TIAN Shenghu1，LU Zhendong1，WU Gongping2，WANG Ruiping1，2

(1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315336,China;2.Zhejiang Geely Royal Engine Co.,Ltd., Ningbo Zhejiang 315800,China)

The relevant sect1s of the auto starting system were introduced. The structure and working principle of the starter that played a key role in starting system were emphasized. Electromagnetic switch was used to control the rotation of the starter and engagement and detachment situation of drive gear, to ensure the basic requirement of automobile normal start to the starter. In the design process, according to measured starting velocity and starting torque of engine, through selection and calculation, the matching conditions of the components of auto starting system were stipulated. Due to the temperature has a great influence, the effect of temperature on the starting performance should be considered in the design process.

Starter; Accumulator; Power; Torque; Temperature

2015-04-03

李蕓蕓(1989—)，女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)。E-mail：892839035@qq.com。