重型越野車(chē)低溫起動(dòng)電纜燒損機(jī)理探析

焦貴利， 許麗梅， 田澤梅， 李向國(guó)， 張學(xué)哲

（泰安航天特種車(chē)有限公司， 山東 泰安 271000）

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)在以自身動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)之前，必須借助外力旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)借助外力由靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到自行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。起動(dòng)系統(tǒng)是完成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的裝置，由蓄電池、起動(dòng)機(jī)、控制電路組成。起動(dòng)機(jī)是起動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，可以將蓄電池的電能轉(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)，由于操作簡(jiǎn)單、起動(dòng)迅速、具有重復(fù)起動(dòng)能力、可以遠(yuǎn)距離控制，因此被現(xiàn)代汽車(chē)廣泛采用，但同時(shí)也帶來(lái)了諸多電氣系統(tǒng)故障。如果起動(dòng)系統(tǒng)中零部件或線路出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常起動(dòng)，這不僅直接影響到整車(chē)性能，嚴(yán)重的甚至?xí)?lái)不可估量的損失。本文將以某重型越野車(chē)為例，探析低溫起動(dòng)過(guò)程中電纜燒損機(jī)理，提高車(chē)輛起動(dòng)性能。

1 故障現(xiàn)象

某重型越野車(chē)底盤(pán)進(jìn)行-40℃低溫起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)。按照規(guī)定操作流程，第1次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，駕駛員感覺(jué)起動(dòng)阻力較大，起動(dòng)機(jī)低速緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，明顯感覺(jué)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低（與同類(lèi)車(chē)型低溫起動(dòng)試驗(yàn)相比），駕駛室內(nèi)儀表指示燈變暗；第2次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)明顯著車(chē)跡象；第3次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍無(wú)明顯著車(chē)跡象，隨即現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)至蓄電池的連接電纜（簡(jiǎn)稱(chēng)起動(dòng)電纜） 絕緣層出現(xiàn)燒灼脫落、蓄電池箱內(nèi)部連接電纜燒斷現(xiàn)象，圖1為起動(dòng)電纜燒損。

2 故障定位

針對(duì)某重型越野車(chē)起動(dòng)電纜燒損問(wèn)題，結(jié)合故障發(fā)生過(guò)程和對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，以起動(dòng)電纜燒損為頂事件列故障樹(shù)，圖2為起動(dòng)電纜燒損故障樹(shù)。

圖1 起動(dòng)電纜燒損

圖2 起動(dòng)電纜燒損故障樹(shù)

2.1 起動(dòng)機(jī)品質(zhì)問(wèn)題

車(chē)輛低溫試驗(yàn)后，現(xiàn)場(chǎng)從故障車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)上拆下起動(dòng)機(jī)，在其它同類(lèi)型車(chē)輛上進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)，起動(dòng)機(jī)仍能夠正常起動(dòng)車(chē)輛；隨后又進(jìn)一步對(duì)起動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆檢，未發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在短路現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)內(nèi)部線圈和導(dǎo)線表面顏色發(fā)黑現(xiàn)象，圖3為起動(dòng)機(jī)拆檢。對(duì)比同類(lèi)型進(jìn)行過(guò)3次低溫試驗(yàn)的重型越野車(chē)底盤(pán)，按照規(guī)定的操作流程進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)，均在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)成功，檢查起動(dòng)機(jī)未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。針對(duì)上述現(xiàn)象咨詢(xún)起動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家，造成此現(xiàn)象原因?yàn)槠饎?dòng)機(jī)進(jìn)行大電流長(zhǎng)時(shí)間工作，而非起動(dòng)機(jī)品質(zhì)問(wèn)題。

圖3 起動(dòng)機(jī)拆檢

2.2 電纜設(shè)計(jì)選型問(wèn)題

車(chē)輛配套起動(dòng)電纜采用QVR 70mm2公路車(chē)輛低壓電纜，其性能符合JB/T 8139-1999《公路車(chē)輛用低壓電纜（電線）》相關(guān)要求，復(fù)查車(chē)輛起動(dòng)電路線路最大電壓損失設(shè)計(jì)為0.3V，符合《汽車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于24V電系起動(dòng)電路線路最大電壓損失不大于1V的要求。同時(shí)考察電纜大電流承載能力，圖4為車(chē)輛-40℃低溫起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表1為-40℃環(huán)境溫度下QVR 70mm2電纜允許過(guò)負(fù)荷時(shí)間，對(duì)照?qǐng)D4車(chē)輛低溫起動(dòng)電流的典型值2500A左右持續(xù)時(shí)間為3s，1500A左右持續(xù)時(shí)間為20s，對(duì)比分析結(jié)果表明QVR 70mm2電纜承載能力足夠；并且該型電纜已配套10余年，隨某系列重型越野車(chē)底盤(pán)數(shù)次完成-40℃低溫試驗(yàn)，性能可靠。

圖4 車(chē)輛-40℃低溫起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 -40℃環(huán)境溫度下QVR 70mm2電纜允許過(guò)負(fù)荷時(shí)間

2.3 電纜裝配問(wèn)題

車(chē)輛低溫試驗(yàn)后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)車(chē)輛電氣線路進(jìn)行了全面檢查，配套起動(dòng)電纜捆扎固定牢固，電纜外套聚氯乙烯波紋管保護(hù)，電纜走向中無(wú)鋒利或粗糙表面，未發(fā)現(xiàn)起動(dòng)電纜因磨損搭鐵而造成短路現(xiàn)象；在檢查起動(dòng)電纜與電源總開(kāi)關(guān)的連接情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)電纜與電源總開(kāi)關(guān)的連接螺母未緊固到位，連接螺栓、電纜端子及電源總開(kāi)關(guān)接線柱燒蝕，經(jīng)與試驗(yàn)前車(chē)輛維護(hù)人員進(jìn)行溝通確認(rèn)，試驗(yàn)前僅僅進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)功能檢查，未對(duì)此處連接進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢查確認(rèn)，故電纜裝配問(wèn)題不能排除，圖5為故障車(chē)輛起動(dòng)電纜連接。

圖5 故障車(chē)輛起動(dòng)電纜連接

綜合上述分析和故障現(xiàn)象，由于電纜連接螺母未緊固到位，造成起動(dòng)電路接觸電阻增加，使起動(dòng)機(jī)兩端電壓降低，致使起動(dòng)機(jī)無(wú)法輸出額定功率，難以克服發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力，發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下不能正常起動(dòng)；正常情況下在起動(dòng)之初存在短時(shí)間大電流，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升，電流逐漸下降；此次試驗(yàn)因發(fā)動(dòng)機(jī)未正常起動(dòng)，造成起動(dòng)電路處于持續(xù)大電流工作狀態(tài)，導(dǎo)致起動(dòng)電纜燒損。

3 故障機(jī)理

3.1 起動(dòng)機(jī)組成原理

車(chē)輛配套起動(dòng)機(jī)為BOSCH 24V 9kW復(fù)勵(lì)齒輪移動(dòng)式起動(dòng)機(jī)，圖6為起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，它由直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)3部分組成，即由定子磁極9、電樞轉(zhuǎn)子23、勵(lì)磁繞組24、換向器19、電刷20、電刷架21等組成的直流電動(dòng)機(jī)，由螺旋花鍵軸2、嚙合桿3、螺旋花鍵套4、摩擦片或離合器5、離合器外殼6、小齒輪27等組成的嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由控制繼電器11、吸引繼電器16、主觸點(diǎn)動(dòng)片13、止動(dòng)板14等組成的電磁式操縱機(jī)構(gòu)。圖7為起動(dòng)機(jī)電氣原理。

柴油機(jī)的起動(dòng)過(guò)程分2個(gè)階段。

圖6 起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

第1階段，起動(dòng)機(jī)接線柱30接蓄電池正極，31接蓄電池負(fù)極。當(dāng)接線柱50接通蓄電池正極時(shí)，控制繼電器11的線圈和吸引繼電器16的保持線圈通電，控制繼電器主觸點(diǎn)動(dòng)片13和止動(dòng)板14均被吸動(dòng)，主觸點(diǎn)動(dòng)片13上部與接線柱30接通。由于止動(dòng)板被鎖片12卡住，主觸點(diǎn)動(dòng)片13下部不能與勵(lì)磁繞組24接通，于是并勵(lì)繞組和輔助繞組（均在勵(lì)磁繞組24內(nèi)）以及吸引繼電器16的吸引線圈均通電，流過(guò)輔助繞組和吸引繼電器吸引線圈的電流經(jīng)電樞轉(zhuǎn)子23構(gòu)成回路。電樞轉(zhuǎn)子緩慢旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)離合器外殼6、摩擦片、螺旋花鍵套4、螺旋花鍵軸2、小齒輪27一起緩慢旋轉(zhuǎn)；與此同時(shí)，吸引繼電器16的芯桿被吸引，推動(dòng)嚙合桿3、螺旋花鍵軸2、小齒輪27向外伸出，實(shí)現(xiàn)小齒輪與飛輪齒圈嚙合。

第2階段，當(dāng)小齒輪與飛輪齒圈嚙合寬度大于17mm時(shí)，扣片15將鎖片12向上頂起，止動(dòng)板14被釋放，主觸點(diǎn)動(dòng)片13下部與串勵(lì)繞組（在勵(lì)磁繞組24內(nèi)） 接通。來(lái)自蓄電池的大電流直接通過(guò)串勵(lì)繞組的電樞回路，起動(dòng)機(jī)發(fā)出全部功率，飛輪加速旋轉(zhuǎn)，柴油機(jī)“著火”起動(dòng)。為防止柴油機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后反過(guò)來(lái)帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使起動(dòng)機(jī)飛散，在小齒輪與電樞軸之間的摩擦片式離合器5超速打滑，使起動(dòng)機(jī)不受損壞。斷開(kāi)接線柱50的電源，起動(dòng)機(jī)停止工作，小齒輪在回位彈簧22的作用下回到原位。

圖7 起動(dòng)機(jī)電氣原理

3.2 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)節(jié)特性

直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩均會(huì)自動(dòng)地作相應(yīng)的變化，以滿足不同負(fù)載的需要。其原理如下。

通電的線圈在磁場(chǎng)中受力而轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的線圈切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向和線圈電流方向相反，電動(dòng)勢(shì)的大小為E反=Ceφn （Ce為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)，φ為磁極磁通，n為電樞轉(zhuǎn)速）。

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電壓平衡方程式為Ub=E反+IaRa（Ia為電樞電流，Ra為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻），則電樞電流為Ia=（Ub-E反）/Ra，因此可得出如下結(jié)論。

負(fù)載↓→電樞軸上阻力矩↓→電樞轉(zhuǎn)速↑→E反↑→Ia↓→電磁轉(zhuǎn)矩↓→直至電磁轉(zhuǎn)矩減至與阻轉(zhuǎn)矩相等→電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載以較高轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

負(fù)載↑→電樞軸上阻力矩↑→電樞轉(zhuǎn)速↓→E反↓→Ia↑→電磁轉(zhuǎn)矩↑→直至電磁轉(zhuǎn)矩增至與阻轉(zhuǎn)矩相等→電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載以較低轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖8為起動(dòng)機(jī)-20℃特性曲線，由圖8可知：起動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速較低，通過(guò)轉(zhuǎn)速曲線n可知此時(shí)起動(dòng)機(jī)處于大電流工作狀態(tài)，通過(guò)扭矩曲線M可知此時(shí)起動(dòng)機(jī)輸出較大扭矩，當(dāng)輸出扭矩克服阻力矩后，起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之提升，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電流逐漸下降。

由該起動(dòng)機(jī)特性曲線得出的結(jié)論與原理特性相一致。

圖8 起動(dòng)機(jī)-20℃特性曲線

3.3 機(jī)理分析

低溫起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩大，即起動(dòng)機(jī)工作負(fù)載大，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速低，起動(dòng)機(jī)處于大電流工作狀態(tài)，隨著電流增加，起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩提升，直至轉(zhuǎn)矩增至與阻轉(zhuǎn)矩相等，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載以較低轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

正常情況下大電流的持續(xù)時(shí)間很短，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，個(gè)別缸的“自爆燃”使起動(dòng)機(jī)的負(fù)載下降，起動(dòng)機(jī)上阻力矩下降，起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電流下降。

如果起動(dòng)電纜與電源總開(kāi)關(guān)因連接螺母未緊固到位，造成起動(dòng)電路接觸電阻增加，使起動(dòng)機(jī)端電壓降低，致使起動(dòng)機(jī)無(wú)法輸出額定功率，難以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)別缸出現(xiàn)“自爆燃”現(xiàn)象，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)將以較低轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

此次起動(dòng)試驗(yàn)操作中，駕駛員感覺(jué)發(fā)動(dòng)機(jī)低速緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間無(wú)明顯提升，說(shuō)明試驗(yàn)時(shí)起動(dòng)機(jī)處于持續(xù)大電流工作狀態(tài)。

起動(dòng)電纜與電源總開(kāi)關(guān)因連接螺母未緊固到位，造成此處接觸電阻增加，由于電路中存在持續(xù)大電流，由焦耳定律可知，此處會(huì)產(chǎn)生較高熱量；在此次低溫試驗(yàn)過(guò)程中，起動(dòng)電流可達(dá)甚至超過(guò)2500A （電纜允許通電時(shí)間為40s），接觸熱量聚集，使燒蝕拓展，當(dāng)溫度超過(guò)絕緣層軟化溫度后，導(dǎo)線絕緣層會(huì)變軟直至融化。蓄電池箱內(nèi)電纜交叉連接，相互接觸，由于電纜絕緣層脫落而失去絕緣保護(hù)作用，進(jìn)而造成蓄電池正極、負(fù)極接線柱間的連接電纜短路燒斷，圖9為電纜燒蝕后短路點(diǎn)。

圖9 電纜燒蝕后短路點(diǎn)

4 采取措施

更換燒損電纜、緊固未緊固到位的螺母，在狀態(tài)檢查中增加對(duì)起動(dòng)電纜的連接情況檢查，用力矩扳手檢查連接螺栓力矩是否符合25～32Nm的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某重型越野車(chē)低溫起動(dòng)過(guò)程中電纜燒損故障機(jī)理分析和解決，整改后的車(chē)輛圓滿完成低溫起動(dòng)試驗(yàn)，可有效提高車(chē)輛高寒環(huán)境適應(yīng)性，保障上裝設(shè)備正常工作，這對(duì)于特種重型越野車(chē)尤為重要。