起動機的匹配

李蕓蕓，田生虎，盧振東，吳功平，王瑞平，

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336;2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江寧波 315800)

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起動機的匹配

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)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336;2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江寧波 315800)

介紹汽車起動系統(tǒng)的相關組成部分，著重介紹在起動系統(tǒng)中起關鍵作用的起動機的組成結構及其工作原理，電磁開關控制起動機的轉動及驅動齒輪的嚙合、脫離情況，保證汽車正常起動對起動機的基本要求。在匹配設計過程中，根據經試驗測出的發(fā)動機的起動速度及起動轉矩，經過數據選擇和計算，簡要地對汽車起動系統(tǒng)中各組成部件的匹配情況做出規(guī)定。由于溫度對起動系統(tǒng)中各組成部件有一定的影響，在設計過程中要充分考慮溫度對起動性能的影響。

起動機；蓄電池；功率；扭矩；溫度

0　引言

汽車起動系統(tǒng)包括起動機、點火起動開關、蓄電池、起動繼電器和安全起動開關等部分。其中較核心的部件就是起動機了。

1　起動系統(tǒng)簡介

起動機又叫馬達，它是將蓄電池的電能轉化為機械能，驅動發(fā)動機飛輪旋轉實現(xiàn)發(fā)動機的起動，它是使汽車發(fā)動機由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)的一個部件。根據傳動機構和控制裝置的不同，起動機可分為慣性嚙合式起動機、機械嚙合式起動機、電磁嚙合式起動機和電樞移動式起動機。其中在汽油發(fā)動機上應用較廣泛的是電磁嚙合式起動機，如圖1所示為電磁嚙合式起動機的結構。起動機由以下三部分組成：直流電動機、傳動機構、控制機構。起動時，起動開關接通即點火鑰匙接通至起動擋，電磁開關的保持線圈和吸引線圈同時通電，在電流和電磁鐵心的作用下，產生磁場力使電磁開關接通驅動電動機，使之運轉；同時驅動控制機構工作即帶動撥叉將驅動齒輪推出，使之與發(fā)動機的飛輪起動齒圈嚙合；傳動機構將速度和扭矩通過單向離合器傳遞給發(fā)動機的飛輪，同時還保護起動機以免發(fā)動機起動后，飛輪帶動起動機電機超速旋轉而損壞；當發(fā)動機起動后，斷開起動開關，電動機停止運轉，撥叉返回原來位置，使驅動齒輪和飛輪起動齒圈脫離，起動機停止工作。

為了保證起動機正常工作，要求起動機具有以下5個特點：

(1)制動力矩大。起動機在剛接通時發(fā)動機阻力矩最大，因此起動機的起動力矩只有大于發(fā)動機在一個工作循環(huán)內的最大阻力矩時才可正常起動；

(2)良好的超越離合性。發(fā)動機正常起動且點火后，以很高的轉速反拖起動機，此時如果起動機的超越離合性差，很容易造成發(fā)動機帶動起動機運動從而燒毀損壞起動機，發(fā)動機工作后，起動機不能再和飛輪起動齒圈嚙合。也就表示控制機構能很好地工作，從而保護起動機；

(3)齒輪嚙合容易。保證齒輪和飛輪起動齒圈順利嚙合，從而保證順利起動；

(4)起動機工作可靠，經久耐用。每個起動機都要求有一定的使用壽命。

(5)起動機的電源由蓄電池提供，蓄電池的容量由起動機的消耗決定。

2　起動系統(tǒng)的匹配

起動機選擇主要決定于發(fā)動機，而蓄電池的容量則由起動機的消耗決定。起動機的選擇與兩個因素有關，分別是發(fā)動機在設定工作環(huán)境最低溫度下的阻轉矩和在設定工作環(huán)境最低溫度下發(fā)動機的最低起動速度。發(fā)動機阻轉矩包括摩擦阻力矩、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)境溫度有很大關系。溫度越低，機油黏度越大，從而使發(fā)動機的摩擦阻力矩增大，同時也會使燃油黏度變大，使燃油汽化困難，不利于燃油和空氣的混合，從而使混合氣點燃或壓燃困難，同時影響到壓縮阻力矩和發(fā)動機的最低起動速度。并且當溫度較低時，蓄電池的容量會變低，內阻會增加，致使輸入起動機的功率降低。所以選擇起動機的型號應以最低溫度時發(fā)動機的阻力矩和最低起動速度參數為依據。

通過標定試驗可以測出發(fā)動機起動時的轉速和阻力矩。通過標定測得某品牌一款發(fā)動機在-30 ℃時的起動轉速n1為140 r/min，起動阻力距M1為94 N·m。

P=(M ×n)/9 549.3

根據公式可算出起動功率約為1.378 kW，起動機到發(fā)動機的傳遞效率約為0.93，但在實際工作過程中這個傳遞效率都包括在標定測試內，所以起動機的輸出功率P1約為1.378 kW。發(fā)動機上起動齒輪的轉速為140 r/min，i取10，則起動機上起動齒輪的轉速n2約為1 400 r/min，起動機上起動齒輪的轉矩約為10 N·m。

起動機的電磁功率

P2=P1/ηd=1.378/0.9=1.531 kW

式中：ηd為電機電磁效率，按經驗及參考資料，ηd可取為0.9。

根據P2計算溫度為-30 ℃時，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時最大功率對應的比能量，實線表示UH為24 V最大功率對應的比能量。蓄電池的額定電壓為12 V，根據圖2可查出，在-30 ℃時，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

根據標準GB/T 5008.2-2013可查得取規(guī)格為120 A·h的蓄電池，查得起動電流為480 A。

在設計過程中，要求起動機的工作區(qū)在起動機的最大功率點附近，可設置起動機的最大功率為1.5 kW，在最大功率點時所對應的起動電流為480 A，經起動機輸入到發(fā)動機上的轉速和扭矩分別為1 400 r/min和10 N·m。在設計時，通過流經起動機的電流，可以確定起動機內的磁場強度；確定好起動機內部的線圈繞數及電樞等參數后，轉速和轉矩就可確定，再經過減速裝置就可得到發(fā)動機起動所需的最低轉速和扭矩。

減速裝置一般分為外嚙合式、內嚙合式和行星齒輪式，其中行星齒輪減速裝置是應用最廣泛的一種，其優(yōu)點是質量輕、噪聲低、安裝方便等。通過齒數確定傳動比，得到所需的轉速和扭矩，剩下的就只有與發(fā)動機起動齒圈嚙合的齒輪的相關數據確定。其中比較重要的是飛輪起動齒圈距起動機驅動齒輪端面的距離，這個數據的大小對起動性能及其壽命有很大的影響，距離過大，會造成驅動齒輪實際嚙入齒圈的有效長度過短，使齒輪受力不正常，導致齒頭疲勞折斷，同時使銑齒的情況加重，使齒圈損壞嚴重；過小會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，由于距離太小很可能會造成旋轉的飛輪齒圈打傷起動機的驅動齒輪，影響起動機壽命。一般飛輪齒圈到起動機驅動齒輪之間間隙值取(3±1) mm，必要時再增加調整墊片來實現(xiàn)。另外，軸向間隙的大小還會帶來起動機驅動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，鄰接碰撞力過大會導致齒面損傷、嚙入困難并發(fā)生頂齒故障。根據所需的最低起動轉速和扭矩可以確定傳動比，從而確定起動機驅動齒輪的齒數，再考慮齒輪壽命及經驗可以確定齒輪的模數、壓力角等

相關參數；起動齒輪硬度的選擇影響驅動齒輪與飛輪齒圈的耐磨性，設計時驅動齒輪比飛輪齒圈的硬度要高出HRC3～5，一般起動機驅動齒輪取HRC57～64，中小型飛輪齒圈取HRC45～50，大型發(fā)動機飛輪齒圈取HRC50～55，這樣的匹配對兩嚙合的齒輪壽命都有幫助，較合適。為了不影響起動機的工作性能及壽命，起動機安裝部位的溫度必須控制在60 ℃以下，所以起動機一般安裝在進氣側。

3　總結

(1)汽車起動系統(tǒng)包括起動機、點火起動開關、蓄電池、起動繼電器和安全起動開關等部分，其中較核心的部件就是起動機；

(2)起動機是由直流電動機、傳動機構、控制機構三部分構成，直流電動機控制起動機的運轉，傳動機構將功率傳遞給飛輪齒圈，而控制機構可以控制起動齒輪和飛輪齒圈的嚙合和脫離，起到保護起動機的作用；

(3)介紹起動系統(tǒng)的匹配。由于溫度對起動的影響非常大，為了保證起動正常，設計時考慮低溫時的起動性能配合，結合發(fā)動機的起動性能，設計蓄電池的容量及起動機的參數。

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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，研究方向為汽車發(fā)動機。E-mail：892839035@qq.com。