起動機(jī)驅(qū)動齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的匹配研究

曹煜林，王天利，王　健，白　昆，王建寧

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州　121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州　121013）

起動機(jī)驅(qū)動齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的匹配研究

曹煜林1，王天利1，王健2，白昆2，王建寧2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州121013）

起動機(jī)起動發(fā)動機(jī)時，為了保證起動機(jī)驅(qū)動齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈順利嚙合、傳動和脫離，對起動機(jī)驅(qū)動齒輪進(jìn)行匹配分析；并為保證匹配，對起動機(jī)驅(qū)動齒輪進(jìn)行變位設(shè)計和采取偏心結(jié)構(gòu)。

起動機(jī)驅(qū)動齒輪；飛輪齒圈；傳動比；重合度；偏心結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)起動時，起動機(jī)驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈進(jìn)行嚙合，將起動機(jī)發(fā)出的動力傳遞給發(fā)動機(jī)，使發(fā)動機(jī)起動。為了保證起動機(jī)驅(qū)動齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的嚙合、傳動和脫離，驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈匹配應(yīng)滿足一定的要求。此外，在起動過程中也應(yīng)滿足起動機(jī)起動發(fā)動機(jī)的2個基本條件，即產(chǎn)生足夠高的起動轉(zhuǎn)速和克服發(fā)動機(jī)起動阻力矩。為了滿足起動機(jī)起動條件，使驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈順利嚙合、傳動和脫離，需對起動機(jī)驅(qū)動齒輪和發(fā)動機(jī)飛輪齒圈進(jìn)行合理匹配。

1　起動性能匹配

發(fā)動機(jī)起動時，必須克服氣缸內(nèi)被壓縮氣體的阻力和發(fā)動機(jī)本身及附件內(nèi)相對運(yùn)動的摩擦阻力。同時為了防止氣缸漏氣和熱量散失過多，保證壓縮終了時氣缸內(nèi)有足夠的壓力和溫度，以及燃油系統(tǒng)建立足夠的噴射壓力，就要求起動轉(zhuǎn)速必須足夠高［1］。為了滿足發(fā)動機(jī)的起動力矩和起動轉(zhuǎn)速，合理選擇傳動比是滿足以上條件的基本要求之一。

起動機(jī)與發(fā)動機(jī)之間傳動比的選擇至關(guān)重要。如果選擇不當(dāng)，起動機(jī)的效率就會降低，而發(fā)動機(jī)則會起動困難。此外，理論上起動機(jī)輸出功率的最大值在特性曲線的中間部位，即I=Imax/2處。Imax為起動機(jī)完全制動時流過起動機(jī)電樞的最大負(fù)載電流值。為使起動

式中：nPmax——起動機(jī)功率最大時的起動機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min；nminF——發(fā)動機(jī)最低起動轉(zhuǎn)速，r/min。

選定傳動比后，還需對起動性能進(jìn)行驗算，起動機(jī)傳輸給發(fā)動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動機(jī)的起動阻力矩MF。

起動機(jī)功率最大時的起動轉(zhuǎn)矩為

式中：MF——發(fā)動機(jī)起動阻力矩，Nm；η——從起動機(jī)電樞到發(fā)動機(jī)曲軸的傳動效率，通常為0.85。

2　結(jié)構(gòu)匹配

2.1起動機(jī)驅(qū)動齒輪基本參數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)

起動機(jī)驅(qū)動齒輪的齒數(shù)一般為9～14齒［2］。起動機(jī)驅(qū)動齒輪應(yīng)采用漸開線齒形，其齒輪參數(shù)應(yīng)符合表1所示的要求。

起動機(jī)驅(qū)動齒輪的齒輪強(qiáng)度是由模數(shù)決定的。模數(shù)越大，齒輪強(qiáng)度越大。中國起動機(jī)驅(qū)動齒輪的模數(shù)可參見表1。進(jìn)口起動機(jī)驅(qū)動齒輪的模數(shù)，前蘇聯(lián)、日本采用模數(shù)制；英美等國采用徑節(jié)制；而德國博世公司也采用模數(shù)制，但是模數(shù)不僅有2.5、3、3.5，還有2.1167、2.54、3.175、4.233。后面4個模數(shù)實(shí)際上是英制徑節(jié)制齒輪換算為公制模數(shù)制而來，其換算的關(guān)系式為［2］：m=25.4/DP，DP為徑節(jié)的簡寫。徑節(jié)制與模數(shù)制對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2　徑節(jié)制與模數(shù)制對應(yīng)關(guān)系

起動機(jī)驅(qū)動齒輪的壓力角主要有20°、15°與 14°30′三種。中國大多數(shù)采用20°，前蘇聯(lián)也一般采用20°，日本多采用14°30′，而德國、波蘭等國家卻多采用15°。

為了順利與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈嚙合，起動機(jī)驅(qū)動齒輪開始嚙合端應(yīng)有45°的倒角，其倒角位置與尺寸如圖1所示。一般采用單向器齒面倒角或單向器齒面與飛輪齒面同時倒角的方案［3］。

圖1　起動機(jī)驅(qū)動齒輪嚙合端倒角

2.2重合度選用原則

根據(jù)以上分析，齒輪連續(xù)傳動的條件是：兩齒輪的實(shí)際嚙合線段B1B2應(yīng)大于或等于齒輪的基節(jié)Pb，即重合度εα≥1。當(dāng)重合度小于1時，齒輪就會產(chǎn)生前齒不接后齒的情況，齒輪有振動，速度不穩(wěn)定，有噪聲，對齒輪有極大的危害。一般來說重合度越大越好，但對于起動機(jī)驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈的嚙合來說，重合度越高就越不利于起動機(jī)驅(qū)動齒輪的嚙合與旋出，而過低又不能保證傳動。結(jié)合工程實(shí)踐認(rèn)為：驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈的重合度的范圍應(yīng)該控制在0.98～1.08（汽油機(jī)）。此外，從降噪觀點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計齒輪時如果重合度不為整數(shù)，齒輪在工作中受到交變載荷的作用，會引起齒輪瞬時速度變化、產(chǎn)生附加動載荷，將導(dǎo)致齒輪的振動與噪聲，所以選取εα值應(yīng)盡可能使其近于整數(shù)［4］。

圖2　齒輪嚙合傳動示意圖

由圖2可推得重合度εα的計算公式為

式中：αα1、αα2——分別為起動機(jī)驅(qū)動齒輪和發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的齒頂圓壓力角；z1、z2——分別為起動機(jī)驅(qū)動齒輪和發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的齒數(shù)；α′——實(shí)際嚙合角 （即節(jié)圓壓力角）。

由式 （3）可以看出重合度與模數(shù)無關(guān)，而隨齒數(shù)的增多而增多。此外，重合度還隨嚙合角α′的減小和齒頂高系數(shù)h*a的增大而增大。

2.3側(cè)隙與頂隙要求

齒輪嚙合傳動時，為了在嚙合齒廓之間形成潤滑油膜，避免因輪齒摩擦發(fā)熱膨脹而卡死，齒廓之間必須留有間隙，即側(cè)隙。側(cè)隙的存在會產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩(wěn)性。因此，側(cè)隙只能很小，由控制公法線平均長度偏差或齒厚極限公差來保證。

對于起動機(jī)驅(qū)動齒輪來說，為了保證起動機(jī)驅(qū)動齒輪順利嚙合和脫離，所以需要的側(cè)隙要比一般嚙合齒輪大得多。但側(cè)隙過大會產(chǎn)生噪聲，而過小會影響驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈的順利嚙合，因此，需要合理的側(cè)隙。至于如何確定側(cè)隙范圍，則根據(jù)齒輪精度來選擇。起動機(jī)驅(qū)動齒輪的精度在國外與國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未見明確規(guī)定。但從傳動情況來看，其精度一般為9～11級［2］。在此精度下，通過查詢齒輪手冊中公法線或齒厚公差來確定齒輪配合側(cè)隙。表3是由實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的起動機(jī)驅(qū)動齒輪側(cè)隙標(biāo)準(zhǔn)。

表3　驅(qū)動齒輪與飛輪齒圈之間的側(cè)隙尺寸

頂隙的存在是為了避免一輪的齒頂與另一輪的齒槽底部及齒根過渡曲線部分相抵觸，并有一定空隙以便儲存潤滑油；設(shè)兩輪作無側(cè)隙嚙合時的中心距為a′，則由式 （4）、（5）可知，由于（x1+ x2）＞y，為了解決這一矛盾，將起動機(jī)驅(qū)動齒輪的齒頂高減短Δym以滿足頂隙要求，Δy稱為齒頂高降低系數(shù)。

式中：a——標(biāo)準(zhǔn)中心距；y——中心距變動系數(shù)；m——模數(shù)；x1、x2——分別為起動機(jī)驅(qū)動齒輪和發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的變位系數(shù)。

由以上分析可知

式中：c——頂隙；c*——頂隙系數(shù)。

3　保障實(shí)現(xiàn)匹配的條件

在起動機(jī)驅(qū)動齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的匹配中，為了避免輪齒根切，對起動機(jī)驅(qū)動齒輪進(jìn)行變位處理（正變位）。此外，由于整車空間有限且起動機(jī)安裝孔是固定不變的，可通過改變起動機(jī)驅(qū)動齒輪的變位系數(shù)或采取偏心結(jié)構(gòu)來配湊中心距。齒輪變位示意圖如圖3所示。

圖3　齒輪變位示意圖

對起動機(jī)驅(qū)動齒輪的變位設(shè)計按如下步驟［5］。

1）確定嚙合角

2）確定變位系數(shù)和

3）確定中心距變動系數(shù)

4）由式 （6）確定齒頂高降低系數(shù)。

式中：α——壓力角；a′——實(shí)際中心距。

根據(jù)發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的變位系數(shù)x2，由式 （8）求得x1。由上可知，起動機(jī)驅(qū)動齒輪的所有參數(shù)已基本確定，結(jié)合所確定參數(shù)，驗算重合度、側(cè)隙、頂隙是否達(dá)到要求。若沒能滿足要求，則需要如下計算。

根據(jù)重合度允許范圍，由公式（10）和公式（11）計算出實(shí)際中心距a′的范圍。由上可知，沒能滿足匹配要求的即為實(shí)際中心距不在上述范圍之內(nèi)。對此應(yīng)采取偏心措施，即改變實(shí)際中心距 （起動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動中心與起動機(jī)的安裝中心不重合），為此需由式 （12）計算出偏心量e。若偏心量e為正值，則增大中心距；反之，則減小中心距。確定好偏心距之后，可根據(jù)具體需要對偏心距進(jìn)行微調(diào)，以便更好實(shí)現(xiàn)匹配。

式中：an——由重合度的許用范圍計算出的實(shí)際中心距的范圍。

4　結(jié)論

本文主要研究起動機(jī)驅(qū)動齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒圈的匹配問題，主要有以下3個方面。

1）關(guān)于兩輪的起動性能匹配即如何確定傳動比，即起動機(jī)在最大功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)最低起動轉(zhuǎn)速的比值；對起動性能進(jìn)行驗算，起動機(jī)傳輸給發(fā)動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動機(jī)的起動阻力矩MF。

2）關(guān)于兩輪的結(jié)構(gòu)匹配起動機(jī)驅(qū)動齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足一定的要求，兩輪匹配既要保證動力傳動，又要保證順利嚙合和脫離。通過對重合度、側(cè)隙和頂隙的分析和計算，找出合理的參數(shù)范圍，使兩輪更好地進(jìn)行匹配。

3）關(guān)于如何保障匹配 通過對起動機(jī)驅(qū)動齒輪采取變位處理和采取偏心結(jié)構(gòu)方式，確定變位系數(shù)和偏心距，以實(shí)現(xiàn)兩輪匹配。

［1］金巧蘭.起動機(jī)與發(fā)動機(jī)的性能匹配［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)），2010（12）：127-129，152.

［2］胡明義.汽車起動機(jī)結(jié)構(gòu)、原理與檢修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：37-38.

［3］肖丁.淺談起動機(jī)與發(fā)動機(jī)的機(jī)械匹配［J］.汽車電器，2007（9）：57.

［4］馮輝英，于興芝.基于重合度對齒輪傳動影響分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2009（4）：7-9.

［5］ 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理 （第7版）［M］.北京：高等教育出版社，2006：176-192.

（編輯楊景）

Research on Matching Between Starter Driving Pinion and Engine Flywheel Ring Gear

CAO YU-lin1，WANG Tian-li1，WANG Jian2，BAI Kun2，WANG Jian-ning2
（1.Auto&Transportation Engineering College，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China；2.Jinzhou Halla Electrical Equipment co.，Ltd.，Jinzhou 121013，China）

When a starter starting an engine，to ensure the starter drive gear and engine flywheel ring gear mesh，transmission and detachment smoothly，the author conducts matching analysis on the starter driving pinion，and adopts the design of modified gear and eccentric structure to ensure the match.

starter driving pinion；flywheel ring gear；transmission ratio；contact ratio；eccentric structure

U464.1342

A

1003-8639（2016）09-0053-03

2016-05-31；

2016-07-04機(jī)輸出功率能被完全利用，而工作電流較小，所以傳動比的選擇應(yīng)在起動機(jī)輸出功率最大時，起動機(jī)與發(fā)動機(jī)最佳傳動比可以按式（1）進(jìn)行計算