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    發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)計算與簡析

    2022-01-16 03:12:04黃文軍
    關(guān)鍵詞:基圓限制器摩擦片

    黃文軍

    (中國福馬機(jī)械集團(tuán)有限公司,北京 100029)

    全地形車(ATV)廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、建筑、裝卸、地質(zhì)、石油、海濱娛樂和軍事領(lǐng)域,同時用戶已經(jīng)不滿足于中小排量的ATV,大排量的需求越來越大;由于產(chǎn)品全地形、野外等特點(diǎn),使用環(huán)境比較惡劣,發(fā)動機(jī)起動性能的可靠性就顯得尤為重要,是整車和發(fā)動機(jī)性能的重要指標(biāo)。大排量發(fā)動機(jī)產(chǎn)量相對比較小,制造成本高,如何對發(fā)動機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)和起動系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)也是我們設(shè)計者必須要考慮的問題。本文對某公司700 cc排量的發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的計算和研究。

    1 全地形車發(fā)動機(jī)介紹

    發(fā)動機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

    表1 發(fā)動機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

    2 發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    該系統(tǒng)由起動電機(jī)1、雙向扭矩限制器組件2、中間軸3、中間過渡齒輪4、啟動大齒輪5、單向離合器組件6組成。啟動系統(tǒng)組件如圖1所示。

    圖1 啟動系統(tǒng)組件1.啟動電機(jī);2.雙向扭矩限制器組件;3.中間軸;4.中間過渡齒輪;5.啟動大齒輪;6.單向離合器組件

    3 起動扭轉(zhuǎn)力矩計算

    起動扭轉(zhuǎn)力矩一般由幾個方面組成,主要包括由發(fā)動機(jī)摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩;發(fā)動機(jī)起動時全部運(yùn)動件從靜止?fàn)顟B(tài)加速至起動狀態(tài)時由慣性力所引起的慣性阻力矩;起動時由發(fā)動機(jī)氣缸中混合氣被壓縮所引起的阻力矩。

    3.1 轉(zhuǎn)力矩

    計算由于發(fā)動機(jī)摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩。起動電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 500 r/min,傳動比為9/57,14/73,故可以求得發(fā)動機(jī)的起動轉(zhuǎn)速為:

    n=7 500×9/57×14/73=227 r/min

    (1)

    假定t=5 ℃時,發(fā)動機(jī)潤滑油的運(yùn)動黏度為:

    ηs=185×10-7m2/s

    (2)

    名義平均摩擦阻力計算:

    =0.37 MPa

    (3)

    發(fā)動機(jī)起動時的摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩:

    =20.46 N·m

    (4)

    式中:Vh為發(fā)動機(jī)排量,由發(fā)動機(jī)參數(shù)表可知Vh=0.695 L。

    3.2 慣性阻力矩

    起動時發(fā)動機(jī)全部運(yùn)動件從靜止?fàn)顟B(tài)加速至起動狀態(tài)時由于慣性力所引起的慣性阻力矩計算:

    Mj=Jm·ωn/t

    (5)

    發(fā)動機(jī)起動轉(zhuǎn)速下的角速度:

    (6)

    Jm為發(fā)動機(jī)及起動時有關(guān)轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量,根據(jù)有關(guān)計算Jm=0.068 7 N·m·s2。

    慣性阻力矩為:

    Mj=Jm·ωn/t

    =0.408 N·m

    (7)

    式中:t為發(fā)動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到起動所需時間,t=4 s。

    3.3 氣體壓縮阻力矩

    起動時,由于發(fā)動機(jī)氣缸中混合氣被壓縮引起的阻力矩。

    Mk=0.5tk·S

    (8)

    tk為起動時壓縮沖程中的最大切向力,由動力計算可知:

    tk=0.319×π/8×D2

    =0.319×π/8×1022

    =1 303.3 N

    (9)

    式中:D為發(fā)動機(jī)氣缸直徑,由發(fā)動機(jī)參數(shù)表可知D=102 mm。

    Mk=0.5tk·S

    =0.5×1 303.3×0.085

    =55.39 N·m

    (10)

    式中:S為為發(fā)動機(jī)行程,由發(fā)動機(jī)參數(shù)表可知S=0.085m。

    3.4 總扭矩

    起動時發(fā)動機(jī)所需的總扭矩為:

    M=MT+Mj+MK

    =20.46+0.408+55.39

    =76.258 N·m

    (11)

    3.5 最小扭轉(zhuǎn)力矩

    通過發(fā)動機(jī)所需的總扭矩反推出起動電機(jī)的最小扭轉(zhuǎn)力矩。

    (12)

    式中:i為啟動傳動速比,i=57/9×73/14;ηm為傳動效率,設(shè)定ηm=0.9。

    由起動扭轉(zhuǎn)力矩計算結(jié)果可知,單純起動電機(jī)達(dá)到這么大的扭矩是有困難的,這就需要通過減小起動阻力來實(shí)施起動。

    4 起動減壓裝置介紹

    由發(fā)動機(jī)動力學(xué)分析可知,四沖程發(fā)動機(jī)的工作過程是由吸氣、壓縮、作功和排氣四部分組成,活塞在這四個過程受阻力最大的是在壓縮行程階段,起動發(fā)動機(jī)時,活塞從下止點(diǎn)往上止點(diǎn)時運(yùn)行,由活塞和汽缸組成的密封容積中壓縮氣體對活塞的運(yùn)行形成了很大的阻力(氣缸內(nèi)可燃混合氣的體積縮小到原來的1/10左右,相應(yīng)的壓力卻增大了10倍左右),外力所做的功首先要克服該阻力;同時,火花塞點(diǎn)火時刻設(shè)計為活塞到達(dá)上止點(diǎn)前,這也會使活塞越過上止點(diǎn)時產(chǎn)生一個很大的反作用力。同時由上面的計算過程可知,混合氣被壓縮引起的阻力矩是主要因素,通常采用起動減壓裝置來減小這部分的影響,常見的有單向器式自動減壓機(jī)構(gòu)和甩塊式自動減壓機(jī)構(gòu)。因此,在壓縮沖程上止點(diǎn)前打開排氣門,釋放氣缸內(nèi)的壓力,減小起動時的工作阻力,使曲軸能夠順暢運(yùn)轉(zhuǎn),發(fā)動機(jī)順利點(diǎn)火運(yùn)行,減壓裝置對提高發(fā)動機(jī)的起動性能、提高起動效率,延長起動系統(tǒng)、電瓶等的壽命是非常有利和必須的。

    4.1 減壓裝置的結(jié)構(gòu)

    減壓裝置如圖2所示,該裝置安裝在凸輪軸排氣凸輪外側(cè),主要由正時從動鏈輪1、減壓甩塊2、減壓銷軸3、回位扭簧4、甩塊固定螺釘5、彈簧固定螺釘6組成;正時從動鏈輪按照配氣相位固定在凸輪軸上,正時從動鏈輪上裝有減壓甩塊、回位扭簧、甩塊固定螺釘、彈簧固定螺釘;排氣凸輪基圓位置有一方形槽,該方形槽和正時從動鏈輪一圓孔相對應(yīng),減壓銷軸穿過該圓孔落到排氣凸輪方形槽內(nèi);減壓甩塊通過固定螺釘固定在正時從動鏈輪上,圍繞甩塊固定螺釘可以自由轉(zhuǎn)動;同時正時從動鏈輪圓周上配置一長腰型孔,減壓甩塊背面有一凸臺,該凸臺落在長腰型孔內(nèi),減壓甩塊的收縮和打開位置由長腰型孔確定,分別處于長腰型孔的左右2個極限狀態(tài),當(dāng)發(fā)動機(jī)處于歇火狀態(tài)時,減壓甩塊處于收縮位置,同時帶動減壓銷軸轉(zhuǎn)動,此時減壓銷軸高于凸輪基圓;當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時,由于離心力作用,減壓甩塊處于打開狀態(tài),帶動減壓銷軸轉(zhuǎn)動,此時減壓銷軸銑扁處正對凸輪基圓,銑扁處低于凸輪基圓;回位扭簧和減壓甩塊固定在一起,一頭勾在減壓甩塊上,一頭勾在彈簧固定螺釘上。由發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)可知,曲軸主動鏈輪和正時從動鏈輪齒數(shù)比是1∶2,發(fā)動機(jī)怠速1 400 r/min左右,對應(yīng)的正時從動鏈輪轉(zhuǎn)速為700 r/min左右,減壓甩塊的配重和回位扭簧的力值匹配為:減壓甩塊完全打開時,正時從動鏈輪轉(zhuǎn)速在450~550 r/min,此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為900~1 100 r/min。減壓銷軸如圖3所示。

    圖2 減壓裝置

    4.2 減壓裝置的原理

    由減壓裝置結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)發(fā)動機(jī)處于歇火狀態(tài)時,減壓甩塊在回位扭簧的作用下處于收縮回位狀態(tài),減壓甩塊帶動減壓銷軸旋轉(zhuǎn),銷軸高于正時凸輪基圓h1=0.6~0.8mm(如圖4),當(dāng)發(fā)動機(jī)起動時,此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于900 r/min,減壓銷軸高于排氣凸輪基圓,搖臂滾輪通過銷軸位置時打開排氣門,汽缸內(nèi)壓力降低,從而減小起動時的工作阻力。起動完成后,當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 100 r/min時,減壓甩塊在離心力的作用下變成完全打開狀態(tài),帶動減壓銷軸旋轉(zhuǎn),減壓銷軸低于凸輪基圓h2=0.6 mm,發(fā)動機(jī)正常工作。凸輪軸在發(fā)動機(jī)上的轉(zhuǎn)動方向?yàn)轫槙r針時,活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動過程中,如果減壓過早,此時發(fā)動機(jī)內(nèi)壓本身就低,泄壓量就不大,釋放的氣缸內(nèi)壓力就不夠,對起動困難幫助不大;如果減壓點(diǎn)靠上止點(diǎn)太近,活塞在上升過程中已經(jīng)受到了較大的反作用力,起動時也會感到困難;同時,由于減壓位置距離上止點(diǎn)太近,泄壓過大,發(fā)動機(jī)缸壓過低,發(fā)動機(jī)混合氣濃度低,同樣會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常點(diǎn)火和起動。因此,減壓角度的設(shè)置至關(guān)重要,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),最終確定減壓銷軸在排氣凸輪上的角度是上止點(diǎn)前30度,點(diǎn)火起動的缸壓必須在550 kPa以上,發(fā)動機(jī)才能正常起動。

    圖3 減壓銷軸

    5 雙向扭矩限制器組件

    大排量發(fā)動機(jī)產(chǎn)量相對比較小,制造成本比較高,如何對發(fā)動機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)和起動系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)是我們設(shè)計者必須要考慮的問題。雙向扭矩限制器由單面摩擦片5、雙面摩擦片6、齒片3、齒輪2、雙聯(lián)齒輪軸1、碟形彈簧7、擋圈4組成,摩擦片和齒輪通過花鍵和雙聯(lián)齒輪軸連接;組裝后因碟形彈簧的壓縮使摩擦片和齒片之間產(chǎn)生壓力而獲得摩擦力,從而齒片和摩擦片之間能傳遞扭力,摩擦片通過花鍵帶動雙聯(lián)齒輪軸,雙聯(lián)齒輪軸通過花鍵帶動齒輪轉(zhuǎn)動;可以選配不同厚度的齒片或者摩擦片來調(diào)整碟形彈簧的壓縮量從而調(diào)整摩擦片和齒片之間的摩擦力,使雙向扭矩限制器傳遞的扭矩在規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)起動電機(jī)過載或者發(fā)動機(jī)反沖時,雙向扭矩限制器傳遞的扭矩超過規(guī)定范圍時,摩擦片和齒片之間打滑而切斷對齒輪動力的傳遞,從而實(shí)現(xiàn)對起動電機(jī)和發(fā)動機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)。雙向扭矩限制器組件如圖4所示。

    圖4 雙向扭矩限制器組件

    6 結(jié)束語

    減壓裝置的應(yīng)用,發(fā)動機(jī)的起動力大大地降低,起動性能、起動效率更好,延長了起動系統(tǒng)、電瓶等的壽命;目前甩塊式自動減壓裝置由于且其結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定,可靠性好,制造成本低廉,在我公司得到了廣泛的應(yīng)用。雙向扭矩限制器是該發(fā)動機(jī)的一次嘗試,經(jīng)過市場驗(yàn)證,效果明顯,相關(guān)運(yùn)動系統(tǒng)和起動系統(tǒng)零部件故障率明顯降低。

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