小型汽油機(jī)反沖起動(dòng)器失效原因分析及解決措施

程 樂(lè)， 朱 艷， 陳 軍

(林海股份有限公司，江蘇 泰州 225300)

小型通用汽油機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、便于攜帶，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保機(jī)械、園林機(jī)械、油鋸、割灌機(jī)以及森林消防設(shè)備等機(jī)具動(dòng)力，因排量較小，普遍采用手起動(dòng)方式。

筆者曾經(jīng)為高壓細(xì)水霧森林消防泵開(kāi)發(fā)過(guò)一款小型四沖程通用汽油機(jī)，該汽油機(jī)匹配電起動(dòng)系統(tǒng)。鑒于消防設(shè)備使用的便利性、可靠性，要求設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配電起動(dòng)方式并同時(shí)保留手起動(dòng)方式。在研發(fā)過(guò)程中，借用市場(chǎng)常用起動(dòng)器結(jié)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)因起動(dòng)器故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)手起動(dòng)不成功，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)問(wèn)題。為確保高壓細(xì)水霧森林消防泵起動(dòng)可靠性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的手起動(dòng)部件故障進(jìn)行分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 起動(dòng)部件的組成和原理

本款發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)部件總體結(jié)構(gòu)由起動(dòng)器組件和起動(dòng)碗組件組成，如圖1所示，起動(dòng)器組件安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)箱體上，起動(dòng)碗組件固定在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上隨曲軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。

圖1 起動(dòng)部件總體結(jié)構(gòu)1.起動(dòng)器組件；2.箱體；3.起動(dòng)碗組件；4.曲軸

如圖2所示該起動(dòng)器組件由驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)、回位渦簧、起動(dòng)器殼體、起動(dòng)繩、起動(dòng)手柄和壓緊固定螺栓組成。驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)中心有一棘爪，棘爪形狀為圓柱面徑向方向，伸出驅(qū)動(dòng)側(cè)面和回位側(cè)面，并且驅(qū)動(dòng)側(cè)面、回位側(cè)面結(jié)構(gòu)對(duì)稱。如圖3所示起動(dòng)碗組件由起動(dòng)撥爪、起動(dòng)碗、撥爪回位扭簧、撥爪固定卡簧組成。起動(dòng)碗中心有一圓柱凸臺(tái)面，起動(dòng)撥爪能圍繞起動(dòng)撥爪軸心左右旋轉(zhuǎn)。

圖2 起動(dòng)器組件1.驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)；2.回位渦簧；3.起動(dòng)器殼體；4.起動(dòng)繩；5.起動(dòng)手柄；6.壓緊固定螺栓；a.驅(qū)動(dòng)側(cè)面；b.回位側(cè)面

圖3 起動(dòng)碗組件1.起動(dòng)撥爪；2.起動(dòng)碗；3.撥爪回位扭簧；4.撥爪固定卡簧

當(dāng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，拉動(dòng)起動(dòng)繩，在起動(dòng)繩的牽引下，起動(dòng)器組件驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)圍繞驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的棘爪驅(qū)動(dòng)側(cè)平面與起動(dòng)碗組件上的撥爪的端部接觸后，驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)帶動(dòng)起動(dòng)碗組件一起旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)與起動(dòng)碗組件安裝連接固定在一起的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸一起旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)起動(dòng)碗組件一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)起動(dòng)碗組件起動(dòng)撥爪在離心力的作用下，克服撥爪回位扭簧的作用，圍繞撥爪的軸心旋轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)離起動(dòng)碗中心圓柱凸臺(tái)面，并由起動(dòng)碗內(nèi)壁限位。此時(shí)，撥爪遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的棘爪，松開(kāi)起動(dòng)手柄后，在回位渦簧的回彈力作用下，驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)帶動(dòng)起動(dòng)繩圍繞驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的軸心旋轉(zhuǎn)，并將起動(dòng)繩收回起動(dòng)器組件內(nèi)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行后，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸處于停止?fàn)顟B(tài)，起動(dòng)碗組件也處于停止?fàn)顟B(tài)。起動(dòng)撥爪在撥爪回位扭簧的作用下，圍繞起動(dòng)撥爪的軸心，向驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)偏轉(zhuǎn)，直至起動(dòng)撥爪的內(nèi)側(cè)面與驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的棘爪接觸。隨著驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)在起動(dòng)器回位渦簧回彈力的作用下自轉(zhuǎn)，起動(dòng)撥爪在驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的棘爪表面滑動(dòng)運(yùn)行，直至起動(dòng)繩完全收回起動(dòng)器組件內(nèi)，驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)停止自轉(zhuǎn)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)不成功松開(kāi)起動(dòng)手柄時(shí)，往往因?yàn)槠饎?dòng)器組件失效導(dǎo)致起動(dòng)繩不能收回到起動(dòng)器內(nèi)部，出現(xiàn)部分或全部起動(dòng)繩殘留在起動(dòng)器殼體外側(cè)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)。

2 起動(dòng)部件失效分析

通常導(dǎo)致起動(dòng)器組件失效的影響因素主要有以下幾個(gè)方面：(1)回位渦簧損壞，渦簧固定端卡鉤滑脫失去帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)回位作用。通常卡鉤折彎方向應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)中心孔，長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)也不能過(guò)短，因起動(dòng)器組件為市場(chǎng)采購(gòu)件，回位渦簧固定端卡鉤形狀存在差異，當(dāng)渦簧固定端卡鉤折彎方向指向驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)中心孔，插入中心孔內(nèi)，與起動(dòng)器殼體中心芯柱發(fā)生刮蹭時(shí)，容易造成卡鉤滑脫現(xiàn)象；另外起動(dòng)繩與驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)預(yù)纏繞圈數(shù)過(guò)多，當(dāng)起動(dòng)繩拉至盡頭時(shí)超出回位渦簧工作行程，渦簧卡鉤被拉直也會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)繩不回位。(2)起動(dòng)器殼體中心芯柱高度因?yàn)橹圃炱罨蛘弋惓Ｄp，低于驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)安裝高度，當(dāng)壓緊固定螺栓鎖緊后回位渦簧與驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)、起動(dòng)器殼體之間摩擦阻力過(guò)大，驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)回位渦簧和驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)中心孔缺少潤(rùn)滑脂，導(dǎo)致摩擦阻力過(guò)大。

對(duì)上述影響因素，我們對(duì)失效起動(dòng)器組件進(jìn)行了拆解分析，一一排除，但故障依舊存在，需要進(jìn)一步分析。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，拆解起動(dòng)器組件安裝螺栓時(shí)，起動(dòng)繩能迅速收縮回起動(dòng)器殼體內(nèi)。而起動(dòng)繩回位由回位渦簧決定，回位渦簧的回彈力不僅要克服起動(dòng)器組件內(nèi)部摩擦阻力，還需要克服起動(dòng)撥爪在驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)上滑動(dòng)運(yùn)行時(shí)與驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的摩擦阻力，以及推動(dòng)起動(dòng)撥爪圍繞撥爪芯軸擺動(dòng)的力，所以加大渦簧的回彈力有助于起動(dòng)繩收回。但是增加回位渦簧的回彈力，意味需要增大回位渦簧、驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)、起動(dòng)器殼體以及起動(dòng)碗組件結(jié)構(gòu)尺寸，而本款發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)尺寸限制，并且需要保證良好冷卻通風(fēng)效果，對(duì)起動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以增加回位渦簧的回彈力不做為考慮因素。

我們繼續(xù)在三維軟件中模擬了起動(dòng)繩收回起動(dòng)器時(shí)，起動(dòng)器組件與起動(dòng)碗組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即起動(dòng)撥爪在驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的棘爪回位側(cè)表面處滑動(dòng)軌跡。

從模擬分析得知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)棘爪與起動(dòng)撥爪滑動(dòng)運(yùn)行至如圖4所示位置時(shí)，可能存在鎖死點(diǎn)A，此時(shí)點(diǎn)A接近撥爪的回轉(zhuǎn)軸心。在A點(diǎn)處進(jìn)行受力分析，在撥爪回位扭簧作用下驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)受到指向撥爪弧面圓心的作用力F1，起動(dòng)撥爪在驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)上滑動(dòng)時(shí)與驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)的摩擦阻力f。

圖4 驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)棘爪與撥爪鎖死狀態(tài)

μ，μ為動(dòng)摩擦因數(shù)。

3 起動(dòng)部件失效的解決方案

鎖死點(diǎn)A的存在，導(dǎo)致?lián)茏Σ荒車@撥爪軸心按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，此時(shí)作用力F到撥爪軸心的力臂r1較小。若加大力臂r1，在相同扭矩下，作用力F與力臂成反比，即作用于驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)棘爪的力F減小，應(yīng)有助于避開(kāi)或者消除鎖死點(diǎn)A。加大力臂可改變接觸點(diǎn)A到點(diǎn)B回位側(cè)面形狀，由原來(lái)與驅(qū)動(dòng)側(cè)面相對(duì)稱，改為在點(diǎn)A與點(diǎn)B間增加一段圓弧形過(guò)渡面，再次在三維軟件中模擬改進(jìn)后起動(dòng)器組件與起動(dòng)碗組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

如圖5所示，根據(jù)狀態(tài)分析圖得知在以上位置，由于棘爪回位側(cè)圓弧過(guò)渡面的凸輪作用，驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)與起動(dòng)撥爪的接觸點(diǎn)始終遠(yuǎn)離撥爪的回轉(zhuǎn)軸心，與圖4作對(duì)比，作用力在撥爪軸心力臂r2>r1，在驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)軸心力臂R2

圖5 圓弧過(guò)渡面狀態(tài)分析圖

4 試驗(yàn)與改進(jìn)

按上述理論分析，我們對(duì)原狀態(tài)起動(dòng)器組件驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)進(jìn)行改制，將驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)棘爪回位側(cè)面采用圓弧形過(guò)渡面，并裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)。不同試車人員進(jìn)行手起動(dòng)操作，感覺(jué)起動(dòng)繩回位順暢，即使發(fā)動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)失敗也沒(méi)有出現(xiàn)起動(dòng)繩不回位現(xiàn)象，起動(dòng)器故障消除。按照此狀態(tài)又改進(jìn)幾只驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)，分別裝配在多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，故障依舊沒(méi)有發(fā)生。在確定最終修改方案后，我們對(duì)起動(dòng)器組件驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)進(jìn)行重新開(kāi)模、出樣，裝配樣機(jī)再次試驗(yàn)。通過(guò)大量反復(fù)起動(dòng)試驗(yàn)，均沒(méi)有出現(xiàn)起動(dòng)器失效現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期效果，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

5 小結(jié)

通過(guò)理論和試驗(yàn)分析了本款發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)器故障，找到影響故障因素。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸限制，不能增加回位渦簧的回彈力情況下，通過(guò)三維軟件模擬找出理論鎖死點(diǎn)，并將棘爪回位側(cè)面改為圓弧形過(guò)渡面，由于凸輪作用，改變作用力力臂大小，保證棘爪回位側(cè)與起動(dòng)撥爪的接觸點(diǎn)始終遠(yuǎn)離撥爪的回轉(zhuǎn)軸心，避開(kāi)理論鎖死點(diǎn)，能夠有效防止起動(dòng)器失效故障發(fā)生。保證了起動(dòng)器結(jié)構(gòu)始終保持有效狀態(tài)，對(duì)提高高壓細(xì)水霧森林消防泵的穩(wěn)定性，具有重要意義。同時(shí)此次改進(jìn)后的手起動(dòng)自回式反沖起動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)方便靈活、使用壽命長(zhǎng)，也可以運(yùn)用于其他微型發(fā)動(dòng)機(jī)反沖設(shè)計(jì)。