一種基于數(shù)值迭代的汽車起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算方法

鐘恩松 劉光輝 毛乾亞 薛晉秋

摘? 要：以某型號(hào)汽車起動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)杠桿和單向器進(jìn)行受力分析，完成了單向器推力表達(dá)式的推導(dǎo)。運(yùn)用數(shù)值迭代法編程，繪制了單向器推力與單向器位置的關(guān)系曲線，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：仿真值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差在允許范圍之內(nèi)，該方法可為工程上汽車起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)機(jī);撥叉;單向器;迭代;推力

中圖分類號(hào)：U464.142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0132-03

Abstract： Taking the starter of a certain type of automobile as an example， the force analysis of the driving lever and the one-way engine is carried out to complete the derivation of the thrust expression of the one-way engine. The relationship curve between thrust and position of unidirectional device is drawn by numerical iteration method and verified by experiment. The results show that the relative error between the simulation value and the experimental value is within the allowable range.

Keywords： starter; fork; clutch; iteration; thrust

1 概述

汽車起動(dòng)機(jī)主要由直流起動(dòng)電機(jī)、電磁開(kāi)關(guān)、撥叉和單向器等部分組成。其中，電磁開(kāi)關(guān)是汽車起動(dòng)機(jī)的控制裝置，撥叉和單向器是汽車起動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。汽車起動(dòng)機(jī)的功能是：通過(guò)起動(dòng)電機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由電磁開(kāi)關(guān)帶動(dòng)撥叉和單向器動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)，最終使汽車起動(dòng)成功[1]。目前，關(guān)于汽車起動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究主要集中在直流電機(jī)和電磁開(kāi)關(guān)方面，主要包括：直流起動(dòng)電機(jī)磁場(chǎng)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化[2]，電磁開(kāi)關(guān)靜態(tài)吸力特性分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3]等。但是，關(guān)于汽車起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械計(jì)算方面的研究并不多。本文采用了一種基于數(shù)值迭代的方法用于汽車起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算。

2 單向器推力計(jì)算

以某型號(hào)汽車起動(dòng)機(jī)為例，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)杠桿（撥叉）和單向器進(jìn)行受力分析，如圖1所示。記電磁吸力為F吸，彈簧反力為F彈，動(dòng)鐵芯拉桿拉力為F拉，動(dòng)鐵芯加速度為a1，動(dòng)鐵芯質(zhì)量為m1，單向器前向推力為F推，單向器受到的阻力為f，單向器質(zhì)量為m2，單向器加速度為a2，驅(qū)動(dòng)杠桿與豎直方向的夾角為？茲。

根據(jù)（1-12）式，只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：動(dòng)鐵芯質(zhì)量m1、單向器質(zhì)量m2、單向器所受阻力f、驅(qū)動(dòng)杠桿力臂L1和L2、驅(qū)動(dòng)杠桿與豎直方向的初始夾角？茁，即可得到單向器所受推力F推與動(dòng)鐵芯位移S之間的關(guān)系表達(dá)式?？紤]到驅(qū)動(dòng)杠桿不是嚴(yán)格意義上的杠桿，支點(diǎn)不固定，因而L1、L2、？茁的難以精確測(cè)量，給計(jì)算引入誤差。

測(cè)量數(shù)據(jù)：動(dòng)鐵芯質(zhì)量m1為0.09kg，單向器質(zhì)量m2為0.235kg，力臂L1和L2分別為24.8mm和42.8mm。單向器摩擦系數(shù)？滋約為0.1，則單向器所受阻力f為0.235N?？紤]到單向器所受阻力較小，而撥叉與豎直方向的初始夾角也較小，并且難以測(cè)量，因而這里可以忽略f和？茁。同時(shí)，由于撥叉有一定的活動(dòng)裕量，它與拉桿之間的間隙約為3.5mm。這相當(dāng)于電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)鐵芯先空載運(yùn)動(dòng)3.5mm之后，才開(kāi)始通過(guò)撥叉帶動(dòng)單向器負(fù)載，因而將單向器的位移修正為

根據(jù)（1-12）式，可以得到計(jì)算單向器推力的簡(jiǎn)化公式為

其中，電磁吸力F吸由電磁開(kāi)關(guān)有限元建模仿真得到，彈簧力F彈/N與動(dòng)鐵芯位移S/mm的關(guān)系式為

3 數(shù)值迭代法實(shí)現(xiàn)

考慮到計(jì)算量很大，這里運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法編程實(shí)現(xiàn)，繪制單向器推力與其位移的關(guān)系曲線。該方法不容易引入計(jì)算誤差，計(jì)算流程圖如圖2所示[4]。

這樣則可得到單向器推力與單向器位移之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

4 計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)

4.1 曲線轉(zhuǎn)化

單向器推力是一個(gè)隨時(shí)間變化變量，歷時(shí)非常短，難以精確測(cè)量。因而只能根據(jù)單向器的運(yùn)動(dòng)時(shí)間或者位移曲線對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。由于單向器的位移曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果仍然不太理想，這里選擇利用單向器運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)。將上述計(jì)算得到的單向器推力與位移的曲線轉(zhuǎn)化為單向器位移與時(shí)間的曲線，需要用到數(shù)值迭代的方法，仍然借助編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，可得到單向器推力與位移的曲線計(jì)算得到單向器位移與時(shí)間的曲線，如圖4所示。據(jù)圖可知，單向器運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算值為9.6ms。

4.2 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

單向器的運(yùn)動(dòng)時(shí)間可以根據(jù)空載工況和負(fù)載工況下電磁開(kāi)關(guān)吸合過(guò)程的實(shí)測(cè)電流曲線比較得到，如圖5所示。據(jù)圖可知，電磁開(kāi)關(guān)從約7.5ms時(shí)刻開(kāi)始帶載，約16.2ms時(shí)刻吸合完成，因而得到單向器運(yùn)動(dòng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)值約為8.7ms。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)杠桿和單向器的受力分析，完成了單向器推力的公式推導(dǎo)，并繪制了單向器推力與單向器位移的關(guān)系理論曲線。由于單向器推力無(wú)法直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，因而采用單向器的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行間接驗(yàn)證。單向器運(yùn)動(dòng)時(shí)間的仿真值和實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差率為10.34%，可以滿足工程要求。撥叉具有活動(dòng)裕量、支點(diǎn)不固定、帶載過(guò)程存在強(qiáng)烈機(jī)械沖擊，是影響計(jì)算結(jié)果精度的主要原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文奎.淺析汽車起動(dòng)系統(tǒng)[J].汽車電器，2016（11）：70-72.

[2]黃文鋒.起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014，43（08）：130-131.

[3]羅石，孫雷.汽車起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)行程分析[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，25（01）：11-15.

[4]鐘恩松.基于有限元的汽車起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)建模及其特性研究[D].西南交通大學(xué)，2016.