論發(fā)動(dòng)機(jī)與起動(dòng)機(jī)匹配

段振濤

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西 南寧 530007）

0 引言

起動(dòng)機(jī)是目前電力驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的起動(dòng)裝置，能夠給車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)帶來迅速和方便， 起動(dòng)機(jī)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)中已數(shù)十年了， 但起動(dòng)機(jī)產(chǎn)品無論是在發(fā)動(dòng)機(jī)廠用戶，還是在整車及最終用戶那里，由于其較高的故障率，一直受到眾多用戶層的關(guān)注，可以說起動(dòng)機(jī)這個(gè)產(chǎn)品自誕生以來，是一個(gè)又讓人依賴，同時(shí)又讓人頭疼的產(chǎn)品。無論是國際上知名品牌發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，還是國內(nèi)眾多發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠， 起動(dòng)機(jī)故障率往往排在前三甲之內(nèi)， 但很大的區(qū)別在于國內(nèi)考核里程比國外考核里程短數(shù)倍的情況下，故障率卻要高出幾十倍甚至上百倍。

這里除了國內(nèi)起動(dòng)機(jī)制造廠在設(shè)計(jì)， 制造工藝等方面與國外技術(shù)先進(jìn)的起動(dòng)機(jī)制造商相差較大外， 在起動(dòng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用、 匹配上存在的問題也是造成起動(dòng)機(jī)產(chǎn)品故障率居高不下的重要因素。

本文主要對(duì)目前國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠在起動(dòng)機(jī)匹配，整車匹配中出現(xiàn)的帶有普遍現(xiàn)象的問題進(jìn)行討論， 目的在于在盡可能減小起動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在配套環(huán)節(jié)上不當(dāng)方案的環(huán)節(jié)，從而降低故障率。

1 理論計(jì)算方式

計(jì)算不同溫度狀態(tài)下和不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的Mc 值（發(fā)動(dòng)機(jī)平均阻扭矩）

式中：V—發(fā)動(dòng)機(jī)排量 （dm3）；ε—壓縮比；δ—曲軸旋轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)；k—常數(shù)；對(duì)于汽油機(jī)為3.8，對(duì)于柴油機(jī)為2.8；ν—發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度（cm2/s）；n—在穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下曲軸平均轉(zhuǎn)速（r/min）。

根據(jù)上述公式計(jì)算的不同結(jié)果，可以繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)在所希望配置環(huán)境溫度下，針對(duì)不同轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)阻扭矩的關(guān)系圖，一般計(jì)算在0℉（-18℃）和74℉（20℃）兩個(gè)溫度下的發(fā)動(dòng)機(jī)阻扭矩M 與轉(zhuǎn)速n 之間的關(guān)系圖， 即M-n圖。 之后，在M-n 圖上，將所配置起動(dòng)機(jī)在相同兩點(diǎn)溫度環(huán)境下，測量或計(jì)算出此時(shí)起動(dòng)機(jī)的輸出曲線M-n。 得到的兩種溫度的起動(dòng)機(jī)M-n 曲線， 與相對(duì)應(yīng)溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)M-n 曲線的交點(diǎn)，就是該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)與所配置起動(dòng)機(jī)在規(guī)定的環(huán)境溫度下的兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)，其中最小臨界拖動(dòng)轉(zhuǎn)速應(yīng)該大于該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)所規(guī)定的最低點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，如此確定起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配是否合理。 同時(shí)，計(jì)算出能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在此溫度下正常點(diǎn)火蓄電池最小的冷起動(dòng)電流CCA 值和蓄電池內(nèi)阻值。 對(duì)于另一個(gè)交點(diǎn)下所對(duì)應(yīng)的蓄電池內(nèi)阻將作為該型號(hào)起動(dòng)機(jī)在常溫下進(jìn)行壽命試驗(yàn)使用蓄電池容量的規(guī)定，如果通過了壽命試驗(yàn)，則該容量蓄電池作為該起動(dòng)機(jī)最大允許使用容量蓄電池的規(guī)定。

根據(jù)已知的能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)要求的蓄電池內(nèi)阻特性，反算能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在0℉（-18℃）下正常點(diǎn)火的蓄電池最小冷起動(dòng)電流CCA 的規(guī)格：

IMIN=（24-14.4）V/11.5mΩ=9.6/11.5=834，原整取850CCA max

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩M 與轉(zhuǎn)速n 關(guān)系圖

圖2 蓄電池伏安特性圖

其中：24V—蓄電池規(guī)格電壓（2 個(gè)12V 蓄電池串聯(lián)）；14.4V=2×7.2V—CCA 值概念。

CCA 值概念—蓄電池在環(huán)境溫度為0℉（-18℃）下，以該蓄電池具有的額定CCA 電流進(jìn)行30S 的放電，達(dá)到放電時(shí)間后，每單格蓄電池電壓不低于1.2V 為合格的規(guī)定，12V 蓄電池采用6格，故6×1.2V=7.2V，作為24V 系統(tǒng)，則此時(shí)最小電壓為2×7.2V=14.4V。

然后根據(jù)通過壽命試驗(yàn)確定的常溫蓄電池狀態(tài)，確定蓄電池的容量規(guī)格C20：

C20=24K/R蓄電池=24×0.065/8mΩ=195Ah

其中：24—特指24V 電壓系統(tǒng)， 如12V 系統(tǒng)則為12；K—常數(shù)，如起動(dòng)機(jī)功率確定為3KW 以上，則K 取0.065，如起動(dòng)機(jī)功率確定為3KW 以下，則K 取0.056。

計(jì)算后的蓄電池容量數(shù)據(jù)可以進(jìn)行園整處理。

最后：蓄電池規(guī)格的確認(rèn)需注明如下字樣

12V 195Ah 850CCA 起動(dòng)機(jī)分析

2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)用戶提交發(fā)動(dòng)機(jī)M-n 數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商使用數(shù)倍于預(yù)選用起動(dòng)機(jī)功率的直流電動(dòng)機(jī)，在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)死拖動(dòng)試驗(yàn)，測量不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速下的M-n 曲線。 之后將再將所配置起動(dòng)機(jī)在相對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度下的M-n 數(shù)據(jù)繪制在上述M-n 曲線中，之后的確定的方法同第一種方法。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)用戶無法提交發(fā)動(dòng)機(jī)M-n 數(shù)據(jù)

用預(yù)配置起動(dòng)機(jī)一臺(tái)，在某一規(guī)定環(huán)境溫度下，使用不同規(guī)格的蓄電池分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的死拖動(dòng)試驗(yàn)， 每個(gè)測試點(diǎn)之間必須保證起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的充分冷卻， 并保證各點(diǎn)測試前起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)一致。 記錄不同點(diǎn)測試的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和起動(dòng)機(jī)穩(wěn)定拖動(dòng)狀態(tài)下的電流值，通過起動(dòng)機(jī)在此環(huán)境溫度和蓄電池內(nèi)阻一致的測功曲線上找出對(duì)應(yīng)起動(dòng)機(jī)電流值的扭矩值， 再通過發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈與起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的速比，折算成發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，這樣，就可以繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)在某一個(gè)溫度環(huán)境下， 不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)阻扭矩的M-n 曲線，之后的確定方法同第一種方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)最低點(diǎn)火工作轉(zhuǎn)速確定：

發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定的某一低溫環(huán)境狀態(tài) （臨界不使用預(yù)熱點(diǎn)火的溫度）進(jìn)行活起動(dòng)，使用PICO 測量起動(dòng)機(jī)各點(diǎn)電壓、主回路電流（測量蓄電池負(fù)極端子電纜）、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)曲線。

根據(jù)測量曲線上查找發(fā)動(dòng)機(jī)第一次點(diǎn)火瞬間點(diǎn) （通過電壓、主回路電流曲線上查找），確定發(fā)動(dòng)機(jī)此點(diǎn)的工作轉(zhuǎn)速——即為發(fā)動(dòng)機(jī)最低臨界點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。

從多大的蓄電池開始？

確定使用蓄電池的規(guī)格， 主要是根據(jù)測試中為了更加準(zhǔn)確確定發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下阻扭矩的測試而定的，一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)所測試的轉(zhuǎn)速范圍是：

（1）直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)50～150r/min。

（2）直噴式小型高速柴油機(jī)120～220r/min。

如果有條件可以使用一個(gè)模擬蓄電池各種放電特性的模擬電源代替很多組的蓄電池來進(jìn)行試驗(yàn)。

這種試驗(yàn)方法可以參考SAE J1253 規(guī)范進(jìn)行。

以上三種方式均可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)與起動(dòng)機(jī)之間的匹配。

3 安裝設(shè)計(jì)

3.1 選用安裝法蘭

根據(jù)起動(dòng)機(jī)法蘭安裝的型式大體上可以分為如下四種型式（SAE J542）： No.1—中負(fù)載有鼻式，No.2—重負(fù)載有鼻式，No.3—輕負(fù)載有鼻式，No.4—輕負(fù)載無鼻式。

安裝法蘭的選用主要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載形式 （輕負(fù)載/中負(fù)載/重負(fù)載）；飛輪中心與起動(dòng)機(jī)安裝中心距誤差影響齒輪副節(jié)圓嚙合誤差的大小； 濕式飛輪殼和干式飛輪殼對(duì)起動(dòng)機(jī)有無密封的要求；飛輪殼內(nèi)腔空間的大??；離合器摩擦片磨損嚴(yán)重程度等等因素。 往往在初步選型中忽略了今后實(shí)際應(yīng)用的特殊情況， 會(huì)給起動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的壽命會(huì)帶來嚴(yán)重的影響。

3.2 齒輪副（徑向）

一般發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈和起動(dòng)機(jī)小齒輪大部分采用兩種制式的齒輪參數(shù)，其一是公制模數(shù)的齒輪，其二是英制徑節(jié)制齒輪。無論是采用何種方式的齒輪，均要提前根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼的圖紙；飛輪；齒圈圖紙中的參數(shù)，與起動(dòng)機(jī)齒輪參數(shù)進(jìn)行嚙合計(jì)算，確定正確的齒輪副參數(shù)。這些計(jì)算最重要的是確定齒圈和驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合倒角的參數(shù)； 齒輪副中齒側(cè)間隙的校核（非常重要）；齒圈齒頂?shù)津?qū)動(dòng)齒輪齒根之間的間隙；齒圈齒根到驅(qū)動(dòng)齒輪齒頂之間的間隙。這對(duì)于起動(dòng)機(jī)能否正常迅速嚙入齒圈同時(shí)又不損傷齒圈是非常重要的。 同時(shí)，齒輪嚙合的噪音也會(huì)大大降低。

3.3 齒輪副（軸向）

取定飛輪齒圈距起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪端面的安裝距離，往往大部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造商不能準(zhǔn)確向起動(dòng)機(jī)廠家提供這方面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)與實(shí)際狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，造成了齒圈與起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪之間的間隙過大或過小， 過大會(huì)造成驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)際嚙合入齒圈的有效長度過短， 使起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪受力不正常，導(dǎo)致齒頭疲勞折斷，同時(shí)發(fā)生銑齒的故障加重，造成齒圈損壞嚴(yán)重。過小會(huì)造成齒輪嚙合成功率降低，尤其是在電瓶饋電、線路壓降過大、環(huán)境溫度降低造成蓄電池放電特性下降、 環(huán)境溫度過高造成導(dǎo)線電阻提高情況下。 更嚴(yán)重會(huì)造成旋轉(zhuǎn)的飛輪齒圈打傷起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的故障。 推薦的齒圈到起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪之間間隙的值：3±1mm。 必要時(shí)需要在兩者之間增加調(diào)整墊片來實(shí)現(xiàn)。

3.4 齒輪副（傳遞負(fù)荷）

這包含了兩個(gè)方面的含義：①飛輪齒圈與起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比。 根據(jù)上述發(fā)動(dòng)機(jī)與起動(dòng)機(jī)匹配性能設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定的最小拖動(dòng)轉(zhuǎn)速， 我們可以確定這兩者之間的傳動(dòng)比，一般情況下，為了獲得更高的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，往往齒輪副傳動(dòng)比希望設(shè)計(jì)得比較小， 但是這樣會(huì)帶來起動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)得惡化， 這就需要更換一款功率更大得起動(dòng)機(jī)，這于成本和安裝是相互矛盾的，因此，在盡可能滿足低溫拖動(dòng)需求的要求下，應(yīng)盡量加大兩者之間的比例，這樣，起動(dòng)機(jī)的工作范圍就會(huì)處在良性工作區(qū)域里，產(chǎn)品的可靠性才能提高；②在確定了傳動(dòng)比的情況下，合理地選擇齒輪的模數(shù)和壓力角， 對(duì)于起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和齒圈的壽命也有重大的影響， 往往我們可以從歷史的經(jīng)驗(yàn)中得到這方面的知識(shí)。

3.5 環(huán)境設(shè)計(jì)

大部分起動(dòng)機(jī)沒有設(shè)計(jì)成具有很高防護(hù)能力等級(jí)的結(jié)構(gòu)，因此，有鼻式起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端蓋在飛輪殼內(nèi)部向上安裝、電磁開關(guān)朝下底部安裝、起動(dòng)機(jī)靠近排氣管、增壓器等熱源、起動(dòng)機(jī)上部安裝有可能存在漏油、漏水的安裝均是不希望看到的。 除非有特殊的保護(hù)隔離措施。

3.6 接線設(shè)計(jì)

我們常見得到的起動(dòng)機(jī)外接端口設(shè)計(jì)無非就是如下幾個(gè)：

（1）50 端子—此端子是安裝在起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)上的，是連接整車起動(dòng)開關(guān)繼電器的端子， 此端子一般通過的電流為電磁開關(guān)吸拉和保持線圈的電流之和（25A～60A）。

（2）50c 端子—起動(dòng)機(jī)具有柔性嚙合配置的輔助繼電器上的端子，此端子與整車起動(dòng)。

控制繼電器或ECU 連接，此端子一般通過的電流很小約1.5A～2A。

（3）30 端子—此端子是安裝在起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)上的，是與蓄電池正極連接的主線端子， 此端子一般通過的電流最大可達(dá)2000A 甚至更高。

（4）30b 端子—此端子是安裝在起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)上的，是與起動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)連接的。

（5）31 端子—此端子一般安裝在起動(dòng)機(jī)電刷端蓋上的負(fù)極接地端子。在絕緣回路設(shè)計(jì)的起動(dòng)機(jī)上，連接此端子的導(dǎo)線規(guī)格與連接30 端子的導(dǎo)線規(guī)格是一致的，否則， 會(huì)增大起動(dòng)機(jī)回路的電阻從而嚴(yán)重影響起動(dòng)機(jī)的輸出。在搭鐵回路設(shè)計(jì)的起動(dòng)機(jī)上，此端子是專門為用戶提供的整車系統(tǒng)接地的端子，尤其在裝有ECU 裝置的電控發(fā)動(dòng)機(jī)上可以衰減電磁騷擾的發(fā)生。

因此，對(duì)于50 和50c 端子接線線路的壓降要求不得大于2V（起動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的壓降），同時(shí)，上述兩個(gè)端子只能串接起動(dòng)機(jī)繼電器或ECU， 禁止并接其它用電設(shè)備和控制裝置，否則，會(huì)影響起動(dòng)機(jī)斷電時(shí)的斷電速度，造成起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)及其它部件的損壞。

對(duì)于30 和31 端子接線線路壓降要求不得大于1V，（起動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的壓降）同時(shí)注意接線時(shí)的緊固力矩和端子的防護(hù)，同時(shí)要特別關(guān)注30 端子上接線數(shù)量的控制，往往起動(dòng)機(jī)30 端子大多采用銅制材料來提高導(dǎo)電性能， 但這樣對(duì)于整車外部主電纜規(guī)格及接線的數(shù)量就非常關(guān)注了， 主電纜的規(guī)格要考慮線路的電壓降來確定， 嚴(yán)禁在30 端子上安裝另外其它之用的電纜，一方面防止過多的載荷將30 端子折斷，另一方面避免該處螺釘或螺母緊固的失效。

對(duì)于30b 端子而言， 嚴(yán)禁用戶拆解并在此端子上并接其它用電設(shè)備。

4 結(jié)論

以上對(duì)起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)和整車配置中的主要應(yīng)用注意事項(xiàng)進(jìn)行了描述，只能是泛泛而言，具體的工作和細(xì)節(jié)上的東西還很多，尤其是要掌握起動(dòng)機(jī)工作原理、發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理、整車線路設(shè)計(jì)的知識(shí)，同時(shí)對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)的掌握一定要更加深入了解。 還要掌握一些專業(yè)的測試技術(shù)及測試手段。 上述討論的有關(guān)起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫狀態(tài)下的匹配，還沒有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)附加負(fù)載，如：風(fēng)扇、壓縮機(jī)、氣泵、液壓泵（工程機(jī)械使用）、液力變扭器（自動(dòng)變速箱應(yīng)用）等。