二级啮合式可慢转起动机的研究

二级啮合式可慢转起动机的研究

2002年第6期p51号发布了作者的文章《移动设备中磨齿错误的原因和解决方法》。虽然找到了发生铣齿故障的原因与解决方法，但由于强制啮合式起动机的固有缺点，无法消除齿轮的磨损，因为在顶齿状态进行强制啮合时，驱动齿轮是紧紧地压在飞轮齿上的，起动机功率越大，压力就越大，啮合过程中二齿是在碾压摩擦，使用日久齿轮磨损是不可避免的。因此对功率2kW以上的起动机，还不能彻底杜绝铣齿故障的发生。要彻底解决铣齿问题，就必须做到啮合过程中齿轮不磨损，这就必须采用二级啮合的起动机，也就是可慢转的起动机。这种起动机有2种转速，在驱动齿轮向飞轮齿环移动阶段，以第1种转速慢转，随时叉开顶齿状态，等驱动齿轮与飞轮齿环啮合后，起动机才以第2种额定转速运转，带动发动机起动。由于啮合过程中驱动齿轮对飞轮齿环的压力不大，属于柔性啮合，故不会磨损齿轮。如何获得慢转呢？为此笔者研究了目前所知的各种有慢转功能的起动机。电枢移动式与齿轮移动式起动机，是目前采用最多的可慢转起动机，最具代表的是德国博世公司的KB型与QB型齿轮移动式起动机，欧洲的载货汽车上几乎都用它，国产斯太尔汽车也用它。这种起动机采用复励式直流电动机，每个磁场绕组都由主磁场绕组与副磁场绕组组成，主磁场绕组起串励作用，副磁场绕组在齿轮啮合前起串励作用，齿轮啮合后起并励作用。起动机内有起动继电器与联动继电器，工作时先由起动继电器的小触点接通副磁场绕组与联动继电器的电源，起动机慢转，同时联动继电器使驱动齿轮向飞轮齿环移动，齿轮啮合后，联动继电器打开起动继电器的大触点锁止机构，使大触点闭合，接通主磁场绕组的电源，使起动机全功率运转，同时联动继电器的一对小触点动作，把副磁场绕组从串励状态转换到并励状态。由于开关动作与驱动齿轮的移动，分别由起动继电器与联动继电器来控制，使起动机结构复杂、体积大、成本高，而且受其结构限制无法派生减速型齿轮移动式起动机，其体积、质量难于下降。另一种是法国贝利埃重型越野车上的起动机（国产型号为QD26），装用于红岩重型越野车上。因其结构与强制啮合式起动机相似，因而不少资料上把它当成了强制啮合式起动机，其实属于可慢转的起动机。这种起动机也采用复励式直流电动机，4个磁场绕组中2个为并励绕组，另2个为串励绕组。工作时，先由车上的起动继电器接通电磁开关与并励绕组的电源，电磁开关吸引线圈的电流通过串励绕组。由于吸引线圈采用大截面、少匝数的方式，提供了一定的串励电流，加上并励绕组的励磁，使起动机慢转；齿轮啮合后，电磁开关活动铁心移动到底，开关触点闭合，接通串励绕组的电源，起动机全功率运转。这种起动机与齿轮移动式起动机比较，结构要简单一些，不足之处是必须配备像电磁开关那样的大功率起动继电器，增加了成本。笔者也试过《汽车电器》2003年第3期P57《一种对起动机通病的解决办法之探讨》一文所介绍的方法，用增大电磁开关吸引线圈的工作电流来使起动机慢转，但由于不像QD26起动机那样，有并励绕组帮助励磁，因而提供的慢转功率太小，使用一段时间后，因转动阻力增大，慢转就消失了。不过该方法可用在永磁型起动机上，因为永磁型起动机的磁场由永久磁铁产生，与工作电流大小无关，因而提供的慢转功率较大。笔者据此研制出了可慢转的（永磁减速）起动机，专利号：02262829.0。《汽车电器》1992年第3期P13《具有慢转的新型起动机》一文，介绍了英国卢卡斯公司的LRS系列起动机，其特点是：电磁开关有2对触点，4只磁场绕组并联连线，在顶齿状态先让一对触点接通一个磁场绕组的电源，起动机以1/4的空载转速（1/4×6500r/min=1625r/min）慢转，叉开顶齿状态后，驱动齿轮与飞轮齿环啮合，另一对触点才接通其余3个磁场绕组的电源，起动机全功率运转。但这种方法必须把磁场绕组分成2组，还不能用在磁场绕组串联的起动机上，而且电磁开关触点部分结构复杂，2对触点的零件又不通用，使成本增加。另外慢转速度达1625r/min，在啮合时要求驱动齿轮对飞轮齿环的压力依然很大，实际上还是强制啮合，只不过在1625r/min的情况下强制啮合要比在6500r/min的情况下容易得多。还有一种方法是采用棘轮式单向离合器，在顶齿状态，利用单向离合器内部的螺旋花键在拨叉压力作用下，使驱动齿轮转过一个角度，从而叉开顶齿状态，使二齿啮合。但棘轮式单向离合器结构复杂，成本较高，目前国内应用不多，美国的重型汽车采用较多。以上几种可慢转的起动机，都存在这样或那样的问题。最主要的问题是制造成本都偏高，限制了其普遍应用。因此除了少数重型汽车起动机功率达8kW及以上时，才不得不采用外，国内大部分轻、中、重型汽车起动机功率在7.5kW及以下的都未采用。要使可慢转的起动机全面代替强制啮合的起动机，就必须达到以下要求：有慢转功能、啮合过程不磨损齿轮、结构较为简单、成本与强制啮合式起动机不相上下。笔者经多年研究探索，终于找到了一种使起动机慢转的简单方法。在目前常用的强制啮合式起动机上，装用改进后的卢卡斯公司的双触点电磁开关，用限流电阻来限制起动机的工作电流而使其慢转。即先由一对触点接通串入限流电阻的起动机电源使其慢转，齿轮啮合后，另一对触点接通，短接限流电阻，使起动机直接与电源接通。限流电阻为Φ1～2mm、长10cm左右的铁烙合金线（电炉丝），所增成本微不足道，因而达到了可慢转而不增加成本之目的，完全可作为强制啮合式起动机的更新换代产品，详细介绍如下。图1为带限流电阻的双触点电磁开关结构原理图。工作过程：闭合起动开关K，吸引线圈5与保持线圈6通电，活动铁心1向挡铁9移动，拨叉拉杆3拉动拨叉使起动机的驱动齿轮向飞轮齿环移动，二者如能顺利啮合，则活动铁心1移动到底，顶住铜套8使上层一对触点12与13、14接通；同时拨叉拉杆3的底端顶住动触点轴7，使下层一对触点16与17、18接通，限流电阻20被短接不起作用，起动机与电源接通，发出全功率带动发动机起动。如果驱动齿轮在向飞轮齿环移动时发生顶齿，驱动齿轮的齿尖顶在飞轮齿环的齿尖上不能前移，拨叉与拨叉拉杆3也不能移动，此时活动铁心1压缩拉杆弹簧4后可继续移动到底，顶住铜套8使上层一对触点12与13、14接通，但拨叉拉杆3过不来，顶不到动触点轴7，下层一对触点不会接通。起动机通过限流电阻20与电源接通，受限流电阻限制起动机的工作电流不大而只能慢转，使驱动齿轮与飞轮齿环叉开顶齿状态而啮合，拨叉才能移动。这时拨叉拉杆3在拉杆弹簧4的作用下向挡铁9的方向移动，顶住动触点轴7，使下层一对触点16与17、18接通，短接限流电阻20，使起动机直接与电源接通而全功率运转。虽然在慢转状态，通过限流电阻的电流达数百安培，但由于驱动齿轮只需转过一个齿就能与飞轮齿环啮合，而使下层一对触点接通，及时短接限流电阻。实测限流电阻的通电时间不足1s，功耗很小，也就不需要大体积、大功率的电阻，用一小段铁铬合金丝（电炉丝）就可以。为保证安全，把限流电阻装进瓷管中保护起来，在正常情况下，即使连续起动10多次，限流电阻也不会过热，因为发动机每次起动时间一般为5～10s，也即限流电阻每次通电1s后，都有5～10s的冷却时间。只有当下层一对触点发生接触不良故障时，因不能短接限流电阻，致使限流电阻通电时间长而烧红甚至熔断。触点接触不良已使起动机不能正常工作，应更换电磁开关或修理。因此，在这种情况下限流电阻熔断已无关紧要，相反能指示出触点接触不良。由于起动机慢转速度的高低可通过调整限流电阻的大小来达到，在保证可慢转的情况下，慢转速度越低，要求驱动齿轮对飞轮齿环的压力越小，就能更好地保护齿轮不磨损，又可使电磁开关的电磁力大为减小，约为强制啮合式起动机用电磁开关电磁力的一半，使线圈用铜量减少，降低了成本。因电磁力减小，拉杆弹簧4的压力也可减小，这样可用拉杆弹簧4兼作下动触点16的压紧弹簧，使电磁开关的触点部分结构简化，零件通用，降低成本。从而抵消了采用双触点后所增加的成本，使这种电磁开关的成本与单触点电磁开关的成本不相上下。而且因线圈工作电流也减小，从而有可能取消车上的起动继电器，或者把目前使用的大功率起动继电器改为一般的通用继电器，间接降低了成本。又由于起动机的慢转是用限流电阻来限制其工作电流而获得，与磁场绕组的连接方式无关。因此目前任何形式的强制啮合的起动机，只要装上这种带限流电阻的双触点电磁开关，就变成了可慢转的起动机，啮合过程中不再磨损齿轮，彻底解决了铣齿这个难题。如果专门设计与这种电磁开关配套的起动机，其单向离合器上就不再需要啮合弹簧，并可使单向离合器缩短，起动机前端盖也可跟着缩短，使起动机的体积、质量都有所减小，总的成本有望比强制啮合式起动机还低，工作性能却是强制啮合式起动机无法比拟的。目前国内已能批量生产卢卡斯公司的双触点电磁开关，只需稍作改进就成了本文介绍的带限流电阻的双触点电磁开关。因此用可慢转的起动机全面代替强制啮合式起动机的