起动机的匹配

李芸芸，田生虎，卢振东，吴功平，王瑞平，

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336;2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江宁波 315800)



起动机的匹配

李芸芸1，田生虎1，卢振东1，吴功平2，王瑞平1，2

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336;2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江宁波 315800)

介绍汽车起动系统的相关组成部分，着重介绍在起动系统中起关键作用的起动机的组成结构及其工作原理，电磁开关控制起动机的转动及驱动齿轮的啮合、脱离情况，保证汽车正常起动对起动机的基本要求。在匹配设计过程中，根据经试验测出的发动机的起动速度及起动转矩，经过数据选择和计算，简要地对汽车起动系统中各组成部件的匹配情况做出规定。由于温度对起动系统中各组成部件有一定的影响，在设计过程中要充分考虑温度对起动性能的影响。

起动机；蓄电池；功率；扭矩；温度

0　引言

汽车起动系统包括起动机、点火起动开关、蓄电池、起动继电器和安全起动开关等部分。其中较核心的部件就是起动机了。

1　起动系统简介

起动机又叫马达，它是将蓄电池的电能转化为机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的起动，它是使汽车发动机由静止状态变为运动状态的一个部件。根据传动机构和控制装置的不同，起动机可分为惯性啮合式起动机、机械啮合式起动机、电磁啮合式起动机和电枢移动式起动机。其中在汽油发动机上应用较广泛的是电磁啮合式起动机，如图1所示为电磁啮合式起动机的结构。起动机由以下三部分组成：直流电动机、传动机构、控制机构。起动时，起动开关接通即点火钥匙接通至起动挡，电磁开关的保持线圈和吸引线圈同时通电，在电流和电磁铁心的作用下，产生磁场力使电磁开关接通驱动电动机，使之运转；同时驱动控制机构工作即带动拨叉将驱动齿轮推出，使之与发动机的飞轮起动齿圈啮合；传动机构将速度和扭矩通过单向离合器传递给发动机的飞轮，同时还保护起动机以免发动机起动后，飞轮带动起动机电机超速旋转而损坏；当发动机起动后，断开起动开关，电动机停止运转，拨叉返回原来位置，使驱动齿轮和飞轮起动齿圈脱离，起动机停止工作。

为了保证起动机正常工作，要求起动机具有以下5个特点：

(1)制动力矩大。起动机在刚接通时发动机阻力矩最大，因此起动机的起动力矩只有大于发动机在一个工作循环内的最大阻力矩时才可正常起动；

(2)良好的超越离合性。发动机正常起动且点火后，以很高的转速反拖起动机，此时如果起动机的超越离合性差，很容易造成发动机带动起动机运动从而烧毁损坏起动机，发动机工作后，起动机不能再和飞轮起动齿圈啮合。也就表示控制机构能很好地工作，从而保护起动机；

(3)齿轮啮合容易。保证齿轮和飞轮起动齿圈顺利啮合，从而保证顺利起动；

(4)起动机工作可靠，经久耐用。每个起动机都要求有一定的使用寿命。

(5)起动机的电源由蓄电池提供，蓄电池的容量由起动机的消耗决定。

2　起动系统的匹配

起动机选择主要决定于发动机，而蓄电池的容量则由起动机的消耗决定。起动机的选择与两个因素有关，分别是发动机在设定工作环境最低温度下的阻转矩和在设定工作环境最低温度下发动机的最低起动速度。发动机阻转矩包括摩擦阻力矩、压缩阻力矩和惯性阻力矩，其中摩擦阻力矩和压缩阻力矩与环境温度有很大关系。温度越低，机油黏度越大，从而使发动机的摩擦阻力矩增大，同时也会使燃油黏度变大，使燃油汽化困难，不利于燃油和空气的混合，从而使混合气点燃或压燃困难，同时影响到压缩阻力矩和发动机的最低起动速度。并且当温度较低时，蓄电池的容量会变低，内阻会增加，致使输入起动机的功率降低。所以选择起动机的型号应以最低温度时发动机的阻力矩和最低起动速度参数为依据。

通过标定试验可以测出发动机起动时的转速和阻力矩。通过标定测得某品牌一款发动机在-30 ℃时的起动转速n1为140 r/min，起动阻力距M1为94 N·m。

P=(M ×n)/9 549.3

根据公式可算出起动功率约为1.378 kW，起动机到发动机的传递效率约为0.93，但在实际工作过程中这个传递效率都包括在标定测试内，所以起动机的输出功率P1约为1.378 kW。发动机上起动齿轮的转速为140 r/min，i取10，则起动机上起动齿轮的转速n2约为1 400 r/min，起动机上起动齿轮的转矩约为10 N·m。

起动机的电磁功率

P2=P1/ηd=1.378/0.9=1.531 kW

式中：ηd为电机电磁效率，按经验及参考资料，ηd可取为0.9。

根据P2计算温度为-30 ℃时，蓄电池额定容量C20的值。蓄电池额定容量可用下式表示：

C20=P2L/UH

式中：P2为功率，L为比能量，UH为蓄电池的额定电压。图2中虚线表示UH为12 V时最大功率对应的比能量，实线表示UH为24 V最大功率对应的比能量。蓄电池的额定电压为12 V，根据图2可查出，在-30 ℃时，功率为1.531 kW处的比能量L取950，则C20可表示为：

C20=P2L/UH=1.531×950/12=121.213

根据标准GB/T 5008.2-2013可查得取规格为120 A·h的蓄电池，查得起动电流为480 A。

在设计过程中，要求起动机的工作区在起动机的最大功率点附近，可设置起动机的最大功率为1.5 kW，在最大功率点时所对应的起动电流为480 A，经起动机输入到发动机上的转速和扭矩分别为1 400 r/min和10 N·m。在设计时，通过流经起动机的电流，可以确定起动机内的磁场强度；确定好起动机内部的线圈绕数及电枢等参数后，转速和转矩就可确定，再经过减速装置就可得到发动机起动所需的最低转速和扭矩。

减速装置一般分为外啮合式、内啮合式和行星齿轮式，其中行星齿轮减速装置是应用最广泛的一种，其优点是质量轻、噪声低、安装方便等。通过齿数确定传动比，得到所需的转速和扭矩，剩下的就只有与发动机起动齿圈啮合的齿轮的相关数据确定。其中比较重要的是飞轮起动齿圈距起动机驱动齿轮端面的距离，这个数据的大小对起动性能及其寿命有很大的影响，距离过大，会造成驱动齿轮实际啮入齿圈的有效长度过短，使齿轮受力不正常，导致齿头疲劳折断，同时使铣齿的情况加重，使齿圈损坏严重；过小会造成齿轮啮合成功率降低，尤其是在蓄电池放电特性下降的情况下，在脱离时，由于距离太小很可能会造成旋转的飞轮齿圈打伤起动机的驱动齿轮，影响起动机寿命。一般飞轮齿圈到起动机驱动齿轮之间间隙值取(3±1) mm，必要时再增加调整垫片来实现。另外，轴向间隙的大小还会带来起动机驱动齿轮和飞轮齿圈啮合前邻接碰撞力大小的变化。一般间隙越大邻接碰撞力越大，邻接碰撞力过大会导致齿面损伤、啮入困难并发生顶齿故障。根据所需的最低起动转速和扭矩可以确定传动比，从而确定起动机驱动齿轮的齿数，再考虑齿轮寿命及经验可以确定齿轮的模数、压力角等

相关参数；起动齿轮硬度的选择影响驱动齿轮与飞轮齿圈的耐磨性，设计时驱动齿轮比飞轮齿圈的硬度要高出HRC3～5，一般起动机驱动齿轮取HRC57～64，中小型飞轮齿圈取HRC45～50，大型发动机飞轮齿圈取HRC50～55，这样的匹配对两啮合的齿轮寿命都有帮助，较合适。为了不影响起动机的工作性能及寿命，起动机安装部位的温度必须控制在60 ℃以下，所以起动机一般安装在进气侧。

3　总结

(1)汽车起动系统包括起动机、点火起动开关、蓄电池、起动继电器和安全起动开关等部分，其中较核心的部件就是起动机；

(2)起动机是由直流电动机、传动机构、控制机构三部分构成，直流电动机控制起动机的运转，传动机构将功率传递给飞轮齿圈，而控制机构可以控制起动齿轮和飞轮齿圈的啮合和脱离，起到保护起动机的作用；

(3)介绍起动系统的匹配。由于温度对起动的影响非常大，为了保证起动正常，设计时考虑低温时的起动性能配合，结合发动机的起动性能，设计蓄电池的容量及起动机的参数。

【1】杨河清.汽车起动机、蓄电池、发电机与整车匹配[J].轻型汽车技术，2000(3)：51-54.

【2】全国铅酸蓄电池标准化技术委员会.GB/T 5008.2-2013起动用铅酸蓄电池.第2部分：产品品种规格和端子尺寸[S].北京:中国标准出版社，2013.

【3】谭明作，书江涛.LJ465Q的起动机与起动系统的匹配研究[J].汽车电器,2008(9)：15-17.

【4】李国辉.柴油载货汽车起动系统匹配技术研究[J].汽车电器,2011(8)：1-5.

【5】魏玉.汽车起动机-发电机发展分析与探讨[J].辽宁高职学报，2013,15(2)：87-89.

【6】祈克光.汽车起动机保护控制功能设计[J].汽车电器，2014(2)：8-10.

【7】张玲玲，张小印.汽车起动机性能要求的确定方法[J].汽车电器，2000(3)：6-7.

Starter Matching

LI Yunyun1，TIAN Shenghu1，LU Zhendong1，WU Gongping2，WANG Ruiping1，2

(1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315336,China;2.Zhejiang Geely Royal Engine Co.,Ltd., Ningbo Zhejiang 315800,China)

The relevant sect1s of the auto starting system were introduced. The structure and working principle of the starter that played a key role in starting system were emphasized. Electromagnetic switch was used to control the rotation of the starter and engagement and detachment situation of drive gear, to ensure the basic requirement of automobile normal start to the starter. In the design process, according to measured starting velocity and starting torque of engine, through selection and calculation, the matching conditions of the components of auto starting system were stipulated. Due to the temperature has a great influence, the effect of temperature on the starting performance should be considered in the design process.

Starter; Accumulator; Power; Torque; Temperature

2015-04-03

李芸芸(1989—)，女，硕士，助理工程师，研究方向为汽车发动机。E-mail：892839035@qq.com。