三级软啮合起动机

肖建国，胡智慧，李稚勇

（长沙汽电汽车零部件有限公司，湖南 长沙 410100）

由于内燃机不具有自启动的特性，故需要增加辅助启动部件，从最初的人力启动 （手摇启动），到现在主流的电力辅助启动，一直以来都是内燃机不可或缺的部件。而实现辅助启动功能的主要部件起动机一直以来都是内燃机的关键零部件，对整个内燃机系统品质影响较大。从这么多年来市场了解的内燃机故障模式分析来看，起动机故障数占整个内燃机故障数中比例较高。

1 一般起动机故障模式

笔者结合多年来市场调查发现，起动机故障模式中占比较高的两种故障模式为铣齿和顶齿；因为整车维修人员基本上填写的故障名称为不工作或空转，所以在故障信息统计分析中存在很多归纳失误，因为三包机测试功率等都显示为正常，所以误判断较多。其中很多归纳为不工作或空转或正常的三包机，实际是有铣齿或顶齿故障模式的起动机。

虽然，行业标准规定起动机单向器齿轮端面与飞轮端面距离为3～5 mm；但实际使用过程中，因一机多配现像很多，距离分布达到了2～8 mm。距离太小时，在极端情况下，容易发生顶齿故障；距离太大时，在极端情况下，容易发生铣齿故障。尤其在铣齿故障发生后，单向器齿轮如铣刀一般对内燃机飞轮端面进行铣削破坏，若如此反复，则使距离愈加扩大，从而更加重了铣齿故障的发生频率，以致于最后齿轮副很难啮合形成只有起动机齿轮旋转，但飞轮不能旋转来启动内燃机，形成所谓的空转故障模式。在这种情况下，即使是具有二级慢转软啮合的起动机由于端面距离大而齿面压力小，使得慢转转速过高，很容易错过齿轮齿厚与齿槽间的间隙，造成不能正常啮合，也会造成空转，不能起动发动机。

2 新结构起动机工作原理

笔者设计一种新结构起动机——三级慢转软啮合起动机。如果原起动机为二级慢转啮合起动机，只需将三级起动器串入慢转线圈电路中即可；如果是强制啮合起动机，则需要让起动器串联一个慢转电阻，然后与电磁开关吸拉线圈并联，强制啮合起动机改接起动电路如图1所示。工作过程如下。

图1 强制啮合起动机改接起动电路图

1）接通点火锁开关K1。

2）第1路电流从蓄电池正极→点火开关触点K1→车点火继电器线圈→蓄电池负极，使车点火继电器线圈得电，常开触点K2闭合。

3）第2路电流从蓄电池正极→车点火继电器触点K2→起动机继电器线圈→蓄电池负极，使起动机继电器线圈得电，常开触点K3闭合。

4）第3路电流从蓄电池正极→起动机继电器触点K3→分两路 （一路：电磁开关保位线圈→蓄电池负极；二路：电磁开关吸拉线圈→起动机励磁线圈→起动机电枢→蓄电池负极），使得起动机电磁开关的保位线圈和吸拉线圈同时得电，但此时电磁开关常开主触点K4不立即闭合，只是产生电磁拉力，使电磁开关动铁心朝闭合方向移动，同时拉动拔叉绕拔叉销旋转，推动单向器向飞轮方向移动。随着电磁开关动铁心的渐渐吸入，拔叉推动单向器齿轮与发动机飞轮齿圈啮合。大多数情况下 （约60%左右），单向器齿轮的齿厚部分与发动机飞轮的齿厚部分对齐而顶住，使单向器齿轮无法继续前行而顺利啮合，但电磁开关的电磁力还在渐渐增加，故拉动拔叉、拔叉销整体轴向移动压缩起动机顶齿弹簧，当压力达到设定值时，拔叉推动三级起动器动顶杆移动，从而使三级起动器的动静触点K5闭合。

5）第4路电流从蓄电池正极→慢转电阻→三级起动器触点K5→起动机励磁线圈→起动机电枢→蓄电池负极 （与另路电磁开关吸拉线圈并联后），使电机产生力矩旋转 （因此时线路电阻较大，故力矩较小，形成慢转），带动单向器齿轮旋转一个角度，让齿厚与齿槽对齐而顺利啮合。啮合后，拔叉、拔叉销在顶齿弹簧作用下整体移动回位，从而使三级起动器动触点恢复常开状态，断电而失去慢转能力（注：强制啮合起动机电磁开关吸拉线圈电阻大，单独通过该支路的电流无法形成慢转），但因为电磁开关吸拉、保位线圈一直在通电持续产生拉力，继续拉动铁心移动，同时也继续拉动齿轮与飞轮完全啮合，动铁心边移动边压缩回位弹簧，移动到一定位置时，电磁开关常开主触点K4接通。因主触点两端电位相同，短路电磁开关吸拉线圈，此时，只有保位线圈流过电流产生电磁拉力，保持齿轮与飞轮啮合状态。

6）第5路电流从蓄电池正极→电磁开关主触点K4→起动机励磁线圈→起动机电枢→蓄电池负极。因起动机励磁线圈和电枢电阻很小，故产生大转矩，带动发动机飞轮旋转，起动发动机。

7）发动机发动后，发动机转速快速上升，自主工作旋转，操作者断开点火开关，车继电器、起动机继电器相继失电，触点相继恢复常开状态。但此时，主触点K4还没有断开，电流通过主触点K4、吸拉线圈、保位线圈形成通路，但由于吸拉线圈 （与保位线圈有效匝数相同）电流方向与工作时流向相反，故磁场相反，相互抵消。动铁心失去电磁拉力后，在开关回位弹簧的作用下退回，主触点断开恢复常开状态。同时，发动机发动后，飞轮转速上升，迅速超过起动机单向器齿轮转速，飞轮由从动轮转换为主动轮。作用力促使单向器沿行星轮架轴上的螺旋花键向后退出啮合，同时，单向器齿轮相对于电机转子空转，避免电机转子转速超高。至此，起动过程完成。

3 三级起动器

三级起动器如图2所示，是一种常开开关。其作用：当起动机齿轮齿厚与汽车飞轮齿厚对齐，以致于起动机齿轮与飞轮齿圈无法顺利啮合，而且齿面压力达到设定值时，此顶杆移动，此常开触点闭合，接通慢转电路，使两对齐的齿厚旋转错开一角度直至顺利啮合。啮合动作完成后，此开关触点恢复常开状态。在大约40%左右的起动过程中，起动机齿轮齿厚不会与飞轮齿厚对齐顶齿，可以不需要慢转就实现顺利啮合，也就是说在这种情况下，慢转电阻和起动器不需要参与工作。

图2 三级起动器

4 总结

综上可知，装有三级起动器的起动机 （图3）有以下优点：①因为不是强制啮合，开关吸拉力可以减小，可节约铜线。②在顺利啮合的情况下，起动器和慢转电阻不参与工作，可减少部分能量损耗。③可以大大减少因为起动机齿端面与飞轮齿端面之间距离对于起动机的影响，保持齿端面压力在一定值时产生慢转旋转，以免慢转转速过快错过啮合时期而发生铣齿。当然也能避免齿端面压力过大而发生顶齿的故障。④慢转电阻接在外面，有利于散热，避免烧坏电磁开关线圈。

图3 装有三级起动器的起动机