重型越野车低温起动电缆烧损机理探析

2020-10-24焦贵利许丽梅田泽梅李向国张学哲

汽车电器 2020年10期

焦贵利，许丽梅，田泽梅，李向国，张学哲

（泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000）

众所周知，发动机在以自身动力运转之前，必须借助外力旋转。发动机借助外力由静止状态过渡到自行运转的过程，称为发动机的起动。起动系统是完成发动机起动的装置，由蓄电池、起动机、控制电路组成。起动机是起动系统的核心部件，可以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，由于操作简单、起动迅速、具有重复起动能力、可以远距离控制，因此被现代汽车广泛采用，但同时也带来了诸多电气系统故障。如果起动系统中零部件或线路出现故障就会导致发动机无法正常起动，这不仅直接影响到整车性能，严重的甚至会带来不可估量的损失。本文将以某重型越野车为例，探析低温起动过程中电缆烧损机理，提高车辆起动性能。

1 故障现象

某重型越野车底盘进行-40℃低温起动试验时，发动机无法起动。按照规定操作流程，第1次起动发动机，驾驶员感觉起动阻力较大，起动机低速缓慢运转，明显感觉发动机转速偏低（与同类车型低温起动试验相比），驾驶室内仪表指示灯变暗；第2次起动发动机，发动机无明显着车迹象；第3次起动发动机，发动机仍无明显着车迹象，随即现场检查，发现起动机至蓄电池的连接电缆（简称起动电缆）绝缘层出现烧灼脱落、蓄电池箱内部连接电缆烧断现象，图1为起动电缆烧损。

2 故障定位

针对某重型越野车起动电缆烧损问题，结合故障发生过程和对故障现场检查结果，以起动电缆烧损为顶事件列故障树，图2为起动电缆烧损故障树。

图1 起动电缆烧损

图2 起动电缆烧损故障树

2.1 起动机品质问题

车辆低温试验后，现场从故障车辆发动机上拆下起动机，在其它同类型车辆上进行装车试验，起动机仍能够正常起动车辆；随后又进一步对起动机进行拆检，未发现起动机内部存在短路现象，但发现起动机内部线圈和导线表面颜色发黑现象，图3为起动机拆检。对比同类型进行过3次低温试验的重型越野车底盘，按照规定的操作流程进行低温起动试验，均在规定的时间内起动成功，检查起动机未发现异常现象。针对上述现象咨询起动机生产厂家，造成此现象原因为起动机进行大电流长时间工作，而非起动机品质问题。

图3 起动机拆检

2.2 电缆设计选型问题

车辆配套起动电缆采用QVR 70mm2公路车辆低压电缆，其性能符合JB/T 8139-1999《公路车辆用低压电缆（电线）》相关要求，复查车辆起动电路线路最大电压损失设计为0.3V，符合《汽车设计手册》中关于24V电系起动电路线路最大电压损失不大于1V的要求。同时考察电缆大电流承载能力，图4为车辆-40℃低温起动试验数据，表1为-40℃环境温度下QVR 70mm2电缆允许过负荷时间，对照图4车辆低温起动电流的典型值2500A左右持续时间为3s，1500A左右持续时间为20s，对比分析结果表明QVR 70mm2电缆承载能力足够；并且该型电缆已配套10余年，随某系列重型越野车底盘数次完成-40℃低温试验，性能可靠。

图4 车辆-40℃低温起动试验数据

表1 -40℃环境温度下QVR 70mm2电缆允许过负荷时间

2.3 电缆装配问题

车辆低温试验后，现场对车辆电气线路进行了全面检查，配套起动电缆捆扎固定牢固，电缆外套聚氯乙烯波纹管保护，电缆走向中无锋利或粗糙表面，未发现起动电缆因磨损搭铁而造成短路现象；在检查起动电缆与电源总开关的连接情况时，发现起动电缆与电源总开关的连接螺母未紧固到位，连接螺栓、电缆端子及电源总开关接线柱烧蚀，经与试验前车辆维护人员进行沟通确认，试验前仅仅进行了发动机起动功能检查，未对此处连接进行专项检查确认，故电缆装配问题不能排除，图5为故障车辆起动电缆连接。

图5 故障车辆起动电缆连接

综合上述分析和故障现象，由于电缆连接螺母未紧固到位，造成起动电路接触电阻增加，使起动机两端电压降低，致使起动机无法输出额定功率，难以克服发动机起动阻力，发动机在低温条件下不能正常起动；正常情况下在起动之初存在短时间大电流，随着发动机转速提升，电流逐渐下降；此次试验因发动机未正常起动，造成起动电路处于持续大电流工作状态，导致起动电缆烧损。

3 故障机理

3.1 起动机组成原理

车辆配套起动机为BOSCH 24V 9kW复励齿轮移动式起动机，图6为起动机结构，它由直流电动机、传动机构和操纵机构3部分组成，即由定子磁极9、电枢转子23、励磁绕组24、换向器19、电刷20、电刷架21等组成的直流电动机，由螺旋花键轴2、啮合杆3、螺旋花键套4、摩擦片或离合器5、离合器外壳6、小齿轮27等组成的啮合传动机构，由控制继电器11、吸引继电器16、主触点动片13、止动板14等组成的电磁式操纵机构。图7为起动机电气原理。

柴油机的起动过程分2个阶段。

图6 起动机结构

第1阶段，起动机接线柱30接蓄电池正极，31接蓄电池负极。当接线柱50接通蓄电池正极时，控制继电器11的线圈和吸引继电器16的保持线圈通电，控制继电器主触点动片13和止动板14均被吸动，主触点动片13上部与接线柱30接通。由于止动板被锁片12卡住，主触点动片13下部不能与励磁绕组24接通，于是并励绕组和辅助绕组（均在励磁绕组24内）以及吸引继电器16的吸引线圈均通电，流过辅助绕组和吸引继电器吸引线圈的电流经电枢转子23构成回路。电枢转子缓慢旋转，带动离合器外壳6、摩擦片、螺旋花键套4、螺旋花键轴2、小齿轮27一起缓慢旋转；与此同时，吸引继电器16的芯杆被吸引，推动啮合杆3、螺旋花键轴2、小齿轮27向外伸出，实现小齿轮与飞轮齿圈啮合。

第2阶段，当小齿轮与飞轮齿圈啮合宽度大于17mm时，扣片15将锁片12向上顶起，止动板14被释放，主触点动片13下部与串励绕组（在励磁绕组24内）接通。来自蓄电池的大电流直接通过串励绕组的电枢回路，起动机发出全部功率，飞轮加速旋转，柴油机“着火”起动。为防止柴油机起动运转后反过来带动起动机高速运转，使起动机飞散，在小齿轮与电枢轴之间的摩擦片式离合器5超速打滑，使起动机不受损坏。断开接线柱50的电源，起动机停止工作，小齿轮在回位弹簧22的作用下回到原位。

图7 起动机电气原理

3.2 直流电动机转矩自动调节特性

直流电动机拖动负载，当负载发生变化时，电动机的电枢转速、电枢电流、电磁转矩均会自动地作相应的变化，以满足不同负载的需要。其原理如下。

通电的线圈在磁场中受力而转动，运动的线圈切割磁力线产生电动势，电动势的方向和线圈电流方向相反，电动势的大小为E反=Ceφn （Ce为电机结构常数，φ为磁极磁通，n为电枢转速）。

电动机工作时，电压平衡方程式为Ub=E反+IaRa（Ia为电枢电流，Ra为电动机内阻），则电枢电流为Ia=（Ub-E反）/Ra，因此可得出如下结论。

负载↓→电枢轴上阻力矩↓→电枢转速↑→E反↑→Ia↓→电磁转矩↓→直至电磁转矩减至与阻转矩相等→电动机拖动负载以较高转速平稳运转。

负载↑→电枢轴上阻力矩↑→电枢转速↓→E反↓→Ia↑→电磁转矩↑→直至电磁转矩增至与阻转矩相等→电动机拖动负载以较低转速平稳运转。

图8为起动机-20℃特性曲线，由图8可知：起动机刚起动时转速较低，通过转速曲线n可知此时起动机处于大电流工作状态，通过扭矩曲线M可知此时起动机输出较大扭矩，当输出扭矩克服阻力矩后，起动机转速随之提升，随着转速的升高，电流逐渐下降。

由该起动机特性曲线得出的结论与原理特性相一致。

图8 起动机-20℃特性曲线

3.3 机理分析

低温起动时，发动机阻力矩大，即起动机工作负载大，起动机起动转速低，起动机处于大电流工作状态，随着电流增加，起动机转矩提升，直至转矩增至与阻转矩相等，起动机拖动负载以较低转速平稳运转。

正常情况下大电流的持续时间很短，随着发动机转速上升，个别缸的“自爆燃”使起动机的负载下降，起动机上阻力矩下降，起动机转速上升，电流下降。

如果起动电缆与电源总开关因连接螺母未紧固到位，造成起动电路接触电阻增加，使起动机端电压降低，致使起动机无法输出额定功率，难以达到发动机个别缸出现“自爆燃”现象，起动机拖动发动机将以较低转速平稳运转。

此次起动试验操作中，驾驶员感觉发动机低速缓慢运转，而且转速长时间无明显提升，说明试验时起动机处于持续大电流工作状态。

起动电缆与电源总开关因连接螺母未紧固到位，造成此处接触电阻增加，由于电路中存在持续大电流，由焦耳定律可知，此处会产生较高热量；在此次低温试验过程中，起动电流可达甚至超过2500A （电缆允许通电时间为40s），接触热量聚集，使烧蚀拓展，当温度超过绝缘层软化温度后，导线绝缘层会变软直至融化。蓄电池箱内电缆交叉连接，相互接触，由于电缆绝缘层脱落而失去绝缘保护作用，进而造成蓄电池正极、负极接线柱间的连接电缆短路烧断，图9为电缆烧蚀后短路点。