柴油機無法啟動的原因分析

王保棟 劉名 呂建中 郭兆霞 鄧麗真

摘要：柴油機無法啟動的原因有多種，燃油油路不通暢、機械故障、電路故障、關鍵傳感器失效等都可以導致柴油機無法啟動。無法啟動的表現通常有兩種，一種是起動機無法轉動，一種是起動機可以轉動，但無法啟動。本文介紹并分析了起動機可以轉動但因齒輪無法伸出導致的無法啟動，通過原理分析，逐步引出導致失效的原因并結合實例驗證原理分析的合理性。

關鍵詞：無法啟動;起動機;齒輪;嚙合失效

中圖分類號：U664.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0115-03

0? 引言

柴油機起動系統主要由蓄電池、起動機、起動繼電器和點火開關等組成。當點火鑰匙打到起動檔，起動電路接通，起動機通電旋轉，將蓄電池的電能轉化為機械能，通過起動機的驅動小齒輪帶動發動機的曲軸飛輪組運動，使發動機能夠進氣、壓縮、做功、排氣，當發動機開始做功時，起動機退出工作，發動機的起動過程完畢。在通常情況下，起動機傳輸給發動機的起動轉矩必須大于發動機的起動阻力矩[1]，如發動機起動阻力距大于起動機傳輸給發動機的起動轉矩、燃油油路有阻礙、電池虧電、線路接觸不良、曲軸位置傳感器失效等都也可以導致柴油機無法啟動，不同溫度和機油牌號對柴油機啟動也會有影響[2-3]。

本文介紹并分析了起動機本身導致的無法啟動：通電狀態下起動機轉動而齒輪不伸出，致使起動機驅動齒輪無法與發動機飛輪嚙合而實現力矩傳遞造成的。

1? 原理分析

某24V起動機的構成如圖1、圖2所示，一般起動機由驅動齒輪、驅動蓋分總成、單向器分總成、電樞軸、芯軸分總成和開關分總成等關鍵部分組成。

起動機啟動過程有點火、嚙合、退出三個階段，電控柴油機的起動機控制裝置采用電磁式控制，即電磁開關，以下描述以圖3為例：點火鑰匙即50端關閉，電流從電池正極流經50端、開關繼電器、到地，形成回路，此時為點火;開關繼電器流經電流后使得50i吸合，電流由30端通過50i流經吸拉線圈及保持線圈，吸拉線圈與保持線圈同向，產生的電磁力共同壓縮嚙合彈簧，使得鐵芯移動，與頂桿接觸，鐵芯及頂桿繼續移動與30端接觸，形成主回路。此時保持線圈繼續通電保持頂桿與主觸點接觸。電源流經30端、電機并接到地端，此時為嚙合。在嚙合階段，理想情況下，小齒輪的齒直接插入齒圈的齒槽中，起動機和發動機嚙合。小齒輪接近行程終點，30端接通，小齒輪開始轉動并帶動發動機飛輪齒圈轉動。但因為小齒輪與齒圈的齒側間隙很小，理想嚙合情況很少，并且實際嚙合多伴隨沖擊。當小齒輪齒碰在齒圈齒上，小齒輪不能繼續軸向移動，小齒輪與齒圈無法結合。此時動鐵芯被繼續拉動并通過頂桿壓縮嚙合彈簧，使小齒輪齒壓在齒圈齒上的壓緊力增加。待到小齒輪行程終點，活動鐵芯通過動觸點將起動機的主電路接通，小齒輪開始旋轉至能與齒圈嚙合的有利位置，這時小齒輪與齒圈間的預壓緊力使小齒輪快速插入齒圈齒槽內。

從起動機啟動過程可見，吸拉線圈與保持線圈在嚙合階段非常重要，由于兩個線圈繞組的的電流方向相同，磁場力方向相同，產生較大吸附力，使開關動鐵芯克服回位彈簧的作用，一側通過觸點接通主回路，另一側在撥叉的作用下推動驅動小齒輪與飛輪齒圈完全嚙合。如果開關線圈電阻異常，將會導致電磁力不足，從而使得撥叉無法推動驅動小齒輪。

在開關線圈電磁力正常情況下，開關動鐵芯外徑尺寸超上差、開關銅套內徑尺寸超下差、動鐵芯銹蝕等會使得開關動鐵芯無法移動或移動較小，則不能通過觸點接通主電路或未充分壓縮嚙合彈簧，從而使得撥叉無法推動驅動小齒輪或推出的距離不足以與齒圈嚙合。

單向器軸與滾針軸承內圈卡滯的情況，如：單向器外徑超上差、軸承內徑超下差、軸外圓粗糙度超上差、單向器軸彎曲、芯軸裝配單向器軸孔后與驅動蓋軸承孔不同心（芯軸彎曲變形、芯軸直齒清潔度不良）等均會導致驅動齒輪無法伸出，進而無法與發動機飛輪齒圈嚙合傳遞力矩，最終導致發動機無法啟動。

2? 實例分析

某機型柴油機存在熄火后無法再次啟動的問題，經服務站到現場排查，造成該問題系發動機起動機故障原因，更換起動機后，啟動正常。

觀察起動機無磕碰變形，驅動齒輪無銑齒、頂齒痕跡，用手旋轉齒輪，齒輪旋轉但齒輪無法拔出。此時將起動機在性能測試臺上進行性能測試，如圖4所示，開關有吸合的動作，起動機空轉，驅動齒輪不能伸出。根據此現象分析確定，發動機不能被啟動是由于起動機驅動齒輪不能伸出，致使起動機驅動齒輪無法與發動機飛輪嚙合而實現力矩傳遞造成的。因速度傳感器不能測出驅動齒輪速度，通過表1可見測試后測試數據不合格。

①檢測開關吸拉線圈電阻值、保持線圈電阻值、開關線圈耐壓性能，并與原始設計值進行對比，均在設計范圍內，因此排除電阻異常故障。如圖5為檢測開關線圈耐壓性能示意。

②檢測開關動鐵芯外徑尺寸上公差、開關銅套內徑尺寸下公差，并與原始設計值進行對比，均在設計公差上，以此排除超差導致的開關動鐵芯內部卡滯;拆開罩蓋，檢查開關零部件無銹蝕，且上下移動靈活，如圖6，因此不存在由于動鐵芯銹蝕導至動鐵芯卡滯不能推動芯軸向前移動的現象。

③檢測單向器軸外徑上公差、滾針軸承內孔下公差、單向器軸外圓粗糙度值，并與原始設計值進行對比，均在設計公差上，因此排除超差、粗糙度導致單向器軸承與滾針軸承內圈卡滯。

④檢測單向器軸大端對小端的跳動量值、芯軸直齒處對兩端的跳動量值，并與原始設計值進行對比，均符合設計要求，因此排除單向器軸彎曲、芯軸彎曲導致的單向器軸與驅動蓋內軸承孔歪斜。

⑤通過拆解分析，失效件芯軸上花鍵部位發現有鐵屑附著，如圖7所示。

將芯軸上鐵屑用干凈抹布抹干凈后，直花鍵上有鐵屑擠壓后留下的痕跡，如圖8所示。

將鐵屑去掉后，重新裝機，上試驗臺測試，驅動齒輪能正常伸出，速度傳感器能檢測到齒輪的轉速（距離近），如圖9，性能測試合格，如表2。

綜上所述，起動機不起動的原因為芯軸直花鍵處有鐵屑異物導致傳動部件不同心，致使單向器軸與驅動蓋內軸承孔卡滯，驅動齒輪無法伸出，進而無法與發動機飛輪齒圈嚙合傳遞力矩，最終導致發動機無法啟動。

⑥故障復現驗證：現場將另外一臺經檢測為合格的起動機，拆下芯軸，在芯軸部位粘上鐵屑后，上機測試，電機旋轉，但驅動齒輪無法伸出，如圖10;檢測多次都是相同的現象，如表3，然后再將鐵屑取出后，再裝機，檢測合格。

3? 結論

①齒輪不伸出主要有開關線圈電阻異常致使電磁力不足、開關動鐵芯內部卡滯和單向器軸與滾針軸承內圈卡滯三個主要原因。②在具體分析時，除了需要進行設計值查核外，還需要關注生產過程管理查核。在本實例中，鐵屑存在的原因為芯軸裝配前需涂潤滑油脂，因過程管理問題，鐵屑與潤滑油脂混在一起后不易掉落，隨芯軸一起裝配進入起動機內部。在起動機多次運轉工作之后，潤滑油脂的粘稠度減小，鐵屑隨油脂流動，落入芯軸與單向器相嚙合的直齒花鍵部分，造成單向器小端與芯軸之間無浮動間隙，將單向軸頂歪斜，致使單向器大端與驅動蓋內軸承內圈不同心，單向器軸與軸承內圈卡滯。

參考文獻：

[1]劉名，王保棟，張坦志，等.柴油機起動機匹配研究[J].汽車實用技術，2020（9）：88-133.

[2]金巧蘭.起動機與發動機的性能匹配[J].重慶理工大學學報（自然科學），2010，24（12）：127-128.

[3]劉名，王保棟，張坦志，等.不同溫度和機油牌號對柴油機起動的影響[J].汽車實用技術，2020（15）：161-163.