某柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)銑齒原因分析及解決

王保棟，唐興志，劉 名，王花蕾

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

引言

起動(dòng)機(jī)是柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部件，起動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)在一定程度上影響了柴油機(jī)的起動(dòng)好壞。在為柴油機(jī)匹配起動(dòng)機(jī)時(shí)，通常考慮關(guān)鍵參數(shù)，但部分情況下，柴油機(jī)與起動(dòng)機(jī)之間連接的參數(shù)考慮不周，則會(huì)導(dǎo)致不同的故障。本文從小尺寸鏈角度，分析起動(dòng)機(jī)本身尺寸設(shè)計(jì)不合理、柴油機(jī)與起動(dòng)機(jī)連接參數(shù)不合理引起的起動(dòng)機(jī)銑齒故障。

1 基本概念及理論

1.1 起動(dòng)機(jī)的作用及構(gòu)成

起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。電起動(dòng)機(jī)由蓄電池供電，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，氣馬達(dá)由氣瓶提供高壓氣，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

電起動(dòng)機(jī)按照驅(qū)動(dòng)方式可分為直驅(qū)式起動(dòng)機(jī)（普通起動(dòng)機(jī)）和減速起動(dòng)機(jī)；按照結(jié)構(gòu)可分為有鼻式和無(wú)鼻式起動(dòng)機(jī)；按照嚙合方式分為強(qiáng)制嚙合式和柔性嚙合式。

起動(dòng)機(jī)通常由直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制裝置三大機(jī)構(gòu)組成。直流電機(jī)主要包括定子鐵芯、勵(lì)磁線圈、電樞、換向器、電刷等，其功能是定子得電產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生起動(dòng)扭矩。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)齒輪、單向器、撥叉、減速機(jī)構(gòu)等，其功能是打開點(diǎn)火開關(guān)后，驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈嚙合，并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，松開點(diǎn)火開關(guān)后，驅(qū)動(dòng)齒輪自動(dòng)與飛輪齒圈脫開，實(shí)現(xiàn)一次成功起動(dòng)。控制裝置主要包括開關(guān)繼電器、電磁開關(guān)等，其功能是控制電路的通斷。如圖1所示。

圖1 某起動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖

1.2 飛輪齒圈與齒輪靜態(tài)理論間隙

起動(dòng)機(jī)齒輪與飛輪齒圈初始軸向間隙預(yù)留δ=3 mm～5 mm[1]，如圖2。齒輪正常嚙合后嚙合長(zhǎng)度需不小于齒圈2/3厚度，且齒輪正常嚙合后，起動(dòng)機(jī)齒輪不超出齒圈。正常嚙合長(zhǎng)度計(jì)算為電磁開關(guān)超行程L0按撥叉L1/L2變比算驅(qū)動(dòng)齒輪彈出L0*L1/L2+L3（L3為驅(qū)動(dòng)齒輪后端面與端蓋距離，驅(qū)動(dòng)齒輪被頂住，頂回的距離不超過L6，起動(dòng)機(jī)內(nèi)部撥叉支點(diǎn)連接的密封橡膠墊是軟狀態(tài)，相當(dāng)于杠桿支點(diǎn)有一定的活動(dòng)區(qū)間，對(duì)彈出尺寸有一定調(diào)節(jié)作用，因此計(jì)算嚙合長(zhǎng)度可粗略按照L3）。

圖2 δ示意

圖3 撥叉變比L1、L2及驅(qū)動(dòng)齒輪后端面與端蓋距離L3示意

1.3 銑齒的機(jī)理

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(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)嚙合。小齒輪接近行程終點(diǎn)，與電池正極接通，小齒輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。但因?yàn)樾↓X輪與齒圈有一定的齒側(cè)間隙，理想嚙合情況很少，并且實(shí)際嚙合多伴隨沖擊。當(dāng)小齒輪齒碰在齒圈齒上，小齒輪不能繼續(xù)軸向移動(dòng)，小齒輪與齒圈無(wú)法結(jié)合。此時(shí)吸合鐵芯被繼續(xù)拉動(dòng)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(diǎn)，活動(dòng)鐵芯通過動(dòng)觸點(diǎn)將起動(dòng)機(jī)的主電路接通，小齒輪開始旋轉(zhuǎn)至能與齒圈嚙合的有利位置，這時(shí)小齒輪與齒圈間的預(yù)壓緊力使小齒輪快速插入齒圈齒槽內(nèi)。

如發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪不能與飛輪齒環(huán)嚙合 ，起動(dòng)機(jī)電樞高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒環(huán)摩擦發(fā)出強(qiáng)烈打齒聲，發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪相當(dāng)于“銑刀”對(duì)飛輪齒環(huán)進(jìn)行“銑削”，因此把這種故障稱為“銑齒”。其嚴(yán)重后果是飛輪齒環(huán)被銑削干凈，有時(shí)驅(qū)動(dòng)齒輪也同時(shí)報(bào)廢。引發(fā)銑齒故障的原因是多方面的，驅(qū)動(dòng)齒輪硬度低、齒圈硬度低、起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)觸點(diǎn)提前閉合等原因都會(huì)造成銑齒[1-2]。本文主要介紹因?yàn)槿嵝試Ш掀饎?dòng)機(jī)電磁開關(guān)觸點(diǎn)提前閉合導(dǎo)致的銑齒。

1.4 頂齒接通距

在起動(dòng)機(jī)齒輪前端一定距離處增加擋塊，驅(qū)動(dòng)齒輪彈出頂住擋塊，嚙合彈簧被完全壓縮，電磁開關(guān)主觸點(diǎn)接通時(shí)，起動(dòng)機(jī)安裝面到驅(qū)動(dòng)齒輪端面距離即為頂齒接通距L，也即從初始位置到電磁開關(guān)主觸點(diǎn)接通時(shí)，嚙合彈簧被完全壓縮，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪所能打出的最大距離。如圖4所示。

圖4 頂齒接通距L

2 原因分析及解決方法

2.1 銑齒工作過程

如前文所述柔性嚙合起動(dòng)機(jī)通電起動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪彈出并緩慢旋轉(zhuǎn)，如圖5、圖6，驅(qū)動(dòng)齒輪頂住齒圈端面時(shí)，電磁開關(guān)主觸點(diǎn)尚未接通，如果受各方面影響電磁開關(guān)主觸點(diǎn)提前接通（此時(shí)主觸點(diǎn)接通時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪還沒有頂?shù)烬X圈端面），此時(shí)若驅(qū)動(dòng)齒輪無(wú)法嚙合，只能頂住齒圈端面高速旋轉(zhuǎn)，即表現(xiàn)為銑齒。

圖5 正常齒輪打出狀態(tài)

圖6 正常齒輪嚙合狀態(tài)

2.2 電磁開關(guān)主觸點(diǎn)提前接通直接原因

結(jié)合圖5、6可以看出，電磁開關(guān)主觸點(diǎn)提前接通也就是嚙合彈簧完全壓縮時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪與齒圈端面距離≥0 mm，即頂齒甚至尚未頂齒時(shí)，電磁開關(guān)主觸點(diǎn)已經(jīng)接通。發(fā)生這種情況的直接原因?yàn)椋海?）頂齒接通距偏小，也即嚙合彈簧完全壓縮時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪彈出尺寸偏小；（2）起動(dòng)機(jī)安裝面到齒圈距離偏大。

2.3 具體故障分析

某柴油機(jī)啟動(dòng)困難，經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)出現(xiàn)銑齒，針 對(duì)該款起動(dòng)機(jī)銑齒故障進(jìn)行了詳細(xì)的排查。

（1）查核起動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)圖圖紙電磁開關(guān)性能檢測(cè)要求：在L±1處設(shè)置擋塊，起動(dòng)機(jī)兩端加16 V電壓，驅(qū)動(dòng)齒輪應(yīng)能與擋塊相頂，同時(shí)電磁開關(guān)主觸點(diǎn)應(yīng)未接通。

（2）起動(dòng)機(jī)頂齒不導(dǎo)通試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出廠數(shù)據(jù)控制偏下限，如表1所示。

表1 頂齒不導(dǎo)通試驗(yàn)

（3）查核起動(dòng)機(jī)總成設(shè)計(jì)圖紙，要求起動(dòng)安裝面到齒圈端面距離為L(zhǎng)?4 mm。測(cè)量A故障車起動(dòng)機(jī)安裝面到齒圈端面距離為L(zhǎng)+0.4 mm，也即電磁開關(guān)主觸點(diǎn)接通時(shí)，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪尚未頂?shù)烬X圈，如圖7。此時(shí)圖7的L+0.4 mm，若對(duì)應(yīng)圖4狀態(tài)，應(yīng)為電磁開關(guān)主觸點(diǎn)接通的狀態(tài)，但如圖7所示，驅(qū)動(dòng)齒輪端面沒有頂住齒圈端面，那么就會(huì)出現(xiàn)前文所述的銑齒。反過來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)齒輪要沿箭頭方向頂住齒圈端面，嚙合彈簧在此時(shí)少壓縮了0.4 mm，如果要達(dá)到頂齒接通距的理論狀態(tài)，則需要嚙合彈簧完全壓縮，那么電磁開關(guān)主觸點(diǎn)需要再向右移動(dòng)一段距離帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪壓縮嚙合彈簧，相比于圖4，電磁開關(guān)主觸點(diǎn)多向右移動(dòng)了，也能說(shuō)明是主觸點(diǎn)提前接通。

圖7 A故障機(jī)起動(dòng)機(jī)安裝面到齒圈端面距離示意圖

（4）橫向?qū)Ρ仍摽钇饎?dòng)機(jī)用于其他類型B發(fā)動(dòng)機(jī)的情況，B的起動(dòng)機(jī)安裝面與齒圈端面距離為L(zhǎng)?4 mm，未出現(xiàn)銑齒情況。

2.4 解決方法

通過以上分析，得知頂齒接通距偏下限及起動(dòng)機(jī)安裝面到齒圈端面距離偏大是本次故障的主要原因。為簡(jiǎn)單高效解決本次故障，改進(jìn)措施為通過在電磁開關(guān)與端蓋之間加厚度為d的墊片加大頂齒接通距。此時(shí)，電磁開關(guān)整體向右移動(dòng)d個(gè)距離，如圖8所示，L5沒有變化，動(dòng)鐵芯與撥叉之間空行程L4（動(dòng)鐵芯移動(dòng)L4距離之前，撥叉是不會(huì)運(yùn)動(dòng)的）減少d個(gè)距離，即（L4?d）mm，較增加調(diào)整墊片前，撥叉帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪先彈出。對(duì)比增加墊片前后驅(qū)動(dòng)齒輪彈出尺寸變化：電磁開關(guān)主觸點(diǎn)接通時(shí)，增加墊片前驅(qū)動(dòng)齒輪彈出尺寸為（L5?L4）×撥叉變比（L1/L2）；增加墊片后驅(qū)動(dòng)齒輪彈出尺寸為[L5?（L4?d）]×撥叉變比（L1/L2），可以看出，增加墊片后驅(qū)動(dòng)齒輪彈出尺寸變大。

對(duì)該改進(jìn)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在L處增加擋塊，因增加墊片后驅(qū)動(dòng)齒輪先彈出，則說(shuō)明驅(qū)動(dòng)齒輪先與擋塊接觸，嚙合彈簧先被壓縮；反過來(lái)，相比增加墊片前，電磁開關(guān)主觸點(diǎn)后接通，也即頂齒接通距變大。將調(diào)整墊片后的起動(dòng)機(jī)安裝至A故障機(jī)，起動(dòng)多次后，未再出現(xiàn)銑齒現(xiàn)象，說(shuō)明措施有效。

圖8 L4、L5示意圖

3 結(jié)論

起動(dòng)機(jī)的銑齒分析除了考慮驅(qū)動(dòng)齒輪硬度高、齒圈齒輪硬度低以外，兩個(gè)重要的尺寸也需要考慮：頂齒接通距及起動(dòng)機(jī)安裝面與齒圈端面的距離。在匹配時(shí)，需要考慮兩者之間的計(jì)算關(guān)系并在必要時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。