某柴油機起動機銑齒原因分析及解決

王保棟，唐興志，劉 名，王花蕾

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

引言

起動機是柴油機起動系統最為關鍵的部件，起動機的性能參數在一定程度上影響了柴油機的起動好壞。在為柴油機匹配起動機時，通常考慮關鍵參數，但部分情況下，柴油機與起動機之間連接的參數考慮不周，則會導致不同的故障。本文從小尺寸鏈角度，分析起動機本身尺寸設計不合理、柴油機與起動機連接參數不合理引起的起動機銑齒故障。

1 基本概念及理論

1.1 起動機的作用及構成

起動機驅動飛輪旋轉到點火轉速，實現發動機的起動。電起動機由蓄電池供電，將電能轉化為機械能，氣馬達由氣瓶提供高壓氣，將動能轉換為機械能。

電起動機按照驅動方式可分為直驅式起動機（普通起動機）和減速起動機；按照結構可分為有鼻式和無鼻式起動機；按照嚙合方式分為強制嚙合式和柔性嚙合式。

起動機通常由直流電動機、傳動機構和控制裝置三大機構組成。直流電機主要包括定子鐵芯、勵磁線圈、電樞、換向器、電刷等，其功能是定子得電產生磁場，使得轉子旋轉并通過傳動機構轉換成機械能，產生起動扭矩。傳動機構主要包括驅動齒輪、單向器、撥叉、減速機構等，其功能是打開點火開關后，驅動齒輪與飛輪齒圈嚙合，并帶動曲軸旋轉至點火轉速，松開點火開關后，驅動齒輪自動與飛輪齒圈脫開，實現一次成功起動。控制裝置主要包括開關繼電器、電磁開關等，其功能是控制電路的通斷。如圖1所示。

圖1 某起動機簡圖

1.2 飛輪齒圈與齒輪靜態理論間隙

起動機齒輪與飛輪齒圈初始軸向間隙預留δ=3 mm～5 mm[1]，如圖2。齒輪正常嚙合后嚙合長度需不小于齒圈2/3厚度，且齒輪正常嚙合后，起動機齒輪不超出齒圈。正常嚙合長度計算為電磁開關超行程L0按撥叉L1/L2變比算驅動齒輪彈出L0*L1/L2+L3（L3為驅動齒輪后端面與端蓋距離，驅動齒輪被頂住，頂回的距離不超過L6，起動機內部撥叉支點連接的密封橡膠墊是軟狀態，相當于杠桿支點有一定的活動區間，對彈出尺寸有一定調節作用，因此計算嚙合長度可粗略按照L3）。

圖2 δ示意

圖3 撥叉變比L1、L2及驅動齒輪后端面與端蓋距離L3示意

1.3 銑齒的機理

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，起動機和發動機嚙合。小齒輪接近行程終點，與電池正極接通，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有一定的齒側間隙，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。此時吸合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。

如發動機起動時，起動機的驅動齒輪不能與飛輪齒環嚙合 ，起動機電樞高速旋轉，驅動齒輪與飛輪齒環摩擦發出強烈打齒聲，發動機不能起動。此時驅動齒輪相當于“銑刀”對飛輪齒環進行“銑削”，因此把這種故障稱為“銑齒”。其嚴重后果是飛輪齒環被銑削干凈，有時驅動齒輪也同時報廢。引發銑齒故障的原因是多方面的，驅動齒輪硬度低、齒圈硬度低、起動機電磁開關觸點提前閉合等原因都會造成銑齒[1-2]。本文主要介紹因為柔性嚙合起動機電磁開關觸點提前閉合導致的銑齒。

1.4 頂齒接通距

在起動機齒輪前端一定距離處增加擋塊，驅動齒輪彈出頂住擋塊，嚙合彈簧被完全壓縮，電磁開關主觸點接通時，起動機安裝面到驅動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主觸點接通時，嚙合彈簧被完全壓縮，起動機驅動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機通電起動時，驅動齒輪彈出并緩慢旋轉，如圖5、圖6，驅動齒輪頂住齒圈端面時，電磁開關主觸點尚未接通，如果受各方面影響電磁開關主觸點提前接通（此時主觸點接通時，驅動齒輪還沒有頂到齒圈端面），此時若驅動齒輪無法嚙合，只能頂住齒圈端面高速旋轉，即表現為銑齒。

圖5 正常齒輪打出狀態

圖6 正常齒輪嚙合狀態

2.2 電磁開關主觸點提前接通直接原因

結合圖5、6可以看出，電磁開關主觸點提前接通也就是嚙合彈簧完全壓縮時，驅動齒輪與齒圈端面距離≥0 mm，即頂齒甚至尚未頂齒時，電磁開關主觸點已經接通。發生這種情況的直接原因為：（1）頂齒接通距偏小，也即嚙合彈簧完全壓縮時，驅動齒輪彈出尺寸偏小；（2）起動機安裝面到齒圈距離偏大。

2.3 具體故障分析

某柴油機啟動困難，經過排查發現起動機出現銑齒，針 對該款起動機銑齒故障進行了詳細的排查。

（1）查核起動機零部件設計圖圖紙電磁開關性能檢測要求：在L±1處設置擋塊，起動機兩端加16 V電壓，驅動齒輪應能與擋塊相頂，同時電磁開關主觸點應未接通。

（2）起動機頂齒不導通試驗，試驗數據顯示出廠數據控制偏下限，如表1所示。

表1 頂齒不導通試驗

（3）查核起動機總成設計圖紙，要求起動安裝面到齒圈端面距離為L?4 mm。測量A故障車起動機安裝面到齒圈端面距離為L+0.4 mm，也即電磁開關主觸點接通時，起動機驅動齒輪尚未頂到齒圈，如圖7。此時圖7的L+0.4 mm，若對應圖4狀態，應為電磁開關主觸點接通的狀態，但如圖7所示，驅動齒輪端面沒有頂住齒圈端面，那么就會出現前文所述的銑齒。反過來說，驅動齒輪要沿箭頭方向頂住齒圈端面，嚙合彈簧在此時少壓縮了0.4 mm，如果要達到頂齒接通距的理論狀態，則需要嚙合彈簧完全壓縮，那么電磁開關主觸點需要再向右移動一段距離帶動驅動齒輪壓縮嚙合彈簧，相比于圖4，電磁開關主觸點多向右移動了，也能說明是主觸點提前接通。

圖7 A故障機起動機安裝面到齒圈端面距離示意圖

（4）橫向對比該款起動機用于其他類型B發動機的情況，B的起動機安裝面與齒圈端面距離為L?4 mm，未出現銑齒情況。

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機安裝面到齒圈端面距離偏大是本次故障的主要原因。為簡單高效解決本次故障，改進措施為通過在電磁開關與端蓋之間加厚度為d的墊片加大頂齒接通距。此時，電磁開關整體向右移動d個距離，如圖8所示，L5沒有變化，動鐵芯與撥叉之間空行程L4（動鐵芯移動L4距離之前，撥叉是不會運動的）減少d個距離，即（L4?d）mm，較增加調整墊片前，撥叉帶動驅動齒輪先彈出。對比增加墊片前后驅動齒輪彈出尺寸變化：電磁開關主觸點接通時，增加墊片前驅動齒輪彈出尺寸為（L5?L4）×撥叉變比（L1/L2）；增加墊片后驅動齒輪彈出尺寸為[L5?（L4?d）]×撥叉變比（L1/L2），可以看出，增加墊片后驅動齒輪彈出尺寸變大。

對該改進措施進行試驗驗證，在L處增加擋塊，因增加墊片后驅動齒輪先彈出，則說明驅動齒輪先與擋塊接觸，嚙合彈簧先被壓縮；反過來，相比增加墊片前，電磁開關主觸點后接通，也即頂齒接通距變大。將調整墊片后的起動機安裝至A故障機，起動多次后，未再出現銑齒現象，說明措施有效。

圖8 L4、L5示意圖

3 結論

起動機的銑齒分析除了考慮驅動齒輪硬度高、齒圈齒輪硬度低以外，兩個重要的尺寸也需要考慮：頂齒接通距及起動機安裝面與齒圈端面的距離。在匹配時，需要考慮兩者之間的計算關系并在必要時進行試驗驗證。