論發動機與起動機匹配

段振濤

（廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西 南寧 530007）

0 引言

起動機是目前電力驅動發動機最常見的起動裝置，能夠給車輛發動機的起動帶來迅速和方便， 起動機應用在發動機起動系統中已數十年了， 但起動機產品無論是在發動機廠用戶，還是在整車及最終用戶那里，由于其較高的故障率，一直受到眾多用戶層的關注，可以說起動機這個產品自誕生以來，是一個又讓人依賴，同時又讓人頭疼的產品。無論是國際上知名品牌發動機制造商，還是國內眾多發動機制造廠， 起動機故障率往往排在前三甲之內， 但很大的區別在于國內考核里程比國外考核里程短數倍的情況下，故障率卻要高出幾十倍甚至上百倍。

這里除了國內起動機制造廠在設計， 制造工藝等方面與國外技術先進的起動機制造商相差較大外， 在起動機產品應用、 匹配上存在的問題也是造成起動機產品故障率居高不下的重要因素。

本文主要對目前國內發動機制造廠在起動機匹配，整車匹配中出現的帶有普遍現象的問題進行討論， 目的在于在盡可能減小起動機產品在配套環節上不當方案的環節，從而降低故障率。

1 理論計算方式

計算不同溫度狀態下和不同發動機轉速下的Mc 值（發動機平均阻扭矩）

式中：V—發動機排量 （dm3）；ε—壓縮比；δ—曲軸旋轉不均勻系數；k—常數；對于汽油機為3.8，對于柴油機為2.8；ν—發動機機油的運動粘度（cm2/s）；n—在穩定旋轉狀態下曲軸平均轉速（r/min）。

根據上述公式計算的不同結果，可以繪制出發動機在所希望配置環境溫度下，針對不同轉速與發動機阻扭矩的關系圖，一般計算在0℉（-18℃）和74℉（20℃）兩個溫度下的發動機阻扭矩M 與轉速n 之間的關系圖， 即M-n圖。 之后，在M-n 圖上，將所配置起動機在相同兩點溫度環境下，測量或計算出此時起動機的輸出曲線M-n。 得到的兩種溫度的起動機M-n 曲線， 與相對應溫度的發動機M-n 曲線的交點，就是該型號發動機與所配置起動機在規定的環境溫度下的兩個臨界轉速點，其中最小臨界拖動轉速應該大于該型號發動機所規定的最低點火轉速，如此確定起動機與發動機的匹配是否合理。 同時，計算出能夠保證發動機在此溫度下正常點火蓄電池最小的冷起動電流CCA 值和蓄電池內阻值。 對于另一個交點下所對應的蓄電池內阻將作為該型號起動機在常溫下進行壽命試驗使用蓄電池容量的規定，如果通過了壽命試驗，則該容量蓄電池作為該起動機最大允許使用容量蓄電池的規定。

根據已知的能夠滿足發動機冷起動要求的蓄電池內阻特性，反算能夠保證發動機在0℉（-18℃）下正常點火的蓄電池最小冷起動電流CCA 的規格：

IMIN=（24-14.4）V/11.5mΩ=9.6/11.5=834，原整取850CCA max

圖1 發動機阻力矩M 與轉速n 關系圖

圖2 蓄電池伏安特性圖

其中：24V—蓄電池規格電壓（2 個12V 蓄電池串聯）；14.4V=2×7.2V—CCA 值概念。

CCA 值概念—蓄電池在環境溫度為0℉（-18℃）下，以該蓄電池具有的額定CCA 電流進行30S 的放電，達到放電時間后，每單格蓄電池電壓不低于1.2V 為合格的規定，12V 蓄電池采用6格，故6×1.2V=7.2V，作為24V 系統，則此時最小電壓為2×7.2V=14.4V。

然后根據通過壽命試驗確定的常溫蓄電池狀態，確定蓄電池的容量規格C20：

C20=24K/R蓄電池=24×0.065/8mΩ=195Ah

其中：24—特指24V 電壓系統， 如12V 系統則為12；K—常數，如起動機功率確定為3KW 以上，則K 取0.065，如起動機功率確定為3KW 以下，則K 取0.056。

計算后的蓄電池容量數據可以進行園整處理。

最后：蓄電池規格的確認需注明如下字樣

12V 195Ah 850CCA 起動機分析

2 發動機實測數據

2.1 發動機用戶提交發動機M-n 數據

發動機制造商使用數倍于預選用起動機功率的直流電動機，在不同環境溫度下進行發動機死拖動試驗，測量不同拖動轉速下的M-n 曲線。 之后將再將所配置起動機在相對應環境溫度下的M-n 數據繪制在上述M-n 曲線中，之后的確定的方法同第一種方法。

2.2 發動機用戶無法提交發動機M-n 數據

用預配置起動機一臺，在某一規定環境溫度下，使用不同規格的蓄電池分別進行發動機的死拖動試驗， 每個測試點之間必須保證起動機和發動機的充分冷卻， 并保證各點測試前起動機和發動機的狀態一致。 記錄不同點測試的發動機轉速和起動機穩定拖動狀態下的電流值，通過起動機在此環境溫度和蓄電池內阻一致的測功曲線上找出對應起動機電流值的扭矩值， 再通過發動機齒圈與起動機驅動齒輪的速比，折算成發動機的扭矩，這樣，就可以繪制出發動機在某一個溫度環境下， 不同轉速對應阻扭矩的M-n 曲線，之后的確定方法同第一種方法。

發動機最低點火工作轉速確定：

發動機在規定的某一低溫環境狀態 （臨界不使用預熱點火的溫度）進行活起動，使用PICO 測量起動機各點電壓、主回路電流（測量蓄電池負極端子電纜）、發動機轉速信號曲線。

根據測量曲線上查找發動機第一次點火瞬間點 （通過電壓、主回路電流曲線上查找），確定發動機此點的工作轉速——即為發動機最低臨界點火轉速。

從多大的蓄電池開始？

確定使用蓄電池的規格， 主要是根據測試中為了更加準確確定發動機在不同轉速下阻扭矩的測試而定的，一般情況下發動機所測試的轉速范圍是：

（1）直噴式柴油發動機50～150r/min。

（2）直噴式小型高速柴油機120～220r/min。

如果有條件可以使用一個模擬蓄電池各種放電特性的模擬電源代替很多組的蓄電池來進行試驗。

這種試驗方法可以參考SAE J1253 規范進行。

以上三種方式均可以確定發動機與起動機之間的匹配。

3 安裝設計

3.1 選用安裝法蘭

根據起動機法蘭安裝的型式大體上可以分為如下四種型式（SAE J542）： No.1—中負載有鼻式，No.2—重負載有鼻式，No.3—輕負載有鼻式，No.4—輕負載無鼻式。

安裝法蘭的選用主要考慮到發動機負載形式 （輕負載/中負載/重負載）；飛輪中心與起動機安裝中心距誤差影響齒輪副節圓嚙合誤差的大小； 濕式飛輪殼和干式飛輪殼對起動機有無密封的要求；飛輪殼內腔空間的大小；離合器摩擦片磨損嚴重程度等等因素。 往往在初步選型中忽略了今后實際應用的特殊情況， 會給起動機產品的壽命會帶來嚴重的影響。

3.2 齒輪副（徑向）

一般發動機齒圈和起動機小齒輪大部分采用兩種制式的齒輪參數，其一是公制模數的齒輪，其二是英制徑節制齒輪。無論是采用何種方式的齒輪，均要提前根據發動機飛輪殼的圖紙；飛輪；齒圈圖紙中的參數，與起動機齒輪參數進行嚙合計算，確定正確的齒輪副參數。這些計算最重要的是確定齒圈和驅動齒輪嚙合倒角的參數； 齒輪副中齒側間隙的校核（非常重要）；齒圈齒頂到驅動齒輪齒根之間的間隙；齒圈齒根到驅動齒輪齒頂之間的間隙。這對于起動機能否正常迅速嚙入齒圈同時又不損傷齒圈是非常重要的。 同時，齒輪嚙合的噪音也會大大降低。

3.3 齒輪副（軸向）

取定飛輪齒圈距起動機驅動齒輪端面的安裝距離，往往大部分發動機制造商不能準確向起動機廠家提供這方面準確的數據，有些數據與實際狀態相差甚遠，造成了齒圈與起動機驅動齒輪之間的間隙過大或過小， 過大會造成驅動齒輪實際嚙合入齒圈的有效長度過短， 使起動機驅動齒輪受力不正常，導致齒頭疲勞折斷，同時發生銑齒的故障加重，造成齒圈損壞嚴重。過小會造成齒輪嚙合成功率降低，尤其是在電瓶饋電、線路壓降過大、環境溫度降低造成蓄電池放電特性下降、 環境溫度過高造成導線電阻提高情況下。 更嚴重會造成旋轉的飛輪齒圈打傷起動機驅動齒輪的故障。 推薦的齒圈到起動機驅動齒輪之間間隙的值：3±1mm。 必要時需要在兩者之間增加調整墊片來實現。

3.4 齒輪副（傳遞負荷）

這包含了兩個方面的含義：①飛輪齒圈與起動機驅動齒輪的傳動比。 根據上述發動機與起動機匹配性能設計中已經確定的最小拖動轉速， 我們可以確定這兩者之間的傳動比，一般情況下，為了獲得更高的拖動轉速，往往齒輪副傳動比希望設計得比較小， 但是這樣會帶來起動機工作狀態得惡化， 這就需要更換一款功率更大得起動機，這于成本和安裝是相互矛盾的，因此，在盡可能滿足低溫拖動需求的要求下，應盡量加大兩者之間的比例，這樣，起動機的工作范圍就會處在良性工作區域里，產品的可靠性才能提高；②在確定了傳動比的情況下，合理地選擇齒輪的模數和壓力角， 對于起動機驅動齒輪和齒圈的壽命也有重大的影響， 往往我們可以從歷史的經驗中得到這方面的知識。

3.5 環境設計

大部分起動機沒有設計成具有很高防護能力等級的結構，因此，有鼻式起動機驅動端蓋在飛輪殼內部向上安裝、電磁開關朝下底部安裝、起動機靠近排氣管、增壓器等熱源、起動機上部安裝有可能存在漏油、漏水的安裝均是不希望看到的。 除非有特殊的保護隔離措施。

3.6 接線設計

我們常見得到的起動機外接端口設計無非就是如下幾個：

（1）50 端子—此端子是安裝在起動機電磁開關上的，是連接整車起動開關繼電器的端子， 此端子一般通過的電流為電磁開關吸拉和保持線圈的電流之和（25A～60A）。

（2）50c 端子—起動機具有柔性嚙合配置的輔助繼電器上的端子，此端子與整車起動。

控制繼電器或ECU 連接，此端子一般通過的電流很小約1.5A～2A。

（3）30 端子—此端子是安裝在起動機電磁開關上的，是與蓄電池正極連接的主線端子， 此端子一般通過的電流最大可達2000A 甚至更高。

（4）30b 端子—此端子是安裝在起動機電磁開關上的，是與起動機電動機連接的。

（5）31 端子—此端子一般安裝在起動機電刷端蓋上的負極接地端子。在絕緣回路設計的起動機上，連接此端子的導線規格與連接30 端子的導線規格是一致的，否則， 會增大起動機回路的電阻從而嚴重影響起動機的輸出。在搭鐵回路設計的起動機上，此端子是專門為用戶提供的整車系統接地的端子，尤其在裝有ECU 裝置的電控發動機上可以衰減電磁騷擾的發生。

因此，對于50 和50c 端子接線線路的壓降要求不得大于2V（起動機在拖動發動機狀態下的壓降），同時，上述兩個端子只能串接起動機繼電器或ECU， 禁止并接其它用電設備和控制裝置，否則，會影響起動機斷電時的斷電速度，造成起動機電磁開關及其它部件的損壞。

對于30 和31 端子接線線路壓降要求不得大于1V，（起動機在拖動發動機狀態下的壓降）同時注意接線時的緊固力矩和端子的防護，同時要特別關注30 端子上接線數量的控制，往往起動機30 端子大多采用銅制材料來提高導電性能， 但這樣對于整車外部主電纜規格及接線的數量就非常關注了， 主電纜的規格要考慮線路的電壓降來確定， 嚴禁在30 端子上安裝另外其它之用的電纜，一方面防止過多的載荷將30 端子折斷，另一方面避免該處螺釘或螺母緊固的失效。

對于30b 端子而言， 嚴禁用戶拆解并在此端子上并接其它用電設備。

4 結論

以上對起動機與發動機和整車配置中的主要應用注意事項進行了描述，只能是泛泛而言，具體的工作和細節上的東西還很多，尤其是要掌握起動機工作原理、發動機工作原理、整車線路設計的知識，同時對國際標準的掌握一定要更加深入了解。 還要掌握一些專業的測試技術及測試手段。 上述討論的有關起動機與發動機在低溫狀態下的匹配，還沒有考慮發動機附加負載，如：風扇、壓縮機、氣泵、液壓泵（工程機械使用）、液力變扭器（自動變速箱應用）等。