起動機電磁開關結構分析與優化研究

【摘" 要】電磁開關是汽車起動機的關鍵部件之一，研究表明電磁開關的電接觸結構存在熔焊失效的風險，是限制起動機壽命的重要因素之一。本文利用Simscape平臺對電磁開關電接觸結構進行參數靈敏度分析，從優化疊簧剛度的角度入手，提出采用波形彈簧的電磁開關結構，通過在LS-Dyna軟件上進行有限元分析，波形彈簧結構能夠有效緩沖電接觸部位的振動，并能有效減少電接觸部位電弧的發生，從而提高抗熔焊性。

【關鍵詞】起動機;電磁開關;靈敏度分析;結構振動

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0053-06

Research on Analysis and Optimization of the Solenoid Switch Structure in Starters

GUO Jia

（SEG Automotive Products（China）Co.，Ltd.，Changsha 410129，China）

【Abstract】The solenoid switch is one of the key components of an automotive starter，studies have shown that the electrocontact structure of the solenoid switch has a risk of welding failure，which is one of the important reasons limiting the starter's lifetime.This paper utilizes the Simscape platform to perform a parameter sensitivity analysis on the electrocontact structure of the solenoid switch. Starting from the perspective of optimizing the stack spring stiffness，this study proposes an solenoid switch structure using wave springs. Finite element analysis conducted in LS-Dyna software demonstrates that the wave spring structure can effectively cushion vibrations at the electrocontact point and significantly reduce the electrical arc，thereby enhancing the anti-welding performance.

【Key words】starter;solenoid switch;sensitivity analysis;structural vibration

作者簡介

郭佳（1982—），男，工程師，碩士，工程部高級經理，負責起動機產品開發和平臺管理工作。

電磁開關是汽車起動機的關鍵部件之一，它除了控制起動機小齒輪與發動機飛輪的嚙合外，還負責控制起動機電機主回路的接通與斷開功能。實現后者功能的結構主要為電磁開關的電接觸部分，研究表明電磁開關的電接觸結構存在熔焊粘連失效的風險，是限制起動機壽命的重要因素。其中電接觸系統的結構振動是引起電磁開關熔焊失效的一個重要原因。

在電磁開關閉合主電路的過程中，參與振動的主要部件有動鐵芯、電磁鐵芯、疊簧、端蓋、接線柱、活動觸片、接觸彈簧、開關軸和外殼等。在這些部件中，接線柱與端蓋通過螺釘緊密連接在一起，因此可以將端蓋和接線柱視為一體。對于外殼而言，其一端固定，另一端的翻邊部位對內部各部件的振動起到限制作用，因此可以將外殼視作殼體和卷邊兩部分進行研究。在電磁開關閉合主回路的整個過程中依次共有3次撞擊：動鐵芯與開關軸的撞擊、活動觸片與接線柱的撞擊、動鐵芯和電磁鐵芯的撞擊。其中，動鐵芯撞擊電磁鐵芯的整個過程中，動鐵芯、電磁鐵芯、疊簧、端蓋（含接線柱）、活動觸片、接觸彈簧和外殼卷邊之間產生的振動是影響主回路電流以及接觸電弧的根本原因。因此本文主要從當前電磁開關的結構振動角度進行研究，對以上部件進行參數和結構優化，減少撞擊過程中的振動，從而減少電接觸處電弧的產生，提高電接觸的抗熔焊性，有效提高電磁開關壽命。

1" 電磁開關機械振動基本理論

機械系統產生振動的根源在于其自身質量和彈性，而系統的阻尼則會使振動受到抑制，質量、彈性和阻尼是振動系統的3個基本要素。振動系統根據自由度的不同可分為單自由度系統、二自由度系統和多自由度系統;根據有無阻尼可分為無阻尼振動和有阻尼振動;根據系統是否受到外部激振力分為自由振動和受迫振動。

電磁開關內部各個部件的振動屬于多自由度系統的有阻尼振動，且為受迫振動，其運動微分方程的一般形式為：

[M]{x}+[C]{x}+[K]{x}={F（t）}（1）

式中：[M]——系統質量矩陣;{x}——系統的位移矩陣;[K]——系統剛度矩陣;[C]——系統阻尼矩陣;{F（t）}——系統所受激振力矩陣[1]。

工程中的實際機械系統總是受到各種阻尼力的作用，如粘滯阻尼、材料阻尼等。阻尼是反映結構體系振動過程中能量耗散特征的參數，主要分粘滯阻尼和滯回阻尼（復阻尼）。機械系統的阻尼主要來源于材料的內摩擦和外摩擦，材料的內摩擦即材料阻尼，它是由材料內部分子或金屬晶粒間在運動中相互摩擦而損耗能量所產生的阻尼[2]。材料的外摩擦稱為摩擦阻尼或者粘性阻尼，它包括機構接觸面在相對運動中的干摩擦和粘性流體摩擦，這種摩擦將機械能轉化為熱能耗散于周圍介質中[3]。對于電磁開關的瞬時撞擊過程，不考慮和空氣之間的粘性流體摩擦產生的能耗，其阻尼主要來源于材料阻尼也就是結構阻尼，部分來源于結構干摩擦。結構阻尼與系統剛度和結構阻尼系數等有關，結構阻尼系數在材料一定時為常數，是屬于和材料自身相關的一種屬性參數，故電磁開關的結構阻尼與各個部件的剛度有關。

2" 系統參數靈敏度分析

由于電磁開關中動鐵芯與電磁鐵芯的碰撞為多自由度系統的振動，并且系統中各個部件的質量和剛度為不均勻分布，而MATLAB中的Simscape提供了多物理域系統的建模仿真平臺，包括機械、電氣、液壓和其他物理域。因此，本文選取Simscape平臺建立仿真模型進行靈敏度分析，從建立的模型中自動構造微分方程，用于描述系統動態性能。采用物理網絡方法進行模型構建，模塊之間的連線相當于物理連接，用于傳遞能量。

在Simscape中，將電磁開關幾個主要結構件之間的多彈性體的碰撞瞬態動力學問題簡化為彈簧阻尼質量系統模型來進行求解，建立與實際物理模型相對應的簡化樣機模型如圖1所示。

外殼（housing1和housing2）的一端固定（housing1），并將另一端的卷邊區域看作彈簧（Mounting spring），將端蓋和接線柱視為一體（cap_bolts），卷邊和端蓋之間有摩擦力，摩擦力大小與卷邊的預壓力有關。

在動鐵芯與電磁鐵芯撞擊時，活動觸片與接線柱之間已經處于接通狀態，動鐵芯帶動開關軸產生的位移很小，對接觸彈簧的影響可以忽略。因此對于利用樣機模型在靈敏度研究過程中，將接觸彈簧（CPS）一端固定，一端連接活動觸片（C_plate），兩者之間存在一個較小的摩擦力，活動觸片與端蓋（含接線柱）直接撞擊，因此活動觸片和端蓋之間設置有Stop單元（Stop3），利用質量單元表示活動觸片（C_plate）本身的質量屬性。

電磁鐵芯一端被外殼后部的臺階部位固定，一端通過疊簧與端蓋傳遞撞擊的能量。在樣機模型中，利用質量單元表示電磁鐵芯（Core）的質量屬性，其一端通過Stop單元（Stop2）和固定的外殼（housing2）相連，另一端通過疊簧，即彈簧單元（washer）與端蓋傳遞能量。

動鐵芯自由一端和電磁鐵芯直接撞擊，因此在樣機模型中利用質量單元表示動鐵芯（Plunger），動鐵芯和電磁鐵芯之間的撞擊則用Stop單元（Stop1）表示。

建立出功能樣機模型后，由于需要觀察在撞擊過程中一些主要參數的變化情況，因此還需要提取出關鍵部件的力、位移、速度和加速度等的主要參數，在Simscape中需要添加傳感器以獲得這些參數隨時間的變化情況。添加傳感器后的Simscape樣機模型如圖2所示。

本文所進行的靈敏度分析，由于受到產品實際結構及具體應用情況的限制，動鐵芯與電磁鐵芯等一些部件剛度的優化空間基本不大，因此本文主要分析實際具有較大優化空間的幾個關鍵部件的主要參數對振動過程的影響：接觸彈簧對活動觸片的壓力、卷邊區域的預壓力、卷邊區域的剛度和疊簧的剛度。

3" 系統主要參數計算

前節建立了與實際結構功能對應的樣機模型，本節將計算模型中各個參數的取值范圍，為系統參數靈敏度仿真提供基礎。

3.1" 接觸彈簧壓力

對于接觸彈簧壓力，在設計過程中，接觸彈簧的設定壓力為48N，本文考慮一個較大范圍的變化，取值在+/-20N范圍內，即28～68N之間，由于受到接觸彈簧自身的剛度以及機構的運動行程限制，過大的取值范圍并不現實。

3.2" 活動觸片和接線柱之間剛度

本文主要采用有限元分析的辦法，計算活動觸片和接線柱在設定壓力下的變形，以此得出剛度Kstop3，如式（2）所示。

Kstop3=FCPS/dx（2）

式中：FCPS——壓力;dx——最大位移。

利用ANSYS軟件構建接線柱和活動觸片之間的接觸模型，單元類型是實體單元，采用接觸算法，接觸類型為面-面接觸，兩個接觸面之間設置為對稱接觸。根據接觸彈簧的壓力加載，2個接線柱螺釘頭部下表面固定，最后計算得到在接觸彈簧48N的壓力下，活動觸片的最大位移為0.0020862mm，即剛度Kstop3為23kN/mm。在靈敏度仿真中，假定活動觸片和接線柱之間的剛度為線性且等于靜力學下的剛度。

3.3" 疊簧剛度和壓力

疊簧在預壓力不同的情況下存在完全壓縮和不完全壓縮兩種狀態。本文分別取3個疊簧進行實際試驗，1號疊簧反復試驗3次，2號疊簧反復試驗2次，3號疊簧則只試驗1次，結果如圖3所示。從圖中可以看出疊簧為剛度非線性且不穩定的彈簧。疊簧在第1次被壓縮的過程中發生了塑性變形，而第2、3次的壓縮過程中主要為彈性變形。在變形為0～1.3mm時，疊簧剛度不斷減小，在變形大于1.3mm時，疊簧剛度急速變大，此時疊簧基本被100%完全壓縮，可以認為疊簧由“彈簧”轉變為“實體”。

當疊簧被完全壓縮時，認為疊簧為“實體”，按照式（3）進行剛度計算，結果為139738kN/mm。

KS=A·E/L（3）

式中：A——疊簧接觸面積;E——材料的彈性模量;L——疊簧的厚度[4]。

在實際生產過程中，疊簧基本上被100%或接近100%壓縮，其與系統其他部件的剛度為串聯關系，剛度串聯的計算公式如式（4）所示，因此本文認為疊簧可以忽略。

K=（4）

在實際試驗測量中，測定的剛度值實際上是外殼后部臺階處各個部件的綜合剛度。根據式（4），綜合剛度Ktotal、疊簧剛度KS和KSys之間關系為式（5）。

Ktotal=KS·KSys/（KS+KSys）（5）

則可計算出疊簧在不同壓縮量下的剛度，如表1所示。

3.4" 卷邊剛度、預壓力及摩擦力

本文在靈敏度仿真時，將卷邊按彈簧處理，采用有限元分析的方法來計算卷邊剛度，使用二維殼單元構建模型，將外殼下部固定，施加位移載荷，卷邊區域采用點-點接觸單元，具體模型如圖4所示。計算時將端蓋由初始位置向外拉出0.2mm，并獲取該過程中卷邊的反力。

計算得到卷邊反力和變形之間的關系如圖5所示。在實際測試中，撞擊產生的變形在0.02mm彈性變形，一般情況下不會超過0.05mm，從圖6中可以看出，在這一階段，可以認為卷邊處于線性區域，該區域內曲線的斜率即為其剛度，因此通過有限元計算得出卷邊區域的剛度大約為127kN/mm。

同時，本文又通過試驗對卷邊的剛度進行了測量，壓力與卷邊變形量關系的測量結果如圖6所示。

因此，由式（5）可得測量值30.8kN/mm為三者串聯時的總體剛度，由式（4）可得卷邊區域的剛度KMounting為137.39kN/mm。

考慮到有限元模型的誤差，本文采用試驗測量值作為卷邊區域的剛度，即KMounting=137.39kN/mm。在靈敏度分析中設置其上下限為正常值的200%和50%，即274.8kN/mm、68.7kN/mm。

卷邊的預壓力在實際裝配過程中為2500N左右，本文取2500N為正常值，設置卷邊力的上下限分別為5000N和2000N。

端蓋和卷邊之間為滑動摩擦，鋼和塑料的滑動摩擦系數在0.1～0.15之間，本文使用0.1作為滑動摩擦系數，因此端蓋和卷邊之間的摩擦力為 f=F·u，其中u為摩擦系數，u=0.1。

3.5" 電磁鐵芯和外殼之間剛度

計算電磁鐵芯和外殼之間的剛度時，如圖7所示，由于兩者都是實體，因此直接使用實體之間的剛度計算方法即可，根據公式（2）得Kstop2=573kN/mm。

3.6" 動鐵芯和電磁鐵芯之間剛度

如圖8所示，由于鐵芯和電磁鐵芯都是實體，因此直接使用實體之間的剛度計算方法即可，根據公式（2）得Kstop1=219.5kN/mm。

4" 系統參數靈敏度仿真

系統參數靈敏度仿真是為了在動鐵芯撞擊電磁鐵芯時，減小或消除活動觸片和接線柱之間的振動間隙。系統參數靈敏度仿真主要原則如下。

1）動鐵芯的初始沖擊速度均相同：1m/s（實際測定的動鐵芯速度大約為0.7～1.5m/s）。

2）當一個獨立參數的取值改變時，其他獨立參數的取值保持為正常值。

3）非獨立參數同時變化，如卷邊的預壓力和摩擦力間相互不獨立，仿真過程中要同時進行變化。

接觸彈簧壓力對碰撞間隙的影響如圖9所示，卷邊預壓力對碰撞間隙的影響如圖10所示，卷邊剛度對碰撞間隙的影響如圖11所示。可以看出，不斷提高接觸彈簧壓力可以在一定程度上減小間隙，卷邊預壓力在疊簧完全被壓縮后的作用非常有限，卷邊剛度對系統的最大碰撞間隙幾乎無影響。

疊簧剛度對碰撞間隙的影響如圖12所示。當疊簧由實體剛度140e3kN/mm減小到34kN/mm時，最大碰撞間隙由43μm減小到1.7μm，減小了96%;當疊簧剛度從34kN/mm減小到9kN/mm時，最大碰撞間隙由1.7μm減小到0.06μm，減小了近97%，可以看出疊簧剛度對最大碰撞間隙影響巨大。

綜上所述，疊簧的剛度變化對最大碰撞間隙影響巨大，可以十分有效減低碰撞間隙，并且疊簧的剛度更加容易設計，較為符合實際情況。所以從靈敏度分析的結果來看，對疊簧進行設計改進是減小最大碰撞間隙、提升系統穩定性以及提高電磁開關壽命的最有效辦法。

5" 結構優化設計

5.1" 結構優化

為了在保證功能的情況下確定合理的優化方向，需要對疊簧剛度的減小能夠有效降低系統碰撞間隙的本質進行進一步深入分析。

從撞擊能量傳遞的角度來說，撞擊力傳遞的順序為：動鐵芯→電磁鐵芯→疊簧→端蓋→碰撞間隙。減小或消除振動間隙的關鍵是阻斷電磁鐵芯的力向前傳遞。在疊簧始終處于未完全壓縮的狀態且疊簧吸收相同的撞擊能量情況下時，剛度越小，吸收能量時需要被壓縮的行程越大，撞擊力傳遞到端蓋的時間滯后越嚴重，撞擊力的增大速度也越小，能夠達到減振的效果。但采用低剛度的彈簧需要設計較大的行程，不適用于電磁開關。因此需要找出既能使得端蓋始終被穩定固定，又能夠在電磁鐵芯和端蓋之間進行能量緩沖的結構或裝置。

基于上述考慮，本文提出波形彈簧結構，同時對外殼后部的臺階進行改進，保證端蓋被穩定固定且在電磁鐵芯和端蓋之間形成有效的緩沖地帶，具體結構如圖13所示。

在端蓋和外殼臺階之間設置了一個新的臺階，以保證在卷邊壓力作用下，端蓋和外殼之間能夠緊密且穩定地連接在一起，如圖14a所示，圖14b為減振原理示意圖。

5.2" 優化結構仿真

本文利用LS-Dyna建立的有限元模型如圖15所示。為了獲得較為精確的計算結果，采用實體單元建模，利用多個彈簧單元模擬實際結構中的彈簧和電磁力。為了研究不同預壓力下系統的碰撞性能和確定合理的預壓力，將卷邊處打開并與一個彈簧阻尼器相連。此外本文的仿真從動鐵芯撞上開關軸開始，以分析活動觸片剛撞擊接線柱時的碰撞間隙變化情況。

利用LS-Dyna模型，本文分別對波形彈簧結構在預壓力為1400N、2200N、2500N和原疊簧結構4種情況進行了仿真，結果如圖16所示。可以看出，本文結構能夠有效避免動鐵芯和電磁鐵芯撞擊引起的接觸間隙，并且在采用2500N的預壓力時，活動觸片與接線柱撞擊引起的碰撞間隙要遠小于原結構疊簧引起的碰撞間隙，對主電路的電流影響更小。在對現有結構進行測量時，活動觸片與接線柱撞擊時產生的碰撞間隙并不會引起太大的電流變化，因為此時活動觸片與接線柱剛剛接通，電流仍處于由小變大的過程中。而本文結構在2500N預壓力下，活動觸片與接線柱的撞擊引起的碰撞間隙比現結構的要小，則認為其對電流的影響可以忽略不計。

5.3" 試驗驗證

在得到有限元分析數據的支撐后，采用優化后的結構制作新型電磁開關的樣品并對其進行試驗驗證。對電磁開關通電后的時間段內的各項電學參數進行測量，測量結果如圖17所示。圖17中第1部分為兩接線柱之間的電流隨時間變化的情況，可以看到優化后的結構與現有結構相比，在活動觸片撞擊接線柱的瞬間以及在動鐵芯撞擊電磁鐵芯的瞬間都未產生較大的電流波動;第2部分中上側為30端電壓，下側為45端電壓，電壓測試的結果顯示，優化后的結構只有在活動觸片撞擊接線柱的瞬間有很小幅度的電壓波動，而且這一階段的電壓波動幅度和原結構相比有較大幅度減小，而在動鐵芯撞擊電磁鐵芯的瞬間電壓完全正常。從這些參數的對比可以發現，優化的結構能夠有效減振，從而使得各項參數都能夠平穩變化，有利于最大限度減少熔焊發生的概率。

新舊電磁開關在經過4萬次循環耐久試驗后的情形如圖18所示。通過觀察電接觸部位的燒蝕情況可以看出，優化后的結構燒蝕情況得到了較大程度的改善，材料和結構磨損非常少，燒蝕情況也十分輕微。因此，本文結構能夠很好地解決現有結構出現較大碰撞間隙的問題，從而改善接線柱和活動觸片之間燒蝕的現象，提高電磁開關的壽命。

6" 結論

本文主要從結構振動的角度對電磁開關進行了振動分析，提出了優化的減振結構，并對減振結構進行了仿真分析和試驗驗證，證明了減振結構的有效性。

1）簡要介紹了振動的基本理論，建立了基于MATLAB的Simscape平臺的振動分析模型。通過理論計算、有限元計算以及試驗相結合的方法，分別確定了振動分析中各個部件主要參數的取值。

2）進行了系統參數靈敏度仿真，分別分析了接觸彈簧壓力、卷邊預壓力、卷邊剛度和疊簧剛度對碰撞間隙的影響。結果表明：疊簧剛度對碰撞間隙的影響較大，確定了結構優化的方向為改進疊簧及其安裝件的結構。

3）提出了采用波形彈簧替代疊簧的設計方案，并對彈簧安裝部位的相關結構進行改進，最后通過有限元仿真分析和試驗驗證對優化設計的有效性進行了驗證。結果表明：波形彈簧能夠有效避免活動觸片和接線柱之間產生碰撞間隙的現象，有助于解決電磁開關出現燒蝕的問題，提高主電路電流的穩定性，提高電磁開關的壽命。

參考文獻：

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[4] 劉鴻文. 材料力學I（第5版）[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

（編輯" 楊" 景）

收稿日期：2024-04-28