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起动机匹配与检测研究
摘要
当今汽车产业与时俱进,不断发展,汽车品牌众多,现如今购买者对汽车质量上的要求已不是很多,多数是汽车技术上的要求如速度,功率,启动效率等等。
所以我们有必要对汽车启动系统的匹配进行研究。
其中包括:
汽车启动功率,最低启动转速,传动比等等。
在汽车发动机起动时,如果机械出现故障可能引起交通事故和人身安全。
起动机的研究现代汽车关于启动的故障问题,为了防止故障频繁出现。
有必要对其进行研究。
由于汽车产业发展推动着我们必须对汽车的启动系统进行研究。
其作用一是是发动机怠速。
因此好的启动系统能够迅速的启动与制动,通过检测汽车启动开关、变速箱档位、发动机转速,实现对汽车发动机起动过程检测和保护。
起动保护器在发动机启动过程中通过采用逐个关闭打开负载系统,解决汽车发动机过程中因起动电流大而对汽车电源的冲击影响,延长电瓶的寿命。
关键词:
汽车;起动机;起动保护;匹配参数。
Abstract
Today'sautomotiveindustrywiththetimes,thecontinuousdevelopmentofnumerouscarbrands,carbuyersarenowthequalityoftherequesthasnotmany,mostlyautomotivetechnicalrequirementssuchasspeed,power,etc.StartEfficiency.Soweneedtomatchthecarstartedtostudythesystem.Including:
automotivestartingpower,theminimumlaunchspeed,transmissionratioandsoon.
Whenthecarenginestart,ifnotmechanicalfailuremaycausetrafficaccidentsandpersonalsafety.HyundaiMotorStarteroftheproblemonthestartofthefault,inordertopreventthefrequentfailures.Theneedtostudyit.Astheautoindustrydrivingthecarthatwehavetostartthesystemstudied.First,itsroleistheengineidling.Sogoodstartsystemcanstartwiththebrakequickly,bydetectingtheautostartswitch,transmissiongear,enginespeed,thecarenginestartingprocesstoachievedetectionandprotection.Starterprotectorintheprocessoftheenginestartclosingonebyonetoopentheloadthroughtheuseofthesystemtoaddresstheprocessofcarenginestartingcurrentduetothegreatandtheimpactoftheautomobilepowertoextendbatterylife.
Keywords:
Automotive;starter;startprotection;matchingparameters
目录
第1章汽车起动机的技术特点及发展趋势5
1.1汽车起动机的现状及发展趋势5
1.2汽车起动机的产品型式发展5
1.3汽车起动机相关技术的发展7
1.3.1起动机性能参数化分析7
第2章启动系统的工作原理及参数匹配11
2.1汽车启动系统的组成及工作原理11
2.2起动机的参数匹配13
2.2.1发动机的起动特性13
2.2.2最低起动转速13
2.2.3最大起动阻转矩13
2.2.4起动功率14
2.3起动机性能要求确定15
2.3.1从起动机到发动机的传动比15
2.3.2启动机的类型15
2.3.3电磁开关16
启动机工作原理18
第3章汽车启动系统的原理及检测电路19
3.1汽车启动系统配套行业间技术沟通基本情况19
3.2汽车起动主回路设计21
3.3汽车起动控制回路设计22
第4章汽车起动机与启动系统的检测与研究23
4.1汽车启动系统故障查找,排除与实例23
4.1.1起动机不转23
4.1.2起动机运转无力24
4.1.3起动机空转打滑25
4.1.4启动系统蓄电池电力不足25
4.1.5起动机的更换26
4.1.6起动机内部结构松动26
4.1.7起动机内部结构润滑不够27
4.1.8汽车行驶时突然断火27
4.2汽车启动系统电路故障的查找27
4.2.1全车没电故障的查找27
4.2.2起动机没反应但仪表正常的故障查找29
4.2.3起动机工作时发出“当”或“哒”的一声响后再无反应29
4.2.4起动机连续出现“哒、哒、哒”的声音但不运转29
4.2.5断开点火开关后起动机不能自行停止工作30
4.3汽车启动系统主要部件的检测与调整30
4.3.1起动系统主要部件的检查30
第5章结束语32
参考文献33
致谢35
第1章汽车起动机的技术特点及发展趋势
1.1汽车起动机的现状及发展趋势
汽车起动机是汽车起动系统的关键部件。
它通过将蓄电池的电能转化为机械能,克服发动机阻力矩,将静止状态的发动机发动起来,使汽车能够进入正常运行。
因此,其质量优劣将直接影响到汽车整车的起动和使用性能。
汽车起动机同时又是一个有一定技术含量的机电一体化部件,其内部一般包括串激式直流电动机、传动机构和控制装置等。
由于起动机的功能重要而工作条件较差,故对其设计、加工、装配工艺及性能检测均有较高的要求。
虽然我国汽车起动机的年产量巨大,行业规模也在不断扩大,但其整体产品质量和市场竞争力却处于一个相对低的水平。
事实上,我国绝大多数汽车起动机制造厂家的现状是:
(1)在产品设计方面,没有完全自主的设计能力,对影响其产品性能的各种参数没有充分了解;
(2)在材料、制造工艺水平、质量提高方面依靠经验和实际试验较多,借助现代计算机辅助技术较少,故其产品质量优化周期较长;
(3)在起动机性能
检测方面,集成度、通用性、自动化程度不高,有的还相当落后,处于手工或半自动检测的水平。
因此,目前很有必要对国、内外起动机及相关技术的发展研究概况进行总结,并针对我国汽车起动机行业的现状提出一些新的研究课题。
1.2汽车起动机的产品型式发展
随着汽车工业技术水平的不断进步,汽车起动机正朝着小型轻量化和装配自动化方向发展。
现在汽车上广泛采用体积小、转速高、转矩大的起动机,这类起动机包括刚性啮合式起动机、永磁起动机和减速型起动机等。
其中,前两者主要用在安装空间较小的车辆上,用量不大,而减速型起动机则应用最广、发展最快,代表着现在汽车起动机发展的主流。
图1-1为减速型起动机系统的一般原理简图。
当按下启动开关2,启动继电器线圈3和触点4吸合,吸引线圈9和保持线圈10的电路接通。
其电路为:
蓄电池1正极→启动继电器3、4→电磁开关接线柱5,然后分两路。
一路为保持线圈10→搭铁→蓄电池负极;另一路为吸引线圈9→起动机磁场绕组20→搭铁→蓄电池负极。
图1.1减速型起动机系统的一般原理简图
活动铁芯11在两个线圈吸力的共同作用下,克服复位弹簧13的弹力而向左移动,带动拨叉12将单向离合器14推出与负载飞轮15啮合。
由于此时吸引线圈的电流流经磁场绕组和电枢绕组19,能产生一定的电磁转矩。
所以单向离合器的小齿轮是在缓慢旋转的过程中与负载飞轮啮合的。
在齿轮啮合好的同时,由于活动铁芯的继续向左运动,使得接触盘8与主触点7接通,于是蓄电池的大电流流经起动机的电枢和磁场绕组,产生较大的转矩,起动机正常启动,带动发动机旋转启动发动机。
与此同时,吸引线圈被短路,齿轮的啮合位置由保持线圈的吸力来保持。
当发动机被启动、松开启动开关的瞬间,保持线圈中的电流只能经吸引线圈构成回路。
由于这两个线圈的绕向、匝数相同,此时它们所产生的磁通方向相反而相互抵消,于是活动铁芯在复位弹簧的作用下回至原位,单向离合器小齿轮退出啮合,接触盘脱离与主触点的接触,切断主回路,起动机停止运转。
由上可见,减速型起动机通过在电枢轴与传动轴之间增设一级减速机构,使得电机在同等输出功率的情况下可以将电枢转速提高,将转矩减小。
这样,电机的尺寸、材料消耗就可以大大减小,整个起动机可以被设计得精致而紧凑,同时还能使蓄电池的负担减轻。
一般减速型起动机的传动比在3~4左右,总质量比同等功率非减速型起动机减少约35%,总长度能减少约29%左右。
目前,我国减速型起动机的发展非常迅速,其产量已经达到汽车起动机年总产量的60%以上,并且还在逐年递增。
但其质量水平难以显著提高,因为这与起动机相关技术的发展息息相关。
1.3汽车起动机相关技术的发展
1.3.1起动机性能参数化分析
目前,与品质优化关于汽车起动机设计、制造等方面的国外文献报道很少。
国内在汽车起动机性能参数分析与品质优化方面的研究工作主要涉及汽车起动机的性能参数化分析、电磁系统优化设计、元件设计探讨、质量问题与故障分析、材料与制造工艺研究等内容。
(1)起动机性能参数化分析
ChenChaoying等人在1999年建立了某起动机直流电磁系统的数学模型,并研究出了一种称为‘R2K2T’新的数值方法用于对该起动机的性能进行动态
仿真。
FerrarisL.等人则针对多磁极感应汽车起动机,运用不同的方法对其铁损进行了参数化模拟和分析。
在国内,1994年于明进通过对起动机试验过程进行理论建模,给出了对起动机空载性能试验和全制动性能试验进行数据分析的理论依据,并对各种测量结果及原因进行了全面分析,为正确评价起动机的技术状况及不解体检验起动机提供了依据。
沐淮北也运用理论建模的方式,论述了影响起动机在冬季不容易启动的参数,提出使用硅整流器作为起动机的辅助电源,通过降低内阻、提高电动势来改变起动机的固有特性的方法,文中还给出了相关的注意事项。
1997年,马祥宏对影响起动机电磁功率及电磁转矩的因素进行了理论分析,阐述了两者与各影响因素之间的关系,并给出了调整起动机电磁功率和电磁转矩的具体措施。
王秀和等人在1997年对永磁起动机的电磁场进行了参数化建模和分析,并开发了用于对永磁起动机进行电磁场分析的应用软件;1999年,利用电磁场有限元分析法分析了永磁起动机电枢齿槽运动和换向过程对气隙磁通的影响,讨论了电机有关参数对不同磁极结构起动机气隙磁通波动的影响。
(2)起动机优化设计
国内王秀和、王欣利等人先后于1997年、2000年,分别运用TUBE算法和遗传算法对永磁起动机的磁极进行优化设计与计算。
贾宏新等人于2000年运用一种全局优化算法于带辅助极永磁起动机的设计,取得了较好的效果。
浙江大学叶云岳等人在1998年也出版了有关计算机辅助电机优化设计与制造的专著。
对起动机的电磁部分进行优化设计和分析。
但起动机的性能是与其整个机、电、磁系统结构密切相关的,关于对起动机整个机电系统进行多目标、全性能优化建模与设计方面的研究几乎没有文献报道。
(3)起动机CAE技术
NehlT.W.等人于1988年就开发了一个通用的有限元软件用于电机的辅助设计和电磁场分析。
美国大型通用CAE软件ANSYS也开发集成了专门针对电磁场分析的模块软件。
浙江大学电机系也于近几年相继开发了用于电机辅助设计的2D、3D电磁场分析软件MagSmart。
但国内、外在运用CAE软件对起动机整个机电系统进行有限元分析的研究报道不多。
譬如如何运用CAE软件对起动机内部机械传动系统进行有限元分析,如何辅助对从电磁开关、拨叉机构、离合器单元到驱动端盖进行最合理的优化设计,以达到与发动机的合理匹配、防止端盖断裂、离合器失效、电磁开关发生故障等方面的研究极少。
(4)其他方面
在起动机的元件设计、整体设计方面,我国目前尚没有正规系统化的设计理论,只是结合模仿、试验、制造过程中的一些经验进行了一些探讨[。
国内在起动机质量问题与故障分析方面在起动机的材料与制造工艺研究方面,均有大量短文发表,但大多是一些经验性的交流,无法上升到能运用一定高度的理论、软件模拟分析方法或实验方法进行研究来提出如何优化产品质量的水准。
(5)起动机性能自动检测技术
我国汽车行业标准QC/T29064-92[28]对汽车起动机的特性试验方法和各种型式试验方法均作了相关的规定,专业标准ZBT11001-86[29]则规定了
测取起动机在不同负载转矩下的转速、电压、电流等参数,以确定起动机的额定功率及获得起动机特性曲线的具体方法。
这些方法均出台在计算机辅助测试技术(CAT)尚未充分发展和大面积应用的年代由于CAT技术的发展,国、内外从90年代初就开始针对汽车起动机性能自动检测技术及设备进行研究开发,其技术水平在不断进步。
第一代设备
邹日升等人在1991年研制成功了我国第一台汽车起动机性能CAT系统设备。
该设备运用APPLE-Ⅱ型计算机进行数据采集和控制,能连续检测不同负载点的电压、电流、转矩和转速,并自动进行功率计算、修正和描绘出特性曲线。
该系统还采用了能由计算机控制的整流电源作为“蓄电池”,该“蓄电池”的放电特性可以根据所检测起动机的功率进行自动调整,从而从根本上解决了试验电源与起动机功率不匹配的问题。
这套系统具有一定的代表性。
第二代设备
WilfriedBenning在1997年研制了一套综合CAT设备用于对生产线和车间的电动机(含起动机)性能进行自动检测。
该设备初步运用了集成化思想,将负载性能试验与型式试验进行集成,采用磁粉制动器进行试验加载,并且采用PID控制算法对加载转矩进行跟踪和闭环控制。
在国内,阳春华、王雅琳等人在1998~1999年,在起动机性能CAT系统研究不断进步的前提下,开始运用先进控制算法如智能PID控制对起动机试验过程进行闭环控制,提高了检测精度和设备运行平稳性。
李勇刚等人于1999年还研究采用了自校正PID控制算法于起动机电磁开关的性能测试。
这些试验台虽然比早期的试验台有很大进步,但在试验项目的集成度、试验台通用性方面的进展还是不快,关于试验过程的控制算法、模拟负载的研究水平也还有待于进一步提高。
研究展望
综上所述,汽车起动机正朝着小型轻量化、设计制造信息化和性能检测自动化方向发展。
由于计算机辅助技术(CAD/CAE/CAT)能大幅提高产品开发与优化周期,减少盲目性,并显著降低产品的试制、试验与检测成本,因此充分、大面积运用计算机辅助技术来提高我国起动机产品的质量是一个正确、必然的发展方向。
针对我国汽车起动机行业现状,通过对国、内外起动机的发展研究概况进行总结,提出以下新的研究课题:
(1)多目标、全性能优化技术研究
起动机是一个机、电、磁一体化系统,其产品性能与各方面的参数均有关联。
如果能够对起动机从元件到系统设计,从材料特性到加工,从装配工艺参数,成本控制等各方面建立多目标的综合模型,结合电磁、机械系统的有限元分析软件,运用全性能优化技术对起动机产品进行优化设计与制造管理,那么起动机产品质量将会步入规范化稳步提高的轨道。
(2)研究开发高集成度、通用性的性能检测平台现有的性能检测CAT平台,无法将模拟顶齿试验、空载试验、负载试验、制动试验、电磁开关动态特性试验、断电试验、运转试验、超速试验等进行集成,而是分工由许多专用试验台单独进行;缺乏通用性,不能对不同型号的起动机作性能试验。
因此,研究开发一套集成度高、通用性强的计算机辅助测试设备,不论对完善企业的检测手段,提高产品检测效率和自动化程度,还是对新产品的开发研究,均是大有益处的。
(3)研究开发汽车起动机专用设计软件如果能组织各方面的力量,研究开发一套汽车起动机专用设计软件,那么这个软件就会成为我国起动机行业知识、经验的结晶。
此软件可以结合现代三维设计技术,结合全性能优化计算软件、有限元分析软件,将各种零部件、材料做成标准库,不但能进行元件设计、系统设计,还能对所设计的起动机性能进行动态仿真,获得各种性能指标和曲线。
最好还能进行制造工艺设计与管理等。
总之,我国的汽车行业方兴未艾,起动机生产具有广阔的国内、外市场前景。
因此应该不断总结经验,提出新的研究课题,并加大产品质量优化力度,这样我国的工业技术水平、国际市场竞争能力才会有稳步的提升。
第2章启动系统的工作原理及参数匹配
2.1汽车启动系统的组成及工作原理
汽车起动系统基本是由蓄电池、电源导线、控制开关、起动机和负极回路线(车架、机体和金属件)构成,如图2-1所示。
其I作过程如下:
当驾驶员接通起动开关后,电流由蓄电池正极一起动开关一起动机电磁开关接线柱后分为两路:
一路经过起动机电磁开关的保持线圈后搭铁;另一路经起动机电磁开关的吸引线圈一励磁绕组一电刷一电枢一电刷一搭铁构成回路。
此时,吸引线圈和保持线圈产生相同方向的电磁力。
动铁心左移,带动拨叉将单向器驱动齿轮和飞轮齿环啮合。
且动触片和触点1、触点2接通,此时蓄电池的大电流由蓄电池正极一电磁开关的触点l和2一励磁绕组一电刷一电枢一电刷一搭铁构成回路,电枢产生较大转矩,起动机工作。
在起动机工作的同时,由于电磁开关的吸引线圈两端的电位相等,无电流通过,产生的电磁力消失,电磁开关的接通靠保持线圈的电磁力维持。
起动着火后,起动开关断开,吸引线圈和保持线圈产生相反的电磁力,相互抵消,电磁开关在复位弹簧作用下右移,单向器齿轮脱开飞轮,动触片也与触点1和触点2分开,起动主电路被切断。
起动工作结束。
图2.1汽车启动系统基本结构
起动机励磁绕组励磁方式有自励和他励之分。
区分方法很简单:
他励时励磁绕组和电枢绕组并联的一端直接与外壳相接,分别直接搭铁;自励时励磁绕组通过电枢绕组再搭铁。
图2-1所示为自励励磁方式。
在一些轻型车和轿车上使用的起动机,已没有励磁绕组,而是被永久磁铁代替。
在一些中、重型载货汽车上,由于起动时电路中通过的电流较大,为了保护起动开关,在起动电路中使用了起动继电器,如图2-2所示。
为防备车辆不在空档时使用起动机,或是在检修时误操作起动机,在一些车辆上还加装有保护开关。
如图2-2中虚线所示(虚线替代部分实线)。
保护开关有的装在变速器上(空档开关),即在空档位时此开关是通的。
起动继电器线圈的一端通过此开关搭铁,起动继电器方能工作,否则,起动继电器就不工作。
还有的保护开关是装在发动机检修区的护罩上,打开护罩,保护开关断开;放下护罩,保护开关接通。
图2.2加装起动继电器的启动系统
为防备发动机在工作时误使用起动机。
造成不必要的麻烦,一些车辆在起动机控制电路中装有起动保护继电器,如图3所示的东风EQl40—2汽车安装有起动保护继电器的电路原理图。
当驾驶员拧到点火开关的起动档时,电流由蓄电池的正极一电流表一点火开关一复合继电器的起动继电器线圈一保护继电器的常闭触点一搭铁,起动继电器吸合,蓄电池向起动机电磁开关供电。
起动机开始工作。
当发动机工作后,发电机在发动机的拖动下也开始正常工作,由发电机线圈的中性点输出电压向复合继电器内的保护继电器线圈供电,保护继电器工作,常闭触点断开。
切断起动继电器线圈的搭铁回路,使起动继电器即使有电也不能工作,从而起到了保护作用。
2.2起动机的参数匹配
汽车起动系统一般由蓄电池、起动继电器和起动机组成。
起动系统的设计品质直接影响汽车的起动性能,因此设计起动系统时,必须首先确定起动机设计参数,即根据发动机起动特性确定对相应起动机的性能要求。
该问题涉及发动机和电机2个学科,迄今为止,尚未有完善的起动机性能要求确定方法。
本文通过理论分析和试验研究,提出了以下起动机性能要求确定方法。
2.2.1发动机的起动特性
起动是发动机进入工作的准备阶段。
发动机借助于起动机使曲轴由静止状态加速到能进行混合气燃烧,进入独立工作的状态。
发动机在起动时的工作过程与正常运转时基本相同,但起动时发动机是在冷车或停车状态下被起动机带动旋转,起动过程中曲轴旋转的阻转矩和瞬时角速度是变化的,开始起动时阻转矩迅速升至最大值,然后下降,经过一段时间后才趋于稳定值。
发动机的起动特性可用最低起动转速、最大起动阻转矩和平均阻转矩来评价。
2.2.2最低起动转速
最低起动转速为在规定的温度下曲轴最低限度的转速。
在此转速下,作2次起动试验均应保证能够起动发动机。
每次起动试验的延续时间,汽油机为10s,柴油机为15s。
2次起动试验的时间间隔为1min。
最低起动转速取决于环境温度,混合气形成和着火方式,发动机类型和结构特点等。
一般在-20℃时,汽油机的最低起动转速为50~70r/min,柴油机为100~200r/min。
2.2.3最大起动阻转矩
在起动过程中,欲使曲轴从静止状态过渡到以最低起动转速旋转,首先必须克服机件中的各种阻转矩,即最大起动阻转矩。
它包括发动机内部最大摩擦阻转矩、发动机气缸中压缩空气阻转矩和发动机运动机件惯性阻转矩。
为了使发动机由静止状态拖动到起动转速,必须克服起动阻力矩。
总的阻力矩等于
式中
——发动机启动总阻力矩,Nm;
——摩擦阻力矩,Nm;
——初压缩阻力矩,Nm;
——惯性阻力矩,Nm;
对于四冲程发动机,摩擦阻力矩Mf可用下式计算
=469.05·
·V
式中v----机油在启动温度下的运动粘度,
;V-----发动机排量,L;
初始压缩阻力矩可按下式计算
=
=
式中:
-------没有燃烧时换算到单位活塞面积的最大切向力,它可从压缩曲线的切向力图得出,
;R----曲柄半径,m。
发动机加速所造成的惯性扭力矩,可按下式计算,并假定曲轴均匀加速
=
=
式中;
------发动机所有运动构件换算到曲轴上的转动惯量,通常取为飞轮转动惯量的1.2`~1.4倍,km·
;
-------对应起动转速的曲轴角速度,
;
-------起动转速,
;
--------转速从零加速到
所需的时间,s。
2.2.4起动功率
起动装置的功率可由下式确定
·
式中:
------起动功率,KW;
----起动总阻力矩,Nm;
------启动齿轮副的效率,一般取
=0.85~0.90;
-------发动
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