黃文軍

(中國(guó)福馬機(jī)械集團(tuán)有限公司，北京 100029)

全地形車(ATV)廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、建筑、裝卸、地質(zhì)、石油、海濱娛樂(lè)和軍事領(lǐng)域，同時(shí)用戶已經(jīng)不滿足于中小排量的ATV，大排量的需求越來(lái)越大；由于產(chǎn)品全地形、野外等特點(diǎn)，使用環(huán)境比較惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的可靠性就顯得尤為重要，是整車和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。大排量發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量相對(duì)比較小，制造成本高，如何對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)也是我們?cè)O(shè)計(jì)者必須要考慮的問(wèn)題。本文對(duì)某公司700 cc排量的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算和研究。

1 全地形車發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由起動(dòng)電機(jī)1、雙向扭矩限制器組件2、中間軸3、中間過(guò)渡齒輪4、啟動(dòng)大齒輪5、單向離合器組件6組成。啟動(dòng)系統(tǒng)組件如圖1所示。

圖1 啟動(dòng)系統(tǒng)組件1.啟動(dòng)電機(jī)；2.雙向扭矩限制器組件；3.中間軸；4.中間過(guò)渡齒輪；5.啟動(dòng)大齒輪；6.單向離合器組件

3 起動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩計(jì)算

起動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩一般由幾個(gè)方面組成，主要包括由發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)全部運(yùn)動(dòng)件從靜止?fàn)顟B(tài)加速至起動(dòng)狀態(tài)時(shí)由慣性力所引起的慣性阻力矩；起動(dòng)時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中混合氣被壓縮所引起的阻力矩。

3.1 轉(zhuǎn)力矩

計(jì)算由于發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩。起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，傳動(dòng)比為9/57，14/73，故可以求得發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速為：

n=7 500×9/57×14/73=227 r/min

(1)

假定t=5 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度為：

ηs=185×10-7m2/s

(2)

名義平均摩擦阻力計(jì)算：

=0.37 MPa

(3)

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩：

=20.46 N·m

(4)

式中：Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，由發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表可知Vh=0.695 L。

3.2 慣性阻力矩

起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)全部運(yùn)動(dòng)件從靜止?fàn)顟B(tài)加速至起動(dòng)狀態(tài)時(shí)由于慣性力所引起的慣性阻力矩計(jì)算：

Mj=Jm·ωn/t

(5)

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速下的角速度：

(6)

Jm為發(fā)動(dòng)機(jī)及起動(dòng)時(shí)有關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)有關(guān)計(jì)算Jm=0.068 7 N·m·s2。

慣性阻力矩為：

Mj=Jm·ωn/t

=0.408 N·m

(7)

式中：t為發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到起動(dòng)所需時(shí)間，t=4 s。

3.3 氣體壓縮阻力矩

起動(dòng)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中混合氣被壓縮引起的阻力矩。

Mk=0.5tk·S

(8)

tk為起動(dòng)時(shí)壓縮沖程中的最大切向力，由動(dòng)力計(jì)算可知：

tk=0.319×π/8×D2

=0.319×π/8×1022

=1 303.3 N

(9)

式中：D為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑，由發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表可知D=102 mm。

Mk=0.5tk·S

=0.5×1 303.3×0.085

=55.39 N·m

(10)

式中：S為為發(fā)動(dòng)機(jī)行程，由發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表可知S=0.085m。

3.4 總扭矩

起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的總扭矩為：

M=MT+Mj+MK

=20.46+0.408+55.39

=76.258 N·m

(11)

3.5 最小扭轉(zhuǎn)力矩

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的總扭矩反推出起動(dòng)電機(jī)的最小扭轉(zhuǎn)力矩。

(12)

式中：i為啟動(dòng)傳動(dòng)速比，i=57/9×73/14；ηm為傳動(dòng)效率，設(shè)定ηm=0.9。

由起動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩計(jì)算結(jié)果可知，單純起動(dòng)電機(jī)達(dá)到這么大的扭矩是有困難的，這就需要通過(guò)減小起動(dòng)阻力來(lái)實(shí)施起動(dòng)。

4 起動(dòng)減壓裝置介紹

由發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)分析可知，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是由吸氣、壓縮、作功和排氣四部分組成，活塞在這四個(gè)過(guò)程受阻力最大的是在壓縮行程階段，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，活塞從下止點(diǎn)往上止點(diǎn)時(shí)運(yùn)行，由活塞和汽缸組成的密封容積中壓縮氣體對(duì)活塞的運(yùn)行形成了很大的阻力(氣缸內(nèi)可燃混合氣的體積縮小到原來(lái)的1/10左右，相應(yīng)的壓力卻增大了10倍左右)，外力所做的功首先要克服該阻力；同時(shí)，火花塞點(diǎn)火時(shí)刻設(shè)計(jì)為活塞到達(dá)上止點(diǎn)前，這也會(huì)使活塞越過(guò)上止點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)很大的反作用力。同時(shí)由上面的計(jì)算過(guò)程可知，混合氣被壓縮引起的阻力矩是主要因素，通常采用起動(dòng)減壓裝置來(lái)減小這部分的影響，常見的有單向器式自動(dòng)減壓機(jī)構(gòu)和甩塊式自動(dòng)減壓機(jī)構(gòu)。因此，在壓縮沖程上止點(diǎn)前打開排氣門，釋放氣缸內(nèi)的壓力，減小起動(dòng)時(shí)的工作阻力，使曲軸能夠順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)順利點(diǎn)火運(yùn)行，減壓裝置對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能、提高起動(dòng)效率，延長(zhǎng)起動(dòng)系統(tǒng)、電瓶等的壽命是非常有利和必須的。

4.1 減壓裝置的結(jié)構(gòu)

減壓裝置如圖2所示，該裝置安裝在凸輪軸排氣凸輪外側(cè)，主要由正時(shí)從動(dòng)鏈輪1、減壓甩塊2、減壓銷軸3、回位扭簧4、甩塊固定螺釘5、彈簧固定螺釘6組成；正時(shí)從動(dòng)鏈輪按照配氣相位固定在凸輪軸上，正時(shí)從動(dòng)鏈輪上裝有減壓甩塊、回位扭簧、甩塊固定螺釘、彈簧固定螺釘；排氣凸輪基圓位置有一方形槽，該方形槽和正時(shí)從動(dòng)鏈輪一圓孔相對(duì)應(yīng)，減壓銷軸穿過(guò)該圓孔落到排氣凸輪方形槽內(nèi)；減壓甩塊通過(guò)固定螺釘固定在正時(shí)從動(dòng)鏈輪上，圍繞甩塊固定螺釘可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)正時(shí)從動(dòng)鏈輪圓周上配置一長(zhǎng)腰型孔，減壓甩塊背面有一凸臺(tái)，該凸臺(tái)落在長(zhǎng)腰型孔內(nèi)，減壓甩塊的收縮和打開位置由長(zhǎng)腰型孔確定，分別處于長(zhǎng)腰型孔的左右2個(gè)極限狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于歇火狀態(tài)時(shí)，減壓甩塊處于收縮位置，同時(shí)帶動(dòng)減壓銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)減壓銷軸高于凸輪基圓；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于離心力作用，減壓甩塊處于打開狀態(tài)，帶動(dòng)減壓銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)減壓銷軸銑扁處正對(duì)凸輪基圓，銑扁處低于凸輪基圓；回位扭簧和減壓甩塊固定在一起，一頭勾在減壓甩塊上，一頭勾在彈簧固定螺釘上。由發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)可知，曲軸主動(dòng)鏈輪和正時(shí)從動(dòng)鏈輪齒數(shù)比是1∶2，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速1 400 r/min左右，對(duì)應(yīng)的正時(shí)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為700 r/min左右，減壓甩塊的配重和回位扭簧的力值匹配為：減壓甩塊完全打開時(shí)，正時(shí)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速在450～550 r/min，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900～1 100 r/min。減壓銷軸如圖3所示。

圖2 減壓裝置

4.2 減壓裝置的原理

由減壓裝置結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于歇火狀態(tài)時(shí)，減壓甩塊在回位扭簧的作用下處于收縮回位狀態(tài)，減壓甩塊帶動(dòng)減壓銷軸旋轉(zhuǎn)，銷軸高于正時(shí)凸輪基圓h1=0.6～0.8mm(如圖4)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于900 r/min，減壓銷軸高于排氣凸輪基圓，搖臂滾輪通過(guò)銷軸位置時(shí)打開排氣門，汽缸內(nèi)壓力降低，從而減小起動(dòng)時(shí)的工作阻力。起動(dòng)完成后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 100 r/min時(shí)，減壓甩塊在離心力的作用下變成完全打開狀態(tài)，帶動(dòng)減壓銷軸旋轉(zhuǎn)，減壓銷軸低于凸輪基圓h2=0.6 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果減壓過(guò)早，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓本身就低，泄壓量就不大，釋放的氣缸內(nèi)壓力就不夠，對(duì)起動(dòng)困難幫助不大；如果減壓點(diǎn)靠上止點(diǎn)太近，活塞在上升過(guò)程中已經(jīng)受到了較大的反作用力，起動(dòng)時(shí)也會(huì)感到困難；同時(shí)，由于減壓位置距離上止點(diǎn)太近，泄壓過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓過(guò)低，發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度低，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常點(diǎn)火和起動(dòng)。因此，減壓角度的設(shè)置至關(guān)重要，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定減壓銷軸在排氣凸輪上的角度是上止點(diǎn)前30度，點(diǎn)火起動(dòng)的缸壓必須在550 kPa以上，發(fā)動(dòng)機(jī)才能正常起動(dòng)。

圖3 減壓銷軸

5 雙向扭矩限制器組件

大排量發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量相對(duì)比較小，制造成本比較高，如何對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)是我們?cè)O(shè)計(jì)者必須要考慮的問(wèn)題。雙向扭矩限制器由單面摩擦片5、雙面摩擦片6、齒片3、齒輪2、雙聯(lián)齒輪軸1、碟形彈簧7、擋圈4組成，摩擦片和齒輪通過(guò)花鍵和雙聯(lián)齒輪軸連接；組裝后因碟形彈簧的壓縮使摩擦片和齒片之間產(chǎn)生壓力而獲得摩擦力，從而齒片和摩擦片之間能傳遞扭力，摩擦片通過(guò)花鍵帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪軸，雙聯(lián)齒輪軸通過(guò)花鍵帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；可以選配不同厚度的齒片或者摩擦片來(lái)調(diào)整碟形彈簧的壓縮量從而調(diào)整摩擦片和齒片之間的摩擦力，使雙向扭矩限制器傳遞的扭矩在規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)起動(dòng)電機(jī)過(guò)載或者發(fā)動(dòng)機(jī)反沖時(shí)，雙向扭矩限制器傳遞的扭矩超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，摩擦片和齒片之間打滑而切斷對(duì)齒輪動(dòng)力的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)起動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)。雙向扭矩限制器組件如圖4所示。

圖4 雙向扭矩限制器組件

6 結(jié)束語(yǔ)

減壓裝置的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力大大地降低，起動(dòng)性能、起動(dòng)效率更好，延長(zhǎng)了起動(dòng)系統(tǒng)、電瓶等的壽命；目前甩塊式自動(dòng)減壓裝置由于且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，可靠性好，制造成本低廉，在我公司得到了廣泛的應(yīng)用。雙向扭矩限制器是該發(fā)動(dòng)機(jī)的一次嘗試，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證，效果明顯，相關(guān)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)零部件故障率明顯降低。