解决起动机铣齿问题的简单方法

 

       本文原题目是：“以铁代铜--解决起动机铣齿问题的简单方法”，刊登在《汽车电器》2007年7期上，原是用铁丝代替铜丝绕制电磁开关的吸引线圈，但铁丝漆包线要定制，价格上就没有优势了，而且铁丝较硬不易绕制，因此还是用较小规格的铜漆包线绕吸引线圈，经实际试用效果很好。所以对原文作了修改，去掉了以铁代铜。

       摘 要 : 介绍一种把电磁开关中吸引线圈的首端与保持线圈的首端分开，各自独立设置接线柱对外引出的起动机，从而用极其简单的方法解决了铣齿问题。详述其工作原理，提供了改装方法。
关 键 词 :起动机;电磁开关;铣齿

 

       目前国产商用车上起动机的铣齿故障较为频发，故障现象是在起动发动机时，起动机的驱动齿轮轮不能与发动机的飞轮齿环啮合，起动机高速旋转，驱动齿轮与飞轮齿环端面摩擦，发出强烈打齿声，发动机无法起动。此时驱动齿轮相当于铣刀在铣削飞轮齿，因此把这种故障称为铣齿，其后果是飞轮齿环被铣坏，有时驱动齿轮也同时报废，更换飞轮齿环费时又费力，还影响汽车正常运行。
       由于国内对此问题没有很好研究，对其产生的原因也不甚清楚，修理铣齿故障，一般都是更换飞轮齿环，新换的飞轮齿环使用一段时间后又会损坏，从而铣齿成了汽车行业的老大难问题，无法从根本上解决之。
       如何用更简单、低成本的方法来解决起动机的铣齿问题，令汽车电机研发、制造者不断探索和开发新技术新产品，谁在这方面领先，谁就能占领更大的市场。目前博世、法雷奥、电装等世界著名汽车电机制造商，都采用了二级啮合的可慢转起动机。而且第一级都采用了串入限流电阻的方法来使起动机慢转， 以便能随时叉开顶齿，等齿轮啮合后，才进人第二级接入额定电压全力驱动，同时切除或短接限流电阻。
      采用这种方法后，虽然解决了铣齿问题，但却使起动机的电磁开关结构复杂化，可靠性降低，成本增加，笔者也曾研制过带限流电阻的电磁开关，结构复杂化的问题依然存在，因此必须寻找更好的解决铣齿问题的方法。
       对此笔者已研究10多年，从寻找铣齿原因到采取预防措施，现在又研制出了新一代避免铣齿的起动机(专利号:200610040946.6 ， 经国家知识产权局实质审查，全世界范围内未见有类似专利，于2010年11月03日授予发明专利权)，其最大特点是结构简单成本下降可靠性提高。

       现在常用的强制啮合的起动机，由电磁开关、直流电动机、传动啮合机构三大部分组成。电磁开关中吸引线圈与保持线圈的首端连接在一起作为电源端，吸引线圈的尾端与直流电动机的电源端连接，保持线圈的尾端搭铁，这样吸引线圈的工作电流要通过直流电动机，如果能利用吸引线圈的工作电流来使直流电动机慢转，将是目前起动机的各种慢转方法中最简单可靠的。但起动机慢转的必要条件是通过直流电动机的电流要大于其空载电流，而强制啮合的起动机其电磁开关中吸引线圈的工作电流难以达到这个要求。为了保证起动结束后起动机能及时停止工作，电磁开关中吸引线圈与保持线圈的匝数是相等或非常接近的，当电磁开关线圈电源端断电后，线圈本身并没有马上断电。此时吸引线圈的尾端将从已接通的电磁开关主触点上获得电源而反向供电，这样吸引线圈与保持线圈成串联状态，通过的电流相等，但方向相反，2个线圈产生的电磁力相互抵消，使电磁开关电磁吸力消失，动铁心复位，主触点断开，直流电动机断电，起动机停止工作。如果2个线圈的匝数不相等，相互抵消电磁力后，还有剩余电磁力，就会造成动铁心不复位，主触点不断开，起动机无法停止工作。
       由于吸引线圈与保持线圈的匝数必须相等，而保持线圈还要考虑电流密度在安全范围内，对于电压24V的起动机，保持线圈的匝数一般要达到200匝左右，方能满足安全电流密度要求，那么吸引线圈的匝数也要在200匝左右。这样吸引线圈因匝数多，电阻大，工作电流不会大于直流电动机的空载电流，直流电动机不能慢转，有时在空载状态虽然能慢转，但当起动机的驱动齿轮顶着发动机的飞轮齿环时，就不能慢转了。

       虽然可以用增大吸引线圈线径的方法来增大其工作电流，但这样势必造成电磁开关体积增大，所用材料增加，成本上升。另一方面由于电流增加，线圈匝数却不能减少，因此电磁力增加，又会造成驱动齿轮对飞轮齿环的冲击力增加而损坏齿轮，因此仅仅用增大吸引线圈线径的方法，实际上行不通。
      日本三菱电机株式会社研制的减速型起动机，采用适当减少吸引线圈的匝数，并适当加大其线径的方法来增大它的工作电流，以此来使直流电动机慢转。不过吸引线圈的匝数不能减得太多，一般控制在50匝以内，必须保证在起动结束时，吸引线圈与保持线圈产生的电磁力相抵后，剩余电磁力不足以让电磁开关的动铁心保持在吸合位置。所以吸引线圈工作电流的增加是极其有限的，当使用日久，飞轮齿环端面出现凹凸不平的伤痕后，因转动阻力增大，直流电动机就有可能无法慢转，就会出现顶齿情况。目前国内生产的中大功率减速型起动机，大都采用这种方法，加上国内的制造工艺粗糙，顶齿故障不可避免。因此某些减速型起动机依然保留啮合弹簧，以防万一不能慢转时，利用啮合弹簧来进行强制啮合。但保留啮合弹簧后又会引发铣齿故障。
       为了改善这种减速型起动机的慢转性能， 日本三菱电机株式会社又进行了改进，在驱动齿轮的旋转方向一面的齿端上也倒角， 以求让驱动齿轮滑过伤痕处。实际上改善慢转性能的最好方法是增加慢转电流，因此该方法只能缓解，不能从根本上解决问题。
       从上述可知，吸引线圈既不能大幅减少匝数，也不能大幅加大线径，也就无法大幅增加其工作电流，而制约因素恰恰是吸引线圈与保持线圈之间要相互抵消电磁力。如果能让2个线圈之间不存在相互抵消电磁力的问题，那么吸引线圈增加工作电流将成为现实。
       笔者经反复研究，终于攻破了这个难题。就是把电磁开关中的吸引线圈首端与保持线圈的首端分开，各自独立设置接线柱对外引出，使电磁开关上有2个线圈接线柱。用特制的起动继电器或改变目前起动电路的传统接线方式，来分别控制吸引线圈与保持线圈，使2个线圈无法形成反向供电回路，也就不存在相互抵消电磁力的问题，就可以把吸引线圈的匝数大幅减少，使其电阻减小， 电流增大，就可以让直流电动机慢转了。而且在保证电磁开关的吸合电压满足行业标准的情况下，吸引线圈可减至数十匝，工作电流已远远超过直流电动机的空载电流，既达到了使直流电动机慢转之目的，又大幅降低了成本。因为吸引线圈的用铜量只有原来的一半甚至三分之一。该技术不仅适用于普通直驱型起动机，同样适用于各种减速型起动机。至此起动机的铣齿问题，用极其简单的低成本的方法得到了解决。特别是在铜价高涨， 同行业之间又主要靠价格竞争的今天， 提高性能又能降低成本，必将大大提高竞争力。

 改进方法一
       如图1所示，在原起动继电器上增加了第二输出接线柱17，在其动触桥14与第二输出接线柱17之间用软导线18连接，起动继电器的主触点输出接线柱16与起动机电磁开关上的吸引线圈接线柱2连接，第二输出接线柱17与电磁开关上的保持线圈接线柱3连接，也即在起动机与起动继电器之间有2根连接导线。

 

图1

 
       当钥匙开关起动档19闭合接通，起动继电器线圈13通电，使起动继电器动铁心12移动，带动起动继电器动触桥14，把起动继电器主触点电源接线柱15与起动继电器主触点输出接线柱16接通，使起动继电器主触点输出接线柱16得电，同时第二输出接线柱17也得电，而使起动机电磁开关中的吸引线圈4与保持线圈5同时通电，两线圈产生的电磁吸力使动铁心6移动。吸引线圈4的工作电流通过直流电动机9，由于此电流大于直流电动机9的空载电流，因而直流电动机9开始慢转，带动单向离合器10慢转，同时动铁心6拉动拨叉11把单向离合器10推向发动机飞轮齿环，单向离合器10上的驱动齿轮在慢转情况下与发动机飞轮齿环啮合，然后动触桥8在动铁心6的推动下与主触点电源接线柱1、主触点输出接线柱7接通，直流电动机9接通额定电压进人全力驱动状态，带动发动机起动，此时电磁开关中的吸引线圈4被短接，无电流通过。
       起动结束后，钥匙开关起动档19断开，起动继电器线圈13断电，起动继电器动触桥14与起动继电器主触点电源接线柱15、起动继电器主触点输出接线柱16断开，第二输出接线柱17断电，起动机电磁开关中的保持线圈5也断电，此时电磁开关动触桥8还未脱离主触点电源接线柱1与主触点输出接线柱7，这样吸引线圈4的尾端还与蓄电池20的正极接通，但由于与吸引线圈首端接线柱2连接的起动继电器主触点输出接线柱16与起动继电器的动触桥14已断开，吸引线圈4的反向供电回路被切断，吸引线圈4虽带电，但没有电流通过，因此电磁开关的电磁吸力消失，动铁心6复位，动触桥8与主触点电源接线柱1、主触点输出接线柱7断开，直流电动机
9断电，起动机停止工作。
      很明显， 只要切断起动机电磁开关吸引线圈4的反向供电回路，吸引线圈4与保持线圈5的匝数即使相差很大，起动机也可以正常停机。

改进方法二
       以上方法需要特制的起动继电器，但通过对电磁开关的优化设计，使保持线圈的工作电流控制在l0A内，就可以采用普通的起动继电器，保持线圈由车上的钥匙开关起动档直接控制，如图2所示。

 

图2

 

 
       当钥匙开关起动档19闭合，起动继电器线圈13与起动机电磁开关的保持线圈5同时通电，起动继电器的动触桥14把起动继电器主触点电源接线柱15、起动继电器主触点输出接线柱16接通，起动机电磁开关中的吸引线圈4通电，其电流通过直流电动机9，直流电动机9带动单向离合器10慢转，使驱动齿轮与发动机飞轮齿环啮合，然后电磁开关的动触桥8把主触点电源接线柱1与主触点输出接线柱7接通，直流电动机9全力驱动。此时电磁开关中的吸引线圈4被短接而无电流通过。
       起动结束后，钥匙开关起动档19断开，起动继电器线圈13与起动机电磁开关中的保持线圈5同时断电，因此起动继电器的动触桥14与起动继电器的主触点电源接线柱15、起动继电器的主触点输出接线柱16断开。同时起动机电磁开关的动触桥8与主触点电源接线柱1、主触点输出接线柱7也断开，直流电动机9断电，起动机停止工作。在此，起动机电磁开关中的吸引线圈4与保持线圈5是分开控制的，无法形成反向供电回路。
      上述这种起动机的优点是电磁开关依然是单触点的，制造工艺基本不变，保持了结构简单、工作可靠的特点，保证了可靠性，不用啮合弹簧，解决了铣齿问题，慢转电流大不会出现顶齿问题，又降低了成本，其性能已明显超越了目前国内中大功率减速起动机的两大主流产品，仿三菱型起动机与博世型起动机。因为仿三菱型起动机慢转电流小，还存在顶齿问题。而博世型起动机保留啮合弹簧，还存在铣齿问题。而本专利技术能保证做到不顶齿也不铣齿。

 实际应用
       采用上述技术改制的起动机经装车使用后，不再发生铣齿故障，也就意味着不再损坏飞轮齿环，深受驾驶员欢迎，为了让更多的驾驶员尽早应用这种新技术，在此介绍一下在解放商用车上利用原装起动机的改装方法。该车装用的起动机主要有凤城的5.2kw与神电的6kw起动机，前者空载电流80A，后者空载电流90A，因都是直驱型起动机，慢转电流要求较大，暂取慢转电流为空载电流的3倍，分别是240A、270A，据此计算出的吸引线圈电阻分别为0.1欧姆、0.09欧姆，选用直径1.04mm耐温180度的铜漆包线，根据: R— 电阻，S— 截面积，p— 电阻率、L— 长度 计 算 出 的长度分别为4.85 m与4.37m。

       具体改装时，先把电磁开关铁壳撬开，取出线圈，然后利用原来的保持线圈漆包线，先绕保持线圈，再用上述计算好的漆包线绕制吸引线圈。在胶木盖原线圈接线柱对称位置钻一孔，安置一个与原线圈接线柱相同规格的螺栓，作为另一个线圈接线柱。
       平头解放商用车上的大功率起动继电器装在驾驶室后的支架上，有2种形式。其中一种的线圈接线柱为2个小螺栓，另一种的线圈接线柱为一个二线插接器，应采用前者，即共有4个接线柱螺栓的起动继电器来改装。撬开起动继电器的铁壳，把线圈的一端在挡铁上搭铁，这就空出一个小接线柱，作为第二输出接线柱，用软导线(发电机电刷上的连接线)焊接在动触桥与第二输出接线柱之间。软导线的长度要保证动触桥移动自如，但也不要太长，胶木盖内部通过软导线的地方，可适当挖出一个小槽。
       电磁开关与起动继电器都改装好后，还要对单向离合器作改造，使单向器上的啮合弹簧失效不能压缩，可把单向器上的拨叉挡圈用电焊焊牢。

      装车按图1接线，把原来连接起动继电器线圈的搭铁线，直接连接在起动继电器外壳的固定螺栓上，再用一根1平方的导线，连接起动继电器的第二输出接线柱与起动机电磁开关的保持线圈接线柱，用原来的粗导线连接起动继电器的主触点输出接线柱与起动机电磁开关上的吸引线圈接线柱，全部连接好检查无误后，就可以通电试用了。
    其它车型的改装与此类似，但必须采用像解放商用车那样的大功率起动继电器，慢转电流为空载电流的2.5--3倍，连接电磁开关吸引线圈接线柱的导线不能小于2.5平方。

声明
    因该技术是专利，在没有得到笔者授权的情况下，只能参照上述介绍作改装之用，不可据此生产产品销售。

参考文献:
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博世(BOSCH)公司著.魏春源等译.汽车电气与电子「M 〕. 北 京:北京理工大学出版社，2004.230一234.