曹煜林，王天利，王　健，白　昆，王建寧

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州　121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州　121013）

起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的匹配研究

曹煜林1，王天利1，王健2，白昆2，王建寧2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州121013）

起動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，為了保證起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈順利嚙合、傳動(dòng)和脫離，對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行匹配分析；并為保證匹配，對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行變位設(shè)計(jì)和采取偏心結(jié)構(gòu)。

起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪；飛輪齒圈；傳動(dòng)比；重合度；偏心結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈進(jìn)行嚙合，將起動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。為了保證起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的嚙合、傳動(dòng)和脫離，驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈匹配應(yīng)滿足一定的要求。此外，在起動(dòng)過(guò)程中也應(yīng)滿足起動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的2個(gè)基本條件，即產(chǎn)生足夠高的起動(dòng)轉(zhuǎn)速和克服發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩。為了滿足起動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件，使驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈順利嚙合、傳動(dòng)和脫離，需對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈進(jìn)行合理匹配。

1　起動(dòng)性能匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須克服氣缸內(nèi)被壓縮氣體的阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)本身及附件內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。同時(shí)為了防止氣缸漏氣和熱量散失過(guò)多，保證壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)有足夠的壓力和溫度，以及燃油系統(tǒng)建立足夠的噴射壓力，就要求起動(dòng)轉(zhuǎn)速必須足夠高［1］。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)速，合理選擇傳動(dòng)比是滿足以上條件的基本要求之一。

起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間傳動(dòng)比的選擇至關(guān)重要。如果選擇不當(dāng)，起動(dòng)機(jī)的效率就會(huì)降低，而發(fā)動(dòng)機(jī)則會(huì)起動(dòng)困難。此外，理論上起動(dòng)機(jī)輸出功率的最大值在特性曲線的中間部位，即I=Imax/2處。Imax為起動(dòng)機(jī)完全制動(dòng)時(shí)流過(guò)起動(dòng)機(jī)電樞的最大負(fù)載電流值。為使起動(dòng)

式中：nPmax——起動(dòng)機(jī)功率最大時(shí)的起動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min；nminF——發(fā)動(dòng)機(jī)最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速，r/min。

選定傳動(dòng)比后，還需對(duì)起動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)算，起動(dòng)機(jī)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力矩MF。

起動(dòng)機(jī)功率最大時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

式中：MF——發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩，Nm；η——從起動(dòng)機(jī)電樞到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的傳動(dòng)效率，通常為0.85。

2　結(jié)構(gòu)匹配

2.1起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪基本參數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)

起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒數(shù)一般為9～14齒［2］。起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪應(yīng)采用漸開(kāi)線齒形，其齒輪參數(shù)應(yīng)符合表1所示的要求。

起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒輪強(qiáng)度是由模數(shù)決定的。模數(shù)越大，齒輪強(qiáng)度越大。中國(guó)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的模數(shù)可參見(jiàn)表1。進(jìn)口起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的模數(shù)，前蘇聯(lián)、日本采用模數(shù)制；英美等國(guó)采用徑節(jié)制；而德國(guó)博世公司也采用模數(shù)制，但是模數(shù)不僅有2.5、3、3.5，還有2.1167、2.54、3.175、4.233。后面4個(gè)模數(shù)實(shí)際上是英制徑節(jié)制齒輪換算為公制模數(shù)制而來(lái)，其換算的關(guān)系式為［2］：m=25.4/DP，DP為徑節(jié)的簡(jiǎn)寫。徑節(jié)制與模數(shù)制對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2　徑節(jié)制與模數(shù)制對(duì)應(yīng)關(guān)系

起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的壓力角主要有20°、15°與 14°30′三種。中國(guó)大多數(shù)采用20°，前蘇聯(lián)也一般采用20°，日本多采用14°30′，而德國(guó)、波蘭等國(guó)家卻多采用15°。

為了順利與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈嚙合，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪開(kāi)始嚙合端應(yīng)有45°的倒角，其倒角位置與尺寸如圖1所示。一般采用單向器齒面倒角或單向器齒面與飛輪齒面同時(shí)倒角的方案［3］。

圖1　起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合端倒角

2.2重合度選用原則

根據(jù)以上分析，齒輪連續(xù)傳動(dòng)的條件是：兩齒輪的實(shí)際嚙合線段B1B2應(yīng)大于或等于齒輪的基節(jié)Pb，即重合度εα≥1。當(dāng)重合度小于1時(shí)，齒輪就會(huì)產(chǎn)生前齒不接后齒的情況，齒輪有振動(dòng)，速度不穩(wěn)定，有噪聲，對(duì)齒輪有極大的危害。一般來(lái)說(shuō)重合度越大越好，但對(duì)于起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈的嚙合來(lái)說(shuō)，重合度越高就越不利于起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的嚙合與旋出，而過(guò)低又不能保證傳動(dòng)。結(jié)合工程實(shí)踐認(rèn)為：驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈的重合度的范圍應(yīng)該控制在0.98～1.08（汽油機(jī)）。此外，從降噪觀點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)齒輪時(shí)如果重合度不為整數(shù)，齒輪在工作中受到交變載荷的作用，會(huì)引起齒輪瞬時(shí)速度變化、產(chǎn)生附加動(dòng)載荷，將導(dǎo)致齒輪的振動(dòng)與噪聲，所以選取εα值應(yīng)盡可能使其近于整數(shù)［4］。

圖2　齒輪嚙合傳動(dòng)示意圖

由圖2可推得重合度εα的計(jì)算公式為

式中：αα1、αα2——分別為起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的齒頂圓壓力角；z1、z2——分別為起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的齒數(shù)；α′——實(shí)際嚙合角 （即節(jié)圓壓力角）。

由式 （3）可以看出重合度與模數(shù)無(wú)關(guān)，而隨齒數(shù)的增多而增多。此外，重合度還隨嚙合角α′的減小和齒頂高系數(shù)h*a的增大而增大。

2.3側(cè)隙與頂隙要求

齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，為了在嚙合齒廓之間形成潤(rùn)滑油膜，避免因輪齒摩擦發(fā)熱膨脹而卡死，齒廓之間必須留有間隙，即側(cè)隙。側(cè)隙的存在會(huì)產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。因此，側(cè)隙只能很小，由控制公法線平均長(zhǎng)度偏差或齒厚極限公差來(lái)保證。

對(duì)于起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)說(shuō)，為了保證起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪順利嚙合和脫離，所以需要的側(cè)隙要比一般嚙合齒輪大得多。但側(cè)隙過(guò)大會(huì)產(chǎn)生噪聲，而過(guò)小會(huì)影響驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈的順利嚙合，因此，需要合理的側(cè)隙。至于如何確定側(cè)隙范圍，則根據(jù)齒輪精度來(lái)選擇。起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的精度在國(guó)外與國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未見(jiàn)明確規(guī)定。但從傳動(dòng)情況來(lái)看，其精度一般為9～11級(jí)［2］。在此精度下，通過(guò)查詢齒輪手冊(cè)中公法線或齒厚公差來(lái)確定齒輪配合側(cè)隙。表3是由實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪側(cè)隙標(biāo)準(zhǔn)。

表3　驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈之間的側(cè)隙尺寸

頂隙的存在是為了避免一輪的齒頂與另一輪的齒槽底部及齒根過(guò)渡曲線部分相抵觸，并有一定空隙以便儲(chǔ)存潤(rùn)滑油；設(shè)兩輪作無(wú)側(cè)隙嚙合時(shí)的中心距為a′，則由式 （4）、（5）可知，由于（x1+ x2）＞y，為了解決這一矛盾，將起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的齒頂高減短Δym以滿足頂隙要求，Δy稱為齒頂高降低系數(shù)。

式中：a——標(biāo)準(zhǔn)中心距；y——中心距變動(dòng)系數(shù)；m——模數(shù)；x1、x2——分別為起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的變位系數(shù)。

由以上分析可知

式中：c——頂隙；c*——頂隙系數(shù)。

3　保障實(shí)現(xiàn)匹配的條件

在起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的匹配中，為了避免輪齒根切，對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行變位處理（正變位）。此外，由于整車空間有限且起動(dòng)機(jī)安裝孔是固定不變的，可通過(guò)改變起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的變位系數(shù)或采取偏心結(jié)構(gòu)來(lái)配湊中心距。齒輪變位示意圖如圖3所示。

圖3　齒輪變位示意圖

對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的變位設(shè)計(jì)按如下步驟［5］。

1）確定嚙合角

2）確定變位系數(shù)和

3）確定中心距變動(dòng)系數(shù)

4）由式 （6）確定齒頂高降低系數(shù)。

式中：α——壓力角；a′——實(shí)際中心距。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的變位系數(shù)x2，由式 （8）求得x1。由上可知，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的所有參數(shù)已基本確定，結(jié)合所確定參數(shù)，驗(yàn)算重合度、側(cè)隙、頂隙是否達(dá)到要求。若沒(méi)能滿足要求，則需要如下計(jì)算。

根據(jù)重合度允許范圍，由公式（10）和公式（11）計(jì)算出實(shí)際中心距a′的范圍。由上可知，沒(méi)能滿足匹配要求的即為實(shí)際中心距不在上述范圍之內(nèi)。對(duì)此應(yīng)采取偏心措施，即改變實(shí)際中心距 （起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)中心與起動(dòng)機(jī)的安裝中心不重合），為此需由式 （12）計(jì)算出偏心量e。若偏心量e為正值，則增大中心距；反之，則減小中心距。確定好偏心距之后，可根據(jù)具體需要對(duì)偏心距進(jìn)行微調(diào)，以便更好實(shí)現(xiàn)匹配。

式中：an——由重合度的許用范圍計(jì)算出的實(shí)際中心距的范圍。

4　結(jié)論

本文主要研究起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的匹配問(wèn)題，主要有以下3個(gè)方面。

1）關(guān)于兩輪的起動(dòng)性能匹配即如何確定傳動(dòng)比，即起動(dòng)機(jī)在最大功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速的比值；對(duì)起動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)算，起動(dòng)機(jī)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)阻力矩MF。

2）關(guān)于兩輪的結(jié)構(gòu)匹配起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足一定的要求，兩輪匹配既要保證動(dòng)力傳動(dòng)，又要保證順利嚙合和脫離。通過(guò)對(duì)重合度、側(cè)隙和頂隙的分析和計(jì)算，找出合理的參數(shù)范圍，使兩輪更好地進(jìn)行匹配。

3）關(guān)于如何保障匹配 通過(guò)對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪采取變位處理和采取偏心結(jié)構(gòu)方式，確定變位系數(shù)和偏心距，以實(shí)現(xiàn)兩輪匹配。

［1］金巧蘭.起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能匹配［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)），2010（12）：127-129，152.

［2］胡明義.汽車起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、原理與檢修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：37-38.

［3］肖丁.淺談起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械匹配［J］.汽車電器，2007（9）：57.

［4］馮輝英，于興芝.基于重合度對(duì)齒輪傳動(dòng)影響分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2009（4）：7-9.

［5］ 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理 （第7版）［M］.北京：高等教育出版社，2006：176-192.

（編輯楊景）

Research on Matching Between Starter Driving Pinion and Engine Flywheel Ring Gear

CAO YU-lin1，WANG Tian-li1，WANG Jian2，BAI Kun2，WANG Jian-ning2
（1.Auto&Transportation Engineering College，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China；2.Jinzhou Halla Electrical Equipment co.，Ltd.，Jinzhou 121013，China）

When a starter starting an engine，to ensure the starter drive gear and engine flywheel ring gear mesh，transmission and detachment smoothly，the author conducts matching analysis on the starter driving pinion，and adopts the design of modified gear and eccentric structure to ensure the match.

starter driving pinion；flywheel ring gear；transmission ratio；contact ratio；eccentric structure

U464.1342

A

1003-8639（2016）09-0053-03

2016-05-31；

2016-07-04機(jī)輸出功率能被完全利用，而工作電流較小，所以傳動(dòng)比的選擇應(yīng)在起動(dòng)機(jī)輸出功率最大時(shí)，起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)最佳傳動(dòng)比可以按式（1）進(jìn)行計(jì)算