梁慶林

摘要：如果把發(fā)動(dòng)機(jī)比喻成汽車的“心臟”的話，那么起動(dòng)機(jī)的作用就好像“心臟起搏器”一樣，是以蓄電池為電源，以直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制裝置，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)的機(jī)械總成。本文介紹了起動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程，在我國(guó)的研究創(chuàng)新，以及下一步的發(fā)展方向。使讀者能夠初步了解起動(dòng)機(jī)的起源，現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)機(jī)；起源；發(fā)展；研究方向

自1885年10月由德國(guó)人卡爾·本茨研制成功的世界上第一輛汽車至今，不過(guò)短短的一百多年的歷史，已經(jīng)成了我們必不可少的交通工具了。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車也由“舊時(shí)王謝堂前燕”，成了今天的“飛入尋常百姓家”，據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車3172萬(wàn)輛，機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.27億輛，其中汽車2.4億輛，小型載客汽車首次突破2億輛；機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)送黄?億人，達(dá)4.09億人，其中汽車駕駛?cè)?.69億人?？梢哉f(shuō)，汽車已經(jīng)越來(lái)越被我們所熟悉。

從汽車的構(gòu)件來(lái)看，如果說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的 “心臟”，那么起動(dòng)機(jī)無(wú)異于“心臟起搏器”，它是當(dāng)鑰匙打到啟動(dòng)位置時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，由直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，經(jīng)起動(dòng)齒輪傳遞動(dòng)力給飛輪齒環(huán)，帶動(dòng)飛輪、曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，是實(shí)現(xiàn)車輛行駛的前提。那么，最早的起動(dòng)機(jī)是什么樣子的呢，以后起動(dòng)機(jī)將會(huì)向哪個(gè)方向發(fā)展呢？

一、起動(dòng)機(jī)的由來(lái)——“突發(fā)奇想”

起動(dòng)機(jī)被發(fā)明之前，汽車的起動(dòng)是靠人力手搖或者繩拉來(lái)實(shí)現(xiàn)的，簡(jiǎn)單但是非常不方便，就在1910 年冬天，一個(gè)婦女駕駛一輛凱迪萊克汽車，在密執(zhí)安州貝爾島的一座木橋上拋了錨。因?yàn)樗龥](méi)有足夠的力氣用手搖柄來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因而不得不在寒冷的橋上等待別人的幫助，恰好來(lái)了另外一輛車子，是凱迪萊克汽車公司的卡頓，卡頓幫助婦女起動(dòng)那輛汽車，當(dāng)卡頓搖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)手柄時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生回火，使手柄反轉(zhuǎn)，打在卡頓的臉上，打破了卡頓的額頭。自此，卡頓開(kāi)始了起動(dòng)機(jī)的研制。

1912年，卡頓的好朋友利蘭德邀請(qǐng)的凱特琳研制出一套起動(dòng)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)用一個(gè)超越離合器與減速器連接在一起的組合部件。當(dāng)齒輪與飛輪嚙合后，起動(dòng)馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸之間能夠得到 25：1的減速比，這樣就有足夠的力矩保證轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使起動(dòng)成功，這套裝置被命名為凱特琳裝置，并很快就代替了通用汽車公司所有汽車上的磁電機(jī)。電動(dòng)式起動(dòng)機(jī)的問(wèn)世至今仍被公認(rèn)為二十世紀(jì)最具影響力的汽車革新。到了1949年，克萊斯勒公司第一個(gè)使用聯(lián)合按鍵操縱點(diǎn)火起動(dòng)開(kāi)關(guān)的，改變了以前通過(guò)儀表板上的旋鈕操縱控制起動(dòng)機(jī)。

二、起動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究發(fā)展——“中國(guó)烙印”

雖然，我國(guó)的汽車行業(yè)興起的比較晚，但是相關(guān)技術(shù)的研究還是非常給力的。在起動(dòng)機(jī)方面，我國(guó)的科學(xué)家主要研究了其性能，并進(jìn)行了參數(shù)化分析。

山東交通學(xué)院于明進(jìn)教授在1994年通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)起動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)分析技術(shù)進(jìn)行了理論建模，給出了起動(dòng)機(jī)全制動(dòng)性能和空載性能實(shí)驗(yàn)的的相關(guān)數(shù)據(jù)分析和理論依據(jù)，并對(duì)各種測(cè)量結(jié)果及原因進(jìn)行了全面的分析，為正確評(píng)價(jià)起動(dòng)機(jī)和技術(shù)狀況及不解體檢驗(yàn)起動(dòng)機(jī)提供了依據(jù)。后來(lái)，沐淮北還根據(jù)于明進(jìn)教授的理論建模，論述了影響起動(dòng)機(jī)在冬季不易啟動(dòng)的相關(guān)參數(shù)，提出使用硅整流器作為起動(dòng)機(jī)的輔助電源的思路來(lái)改變起動(dòng)機(jī)的固有特性。到了1997年，馬祥宏對(duì)影響起動(dòng)機(jī)電磁功率和電磁扭矩的因素進(jìn)行了相關(guān)分析；山東大學(xué)的王秀和教授等人還開(kāi)發(fā)了用于對(duì)永磁起動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析的應(yīng)用軟件，在1999年還利用電磁場(chǎng)有限元分析法分析了永磁起動(dòng)機(jī)齒槽運(yùn)動(dòng)和換向過(guò)程對(duì)氣隙磁通的影響。

在對(duì)起動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，王秀和、王欣利等人先后于1997年和2000年，分別運(yùn)用TUBE算法和遺傳算法對(duì)永磁起動(dòng)機(jī)的磁極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算。浙江大學(xué)的葉云岳教授等人在1998年對(duì)起動(dòng)機(jī)的電磁部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。

隨著計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)（CAT）的發(fā)展，我國(guó)在90年代初就開(kāi)始了針對(duì)汽車起動(dòng)機(jī)性能自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，技術(shù)水平也不斷在進(jìn)步。鄒日升等人在1991年研制成功了我國(guó)第一臺(tái)起動(dòng)機(jī)性能CAT系統(tǒng)設(shè)備，能連續(xù)檢測(cè)不同負(fù)載點(diǎn)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并自動(dòng)進(jìn)行功率計(jì)算、修正和描繪出特性曲線，并采用由計(jì)算機(jī)控制的整流電源作為“蓄電池”，從根本上解決了試驗(yàn)電源與起動(dòng)機(jī)功率不匹配的問(wèn)題，具有一定的代表性。楊春華、王雅琳等人在1998-1999年，運(yùn)用先進(jìn)控制算法對(duì)起動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，提高了檢測(cè)精度和設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性。

三、起動(dòng)機(jī)的未來(lái)發(fā)展——“路在何方”

起動(dòng)機(jī)今后的發(fā)展必須滿足層出不窮的新型汽車品種，隨著汽車整車的優(yōu)化設(shè)計(jì)水平不斷提高，對(duì)起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造提出了更高要求。

今后汽車工業(yè)將以節(jié)能環(huán)保為主題。同時(shí)也將不斷地朝著可靠、安全、舒適等方面發(fā)展。作為汽車的關(guān)鍵部件，起動(dòng)機(jī)將隨著科技技術(shù)的高速發(fā)展、新的加工技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，會(huì)朝著小型、輕量、大功率輸出、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。

就目前的發(fā)展方向來(lái)看，現(xiàn)在汽車上廣泛采用體積小、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩大的起動(dòng)機(jī)，包括剛性嚙合式起動(dòng)機(jī)、永磁起動(dòng)機(jī)和減速型起動(dòng)機(jī)等。其中，前兩者主要用在安裝空間較小的車輛上，用量不大，而減速型起動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣、發(fā)展最快，代表著現(xiàn)在汽車起動(dòng)機(jī)發(fā)展的主流，并隨著微、重型車比重的擴(kuò)大，起動(dòng)機(jī)也會(huì)在1—9kw的功率等級(jí)上有新發(fā)展，中、小型功率起動(dòng)機(jī)將以永磁式行星齒輪減速型為主，大功率起動(dòng)機(jī)將以電勵(lì)磁式行星齒輪減速型為主。

圖2為減速型起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一般原理圖。當(dāng)按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)2，起動(dòng)繼電器線圈3和觸點(diǎn)4吸合，吸引線圈9和保持線圈10的電路接通，并由此分成兩條電路，一路為保持線圈10→搭鐵→蓄電池負(fù)極；另一路為吸引線圈9→起動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)繞組20→搭鐵→蓄電池負(fù)極?；顒?dòng)鐵芯11在兩個(gè)線圈吸力的共同作用下，克服復(fù)位彈簧13的彈力而向左移動(dòng)，帶動(dòng)撥叉12將單向離合器14推出與負(fù)載飛輪15嚙合。由于此時(shí)吸引線圈的電流經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)繞組20和電樞繞組19，能產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。所以單向離合器的小齒輪是在緩慢旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中與負(fù)載齒輪嚙合的，在二者嚙合好的同時(shí)，由于活動(dòng)鐵芯的繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，使得接觸盤(pán)8與主觸點(diǎn)7接通，于是蓄電池的大電流流經(jīng)起動(dòng)機(jī)的電樞和磁場(chǎng)繞組，產(chǎn)生較大的扭矩，起動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，伴隨著配氣機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火系、供油系等的開(kāi)始工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。與此同時(shí)，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈的吸引力來(lái)保持。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)、松開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的瞬間，保持線圈中的電流只能通過(guò)吸引線圈形成回路，由于保持線圈和吸引線圈的繞向、匝數(shù)相同，此時(shí)二者所產(chǎn)生的磁通方向相反而抵消，活動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下回至原位，單向離合器小齒輪退出嚙合，接觸盤(pán)脫離與主觸點(diǎn)的接觸，切斷回路，起動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

由上可見(jiàn)，減速起動(dòng)機(jī)通過(guò)電樞軸與傳動(dòng)軸之間增加了一級(jí)減速機(jī)構(gòu)，使得電動(dòng)機(jī)在同等輸出功率的情況下可以將電樞轉(zhuǎn)速提高，將轉(zhuǎn)矩縮小。這樣，電機(jī)的尺寸可以縮小，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的精致緊湊，一般減速起動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比在3—4左右，總質(zhì)量比同等功率非減速起動(dòng)機(jī)能減少越35%，總長(zhǎng)度減少約29%，所占汽車空間大大壓縮，并且減輕了蓄電池的負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)蓄電池的相對(duì)使用壽命。

另外，一個(gè)更大膽的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)——發(fā)電機(jī)一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)思也應(yīng)運(yùn)而生，它是滿足汽車對(duì)起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)愈來(lái)愈高輸出要求的有效途徑。在這種一體化系統(tǒng)中，有一個(gè)關(guān)鍵的可轉(zhuǎn)換裝置，該裝置具有起動(dòng)和停止轉(zhuǎn)換功能，有交流端和直流端兩個(gè)端口，其交流端接異步電機(jī)，直流端接蓄電池和汽車用電系統(tǒng)。其工作原理是：在起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，異步電機(jī)的主動(dòng)軸通過(guò)減速機(jī)構(gòu)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并達(dá)到起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的目的；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)以后，發(fā)動(dòng)機(jī)反帶異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)超越離合器裝置自動(dòng)降低傳速，使異步電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)的正常發(fā)電狀態(tài)。同時(shí)可轉(zhuǎn)換裝置還擔(dān)任“整流器”的角色，將異步電機(jī)輸出的三相交流電變?yōu)橹绷麟?，給蓄電池充電，同時(shí)給用電系統(tǒng)供電和電機(jī)本身勵(lì)磁。這樣將發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)合二為一，具有在蓄電池低電流下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)功率大，效率高，體積小，適于安裝等優(yōu)點(diǎn)，也是下一步起動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。

參考文獻(xiàn)

[1]陳建彬，《汽車發(fā)展史》，2015年11月11日

[2]彭志宏，《減速起動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新》，《機(jī)械開(kāi)發(fā)》2000（3）

[3]于明進(jìn)，《汽車起動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)》，《汽車技術(shù)》1994（12）

[4]朱則剛，《汽車起動(dòng)機(jī)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)》，《日用電器》2006（08）

[5]王文林，《汽車起動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展》，《機(jī)電工程》2004（06）

（作者單位：預(yù)備役步兵第二四七團(tuán)）