段振濤

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司， 廣西 南寧 530007）

0 引言

隨著汽車排放法規(guī)的越來(lái)越嚴(yán)格，在2019 年7 月1日燃?xì)鈾C(jī)已率先實(shí)施國(guó)六a 階段排放法規(guī)，在2021 年7月1 日起全面開始實(shí)施的國(guó)六a 排放法規(guī)要求， 以及2019 年7 月1 日實(shí)施3 階段油耗標(biāo)準(zhǔn)（相比二階段整車油耗降低約15%）。而燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在排放方面具有明顯的優(yōu)越性和有較高的經(jīng)濟(jì)效益， 使得燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)每年都在2%～5%的增長(zhǎng)量。 而燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)用起動(dòng)機(jī)，為與同排量柴油機(jī)通用，往往都是與柴油機(jī)公用同款起動(dòng)機(jī)，但燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)由于工作方式不同，點(diǎn)火時(shí)間與柴油機(jī)有差異，這就導(dǎo)致同一個(gè)起動(dòng)機(jī)， 在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上早期失效故障比在柴油機(jī)上要高。

本文通過(guò)對(duì)故障的分析總結(jié)， 理論與試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行闡述燃?xì)庥闷饎?dòng)機(jī)與柴油機(jī)匹配性的不同。

1 故障分析

1.1 故障里程統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對(duì)2020 年1-5 月燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)故障統(tǒng)計(jì)，在短短5 個(gè)月內(nèi)， 燃?xì)庥闷饎?dòng)機(jī)故障率高達(dá)150000ppm，見圖1。

圖1 故障趨勢(shì)圖

1.2 故障里程分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，其發(fā)生故障基本都是短里程，平均里程都小于20000km 以內(nèi)，見圖2。

圖2 里程統(tǒng)計(jì)

1.3 故障分布分析

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)的故障為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難， 起動(dòng)機(jī)表現(xiàn)為打滑、空轉(zhuǎn)，見圖3。

圖3 故障分布圖

2 起動(dòng)機(jī)分析

2.1 起動(dòng)機(jī)拆解分析

通過(guò)對(duì)起動(dòng)機(jī)故障返廠拆解分析，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)單向器彈簧被壓縮失效，無(wú)法恢復(fù)到工作狀態(tài)。 如圖4、圖5 彈簧失效狀態(tài)，圖6 為測(cè)量長(zhǎng)度，正常工作長(zhǎng)度為大于10mm。

圖4 彈簧在單向器內(nèi)部情況

圖5 彈簧壓饋

圖6 彈簧長(zhǎng)度測(cè)量

2.2 失效機(jī)理分析

單向器工作原理： 單向器彈簧自由狀態(tài)時(shí)滾柱處于楔緊狀態(tài)，當(dāng)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)， 滑座轉(zhuǎn)速高于套管轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)滾柱楔緊，滑座和套管卡死，實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)起動(dòng)機(jī)時(shí)，套管轉(zhuǎn)速高于滑座轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)滾柱進(jìn)入打滑區(qū)域，滾柱壓縮彈簧，滑座和套管間的間隙大于滾柱直徑，套管和滑座解耦，實(shí)現(xiàn)單向功能，見圖7、圖8。

圖7 單向器裝配圖

圖8 單向器工作原理簡(jiǎn)圖

單向器打滑失效機(jī)理：在起動(dòng)機(jī)盤動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈時(shí)，由于單向器滾柱無(wú)法順利的進(jìn)入楔死區(qū)域， 起動(dòng)機(jī)的軸套和滑座傳遞力矩降低，單向器發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生單向器打滑。

2.3 起動(dòng)工況調(diào)查

（1）第一種情況，發(fā)動(dòng)機(jī)著火點(diǎn)轉(zhuǎn)速高，達(dá)到了280r/min以上，與柴油機(jī)著火點(diǎn)轉(zhuǎn)速120r/min 要高一倍多，見圖9。

圖9 起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線

（2） 發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火成功后，轉(zhuǎn)速提升的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一段時(shí)間轉(zhuǎn)速有下降趨勢(shì)的狀況，出現(xiàn)“二次點(diǎn)火”，見圖10。

圖10 二次點(diǎn)火

（3） 數(shù)據(jù)分析。 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速高， 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)， 起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中伴隨著燃燒室的氣體持續(xù)燃爆， 起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生多次兩者轉(zhuǎn)速差的正反方向交替變化，即發(fā)生多次正反方向的交變沖擊，本測(cè)試數(shù)據(jù)為12 次，見圖11。

圖11 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程單向器交變次數(shù)

柴油機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速低，持續(xù)時(shí)間短、起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火之前一直處于拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)， 只有點(diǎn)火成功瞬間，兩者轉(zhuǎn)速差第一次且僅此一次發(fā)生方向變化，即此過(guò)程中只有1 次交變沖擊，見圖12。

（4）結(jié)論。 由上述數(shù)據(jù)可知，氣體機(jī)的點(diǎn)火拖動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到280r/min 以上，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，起動(dòng)機(jī)單向器處在正向拖動(dòng)和反向反拖（正向楔緊和反向解楔）反復(fù)沖擊；柴油機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速為120 r/min，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間短，無(wú)反復(fù)沖擊。 根據(jù)公式P=mv（P-沖擊力，m-質(zhì)量，v-速度），可以得出氣體機(jī)起動(dòng)機(jī)單向器承受的沖擊力大約是柴油機(jī)的2.3 倍。 在單向器解楔的時(shí)候彈簧受到的沖擊次數(shù)多，沖擊力超出了設(shè)計(jì)承受范圍， 且由于氣體機(jī)啟動(dòng)工況會(huì)對(duì)單向器造成多次交變沖擊，所以短時(shí)間內(nèi)，單向器彈簧發(fā)生了壓并圈失效故障。

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 降低起動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速

根據(jù)上述公式P=mv， 降低沖擊力的辦法有2 種，一種是降低單向器的質(zhì)量，二是降低單向器的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。單向器質(zhì)量與強(qiáng)度、可靠性有關(guān)，最快捷的辦法就是降低單向器旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，使起動(dòng)機(jī)工作在正向拖動(dòng)區(qū)域，以降低單向器的沖擊力，降低單向器彈簧發(fā)生壓并圈失效故障。如圖12，起動(dòng)機(jī)工作區(qū)域大部分在0 點(diǎn)以上。

3.2 方案

氣體機(jī)起動(dòng)與拖動(dòng)轉(zhuǎn)速弱相關(guān)， 只要拖動(dòng)轉(zhuǎn)速高于50r/min 以上就能點(diǎn)火，故降低拖動(dòng)轉(zhuǎn)速有2 種方法：

（1）起動(dòng)機(jī)內(nèi)部行星輪降提高速比。該方案改起動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)，需要做內(nèi)部耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)。

（2）改齒輪速比，即改變起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈速比。 該方案改動(dòng)小，起動(dòng)機(jī)為現(xiàn)成方案。

3.3 驗(yàn)證

通過(guò)降速比驗(yàn)證與不降速比對(duì)比驗(yàn)證， 降速比通過(guò)了耐久試驗(yàn)。

表1 對(duì)比驗(yàn)證

4 結(jié)論

綜述， 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)由于工作方式不同，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)間長(zhǎng)，但轉(zhuǎn)速高特點(diǎn)，如采用共用柴油機(jī)用起動(dòng)機(jī)，由于匹配點(diǎn)不同，會(huì)導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)用起動(dòng)機(jī)早期失效故障高，故燃?xì)庥闷饎?dòng)機(jī)要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的匹配，找到最佳匹配點(diǎn)，才能使燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)用起動(dòng)機(jī)故障降至最低。