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        發(fā)動機起動系統(tǒng)計算與簡析

        2022-01-16 03:12:04黃文軍
        林業(yè)機械與木工設(shè)備 2021年12期
        關(guān)鍵詞:基圓限制器摩擦片

        黃文軍

        (中國福馬機械集團有限公司,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、海濱娛樂和軍事領(lǐng)域,同時用戶已經(jīng)不滿足于中小排量的ATV,大排量的需求越來越大;由于產(chǎn)品全地形、野外等特點,使用環(huán)境比較惡劣,發(fā)動機起動性能的可靠性就顯得尤為重要,是整車和發(fā)動機性能的重要指標(biāo)。大排量發(fā)動機產(chǎn)量相對比較小,制造成本高,如何對發(fā)動機運動系統(tǒng)和起動系統(tǒng)進行保護也是我們設(shè)計者必須要考慮的問題。本文對某公司700 cc排量的發(fā)動機起動系統(tǒng)進行了相關(guān)的計算和研究。

        1 全地形車發(fā)動機介紹

        發(fā)動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 發(fā)動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)

        2 發(fā)動機起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

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

        3 起動扭轉(zhuǎn)力矩計算

        起動扭轉(zhuǎn)力矩一般由幾個方面組成,主要包括由發(fā)動機摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩;發(fā)動機起動時全部運動件從靜止?fàn)顟B(tài)加速至起動狀態(tài)時由慣性力所引起的慣性阻力矩;起動時由發(fā)動機氣缸中混合氣被壓縮所引起的阻力矩。

        3.1 轉(zhuǎn)力矩

        計算由于發(fā)動機摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩。起動電機轉(zhuǎn)速為7 500 r/min,傳動比為9/57,14/73,故可以求得發(fā)動機的起動轉(zhuǎn)速為:

        n=7 500×9/57×14/73=227 r/min

        (1)

        假定t=5 ℃時,發(fā)動機潤滑油的運動黏度為:

        ηs=185×10-7m2/s

        (2)

        名義平均摩擦阻力計算:

        =0.37 MPa

        (3)

        發(fā)動機起動時的摩擦阻力所引起的轉(zhuǎn)力矩:

        =20.46 N·m

        (4)

        式中:Vh為發(fā)動機排量,由發(fā)動機參數(shù)表可知Vh=0.695 L。

        3.2 慣性阻力矩

        起動時發(fā)動機全部運動件從靜止?fàn)顟B(tài)加速至起動狀態(tài)時由于慣性力所引起的慣性阻力矩計算:

        Mj=Jm·ωn/t

        (5)

        發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速下的角速度:

        (6)

        Jm為發(fā)動機及起動時有關(guān)轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量,根據(jù)有關(guān)計算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)動機從靜止?fàn)顟B(tài)加速到起動所需時間,t=4 s。

        3.3 氣體壓縮阻力矩

        起動時,由于發(fā)動機氣缸中混合氣被壓縮引起的阻力矩。

        Mk=0.5tk·S

        (8)

        tk為起動時壓縮沖程中的最大切向力,由動力計算可知:

        tk=0.319×π/8×D2

        =0.319×π/8×1022

        =1 303.3 N

        (9)

        式中:D為發(fā)動機氣缸直徑,由發(fā)動機參數(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)動機行程,由發(fā)動機參數(shù)表可知S=0.085m。

        3.4 總扭矩

        起動時發(fā)動機所需的總扭矩為:

        M=MT+Mj+MK

        =20.46+0.408+55.39

        =76.258 N·m

        (11)

        3.5 最小扭轉(zhuǎn)力矩

        通過發(fā)動機所需的總扭矩反推出起動電機的最小扭轉(zhuǎn)力矩。

        (12)

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

        由起動扭轉(zhuǎn)力矩計算結(jié)果可知,單純起動電機達到這么大的扭矩是有困難的,這就需要通過減小起動阻力來實施起動。

        4 起動減壓裝置介紹

        由發(fā)動機動力學(xué)分析可知,四沖程發(fā)動機的工作過程是由吸氣、壓縮、作功和排氣四部分組成,活塞在這四個過程受阻力最大的是在壓縮行程階段,起動發(fā)動機時,活塞從下止點往上止點時運行,由活塞和汽缸組成的密封容積中壓縮氣體對活塞的運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,火花塞點火時刻設(shè)計為活塞到達上止點前,這也會使活塞越過上止點時產(chǎn)生一個很大的反作用力。同時由上面的計算過程可知,混合氣被壓縮引起的阻力矩是主要因素,通常采用起動減壓裝置來減小這部分的影響,常見的有單向器式自動減壓機構(gòu)和甩塊式自動減壓機構(gòu)。因此,在壓縮沖程上止點前打開排氣門,釋放氣缸內(nèi)的壓力,減小起動時的工作阻力,使曲軸能夠順暢運轉(zhuǎn),發(fā)動機順利點火運行,減壓裝置對提高發(fā)動機的起動性能、提高起動效率,延長起動系統(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),主要由正時從動鏈輪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;正時從動鏈輪按照配氣相位固定在凸輪軸上,正時從動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,該方形槽和正時從動鏈輪一圓孔相對應(yīng),減壓銷軸穿過該圓孔落到排氣凸輪方形槽內(nèi);減壓甩塊通過固定螺釘固定在正時從動鏈輪上,圍繞甩塊固定螺釘可以自由轉(zhuǎn)動;同時正時從動鏈輪圓周上配置一長腰型孔,減壓甩塊背面有一凸臺,該凸臺落在長腰型孔內(nèi),減壓甩塊的收縮和打開位置由長腰型孔確定,分別處于長腰型孔的左右2個極限狀態(tài),當(dāng)發(fā)動機處于歇火狀態(tài)時,減壓甩塊處于收縮位置,同時帶動減壓銷軸轉(zhuǎn)動,此時減壓銷軸高于凸輪基圓;當(dāng)發(fā)動機工作時,由于離心力作用,減壓甩塊處于打開狀態(tài),帶動減壓銷軸轉(zhuǎn)動,此時減壓銷軸銑扁處正對凸輪基圓,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)動機配氣機構(gòu)可知,曲軸主動鏈輪和正時從動鏈輪齒數(shù)比是1∶2,發(fā)動機怠速1 400 r/min左右,對應(yīng)的正時從動鏈輪轉(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,正時從動鏈輪轉(zhuǎn)速在450~550 r/min,此時發(fā)動機轉(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)動機處于歇火狀態(tài)時,減壓甩塊在回位扭簧的作用下處于收縮回位狀態(tài),減壓甩塊帶動減壓銷軸旋轉(zhuǎn),銷軸高于正時凸輪基圓h1=0.6~0.8mm(如圖4),當(dāng)發(fā)動機起動時,此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速遠低于900 r/min,減壓銷軸高于排氣凸輪基圓,搖臂滾輪通過銷軸位置時打開排氣門,汽缸內(nèi)壓力降低,從而減小起動時的工作阻力。起動完成后,當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于1 100 r/min時,減壓甩塊在離心力的作用下變成完全打開狀態(tài),帶動減壓銷軸旋轉(zhuǎn),減壓銷軸低于凸輪基圓h2=0.6 mm,發(fā)動機正常工作。凸輪軸在發(fā)動機上的轉(zhuǎn)動方向為順時針時,活塞從下止點向上止點運動過程中,如果減壓過早,此時發(fā)動機內(nèi)壓本身就低,泄壓量就不大,釋放的氣缸內(nèi)壓力就不夠,對起動困難幫助不大;如果減壓點靠上止點太近,活塞在上升過程中已經(jīng)受到了較大的反作用力,起動時也會感到困難;同時,由于減壓位置距離上止點太近,泄壓過大,發(fā)動機缸壓過低,發(fā)動機混合氣濃度低,同樣會導(dǎo)致發(fā)動機無法正常點火和起動。因此,減壓角度的設(shè)置至關(guān)重要,經(jīng)反復(fù)試驗,最終確定減壓銷軸在排氣凸輪上的角度是上止點前30度,點火起動的缸壓必須在550 kPa以上,發(fā)動機才能正常起動。

        圖3 減壓銷軸

        5 雙向扭矩限制器組件

        大排量發(fā)動機產(chǎn)量相對比較小,制造成本比較高,如何對發(fā)動機運動系統(tǒng)和起動系統(tǒng)進行保護是我們設(shè)計者必須要考慮的問題。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,摩擦片通過花鍵帶動雙聯(lián)齒輪軸,雙聯(lián)齒輪軸通過花鍵帶動齒輪轉(zhuǎn)動;可以選配不同厚度的齒片或者摩擦片來調(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)起動電機過載或者發(fā)動機反沖時,雙向扭矩限制器傳遞的扭矩超過規(guī)定范圍時,摩擦片和齒片之間打滑而切斷對齒輪動力的傳遞,從而實現(xiàn)對起動電機和發(fā)動機進行有效的保護。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

        減壓裝置的應(yīng)用,發(fā)動機的起動力大大地降低,起動性能、起動效率更好,延長了起動系統(tǒng)、電瓶等的壽命;目前甩塊式自動減壓裝置由于且其結(jié)構(gòu)簡單,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)動機的一次嘗試,經(jīng)過市場驗證,效果明顯,相關(guān)運動系統(tǒng)和起動系統(tǒng)零部件故障率明顯降低。

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