起動機的歷史沿革及分析設(shè)計發(fā)展方向

梁慶林

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

關(guān)鍵詞：起動機；起源；發(fā)展；研究方向

自1885年10月由德國人卡爾·本茨研制成功的世界上第一輛汽車至今，不過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)濟的發(fā)展，汽車也由“舊時王謝堂前燕”，成了今天的“飛入尋常百姓家”，據(jù)公安部統(tǒng)計，2018年全國新注冊登記機動車3172萬輛，機動車保有量已達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；機動車駕駛?cè)送黄?億人，達4.09億人，其中汽車駕駛?cè)?.69億人?？梢哉f，汽車已經(jīng)越來越被我們所熟悉。

從汽車的構(gòu)件來看，如果說發(fā)動機是汽車的 “心臟”，那么起動機無異于“心臟起搏器”，它是當鑰匙打到啟動位置時，將電能轉(zhuǎn)化成動能，由直流電動機產(chǎn)生動力，經(jīng)起動齒輪傳遞動力給飛輪齒環(huán)，帶動飛輪、曲軸轉(zhuǎn)動而起動發(fā)動機，是實現(xiàn)車輛行駛的前提。那么，最早的起動機是什么樣子的呢，以后起動機將會向哪個方向發(fā)展呢？

一、起動機的由來——“突發(fā)奇想”

起動機被發(fā)明之前，汽車的起動是靠人力手搖或者繩拉來實現(xiàn)的，簡單但是非常不方便，就在1910 年冬天，一個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。因為她沒有足夠的力氣用手搖柄來啟動發(fā)動機，因而不得不在寒冷的橋上等待別人的幫助，恰好來了另外一輛車子，是凱迪萊克汽車公司的卡頓，卡頓幫助婦女起動那輛汽車，當卡頓搖動發(fā)動機的起動手柄時，發(fā)動機產(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，卡頓開始了起動機的研制。

1912年，卡頓的好朋友利蘭德邀請的凱特琳研制出一套起動馬達和發(fā)電機用一個超越離合器與減速器連接在一起的組合部件。當齒輪與飛輪嚙合后，起動馬達和發(fā)動機曲軸之間能夠得到 25：1的減速比，這樣就有足夠的力矩保證轉(zhuǎn)動發(fā)動機，使起動成功，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。電動式起動機的問世至今仍被公認為二十世紀最具影響力的汽車革新。到了1949年，克萊斯勒公司第一個使用聯(lián)合按鍵操縱點火起動開關(guān)的，改變了以前通過儀表板上的旋鈕操縱控制起動機。

二、起動機技術(shù)的研究發(fā)展——“中國烙印”

雖然，我國的汽車行業(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。在起動機方面，我國的科學(xué)家主要研究了其性能，并進行了參數(shù)化分析。

山東交通學(xué)院于明進教授在1994年通過實驗對起動機的性能參數(shù)分析技術(shù)進行了理論建模，給出了起動機全制動性能和空載性能實驗的的相關(guān)數(shù)據(jù)分析和理論依據(jù)，并對各種測量結(jié)果及原因進行了全面的分析，為正確評價起動機和技術(shù)狀況及不解體檢驗起動機提供了依據(jù)。后來，沐淮北還根據(jù)于明進教授的理論建模，論述了影響起動機在冬季不易啟動的相關(guān)參數(shù)，提出使用硅整流器作為起動機的輔助電源的思路來改變起動機的固有特性。到了1997年，馬祥宏對影響起動機電磁功率和電磁扭矩的因素進行了相關(guān)分析；山東大學(xué)的王秀和教授等人還開發(fā)了用于對永磁起動機進行電磁場分析的應(yīng)用軟件，在1999年還利用電磁場有限元分析法分析了永磁起動機齒槽運動和換向過程對氣隙磁通的影響。

在對起動機的優(yōu)化設(shè)計方面，王秀和、王欣利等人先后于1997年和2000年，分別運用TUBE算法和遺傳算法對永磁起動機的磁極進行了優(yōu)化設(shè)計與計算。浙江大學(xué)的葉云岳教授等人在1998年對起動機的電磁部分進行了優(yōu)化設(shè)計和分析。

隨著計算機輔助測試技術(shù)（CAT）的發(fā)展，我國在90年代初就開始了針對汽車起動機性能自動檢測技術(shù)及設(shè)備進行研究開發(fā)，技術(shù)水平也不斷在進步。鄒日升等人在1991年研制成功了我國第一臺起動機性能CAT系統(tǒng)設(shè)備，能連續(xù)檢測不同負載點的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并自動進行功率計算、修正和描繪出特性曲線，并采用由計算機控制的整流電源作為“蓄電池”，從根本上解決了試驗電源與起動機功率不匹配的問題，具有一定的代表性。楊春華、王雅琳等人在1998-1999年，運用先進控制算法對起動機實驗過程進行閉環(huán)控制，提高了檢測精度和設(shè)備運行平穩(wěn)性。

三、起動機的未來發(fā)展——“路在何方”

起動機今后的發(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)計水平不斷提高，對起動機的設(shè)計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，起動機將隨著科技技術(shù)的高速發(fā)展、新的加工技術(shù)、自動控制技術(shù)、自動檢測技術(shù)及計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，會朝著小型、輕量、大功率輸出、長壽命方向發(fā)展。

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

圖2為減速型起動機系統(tǒng)的一般原理圖。當按下啟動開關(guān)2，起動繼電器線圈3和觸點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→蓄電池負極；另一路為吸引線圈9→起動機磁場繞組20→搭鐵→蓄電池負極?；顒予F芯11在兩個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，帶動撥叉12將單向離合器14推出與負載飛輪15嚙合。由于此時吸引線圈的電流經(jīng)過磁場繞組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)的過程中與負載齒輪嚙合的，在二者嚙合好的同時，由于活動鐵芯的繼續(xù)向左運動，使得接觸盤8與主觸點7接通，于是蓄電池的大電流流經(jīng)起動機的電樞和磁場繞組，產(chǎn)生較大的扭矩，起動機正常啟動，帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，伴隨著配氣機構(gòu)、點火系、供油系等的開始工作，使發(fā)動機進入正常工作狀態(tài)。與此同時，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈的吸引力來保持。當發(fā)動機被啟動、松開啟動開關(guān)的瞬間，保持線圈中的電流只能通過吸引線圈形成回路，由于保持線圈和吸引線圈的繞向、匝數(shù)相同，此時二者所產(chǎn)生的磁通方向相反而抵消，活動鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下回至原位，單向離合器小齒輪退出嚙合，接觸盤脫離與主觸點的接觸，切斷回路，起動機停止運轉(zhuǎn)。

由上可見，減速起動機通過電樞軸與傳動軸之間增加了一級減速機構(gòu)，使得電動機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，電機的尺寸可以縮小，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計的精致緊湊，一般減速起動機的傳動比在3—4左右，總質(zhì)量比同等功率非減速起動機能減少越35%，總長度減少約29%，所占汽車空間大大壓縮，并且減輕了蓄電池的負擔，延長蓄電池的相對使用壽命。

另外，一個更大膽的設(shè)計理念，實現(xiàn)起動機——發(fā)電機一體化的設(shè)計構(gòu)思也應(yīng)運而生，它是滿足汽車對起動機和發(fā)電機愈來愈高輸出要求的有效途徑。在這種一體化系統(tǒng)中，有一個關(guān)鍵的可轉(zhuǎn)換裝置，該裝置具有起動和停止轉(zhuǎn)換功能，有交流端和直流端兩個端口，其交流端接異步電機，直流端接蓄電池和汽車用電系統(tǒng)。其工作原理是：在起動狀態(tài)時，異步電機的主動軸通過減速機構(gòu)與發(fā)動機連接，帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，并達到起動發(fā)動機的目的；當發(fā)動機發(fā)動以后，發(fā)動機反帶異步電機旋轉(zhuǎn)，通過超越離合器裝置自動降低傳速，使異步電機變?yōu)榘l(fā)電機的正常發(fā)電狀態(tài)。同時可轉(zhuǎn)換裝置還擔任“整流器”的角色，將異步電機輸出的三相交流電變?yōu)橹绷麟?，給蓄電池充電，同時給用電系統(tǒng)供電和電機本身勵磁。這樣將發(fā)電機和起動機合二為一，具有在蓄電池低電流下起動轉(zhuǎn)矩大，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機功率大，效率高，體積小，適于安裝等優(yōu)點，也是下一步起動機發(fā)展的一個方向。

參考文獻

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（作者單位：預(yù)備役步兵第二四七團）