起动机的历史沿革及分析设计发展方向

梁庆林

摘要：如果把发动机比喻成汽车的“心脏”的话，那么起动机的作用就好像“心脏起搏器”一样，是以蓄电池为电源，以直流电动机为动力，通过传动机构和控制装置，带动发动机进入正常工作状态的机械总成。本文介绍了起动机的发展历程，在我国的研究创新，以及下一步的发展方向。使读者能够初步了解起动机的起源，现状和未来发展的方向。

关键词：起动机；起源；发展；研究方向

自1885年10月由德国人卡尔·本茨研制成功的世界上第一辆汽车至今，不过短短的一百多年的历史，已经成了我们必不可少的交通工具了。随着经济的发展，汽车也由“旧时王谢堂前燕”，成了今天的“飞入寻常百姓家”，据公安部统计，2018年全国新注册登记机动车3172万辆，机动车保有量已达3.27亿辆，其中汽车2.4亿辆，小型载客汽车首次突破2亿辆；机动车驾驶人突破4亿人，达4.09亿人，其中汽车驾驶人3.69亿人。可以说，汽车已经越来越被我们所熟悉。

从汽车的构件来看，如果说发动机是汽车的 “心脏”，那么起动机无异于“心脏起搏器”，它是当钥匙打到启动位置时，将电能转化成动能，由直流电动机产生动力，经起动齿轮传递动力给飞轮齿环，带动飞轮、曲轴转动而起动发动机，是实现车辆行驶的前提。那么，最早的起动机是什么样子的呢，以后起动机将会向哪个方向发展呢？

一、起动机的由来——“突发奇想”

起动机被发明之前，汽车的起动是靠人力手摇或者绳拉来实现的，简单但是非常不方便，就在1910 年冬天，一个妇女驾驶一辆凯迪莱克汽车，在密执安州贝尔岛的一座木桥上抛了锚。因为她没有足够的力气用手摇柄来启动发动机，因而不得不在寒冷的桥上等待别人的帮助，恰好来了另外一辆车子，是凯迪莱克汽车公司的卡顿，卡顿帮助妇女起动那辆汽车，当卡顿摇动发动机的起动手柄时，发动机产生回火，使手柄反转，打在卡顿的脸上，打破了卡顿的额头。自此，卡顿开始了起动机的研制。

1912年，卡顿的好朋友利兰德邀请的凯特琳研制出一套起动马达和发电机用一个超越离合器与减速器连接在一起的组合部件。当齿轮与飞轮啮合后，起动马达和发动机曲轴之间能够得到 25：1的减速比，这样就有足够的力矩保证转动发动机，使起动成功，这套装置被命名为凯特琳装置，并很快就代替了通用汽车公司所有汽车上的磁电机。电动式起动机的问世至今仍被公认为二十世纪最具影响力的汽车革新。到了1949年，克莱斯勒公司第一个使用联合按键操纵点火起动开关的，改变了以前通过仪表板上的旋钮操纵控制起动机。

二、起动机技术的研究发展——“中国烙印”

虽然，我国的汽车行业兴起的比较晚，但是相关技术的研究还是非常给力的。在起动机方面，我国的科学家主要研究了其性能，并进行了参数化分析。

山东交通学院于明进教授在1994年通过实验对起动机的性能参数分析技术进行了理论建模，给出了起动机全制动性能和空载性能实验的的相关数据分析和理论依据，并对各种测量结果及原因进行了全面的分析，为正确评价起动机和技术状况及不解体检验起动机提供了依据。后来，沐淮北还根据于明进教授的理论建模，论述了影响起动机在冬季不易启动的相关参数，提出使用硅整流器作为起动机的辅助电源的思路来改变起动机的固有特性。到了1997年，马祥宏对影响起动机电磁功率和电磁扭矩的因素进行了相关分析；山东大学的王秀和教授等人还开发了用于对永磁起动机进行电磁场分析的应用软件，在1999年还利用电磁场有限元分析法分析了永磁起动机齿槽运动和换向过程对气隙磁通的影响。

在对起动机的优化设计方面，王秀和、王欣利等人先后于1997年和2000年，分别运用TUBE算法和遗传算法对永磁起动机的磁极进行了优化设计与计算。浙江大学的叶云岳教授等人在1998年对起动机的电磁部分进行了优化设计和分析。

随着计算机辅助测试技术（CAT）的发展，我国在90年代初就开始了针对汽车起动机性能自动检测技术及设备进行研究开发，技术水平也不断在进步。邹日升等人在1991年研制成功了我国第一台起动机性能CAT系统设备，能连续检测不同负载点的电压、电流、转矩和转速，并自动进行功率计算、修正和描绘出特性曲线，并采用由计算机控制的整流电源作为“蓄电池”，从根本上解决了试验电源与起动机功率不匹配的问题，具有一定的代表性。杨春华、王雅琳等人在1998-1999年，运用先进控制算法对起动机实验过程进行闭环控制，提高了检测精度和设备运行平稳性。

三、起动机的未来发展——“路在何方”

起动机今后的发展必须满足层出不穷的新型汽车品种，随着汽车整车的优化设计水平不断提高，对起动机的设计制造提出了更高要求。

今后汽车工业将以节能环保为主题。同时也将不断地朝着可靠、安全、舒适等方面发展。作为汽车的关键部件，起动机将随着科技技术的高速发展、新的加工技术、自动控制技术、自动检测技术及计算机技术的广泛应用，会朝着小型、轻量、大功率输出、长寿命方向发展。

就目前的发展方向来看，现在汽车上广泛采用体积小、转速高、转矩大的起动机，包括刚性啮合式起动机、永磁起动机和减速型起动机等。其中，前两者主要用在安装空间较小的车辆上，用量不大，而减速型起动机应用最广、发展最快，代表着现在汽车起动机发展的主流，并随着微、重型车比重的扩大，起动机也会在1—9kw的功率等级上有新发展，中、小型功率起动机将以永磁式行星齿轮减速型为主，大功率起动机将以电励磁式行星齿轮减速型为主。

图2为减速型起动机系统的一般原理图。当按下启动开关2，起动继电器线圈3和触点4吸合，吸引线圈9和保持线圈10的电路接通，并由此分成两条电路，一路为保持线圈10→搭铁→蓄电池负极；另一路为吸引线圈9→起动机磁场绕组20→搭铁→蓄电池负极。活动铁芯11在两个线圈吸力的共同作用下，克服复位弹簧13的弹力而向左移动，带动拨叉12将单向离合器14推出与负载飞轮15啮合。由于此时吸引线圈的电流经过磁场绕组20和电枢绕组19，能产生一定的电磁转矩。所以单向离合器的小齿轮是在缓慢旋转的过程中与负载齿轮啮合的，在二者啮合好的同时，由于活动铁芯的继续向左运动，使得接触盘8与主触点7接通，于是蓄电池的大电流流经起动机的电枢和磁场绕组，产生较大的扭矩，起动机正常启动，带动发动机旋转，伴随着配气机构、点火系、供油系等的开始工作，使发动机进入正常工作状态。与此同时，吸引线圈被短路，齿轮的啮合位置由保持线圈的吸引力来保持。当发动机被启动、松开启动开关的瞬间，保持线圈中的电流只能通过吸引线圈形成回路，由于保持线圈和吸引线圈的绕向、匝数相同，此时二者所产生的磁通方向相反而抵消，活动铁芯在复位弹簧的作用下回至原位，单向离合器小齿轮退出啮合，接触盘脱离与主触点的接触，切断回路，起动机停止运转。

由上可见，减速起动机通过电枢轴与传动轴之间增加了一级减速机构，使得电动机在同等输出功率的情况下可以将电枢转速提高，将转矩缩小。这样，电机的尺寸可以缩小，结构可以设计的精致緊凑，一般减速起动机的传动比在3—4左右，总质量比同等功率非减速起动机能减少越35%，总长度减少约29%，所占汽车空间大大压缩，并且减轻了蓄电池的负担，延长蓄电池的相对使用寿命。

另外，一个更大胆的设计理念，实现起动机——发电机一体化的设计构思也应运而生，它是满足汽车对起动机和发电机愈来愈高输出要求的有效途径。在这种一体化系统中，有一个关键的可转换装置，该装置具有起动和停止转换功能，有交流端和直流端两个端口，其交流端接异步电机，直流端接蓄电池和汽车用电系统。其工作原理是：在起动状态时，异步电机的主动轴通过减速机构与发动机连接，带动发动机旋转，并达到起动发动机的目的；当发动机发动以后，发动机反带异步电机旋转，通过超越离合器装置自动降低传速，使异步电机变为发电机的正常发电状态。同时可转换装置还担任“整流器”的角色，将异步电机输出的三相交流电变为直流电，给蓄电池充电，同时给用电系统供电和电机本身励磁。这样将发电机和起动机合二为一，具有在蓄电池低电流下起动转矩大，在发动机转速范围内，发电机功率大，效率高，体积小，适于安装等优点，也是下一步起动机发展的一个方向。

参考文献

[1]陈建彬，《汽车发展史》，2015年11月11日

[2]彭志宏，《减速起动机的开发创新》，《机械开发》2000（3）

[3]于明进，《汽车起动机的性能试验》，《汽车技术》1994（12）

[4]朱则刚，《汽车起动机技术及其发展趋势》，《日用电器》2006（08）

[5]王文林，《汽车起动机及相关技术的发展》，《机电工程》2004（06）

（作者单位：预备役步兵第二四七团）