一种基于数值迭代的汽车起动机传动系统计算方法

钟恩松 刘光辉 毛乾亚 薛晋秋

摘  要：以某型号汽车起动机为例，通过对驱动杠杆和单向器进行受力分析，完成了单向器推力表达式的推导。运用数值迭代法编程，绘制了单向器推力与单向器位置的关系曲线，并进行了实验验证。结果表明：仿真值与实验值的相对误差在允许范围之内，该方法可为工程上汽车起动机的设计提供一定参考。

关键词：起动机;拨叉;单向器;迭代;推力

中图分类号：U464.142 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）32-0132-03

Abstract： Taking the starter of a certain type of automobile as an example， the force analysis of the driving lever and the one-way engine is carried out to complete the derivation of the thrust expression of the one-way engine. The relationship curve between thrust and position of unidirectional device is drawn by numerical iteration method and verified by experiment. The results show that the relative error between the simulation value and the experimental value is within the allowable range.

Keywords： starter; fork; clutch; iteration; thrust

1 概述

汽车起动机主要由直流起动电机、电磁开关、拨叉和单向器等部分组成。其中，电磁开关是汽车起动机的控制装置，拨叉和单向器是汽车起动机的传动机构。汽车起动机的功能是：通过起动电机将蓄电池的电能转化为机械能，再由电磁开关带动拨叉和单向器动作，从而驱动发动机飞轮旋转，最终使汽车起动成功[1]。目前，关于汽车起动机的技术研究主要集中在直流电机和电磁开关方面，主要包括：直流起动电机磁场分析、设计优化[2]，电磁开关静态吸力特性分析、動态响应特性分析、结构优化[3]等。但是，关于汽车起动机传动系统机械计算方面的研究并不多。本文采用了一种基于数值迭代的方法用于汽车起动机传动系统计算。

2 单向器推力计算

以某型号汽车起动机为例，分别对驱动杠杆（拨叉）和单向器进行受力分析，如图1所示。记电磁吸力为F吸，弹簧反力为F弹，动铁芯拉杆拉力为F拉，动铁芯加速度为a1，动铁芯质量为m1，单向器前向推力为F推，单向器受到的阻力为f，单向器质量为m2，单向器加速度为a2，驱动杠杆与竖直方向的夹角为？兹。

根据（1-12）式，只要通过实验测得：动铁芯质量m1、单向器质量m2、单向器所受阻力f、驱动杠杆力臂L1和L2、驱动杠杆与竖直方向的初始夹角？茁，即可得到单向器所受推力F推与动铁芯位移S之间的关系表达式。考虑到驱动杠杆不是严格意义上的杠杆，支点不固定，因而L1、L2、？茁的难以精确测量，给计算引入误差。

测量数据：动铁芯质量m1为0.09kg，单向器质量m2为0.235kg，力臂L1和L2分别为24.8mm和42.8mm。单向器摩擦系数？滋约为0.1，则单向器所受阻力f为0.235N。考虑到单向器所受阻力较小，而拨叉与竖直方向的初始夹角也较小，并且难以测量，因而这里可以忽略f和？茁。同时，由于拨叉有一定的活动裕量，它与拉杆之间的间隙约为3.5mm。这相当于电磁开关动铁芯先空载运动3.5mm之后，才开始通过拨叉带动单向器负载，因而将单向器的位移修正为

根据（1-12）式，可以得到计算单向器推力的简化公式为

其中，电磁吸力F吸由电磁开关有限元建模仿真得到，弹簧力F弹/N与动铁芯位移S/mm的关系式为

3 数值迭代法实现

考虑到计算量很大，这里运用数值计算的方法编程实现，绘制单向器推力与其位移的关系曲线。该方法不容易引入计算误差，计算流程图如图2所示[4]。

这样则可得到单向器推力与单向器位移之间的关系曲线，如图3所示。

4 计算结果校验

4.1 曲线转化

单向器推力是一个随时间变化变量，历时非常短，难以精确测量。因而只能根据单向器的运动时间或者位移曲线对计算结果进行校验。由于单向器的位移曲线实验测试结果仍然不太理想，这里选择利用单向器运动时间进行校验。将上述计算得到的单向器推力与位移的曲线转化为单向器位移与时间的曲线，需要用到数值迭代的方法，仍然借助编程来实现，可得到单向器推力与位移的曲线计算得到单向器位移与时间的曲线，如图4所示。据图可知，单向器运动时间的计算值为9.6ms。

4.2 仿真与实验数据比较

单向器的运动时间可以根据空载工况和负载工况下电磁开关吸合过程的实测电流曲线比较得到，如图5所示。据图可知，电磁开关从约7.5ms时刻开始带载，约16.2ms时刻吸合完成，因而得到单向器运动时间的实验值约为8.7ms。

5 结束语

根据对驱动杠杆和单向器的受力分析，完成了单向器推力的公式推导，并绘制了单向器推力与单向器位移的关系理论曲线。由于单向器推力无法直接通过实验测定，因而采用单向器的运动时间来对仿真结果进行间接验证。单向器运动时间的仿真值和实验值的相对误差率为10.34%，可以满足工程要求。拨叉具有活动裕量、支点不固定、带载过程存在强烈机械冲击，是影响计算结果精度的主要原因。

参考文献：

[1]李文奎.浅析汽车起动系统[J].汽车电器，2016（11）：70-72.

[2]黄文锋.起动机电磁开关的结构改进[J].机电工程技术，2014，43（08）：130-131.

[3]罗石，孙雷.汽车起动机电磁开关动态行程分析[J].淮海工学院学报（自然科学版），2016，25（01）：11-15.

[4]钟恩松.基于有限元的汽车起动机电磁开关建模及其特性研究[D].西南交通大学，2016.