（机械设计及理论专业论文）液压传动工程机械用柴油机与起动系统得匹配研究.pdf

摘要 近2 0 年来，液压技术得到了迅速的发展，在工程机械工业内，液压传动被广泛 地采用。本课题对液压传动工程机械的起动过程进行理论分析，从起动时发动机、分 动箱、液压泵的工作原理及受力分析，得出液压传动工程机械中柴油机与起动系统新 的合理的匹配方式，并通过对具体液压传动工程机械如d t l 3 0 0 型多功能摊铺机起动 系统的计算分析，验证了新的匹配方式的合理性与正确性。同时，通过应用m a t l a b 仿真软件对整个起动过程进行建模与仿真，得出理想的匹配参数，并建立实验模型、 进行实验研究，通过对实验结果的分析，验证及改进工程机械用柴油机与起动机，起 动机与蓄电池、发电机的匹配。从而使液压传动工程机械的起动系统设计更为合理， 为发动机的起动系统配置提供理论依据。 关键词：工程机械；柴油机；起动系统；液压系统；匹配 a b s t r a c t i nr e c e n t2 0y e a r s ，h y d r a u l i ct e c h n o l o g yi s r a p i d l yd e v e l o p e d ，i ni n d u s t r yo ft h e c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , h y d r a u l i cd r i v ei sa b r o a dt oa d o p t e d i nt h i sp a p e r , t h es t a r t p r o c e s so fh y d r a u l i cd r i v ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi sa i m e da tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s w h e nam a c h i n ew i t hd i e s e l ，p o w e rd i v i d e ra n dh y d r a u l i cp u m p s t a r t i n g ，t h e i rp r j n c i p l eo f w o r ka n da n a l y s i so ft h eb e a r i n gf o r c ea l ec o n d u c e d i tb r i n g sf o r w a r dan e wa n d r e a s o n a b l e m a t c h i n gm e t h o db e t w e e nd i e s e l a n ds t a r t i n g s y s t e mi nh y d r a u l i cd r i v e c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y i ti sv a f i d a t e dt h a tt h en e wm a t c h i n gm e t h o di sr e a s o n a b l ea n d c o r r e c tb yc a l c u l a t ea n da n a l y s i st h es t a r t i n gs y s t e mo fd t l 3 0 0m u l t i - p u r p o s ep a v e ra tt h e s s a t i et i m e i ta p p l i e sm 棚a bs i m u l a t i o ns o f t w a r et om o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h es t a r t p r o c e s s ，a n de d u c e si d e a lm a t c h i n gp a r a m e t e r t h e n ，i tf o u n d se x p e r i m e n tm o d e la n d p r o c e s s e se x p e r i m e n ts t u d y b ya n a l y z i n ge x p e r i m e n tr e s u l t ，t h i sp a p e rv a l i d a t e sa n d i m p r o v e so nt h em a t c h i n gb e t w e e nd i e s e la n ds t a r t e ra n dt h em a t c h i n ga m o n gs t a r t e r , s t o r a g ec e l la n dd y n a m o t o r s od e s i g n i n gs t a r ts y s t e mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yw i t h h y d r a u l i cd r i v ec a nb em o l er e a s o n a b l e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rp r o v i d e sa c a d e m i c f o u n d a t i o nf o rs t a r ts y s t e mm a t c h i n go fd i e s e l k e y w o r d s - c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y d i e s e l s t a r t i n gs y s t e m h y d r a u l i cs y s t e m m a t c h 第一章绪论 1 1 液压传动工程机械用柴油机特点 1 1 1 工程机械用柴油机的使用特点和目标要求 1 、使用特点 ( 1 ) 工程机械用柴油机经常在急剧的变速变负荷状态下工作，其工况严酷。 如在土方任务紧急时，连续作业十几个小时以上，全负荷作业占全部工作时间的 8 0 左右，还经常遇到突加负荷的情况( 破路面、揭冻层) ，这种突加负荷时间往 往长达十秒到一分钟，而对采用机械传动的工程机械，其曲轴阻力矩变化大，严 重时可使柴油机熄火； ( 2 ) 工程机械的作业环境十分恶劣，常在露天作业，路面质量差，工作和 行走扬起的尘土大。有时由于道路的状况，拖车不可能将履带设备运输到位，只 能靠操作手自行开车前往。这样势必会扬起很大尘土，加之道路高低不平，甚至 没有路，柴油机由此会受到因底盘颠簸丽带来的太的冲击力和振动； ( 3 ) 由于地势的状况，工程机械往往需要在倾斜的地面工作( 如推梯形坝) ， 柴油机应能保证前后、左右倾斜3 0 4 5 的地面上可靠运转。对此，结构上要 有适当的考虑，如确保柴油机倾斜时仍有足够的油面高度，使机油泵能吸到机油， 机油压力不降低、不漏油等： ( 4 ) 由于工程机械施工的需要，操作人员常常住在野外，这样造成了在一4 0 + 5 0 c ( 甚至6 0 c ) 的气温下工作的机会较多。所以对燃油、机油、冷却系统和 起动方法等须作特殊的考虑。康明斯n t 8 5 5 柴油机说明书中就列出专用机油的技 术指标：运动粘度、低温动力粘度、闪点、凝点等。对于工程机械用的热负荷大 的柴油机，为了获得机油在最有利的温度范围内使用，除靠机油在油底壳内自然 散热外，在润滑系中还装有机油散热装置：机油风冷器( 北内道依茨f 6 l 9 1 2 g 2 型风冷柴油机) 和机油水冷器( 重发康明斯n t 8 5 5 一c 2 8 0 型水冷柴油机) 。康明斯 n t 8 5 5 柴油机在起动方法下也进行了考虑，如在进气管上加装预热装置，即在其 上装有可加入低溢起动燃糟酾濑罐j 遭过电路与预热塞连接。起动时，使预热塞 完全发热后，再起动柴油机【1 】。 2 、目标要求 工程机械用柴油机要适应日益严格的环保法规、高可靠性和长寿命、更好的 动力性和配套适应性、很强的环境适应能力、节能以及更加注重人机关系如舒适 性和操作维护方便性。为此，现阶段各个柴油机厂家已普遍推出工程机械用柴油 机，其性能优越，可承受熏负荷，功率覆盖范围大、可靠性高、寿命长，耐用、 省油、综合经济效果好，噪声、排放、燃油消耗率低，配套适应性强；柴油机在 结构设计上体现了坚固、可靠、耐用。柴油机在结构上采取的具体措施： ( 1 ) 燃油系统，采用较高喷射压力的高压燃油喷射泵，有效降低了烟度和 燃油消耗率，高压油泵设有自动起动的加浓装置，附设低温加浓机构，提高了低 温起动性能； ( 2 ) 增压系统，采用增压器增压，使其最高效率大大增大； ( 3 ) 进、排气系统，改善进气道，使进气道具有大流量小涡流的特点，降 低高转速时过强的进气涡流，使柴油机扫气更彻底； ( 4 ) 润滑系统，采用耐压的机油冷却器和滤清效率高的机油滤清器，使其 维护保养方便； ( 5 ) 冷却系统，通过改变水泵和风扇的驱动方式使流量增加，散热效率增 高 3 1 。 3 、发展趋势 ( 1 ) 改善燃烧过程、降低排放和油耗； ( 2 ) 采用电控喷射，进行全面优化： ( 3 ) 喷油泵及主要磨擦副零部件的耐用性设计： ( 4 ) 开发满足特殊高粉尘环境的空气滤清系统； ( 5 ) 改进目前的柴油机机油滤清器和燃油滤清器； ( 63 零部件的降噪设计； ” ( 7 ) 提高配附件的可靠性和环境适应性 2 1 。 1 1 2 液压传动工程机械用柴油机的特点 工程机械工况的特殊性决定了其采用机械传动的局限性。而采用液压传动方 式却可以克服这些不利因素。近2 0 年来，液压技术得到了迅速的发展，在工程 机械工业内，一方面是在以牵引功能为主的铲土运输机械上，传统的液力机械传 动出现了被液压传动取代的某种趋势( 虽然还不是全方位的) ，而另一方面大量 不以牵引功能而以恒速调节为主要功能的路面与压实机械几乎全面地采用了液 压传动和液压控制技术。近年来，随着液压元件、液压驱动装置及控制方式的多 样化和完善，液压传动在工程机械行走驱动中的应用迅速普及，一些特种作业机 械、路面机械、压实机械几乎全为液压行走驱动，即使传统的液力机械传动领域 如推土机、装载机等也开始普及。 工程机械牵引系统长期以来一直存在的关键问题是，如何最简单而又适宜地 使发动机和传动系同外部负荷之间始终保持最合理的匹配。传统的机械传动和液 力机械传动都是通过不同传动比的多挡位变速装置使机械适应宽广的负荷和变 速范围要求。然而档位的有级变化不能与负荷要求实现最合理匹配，加之变换档 位的操作需要司机在适当的时机进行，操作复杂且不能总是选择这一时机，因而 无法保持机械始终适应负荷交化而在最佳状态工作，机械的动力性、经济性、作 业生产率都将降低。 理论研究表明：只有采用液压传动，并辅以适当的控制装置与之配合，才有 可能形成理想的传动系统，它能使发动机的转速及其输出扭矩适应外部负荷变化 而连续变化，并且保持高效率。而且，因为液压系统具有无级变速的精细的速度 调节，容易实现正反转。能防止发动机超负荷以及具有良好的控制性能等一系列 特点，所以使传统的只靠操作者的经验和感觉来迸行的人工操级油门踏板和变速 杆的操作大大简化了，并且也使机械的性能和作业效率大大提高。其效益足以补 偿由于采用液压传动引起的制造成本的提高。 传统的机械传动方式中，存在着下列问题： ( 1 ) 工程机械使用的全程调速器式发动机的特点为不论负荷扭矩如何变化， 都维持一定的转速。因此，随着所需功率的减小，燃料消耗急剧增加( 在万有特 性上表现为低负荷点位于高油耗线上) ，某一给定转速下的功率利用率( 指实际使 用功率与相同转速下所能发挥的最大功率之比) 也显著降低： ( 2 ) 一般的机械变速传统系统，为使发动机的特性与负荷所要求的性能协 调一致，可以根据负荷舱变纰臻适当调节发动机供油量( 油门) 和选择合适的档位 来满足。但是这种有级的速比调节往往会使负荷所要求的功率和转速得不到满 足，机器常常处于不合理的运转状态。 液压控制的目的就在于改进上述两点不足，同时，努力提高液压装置的传动 效率，根据各种外界负荷的变化，使发动机和传动系统的各项性能指标最佳化。 发动机恒功率控制装置，不论外界负荷扭矩的大小如何变化，都要将发动机输出 轴扭矩控制为一定值，即通过液压传统系统的变换作用，使发动机定值扭矩适应 变化的负荷扭矩。由于发动机的负荷率取决于控制系统的目标值，因此，若正确 给定负荷率，使发动机液压系统的机械性能达到最良好的状态，使整个系统 始终在这一工况下工作，则发动机性能不为外界负荷的变化所影响，功率利用情 况最好，动力性、经济性指标最好，液压传动装置的效率也能提高。 发动机变功率控制装置以恒扭矩控制为基础，根据外界负荷扭矩的交化来控 制发动机的转速( 有液压传动装置的无级调节作用，对任意的外界负荷，发动机 在任意转速下都可以适应，但有一可以使发动机功率得以充分发挥且燃料经济性 最好的工作转速) ，保证发动机的功率和燃料经济性对于外负荷始终处于最佳状 态，并使驾驶员的操作进一步简化。通过上述两种控制的组合，使发动机在整个 转速范围内都能适应负荷变化，保持最佳的功率利用率，最佳的动力性和经济性； 液压系统具有较高的传动效率；整个负荷驱动系统具有自适应能力且具有最高的 综合性能指标。在发动机和液压传动装置的性能参数进行良好匹配以后，发动机 合适的负荷率是其动力性、燃料经济性和液压系统效率最佳的必要条件。因此问 题很明了：发动机一液压系统的控制目标就是确定发动机在任意转速下合适的负 荷率。 发动机的控制目标为低油耗、较高的功率利用率( 9 0 1 0 0 ) ，液压传动系 统的控制目标为高效率、且使发动机满负荷率( 1 0 0 ) ，各控制目标的核心最终归 结为选定合适的发动机负荷率。然而，发动机和液压传动系统的控制目标之间存 在着一些差异，因此当发动机和液压传动装置组成一个复合动力装置时，就要充 分考虑各自的特点，确定合理的控制目标值，使复合动力装置有最高的综合性能。 由此确定的目标值为：在发动机怠转速开。至最大扭矩转速n 一之间取目标值负 荷率为9 0 或更低一些。按此负荷率工作，既满足了复合动力装置高效率、高动 力性的要求，又使发动机有一定动力储备，利于提高加速性能，并且在遇到突发 载荷而控制装置因惯性滞后调节时，可以防止发动机熄火。但在最大扭矩至额定 功率之间的高转速范围内，由于液压系统的特性一般都是粘性摩擦扭矩随转速上 升而增加，从而传动装置的各效率显著降低，所以应使目标值负荷率与转速成正 比地增加，即由最大扭矩点的9 0 9 6 变至额定功率点的1 0 0 。这样，由于负荷率增 加使泵排量增加，由此产生的仉、r 。增加补偿了由于转速增j i l 弓l 起r 。的降低的 负面影响，最终使液压传动装置有较高的效率。发动机扭矩外特性与目标值负荷 率的关系如图2 1 所示，其中曲线l 一2 3 为理想的目标值负荷曲线【”。 图1 1 发动机扭矩外特征与目标负荷率 m 。一发动机有效扭矩；m ：一负荷扭矩 1 2 论文提出的背景及意义 现阶段国内外柴油机厂家着重在以上这些方面改善柴油机性能，但随着工程 机械液压传动方式的普及，起动也成为一个不可忽视的环节。采用机械传动、液 力机械传动的工程机械，起动时，离合器分离，柴油机输出轴上无负载。起动机 e 的功率与最大转矩由柴油机的最低起动转速、起动阻力和柴油机的转动惯量来决 定。柴油机厂家在其产品说明书中跟据此原则已经合理地配置了其起动系统。而 液压传动的工程机械，起动时，柴油机输出轴直接与分动箱联接，带动分动箱内 各轴转动，分动箱的各输出轴又分别与各液压泵相联接，从而带动液压泵内油 液搅动，使各液压泵呶勰动。壤此时柴油机起动为带载起动。而柴油机厂家提供 流。 的改善起动性能的措施主要有：提高柴油机的压缩比，采用较大功率的电动机， 提高起动转速，减少喷油提前角，采用直喷室燃烧室或增加增压器，预热器等部 件等”，而工程机械领域中不同工程机械的具体结构不尽相同，柴油机厂家不能 准确地确定某一工程机械需要多大功率的起动机才能起动，不能从根本上计算所 需起动机的扭矩、功率。另一方面，在蓄电池与起动机的配置上，许多专家、学 者已作了详细的实验研究，得出了基本统一的结论。但没有考虑在工程机械工作 环境中的特殊性。 1 3 本课题的研究内容 本课题即为在此基础上对液压传动工程机械的起动过程进行理论分析，从起 动时发动机、分动箱、液压泵的工作原理及受力分析，得出液压传动工程机械中 柴油机与起动系统新的合理的匹配方式，且通过对具体液压传动工程机械如中大 d t l 3 0 0 型多功能摊铺机起动系统的计算分析，验证了新的匹配方式的合理性与 正确性。 图1 2 起动系统框图 同时，通过应用m a t l a b 仿真软件对整个起动过程进行建模与仿真，得出理 想的匹配参数。 进一步，建立实验模型、进行实验研究，通过对实验结果的分析，验证及改 进工程机械用柴油机与起动机，起动机与蓄电池、发电机的匹配。 从而，使液压传动工程机械的起动系统设计更为合理；并为发动机的起动系 统配置提供理论依据。 第二章柴油机与起动系统的合理匹配 柴油机起动必须具有足够的起动转矩和起动转速。柴油发动机最低起动转速 是指柴油机可靠起动时，曲轴的最低转速。对柴油发动机来说，要使它可靠起动， 应满足以下条件：( 1 ) 在进气过程中，吸入足够量的新鲜空气；( 2 ) 气缸中喷入 足够量可能着火的柴油；( 3 ) 压缩行程接近终了时，混合气要具有一定的温度和 压力，使第一次压燃后柴油发动机能延续工作。上述条件直接与柴油发动机曲轴 转速有关，其中第一个条件对转速的要求起决定作用。因为转速过低时，进气管 中的气流流速过低，使柴油发动机充气量不足，导致汽缸内的柴油可燃混合气不 易压燃。柴油发动机靠压缩着火，而压缩行程终了的空气温度则取决于周围介质 的温度，气缸壁的温度和压缩时间的长短。转速低时由于压缩时间长，散热、漏 气增加，就会使压缩行程终了时的空气温度降低，使燃料不易点燃。起动转矩是 指起动时各系统的阻力矩。所以起动柴油机必须选择合适的起动机。 2 1 起动机的选型 现阶段工程车辆上广泛采用电力起动，电力起动机的起动是由直流电动机通 过传动机构带动发动机起动的，它具有操作简便、起动迅速可靠等优点，又具有 重复起动的能力。 由直流电机的基本原理可知，直流电机运行时必须有一定强度的磁场，所以 磁场是直流电机进行能量转换的媒介。而直流电机中的磁场根据励磁方式的不同 分为四类( 图2 。1 ) ： 1 、他励直流电动机，由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系。 2 、并励直流电机，励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电压等于电枢绕组的端 电压。 3 、串励直流电机，励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流。 4 、复励直流电机，每个主磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联一 个与电枢绕组串联。 当直流电瓤溺耪礅海式幂同时，运行特性和使用场合也不同。 uuju n ) 他励：b ) 并励：c ) 串励- d ) 复励 图2 1 直流电机四种励磁方式 2 1 1 他、并励直流电动机的工作特性 一般情况下，额定励磁电压与电枢电压相等，故他励和并励直流电动机无实 质性区别。当电动机的端电压u - u 、励磁电流，- i 伊：电枢回路不串加外电 阻时，转速n 、电磁转矩z 、效率叩分别与电枢电流，。之间的关系即为其工作特 性。 1 、转速特性n 一，c ，。) 将电动势公式e - c 。咖代入电压平衡方程式u e + l r ，可得转速特性 公式： 撑。粤一善l ( 2 1 ) c 。m c 。m 。4 可见，如果忽略电枢反应的影响，由；垂，保持不变，则，。增加时，转速n 下 降，但因凡一般很小，所以转速n 下降不多， ；，( ，。) 为一条稍稍向下倾斜的 直线，如图2 2 中的曲线l 所示。如果考虑负载较重，j 。较大时电枢反应去磁作 用的影响，则随着，。的增大，m 将减小，因而是转速特性出现上翘的现象。 2 、转矩特性丁= ，( ，。) 由t ；c ，叫。可知，不考虑电枢反应影响时，m 垂，不变，t 与，。成正比， 转矩特性为过原点的直线。如果考虑电枢反应的去磁作用，则当j 。增大时，转矩 特性略微向下弯曲，如图2 2 中的曲线2 所示。 3 、效率特性叩a i ( i 。) 一般电动机在负载为额定值的7 5 左右时效率最高。如图2 2 曲线3 所示。 图2 2 并励电动机的工作特性 卜一转速特性；2 - - 转矩特性； 3 一效率特性 图2 3 串励电动机的工作特性 卜一转速特性；2 - 一转矩特性； 3 - - 效率特性 2 1 2 串励直流电动机的工作特性 l 、转速特性 串励直流电动机的电压平衡方程式可以根据其电路图用基尔霍夫典雅定律 列出如下： u - e 4 + i4 r t + i 。rf e 。+ i 。r 4 ( 2 2 1 式中见串励电动机的总电阻( q ) ；r ，串励绕组的电阻( q ) 。 将电动势公式e 。- c 。锄代入上式得： 以一苦一旨l 浯。， 当，一j ，较小时，磁路没有饱和，垂- k ，= 七，。，代入上式，可得： n 。丽u 一南1 n 。苦一 4 ， n 暑一。= f 一一_ = r l z q ， c 。七，。c 。后，。4c ，c 。 式中c 。常数；k ，磁通与励磁电流的比例系数 由上式可知，电枢电流不大时，串励直流电动机韵转速特性具有双蓝线性质， 转速随电枢电流羽糟夹蕊逐速降低。当电枢电流较大时，由于磁路趋于饱和，磁 通接近为常数，转速特性与并励时相似，为稍稍向下倾斜的直线，如图2 3 中曲 线1 所示。理论上，。接近于零时，电动机转速将趋近于无穷大，导致转子损坏， 所以串励直流电动机不允许在空载或轻载下运行。 2 、转矩特性 串励时，电动机的转矩公式： t 。；c ，中l = c z k ，e c r ，； ( 2 5 ) 式中c ，一c ，k ，对已制成的电机，磁路不饱和时为常数。 表明：电磁转矩与电流的平方成正比，转矩特性如图2 3 中曲线2 所示。 3 、效率特性 串励电动机的效率特性与并励电动机的相同，如图2 3 中曲线3 所示。 2 1 3 复励电动机的工作特性 一般其转速特性介于并励电动机和串励电动机之间。 2 1 4 直流电动机的选择 直流电动机起动的基本要求： 1 、有足够大的起动转矩； 2 、起动电流限制在允许范围内； 3 、起动时间要足够短； 4 、起动设备要简单、经济、可靠。 所以起动柴油发动机普遍采用直流串励式电动机，其主要原因： 1 、在起动机的阻力矩很大时，起动机完全处于制动的情况下n = o ，所以e 。 = o 。此时，电枢电流将达到最大值( 称为制动电流) ，产生最大转矩( 称为制动 转矩) ，从而使柴油发动机易于起动。 2 、在重载时具有转速低的特点，保证了起动可靠。 3 、在完全制动( n = 0 ) 和无负载( m = o ) 时，起动机的功率等于零。当电流约为 制动电流的1 2 时，起动机发出最大功率。且能很快地起动柴油发动机【5 1f 6 】 7 1i s l 。 2 2 永磁起动机 1 0 液压传动工程机械起动机负载为柴油机和液压系统，柴油机功率大、运行环 境恶劣。其工作过程为：起动机带动柴油机起动，在转速达1 4 0 0 1 7 0 0 r m i n 时柴油机发动，反拖动起动机至某一转速后将起动机甩开。可以看出，起动机必 须有足够大的制动转矩以克服柴油枫的静止阻力转矩，并能使其迅速升速；同时， 在1 4 0 0 l t o o r m i n 转速范围内必须有足够大的转矩，以顺利发动柴油机。因此， 在满足一定制动电流前提下，柴油机用户关心的是起动机的机械特性曲线。目前， 小功率起动机如摩托车及轿车用起动机大都由电励磁式改为永磁式，但现有的工 程机械起动机仍采用串励电励磁直流电动机，具有图2 4 中曲线1 所示的机械特 性曲线，它有很大的远超过负载要求的制动转矩和完全没有必要的太高的空载转 速，但1 4 0 0 1 7 0 0 r i n 转速范围内的转矩并不很大，因此能保证极为顺利地带 动柴油机，但可能不会发动柴油机，在高温运行环境下更是如此。实际上，具有 图2 4 中曲线2 所示机械特性曲线的起动机更适合于柴油机负载，所以将起动机 由电励磁改为永磁，以获得更适于柴油机负载的机械特性 9 1 。 囤2 4 起动机外特性曲线 2 2 1 永磁起动机的特性 起动机电机的低电压大电流特性，使其损耗大效率低，其中铜耗占相当大的 比重，工程机械起动机尤其如此，因此以永磁代替电励磁是合理和必须的。永磁 起动机必须采用附加软铁的磁体结构，由此使得电机的磁路计算复杂，应采用场 路结合的方法进行设计计算。在具体设计中，应致力于降低电动机的制动电流和 增强串励性能，这需通过增加电枢槽数和加大附加极极弧等方法实现。 由于采用了永磁材料，取消了激磁绕组，与电激磁起动机相比，永磁起动机 具有诸多优点： 1 、消除了磁场绕组引起的铜耗，提高了起动机的效率，降低了对蓄电池的 要求； 2 、减少了电气连接件，结构简单，提高了工作可靠性； 3 、缩小了体积，减小了质量： 4 、换向电抗小，有利于换向p o 。 基于以上优点，永磁起动机已成为汽车起动机的发展方向，国内外都在进行 永磁起动机的研制开发。永磁起动机和电力起动机相比，具有诸多优点，但其制 动转矩小、空载转速低。不利于发动机的起动，所以用带辅助极的永磁起动机。 2 2 2 带辅助极的永磁起动机的特性 带辅助极的永磁起动机是一种新结构的永磁起动机，每一磁极由主极和辅助 极两部分组成。辅助极为高导磁材料，其作用相当于一串激励磁绕组，是带辅助 极永磁起动机具有普通永磁起动机多不具备的优点大制动转矩，高空载转速 和低永磁材料用量。 1 、带辅助摄永磁起动机的结构 带辅助极永磁起动机的结构如图2 5 所示。它与普通结构永磁起动机的区别 在于：带辅助极永磁起动机的每个磁极都由主极、辅助极两部分组成。辅助极由 高导磁材料，如1 0 # 钢制成，主板由永磁材料制成，磁极在机壳内均匀分布，相 对于电枢旋转方向，辅板在前、主极在后，电枢只能单向旋转。 图2 5 带辅助极永磁起动机的结构 一| 1 2 - 1 、主极2 、辅助极3 、机壳4 、转子 2 、带辅助极永磁起动机的工作原理 空载时，气隙磁通主要由主极提供，由于主板极弧系数较普通结构永磁起动 机小，故空载气隙磁通小、空载转速高，对起动有利。 负载时，一部分电枢反应磁通经辅助板、机壳和相邻磁极、转予轭部形成闭 合路。由于气隙较小，这部分电枢反应磁势在辅助极下产生较强的电枢反应磁场， 方向与主板下磁场方向相同，对气隙磁场助磁，其作用相当于串励绕组，磁路不 饱和时，这部分磁通与电枢电流成正比，另一部分电枢反应磁通经主板、机壳和 相邻磁板、转子轭部形成闭合回路，对主极产生去磁作用。电枢反应对气隙磁场 总的效应是：负载气隙磁通比空载时大，且气隙磁通随着电枢电流而增大，因而 制动时气隙磁通大、制动转矩大，使起动机机械特性具有某种程度的“串励”， 很好地满足发动机的要求。 带辅助极的永磁起动机具有与串激励磁起动机相近的性能，又具有普通永磁 起动机高效、结构紧凑的优点，且比普通永磁起动机节约永磁材料，具有很高的 推广价值【1 1 l “0 3 。 2 3 柴油机与起动机的匹配 要使柴油机能迅速可靠的起动，必须具备： 1 、有足够的起动转矩( 制动转矩) ，克服各系统的阻力矩： 2 、有足够的起动功率( 发动机在最低起动转速起动时) ，克服各系统的起动 阻力； 3 、有合适的转速比，起动机在最高功率附近能使柴油机达到最低起动转速。 液压传动工程机械用柴油机与液压泵的连接常用两种方式，即发动机直接驱 动和通过输入变速装置( 常称为分动箱) 间接驱动，两种方式各有优点。直接驱 动常用单泵或2 3 个同轴驱动的串联泵，结构简洁，一般说来成本略低。其缺 点为串联泵中的某个泵发生故障会影响其它泵工作，使整机丧失功能。从成本方 面讲，由于泵与柴油机同速运转，柴油机额定转速往往低于泵的额定转速而使泵 的转动能力的誉裁宠磐发挥，遘过选用较大排量的泵来达到功率匹配会使机器的 成本增加：加之串联泵之间的过渡联接件有相当的成本，综合起来将直接驱动方 式的成本并非一定低于分动箱驱动成本。分动箱驱动方式各泵互不干扰，结构合 理，可通过齿轮传动速比的调节来选择性能与成本综合指标最高的泵，目前专业 化配套的分动箱与发动机和泵之间接口均已标准化，无需任何自制零件，质量好、 工作可靠、使用方便。当选用增速齿轮传动时，可以用泵排量减小的成本对分动 箱增加的成本进行补偿p l 。但分动箱也会影响柴油机的起动。 工程机械行走液压系统由于高功率密度和正反向工作以及行车制动等需要， 均采用液压传动装置，而斜盘式轴向柱塞泵可以同轴驱动补油泵。因而闭式系统 液压泵多指集成有补油泵及必要阀组的斜盘式轴向柱塞泵。液压系统也会影响柴 油机的起动。 2 3 1 起动机起动扭矩( 制动转矩) 的确定 液压传动结构起动机输出转矩通过传动比为i 的齿轮副传递给柴油机，其最 小应等于柴油机起动转矩，分动箱的阻力矩以及液压泵起动转矩三项之和。 乙+ + ( 2 6 ) l - 起动机输出转矩( m ) ；乙柴油机起动转矩( m ) ； 分动箱阻力矩( m ) ；液压泵起动转矩( m ) 。 1 、柴油机起动转矩计算 t c qwj 窘+ c 警= j 石d n + c n1 141(2-z， ，所有折合到柴油机轴上的转动惯量( k g m 2 ) ； c 所有折合到柴油机轴上的阻尼系数( c s t ) ； 0 柴油机轴的转角( r a d ) ； 厅柴油机转速( ，m i n ) 。 起动初始，柴油机转速n = 0 ， 毛一j塑dt(2-8) 转动惯量i ，由柴油机的圆转不均匀度6 ，曲轴转速n 和柴油机最大剩余功 爿来决定。 公式，一9 1 2 等 或经验公式：，= 芝- ： ( 2 - 9 ) o 8 0 9 阻尼系数c 由柴油机内润滑油油液粘度”与温度t 来决定。 经验公式；c v o 1 一a ( f t o ) 】( 2 - 1 0 ) a * f 1 8 3 6 ) * 1 0 4 2 、分动箱阻力矩计算 分动箱是将柴油机曲轴的输出动力，通过弹性盘输入给分动箱的输入轴，再 通过齿轮传动实现几个动力输出。弹性盘使柴油机曲轴输t t l 平稳，无论是起动或 停车，加减速度，均可起缓冲保护作用。分动箱内充有大量油液，以减小齿轮之 间的摩擦。其阻力矩主要由各齿轮的转动惯量与分动箱内润滑油的粘性摩阻决 定，其分动箱的阻力矩亦可近似由式( 2 - 7 ) 计算。 根据折算到输入轴上前后传递的功率不变和系统储存的动能不变的原则。 叫害+ c ，i d o ( 2 _ 1 1 ) 2 - o o g + 警+ 譬+ 等；小警； g 转动部分的重量( n ) o d 转动部分的直径( m ) 。 g 瑶，g 研，6 唾，g 研分动箱内各齿轮的飞轮矩( n m 2 ) ； j j ，各输出轴上折算到输入轴的转动惯量( k g m2 ) ； 口输入轴的转角( r a d ) ； c 。分动箱内油液的阻尼系数( c s t ) ，可由式( 2 9 ) 得出： ，f ：，f j 分动藉客输描轴与输入辐的传动比。 起动初始，柴油机转速n 一0 ，分动箱中各轴转速也为0 。 乙= j 1 石d n ( 2 1 2 ) 3 、液压泵起动转矩计算 由分动箱各输出轴直接与各液压泵相联，不f 司型号的液压泵转动愤量不i 一。 k = 睢饥：扣饥土刊 d 矿2 0 厶鲁 式中：以一，一孑1 + j 。：专+ 十厶亭 j m ，j h ：，j h 各输出轴上液压泵的转动惯量( k g m 2 ) ； 起动时，变量泵的排量为零排量，所以只有转动惯量。而定量泵的内部摩擦 损失扭矩为： 一善( c ，胛+ c ，卸) m ( 2 1 4 ) c ，无因次层流摩擦系数；c ，无因次机械摩擦系数； 卸进出口压差( m p a ) ；f 油液粘度( c s t ) ； 托定量泵轴转速( r r a i n ) ；定量泵的排量( ) 。 起动初始，柴油机转速n ；0 ，分动箱中各轴转速也为0 ，故定量泵轴转速也 为0 。 a 一岳c ，卸 ( 2 _ 1 5 ) 综合( 2 - 6 ) ( 2 - 8 ) 、( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 5 ) 得起动机转矩： l - ，鲁+ ，鱼t i t ，塑d t + 岳c ，肇 芑j 总石d n + 岳c ，肇 ( 2 _ 1 6 ) 舯j 总一志+ 警+ “z 扣饥孛) 2 3 2 起动机功率的确定( 柴油机在最低起动转速下着火时) 影响起动机功率的因素主要有柴油机的起动功率和传动系统中液压泵的起 动功率。 只只+ 己 ( 2 一1 7 ) 只起动机功率( k w ) ；只柴油机起动时所需的功率( k w ) ： b 液压泵的起动功率( k w ) ； 一、柴油机起动功率的计算 l 、影响柴油机起动的因素很多，主要有：气缸燃烧室的形式，气缸的工作 容积，气缸数，压缩比，转速和温度等。 ( 1 ) 气缸燃烧室形式的影响；不同的燃烧室对柴油机起动产生不同的影响， 具体分为四类： 分隔式燃烧室；又可分为涡流式燃烧室和预燃式燃烧室两类，主要依靠强烈 的空气运动来保证较好的混合气质量，空气利用率较高，最小的过量空气系数可 达1 2 左右。由于空气运动的强度随转速的提高而增大，保证了高速下也有较好 的性能，但其热效率较低，经济性较差，同时，教热损失较大使其冷起动性也较 差。 直喷式燃烧室；又可分为开式燃烧室和半开式燃烧室两类，其燃烧迅速，经 济性好，有效燃油消耗率低，工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大，散热损 失小，冷起动性能好，对喷射系统要求高，对转速变化较为敏感。 球型油膜燃烧室：其工作较为平稳，燃烧噪声较小，且经济性也好，但冷起 动困难，变工况性能较差，特别在低速，低负荷工况下，因壁面温度低，空气涡 流弱，使油膜蒸发产生困难，因此，目前实际上已很少应用。 非回转体燃烧室；着火延迟较短使压力升高率相对较低，燃烧比较完善，有 害排放量较小，对转速变化不太敏感，油耗曲线较平坦。 开式燃烧室、半开式燃烧室、涡流式燃烧室和预热式燃烧室冷起动性逐渐变 差。一般重型车用开式燃烧室，中型、轻型车用半开式燃烧室，轿车用分隔式燃 烧室。重型汽车，大型工程机械用柴油机毫无例外地采用直喷式燃烧室【1 5 l1 1 6 1 。 ( 2 ) 气缸工作容积、气缸数的影响；气缸工作容积增大，气缸数增多都使 柴油机压缩行程的压缩压力增大从而使柴油机起动功率增大。 ( 3 ) 压缩比的影响；压缩比增大，柴油机压缩阻力随之增大，要求柴油机 起动功率也增大。 ( 4 ) 温度的影响；温度钧变化对柴油机的起动有很大的影响，温度降低， 柴油机内润滑油液的粘性增大，曲轴阻力矩增大，所需起动功率相应增大 【1 7 】【1 8 1 1 9 1 。 2 、分别计算这些影因数相当复杂，可以简单地由柴油机最低起动转速和起 动阻力来确定【2 0 1 。 ( 1 ) 起动阻力p 柴油机的起动阻力主要有三部分组成： 换气过程中气体在压缩行程中的压缩阻力； 运动件从静止加速到最低起动转速所消耗的起动阻力； 运动件的机械摩擦阻力。 其中，运动间的机械摩擦阻力这部分所占整个起动阻力的比重最大，而机械 摩擦阻力主要受润滑油粘度的影响。又因温度的变化对起动阻力也有很大的影 响，而温度的改变直接影响润滑油的粘度，所以可以近似地通过润滑油的粘度来 计算起动阻力。内燃机的工作温度范围很宽如= 4 0 1 2 以下到3 0 0 2 以上，考虑到在 低温时的起动性和高温、高剪切时的润滑性，所以要求润滑油在低温时有足够的 流动性，粘度不至于过高；在高温时又不能粘度太小，导致油膜易破坏。 经验公式：p ，一瓶一1 9 4 拓 2 1 1 ； 一v o l t a o f 。) ； 得：p 。一1 9 4 v v o 1 - a t - t o ) 1 ( 2 - 1 8 ) 式中：“标准状态下的温度( 2 5 ) ； f 柴油机缸体内实际温度( ) ； 标准温度下机油的运动粘度( c s t ) 。a = ( 1 8 3 6 ) 1 0 ； p ，_ 起动阻力( n ) ； e 机油的恩氏粘度；( 恩氏粘度：在规定条件下。一定体积的试样从 恩格勒粘度计的小孔流出2 0 0 m l 试样所需要的时间与该粘度计测定水的值之比 以毋表示) ”期油的实际运动粘度( 运动粘度：表示液体在重力作用下流动时内 摩擦力的量度，其值为相同温度下液体的动力粘度与其密度之比，在我国法定计 量单位中以m2 厶为单位。习惯用厘斯( c s t ) ，l c s t = l m m2 厶) ； - 鹪 - ( 2 ) 最低起动转速n “。 柴油发动机最低起动转速是指柴油机可靠起动时，曲轴的最低转速。最低起 动转速可由测量仪测试出来。 ( 3 ) 柴油机起动功率 p 。生匕! 些 【2 1 】 。 2 2 5 聊 型驷( 2 - 1 9 ) 1 1 6 研 一 其中：只柴油机起动功率( 舢) ； k 气缸总工作容积( 工) ； f 柴油机豹冲程数，一般为4 ； ，起动机与曲轴的传动效率， 一般齿轮传动为，7 - 0 8 5 0 9 ； k 安全系数，由情况而定，定为1 7 。 二、液压泵的起动功率计算 对车辆传动而言，在任何情况下具有零排量的变量泵总是必要的，变量泵由 零排量开始，因此，不带载起动。泵实际工作的最低转速高于发动机怠速，故而 在发动机起动过程中，变量泵并没有工作产生输出，而是泵内液压油在不停地搅 动，消耗部分功率；而定量泵则随柴油机转速的增加，泵流量也不断增大，消耗 功率也同样增大。 变量泵：昂。华+ 肇k = 瑚和三。+ 印k ( 2 2 0 ) m 柱塞内油液的质量( 七g ) ；v 柱塞内油液的速度( m s ) ； m 柱塞内油液的总体积( 排量) ( l ) ；r 变量泵特征参数 肇液压泵进出口压差( 补油压力为1 ，2 4 圮) ( m p a ) 。 定量泵( 尊轮泵b 翕- 獗a 菇p 舀n 酝v - i a p 6 i 石, n 6 “石f v ( 2 - 2 1 ) y 泵理论排量( l ) ；h 泵驱动转速( r m i n ) ； 叩t 泵机械效率。 综合( 2 - 1 7 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可得起动机功率： 。苫盟季+ 砉耐掣2 蛳盖伽一浯z z ， 式中：z 分动箱输出轴数。 2 3 3 起动机传动比的确定 电起动的柴油机，起动机和柴油机的传动一般采用齿轮副来实现的。当起动 机具有足够的起动功率时，如果传动比不合适，尤其传动比太大，也不会起动柴 油机，只能带动柴油机在最低转速下空转，而无法使柴油机起动。传动比的选择 原则：起动机的最大功率时的转速经减速后，应高于柴油机的最低起动转速，实 际上当起动机的功率和转矩确定后，起动机的齿轮齿数也基本确定，可以用齿轮 模数的变换来确定飞轮齿圈和起动机的齿数，迸一步通过修正齿而得到合适的传 动比： f 。兰王 【2 1 l ( 2 2 3 ) z l z ，飞轮齿圈齿数；z 2 起动机齿轮齿数。 2 4 起动机与蓄电池、发电机的匹配 2 4 1 起动机功率的影响因素 1 、接触电阻和导线电阻的影响。接触电阻增大( 整流子烧蚀、污染、整流 子和电刷磨损，电刷弹簧张力不紧及导线接线柱连接不紧) ，导线过长及截面积 过小，都会造成较大的电压降，使起动功率减小。因此，必须保证电刷与整流子 接触良好，导线连接紧固；同时，应尽可能缩短铅蓄电池至起动机导线的长度， 以及铅蓄电池搭铁线的长度，并选用截厮积足够大的导线，以保证起动机正常工 作。 2 、铅蓄电池容量的影响。铅蓄电池容量越小，其内阻越大，内压降也越大， 。勰、 因而供给起动机的电流越小，使起动机功率减小。 3 、温度的影响。周围的气温是通过影响铅蓄电池的内阻而影响起动机功率 的。温度降低，铅蓄电池内阻增加，在大电流放电时，铅蓄电池会产生端电压的 剧烈下降，因而起动机的功率将显著下降。所以，冬天应该将铅蓄电池保暖，可 提高起动功率，改善起动性能i “。 ? - 2 ：4 2 工程机械用蓄电池的特点 蓄电池是一种将化学能转变为电能的装置，铅蓄电池在放电时，电解液中的 硫酸将逐渐减少而水逐渐增多，电解液相对密度下降：铅蓄电池在充电时，电解 液中的硫酸将逐渐增多，而水将逐渐减少，电解液相对密度增加。因此，也可以 通过测量电解液相对密度的方法来判断蓄电池的充放电程度。目前我国规定的 2 0 h 放电率的条件是：放电时间为2 0 h ，电解液的初始温度为2 5 - * 5 c ，相对密 度为1 2 8 毒0 0 1 ( 2 5 ) ，放电终止电压为1 7 5 伏的条件下的发电容量例 2 4 1 。 工程机械上装铅蓄电池，主要是为柴油机起动时供给强大的起动电流( 有些 柴油机高达i 0 0 0 a ) 。当蓄电池放电到一定电压就要停止放电，这时电压急剧下 降，再不能连续工作。放电过程中，蓄电池电极实际上不是一个稳定的体系，它 所有的性质随时间而变化，2 5 时，u 。一2 0 0 3 伏，r ot0 0 1 8 9 欧，q 一5 8 3 1 安 时，n 一0 0 1 5 欧；蓄电池的放电电压u e 一u i r ；蓄电池的内阻民由它的 所有组成( 电解液、隔板板栅、活性物质和导电零件) 的欧姆相加而得，起动式 蓄电池r o 一1 2 x 1 0 - 3 ，容量与电流，之间的关系q 一彰。，n - 1 4 。常温( 3 0 ，j 度) 起动放电电压曲线如图2 6 所示。 电 压 、 j i j 一_ 。七士i = _ i 一