罗石;孙雷
【摘 要】详细介绍汽车起动机电磁开关工作过程、电磁开关性能测试实验台的结构以及测试过程.根据汽车发动机实验台架采集的负载电流数据,在电磁开关实验台上进行实验;根据气隙值,测出对应的电磁力和弹簧力;根据实验数据作出力学特性匹配图,分析阀芯工作时受力状况.为电磁开关设计人员修改设计参数提供数据支持.
【期刊名称】《淮海工学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(025)001
【总页数】5页(P11-15)
【关键词】电磁开关;气隙;电磁力;弹簧力
【作 者】罗石;孙雷
【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013
【正文语种】中 文
【中图分类】U46
汽车起动机用来起动汽车发动机,是起动系统中最关键的部件,其具有体积小、重量轻、性能可靠、功率大等特点.起动电机属于短时工作制,电机绕组允许在极短时间内有很高的电流密度[1].近年来,为了响应国家“节能减排”的号召,新型汽车多采用启停系统,即车辆怠速时熄火,减少排放,松开刹车时迅速二次起动,这对汽车起动机的性能提出了更高要求.电磁开关是汽车起动机中的一种重要的控制元件,它的主要作用就是使驱动齿轮与飞轮能够快速啮合和退出,并将起动机的电枢主电路与蓄电池接通,使起动机电枢在磁场中旋转,进而起动发动机[2].目前,关于电磁开关内部结构的资料很多,但是对电磁开关工作时内部电磁力与弹簧力的变化过程的研究资料却很少,本研究结合理论与实验结果,对起动机电磁开关的动态受力过程进行详细分析.
1.1 电磁开关的结构
图1是国内某公司生产的起动机配套电磁开关.从图中可以看出,电磁开关的基本组成部分有触片回复弹簧、开关触片、触片压簧、静铁芯、维持线圈、吸引线圈、动铁芯、顶齿弹簧、阀芯回复弹簧等.
1.2 电磁开关的基本工作原理
目前市面上大部分起动机用电磁开关都采用双线圈制,即吸引线圈和维持线圈.双线圈起动机电路简图如图2所示.
双线圈共用动铁芯,当起动开关通电,即50端闭合时,吸引线圈和维持线圈同时通电,产生同向的电磁力,磁场通过线圈、开关壳、衬套、阀芯和气隙形成磁路,如图3中黑线所示.
电磁力克服返回弹簧作用力,使阀芯移动.随着阀芯移动,阀芯在衬套内移动并压缩弹簧,拉动拨叉,空行程用完后,阀芯依靠拨叉来驱动齿轮离合器,在电机轴上的螺旋线作用下,齿轮离合器作轴向的移动和绕轴转动.当阀芯移动压进开关触片,使主触点接通,即30端闭合时,吸引线圈被短路,只有维持线圈通电工作,阀芯在电磁力作用下,继续推动触片,形成非常紧固的接触.根据主触点接通前后线圈电路的变化,一般把电磁开关的行程分为两个部分,即主触点接通前的第一行程以及主触点接通后的第二行程[3].
起动结束后断开50端,由于电磁感应,吸引线圈与维持线圈串联,流经两线圈的电流大小相同,但方向相反,由于线圈圈数相等,磁场力被抵消.阀芯和触片在回复弹簧的推动下退回静止位置.在此过程中,由于拨叉存在空行程,所以即使齿轮仍在飞轮齿圈中,电磁开关内主触点仍然可以断开.
为了在实验台上测量电磁开关的电磁力,本研究在发动机台架上测得了某型号起动机工作时的开关电流数据,如图4所示.从图中可以得出,在第一行程,起动电流约为33 A,此时吸引线圈和维持线圈共同工作.第二行程起动电流约为13 A,此时只有维持线圈工作.
起动机电磁开关是起动机的关键部件,电磁开关的设计质量直接影响起动机的可靠性.在电磁开关的设计中,要求电磁开关要有相应的吸力、相应的行程、触点能可靠地通断大电流,此外还要求尽可能减少体积和重量.
电磁开关工作过程中,阀芯在电磁力、弹簧力以及各部件之间的摩擦力作用下进行运动,忽略摩擦力,本研究主要对电磁力和弹簧力变化进行探讨.
文献[4]介绍了电磁开关设计原则和参数选择.电磁开关的形式不同,采用的弹簧也不同,但是弹
簧的受力情况基本一致.在起动机装配完成后,弹簧有一定的预压力,也叫初压力.增大初压力,可以有效改善始吸过程中各部件之间的冲击,避免粘连现象.一般轿车起动机功率在0.8～1.5 kW之间,比较合适的初压力为20～50 N.当动铁芯运动到完全吸合状态时,既要保证开关触片的完全吸合,又要保证断电后的及时复位.因为电机工作时,瞬时电流很大,吸合力不足,或者复位太慢,都会产生电弧,导致高温烧蚀触点.同样会引起触点烧蚀的还有一个重要因素就是断电距离,即开关断电静止时,动、静触点之间的距离,在设计时,若断电距离过小,电磁开关带负荷断开时,也会引起拉弧,烧蚀触点,对于一般轿车起动机,断电距离应大于2 mm.
3.1 电磁开关实验台简介
实验设备由测试台架、测控柜、电源3大部分组成.测试台架包括伺服电机、拉压力传感器、气缸、电流传感器、温度传感器等;测控柜包括工控机、显示器、打印机、高速数据采集卡等;设备主电源为36 V/500 A的恒压恒流电源(电压、电流连续可调,用于测试开关主性能),负载电源为1 000 A的恒流源(电流可调,用于检测触点压降、断电能力).系统设计框图如图5所示.
该实验台可全面测试电磁开关各项性能,如具备了电磁开关吸合实验、电磁开关释放实验、电磁开关线圈电阻检测、弹簧力检测、气隙力检测等功能.
该设备采用了美国NI仪器的数据采集卡,测控软件系统是利用图形化编程语言Labview编写,界面清晰,操作简单.虚拟仪器没有常规的控制面板,而是利用计算机的图形环境,采用可视化的图形编程语言和平台,以计算机屏幕上建立图形化的软面板来代替常规的传统仪器面板,软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关等控制部件.在操作时,用户通过鼠标或者键盘操作软面板,来检验仪器的通信和操作.
3.2 测量弹簧力汽车起动机
电磁开关在工作时,按照开关内部弹簧受力形变情况可以分为4个阶段.第1阶段拨叉在空行程,阀芯在衬套内移动,只有阀芯回复弹簧受力;空行程走完,即进入第2阶段,顶齿弹簧开始受力,阀芯继续移动,还未顶住开关触片轴;阀芯顶住触片轴进入第3阶段,触片回复弹簧受力压缩;主触点接通后,进入第4阶段,电机起动,顶齿弹簧恢复形变.
为了反应出这4个阶段,以气隙值为参考,在实验台上测出各个阶段的弹簧力,根据实验数据可以得出弹簧力—气隙值曲线,如图6所示.
从图6看出,在气隙值为1.5 mm时,主触点接通,触片回复弹簧运动到极限,阀芯继续运动后开始
压缩触片压簧.该型号电磁开关设计总行程约为12.5 mm.由弹簧力曲线可以确定:该电磁开关的第一行程是12.5～1.5 mm,第二行程是1.5～0 mm.
3.3 测量电磁力
电磁开关的吸引线圈和维持线圈的首端连接在一起作为开关电源端(30端),吸引线圈的尾端接电机端(M端),经过电机后接地,而维持线圈直接接机壳，如图7所示.
在电磁开关内部,有顶齿弹簧、触片回复弹簧、触片压簧.在实验前,将拉杆挡片、顶齿弹簧取出,阀芯回复弹簧也取下.其中,拉杆部分材料为塑料,拉杆挡片为薄金属片,顶齿弹簧质量小,阀芯回复弹簧处于线圈外部,因此这些部分产生的电磁力相对于动铁芯产生的电磁力可以忽略.这样实验中阀芯在压进时,不接触触片推杆,避免了顶齿弹簧、阀芯回复弹簧、触片回复弹簧与触片压簧形变受力,产生弹簧力影响实验结果，如图8所示.
汽车起动机在起动过程中采用双线圈工作制,第一行程吸引线圈和维持线圈共同工作,第二行程只有维持线圈工作.由于阀芯中心被打孔,实验过程中触片不会接通主触点,因此这个方法全程测量的结果是吸引线圈和维持线圈共同的电磁力.本实验选用的电磁开关由图纸可以得到最
大行程约为12.5 mm,由弹簧力曲线,可以得到该开关的第一行程约为11.5 mm,第二行程为1.5 mm.
参考发动机台架所测开关电流数据,对电磁开关通33 A左右的电流.由于电磁开关是短时工作制,长时间线圈绕组会产生大量热,烧坏线圈,因此实验中不连续测量每个位置的电磁力,而是定气隙值测量,根据3次实验结果作出数据曲线,如图9所示.
开关第二行程运动时,吸引线圈被短路,只有维持线圈在工作.为了测量电磁开关工作的第二行程的电磁力大小,只需要在测量过程中,将M端断开,这样就只有维持线圈在工作.参考发动机台架所测开关电流数据,对电磁开关通13 A电流.由于第二行程只有1.5 mm,因此实验过程只测量了0～3 mm气隙大小的电磁力,根据3次实验结果作出电磁力曲线,如图10所示.
电磁力与弹簧力合理分布,才能使电磁开关正常工作.第一行程电磁力太小,会导致起动机小齿头弹出无力,不能随时叉开顶齿,提高铣齿发生概率;第二行程电磁力过小,由于拖动时小齿头负载很大,会造成触点震荡,电磁开关和触片每次接通和断开的瞬间都会产生电弧火花,产生的局部高温就引起了触片和触点的烧蚀[5].
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