柴油机起动机齿轮匹配分析研究

柴油机起动机齿轮匹配分析研究

作者：韩晓明

（长城汽车股份有限公司动力研究院  河北保定  071000）

摘要：可靠性是发动机开发过程中需要关注的重点之一，齿轮系统可靠性在发动机可靠性中起重要作用。齿轮结构复杂，而且运行工况多变，影响齿轮系统可靠性的因素较多。本文主要对柴油机起动机齿轮匹配分析进行研究。

关键词： 柴油机；起动机；齿轮匹配

引言

柴油机是社会发展过程中在动力方面重要的发明之一。从柴油机问世以来，经过多年的蓬勃发展，柴油机在节能减排技术方面不断取得突破，是商用汽车、工程机械、农业装备、船舶、军用车辆等领域的主要动力源，占据着市场的主流地位。近年来，新能源技术的高速发展给柴油机行业带来了巨大的压力，但新能源受自身技术发展限制，在未来很长一 段 时 间 仍 无 法 实 现 对 柴 油 机 的 全 面 替 代。

1 使用渐开线齿轮

齿轮传动机构是汽车上广泛使用的传动机构,具有传动比稳定、传动效率高、传递功率大、工作可靠性高、结构紧凑、使用寿命长等特点,在近代机械传动中广泛 应 用。起动机与发动机之间使用齿轮传动机构,可以很好的满足力矩传递要求。 渐开线齿轮,在齿轮传动中,具有良好的传动性能,且便于制造、安装、互换。柴油机起动机齿轮齿数的选用主要是考虑柴油机压燃起动时需要的最低转速,即速比的选用,一般选用10齿至13齿。9齿极易出现断齿、打 齿 问 题,9齿 以 下、13齿以上速比太低或太高一般都不选用。在确定了传动比的情况下,合理地选择齿轮的模数和压力角,对于起动机驱动齿轮和齿圈的寿命也有重大的影响,轮齿和齿圈属于直齿齿轮啮合,要求两齿轮的模数相等,齿轮强度是由模数决定的,模数越大,齿轮强 度 越大。 模数一般选用3或3.5,主要是考虑合理的速比下,齿轮、齿圈的直径对柴油机布局的影响。

2柴油机整机布置设计

柴油机整机布置设计在产品开发中是极其重要的环节，起着关键 作 用。整 机 布 置 设 计 涉 及 的 范 围 和 内 容 很广，本文以柴油机开发过程中需重点关注的原则和事项为阐述对象，进行了论述。在柴油机整机布置开发设计中，需以满足功能性、模块化设计理念、工业设计理念、维修和装配便利性等为原则，同时应结合细分市场特点进行适应性设计开发，分析开发指标关注度，制定指标优先等级，以满足特定场景和工况需求。通过对整车作业特点、使用工况、作业环境和整车结构进行分析，明确整机布置设计要求的充分性，同时通过历史故障、竞品对标分析，确定整机设计参数和要求的适宜性和合理性。

3牵引齿轮传动比对电机轴承温升和换热的影响

机车走行部车载监测装置用于监测轴承冲击和温度信息。监测轴承的温度与冷却空气的温差称为温升，是评定轴承状态的重要指标。温升超过55℃时输出温度报警，影响机车正常运行。机车运行速度相同时，走行部齿轮传动比变大，牵引电机轴承转速的明显提高，导致轴承黏性耗散热量增多，直接影响轴承温升变化。轴承温升受轴承热源及外部换热 2 方面因素影响。机车以一定速度运行时，走行部齿轮传动比不同导致牵引电机输出端轴承转速发生变化，直接引发轴承油脂黏性耗散热量的增多，轴承温升随之变化。通过在同一区段，同一客运车次，3类不同传动比的客运机车的实测数据对比分析。机车速度的时均值为81.5km/h，柴油机运行转数时均值为800r/min，通风机通风量4.5m3/s时，结论如下：（1）模型中轴承油脂黏性耗散引发的温升与传动比平方呈正关联。然而，随着传动比的增大，由于对流换热强度的增强，实测数据显示为线性关系，其斜率为2.5。传动比从2.6变化为4.5时，轴承黏性耗散引发的温升增加4.8℃。（2）机车速度和电机通风系统主流速度相同时（通风机通风量相同），牵引电机转子转动强化了轴承油换热。齿轮传动比从2.6变为4.5时，黏性耗散热量增加了2倍，转子转速提高致使扰流效应增强，对流换热系数h变大，对流换热强度提高78倍。

4MAN L28 /32 柴油机的超速保护原理

Lambda 控制器是 MAN 柴油发电机组特有的控制系统，主要目的是防止喷油器在瞬间增加负荷的状况下喷出过量的燃油，出现缸内油多气少的局面。它主要是通过控制燃油泵齿条和增压空气压力的关系来完成的，另外它同时可起到停车气缸的作用。Lambda 控制器有下列作用: 负荷突加时可减少冒烟量、改善负荷特性、减小柴油机排烟管道污染、在启动过程中限制燃油齿条格数、执行超速停车动作。一旦负荷突然增加，调速器将把高压油泵的齿条往加油方向推动，因此控制臂往加油方向转动，转动同时开关与活塞臂相接触而向下压，电路闭合。电路闭合后，将使得电磁阀得电打开，补气系统动作( 该空气来自机舱压缩空气系统) ，从而补充进入增压系统的空气将提升柴油机的增压空气压力，随着增压空气压力的上升，经增压空气接收器来的空气又将活塞慢慢压回 Lambda 气缸中( 增压空气与气缸的活塞下部相通) 。当活塞缩回一定程度，Lambda 调节达到理想状态时，控制臂上的开关即断电，补气系统停止工作。在启动过程中 Lambda 控制器可用于燃油齿条限制，因此在启动过程中可以防止形成浓烟和控制装置超调( 即超速) ，只有当柴油机转速达到 710r / min时，补气系统闭锁( 扫气压力达到足够高时才能将活塞推离开关，从而让补气电磁阀断电) 。

5表面开裂的齿轮轴

化学成分和非金属夹杂物含量符合要求; 外圆面硬度合格，硬化层略深于要求值，但外圆磨削后并未发现有裂纹。有裂纹的端面硬化层深度合格但硬度低于要求，说明硬化层深度和表面硬度不会导致齿轮轴表面开裂。齿轮轴的显微组织，包括表层马氏体、碳化物、残留奥氏体含量及心部组织，均符合标准要求，说明齿轮轴淬火后回火较充分，可以排除热处理工艺方面的因素。齿轮轴表面局部区域有烧伤导致的变质层，根据齿轮轴的加工过程和裂纹的形貌及分布特征，可初步断定烧伤与磨削加工有关。通常，磨削速度较高( 为车、铣加工的 20 倍) ; 磨粒小，散热差，其单位切削面积消耗的功率有 90%以上都转换成热能，磨削热的大量累积可使磨削区的温度达到 800 ～1 000 ℃ 甚至更高，导致零件表层淬火或回火，并严重影响零件的力学性能和使用寿命。

结语

齿轮、齿圈匹配是一个系统工程,要求顶隙、重合度、侧隙、齿轮干涉、齿顶厚度五个方面相辅相成,同时满足要求。 不允许某个参数单方面追求极致,如重合度过大,则会导致侧隙、顶隙过小,不易啮合也不易脱出,并增加干涉风险。 如顶隙过大,则会导致侧隙过大,重合度过小,易出现振动、噪音。研究齿轮、齿圈、中心距参数,通过对顶隙、重合度等计算分析,找到合理的匹配范围,确保柴油机的起动机齿轮、齿圈匹配合理。

参考文献

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