湖北神电汽车电机有限公司
ASIMCO HUBEI SUPER ELECTRIC MOTOR CO.,LTD
神电公司关于起动机 铣齿(刮齿)的原因分析 与解决方法情况介绍
2011.06
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一、产生铣齿的原因分析
“齿对齿”
驱动齿轮不能直接进入飞轮齿圈，电
磁开关主触点也不能闭合。继电器电 流I经电磁开关串联线圈和起动机形成 回路，电机在电流I1(峰值电流约 200A)的作用下开始低速旋转、当驱 动齿轮与飞轮齿圈形成“齿对齿隙” 状态后，驱动齿轮进入飞轮齿圈，电 磁开关主触点闭合，电机开始正常工 作。
还有另外两种因齿圈材料热处理不当，齿面硬度过低或过高、内部金相组织结构 不合理，引起的类似“铣齿”故障的失效模式：
①. 齿形强度不足、齿面硬度过低：经使用一段时间后就会出现如图一所示的齿 面塌陷、变形的问题；
②. 齿形心部硬度过高、缺乏韧性：在受到冲击载荷时，存在缺陷的齿圈极易出 现如图二所示的“崩齿”失效模式。
3、神电公司改进及效果验证情况：
①.调整驱动齿轮的入齿倒角方式，变直倒角为渐开线型倒角： 采用渐开线倒角的优势分析：驱动齿轮倒角目的就是要增大驱动齿轮 在进入飞轮齿圈啮合时的入齿间隙，便于驱动齿轮能够顺利、快速的 进入飞轮齿圈，避免或减少出现啮合铣齿现象。在倒角时还要考虑尽 可能的减少对齿面强度的影响、减少去除的材料。由于驱动齿轮和飞 轮齿圈的齿形都是采用渐开线齿形，最有效的增大入齿间隙的方法就 是减小入齿阶段的齿形轮廓尺寸（相当于减小公法线长度、增大齿轮 侧隙）。
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2、各方面采取的应对措施：
①.主机厂方面：齿轮付侧隙控制在0.5～0.7mm；驱动齿轮与飞轮 齿圈的相对位置控制在3～5mm；驱动齿轮硬度要求在HRc:58～62； 飞轮齿圈表面硬度要求在HRc:53～57。
②.起动机方面：调整驱动齿轮的入齿倒角倒角方式，变直倒角为渐 开线型倒角；驱动齿轮硬度严格控制在HRc:58～62范围内；优化啮 合弹簧的弹力，确保在少伤害飞轮端面的前提下增大端面压力，保证 有充足的弹力使驱动齿轮顺利入齿；严格控制齿面粗糙度和端面粗糟 度；
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㈡、产生铣齿(刮齿、打齿)故障的原因分析:
在起动机的工作流程中有一个环节非常重要，即：单向器齿轮与飞轮齿圈接触 触点闭合、起动机开始旋转(1/2齿距max) 小齿轮进入飞轮齿圈与齿圈啮合 。
开关主
如果上述流程被打乱，出现单向器小齿轮进入飞轮齿圈受阻、无法正常进入或还没有与 飞轮齿圈接触就开始高速旋转，此时就会发生铣齿故障。
缓啮合起动机由于驱动齿轮在进入飞轮齿圈之前通过电枢的电流是受到限制 的（峰值约200A），电机不能以全功率旋转，这样就实现了“缓啮合”的功能 要求，因此也就避免了产生“铣齿”故障。
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㈡、缓啮合式减速起动机的基本结构：
㈠、强制啮合起动机可能发生“铣齿”的概率分析:
强制啮合起动机顺利完成啮合的前提条件就是：啮合时驱动齿轮与飞轮齿圈处于齿形—齿隙 状态，此时驱动齿轮就能顺利的进入齿圈的齿形内部完成啮合。
发生“铣齿”的前提条件：在啮合时出现了齿形—齿形的状态、即“顶齿”，弄清楚发生 “顶齿”的概率，也就弄清楚了发生“铣齿”的概率。
缓啮合继电器
动铁芯 拨叉
飞轮齿圈
电磁开关主触点 电刷
单向离合器 驱动齿轮
电枢
行星减速机构
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㈢、缓啮合式起动机的工作原理和电路图：
点火开关K闭合， 继电器线圈得电、继 电器触点闭合。
电磁开关的吸 合线圈、保持线 圈得电，单向器 向前运动。
试验方法:在7.12L柴油发动机上，使用与之配套的强制啮合式起动机，仅给起动机的开关 回路供电(开关闭合后电机不能旋转)，在发动机 上安装驱动齿轮位置传感器和记录仪器，分别记 录驱动齿轮顺利进入齿圈和顶在齿面的次数。起 动机每次通电后都随机旋转一下驱动齿轮的位置， 确保试验结果是在随机条件下完成的。
齿面出现了明显的面 与面相交后切削痕迹 ；
齿面出现了明显的面 与面相交后切削痕迹 ；
齿面出现的是面与面 相切后滑动摩擦的痕 迹；
齿面出现的是面与面相 切后滑动摩擦的痕迹；
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②.驱动齿轮硬度严格控制在HRc:58～62范围内：
我们先后与东风柴发厂等客户组成包含了主机厂、起动机供应商和 飞轮齿圈供应商的多功能小组，通过开展联合攻关工作、共同分析原 因、制订措施解决问题。
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1、可能导致“铣齿”故障发生的原因的分析情况：
①.主机厂方面：齿轮付设计、驱动齿轮与飞轮齿圈的相对位置、 硬度要求等设计不合理；
试验结果：经过10000次啮合试验后统计结果 为：出现顶齿的概率约为20％。
右图为试验后的飞轮齿圈图片,有2齿已被撞出 明显的凹槽。
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㈡、应对强制啮合起动机“铣齿”故障采取的应对措施:
由于“铣齿”故障一直是强制啮合起动机的高故障率的失效模式、 在个别机型上最高的达到了总故障模式的40％左右，它涉及到了起动 机设计、飞轮齿圈设计、发动机的匹配设计等诸多方面，要有效解决 该问题需多方面协同工作，才能有效解决。
㈠、强制啮合起动机正常工作全过程:
电磁开关得电 动铁芯向左移动 拨叉拨动单向器向右移动 单向器齿轮与飞轮齿圈 接触 开关主触点闭合、起动机开始旋转 小齿轮与飞轮齿圈啮合 起动机拖动发动机 旋转达到点火转速 发动机着火运行 起动机断电退出工作。
飞轮齿圈
动铁芯
开关主 触点
单向器
驱动齿轮
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啮合弹簧
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2、产生铣齿故障的原因：
当啮合遇到顶齿状态时，如果单向器小齿轮不能在电机刚开始旋转的初期低速段 快速进入飞轮齿圈完成啮合，就会因电机进入高速旋转区后（从主触点闭合到电 机转速达到100rpm约为85ms）无法完成啮合。此时在啮合弹簧作用力下，就会 因小齿轮顶压在飞轮齿圈端部高速旋转而发生铣齿现象。
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A.发动机台架耐久性试验：样件情况：飞轮齿圈由对中线直齿倒角改为平行于齿形轮廓倒 角；起动机驱动齿轮由过中线直线倒角改为渐开线形倒角；
经过3万次台架耐久性试验后未出现铣齿故障。
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㈠、“缓啮合”方式对避免发生“铣齿”的作用
所谓“缓啮合”就是取消原强制啮合起动机上的“啮合弹簧”，当啮合处于 “顶齿”状态时，驱动齿轮无法进入飞轮齿圈内部，电磁开关的主触点同样也 不能闭合、起动机主电路无法接通，电机也就不会高速旋转；
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4.改进后的产品在市场上的效果验证情况：
改进措施到位后的齿圈、起动机投放后统计三个月、半年、一年的三包索 赔率变化情况，铣齿故障的赔付率由高峰时占总赔付率的40%降到了10%以 下。
强制啮合式起动机由于自身的结构所限，但遇到“顶齿”状态时，开关主 触点一旦闭合，电机就是以全功率输出方式开始旋转，驱动齿轮在开始旋转 的初期如果没能顺利进入飞轮齿圈完成啮合过程，就会产生“铣齿”故障。 也就是说：强制啮合式起动机的“铣齿”风险只能降低，不能完全避免。
要彻底根除“铣齿”故障，目前最有效的方法就是采用“缓啮合”(柔性啮 合)的啮合方式，下面就神电公司在缓啮合式起动机的开发与应用情况进行汇 报。
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三、神电公司“缓啮合式” 减速起动机开发、应用情况
下面是两张发生“齿面塌陷”、“崩齿”故障后的飞轮齿圈失效件照片。
图一、
图二、
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二、神电公司为解决 “铣齿”所采取的措施
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公司为确保驱动齿轮的热处理稳定性，先后引进了两套Aichelin渗碳淬火炉，该设 备投产后热处理件的表面硬度、渗碳层深度、心部硬度、心部组织结构等指标都能 控制在一个很稳定的范围内，如:齿面硬度就控制在HRc:59～61范围内。
③.优化啮合弹簧的弹力：
对开关吸力、啮合弹簧反力系 统进行了重新设计。通过试验 验证，保证了在少伤害飞轮端 面的前提下弹力提高了30％， 降低了出现“铣齿”的概率；
1、 强制啮合的过程：
为了使驱动齿轮与齿圈能够完成啮合，强 制啮合起动机均设计了啮合弹簧(根据结构 需要可以安装在拨叉支点、单向器上、动 铁芯内等位置)。在啮合遇到顶齿状态时， 啮合弹簧被压缩，动铁芯可以继续移动直 到主触点闭合，此时起动机得电、开始旋 转，当小齿轮旋转到飞轮齿隙位置时(1/2 齿距max)，在啮合弹簧弹力作用下、小齿 轮会快速进入飞轮齿圈完成与齿圈啮合。