启动马达是发动机关键部件，目前国内汽车发动机通常配置电启动马达，但由于其启动瞬间电流大易导致马达发热严重、寒冷气候时蓄电池亏电^[1-2]，为实现环保减排及满足车辆频繁启动和防爆等需求，气启动马达应运而生^[3-4]。然而，目前国内外气启动马达均是以船用或者油田用发动机启动为基础进行设计和生产的，并不适用于车用发动机，其原因在于：

1) 现有气启动马达由电控箱自主控制发动机启动过程，并没有考虑启动过程不合理对马达产生的不利影响。而汽车发动机的启动过程往往是人为操作的，操作人员缺乏专业素质及不良的操作习惯等会导致启动过程不合理，造成“顶齿”频繁，从而损坏启动马达。

2) 对于汽车发动机，现有的气启动马达体积偏大，导致成本过高。

3) 车辆空间有限，且气源压力和储气罐容量较小，要求气启动马达效率更高，并能在更低的气源压力条件下正常工作，而现有的气启动马达达不到这个要求。

国外制造的马达在性能上较国内产品有一定优势，但是其结构基本沿用船用马达的设计。国外对气动马达的研究主要集中在控制方式与涡轮叶片效率等方面。Marumo等^[5]针对低速气动马达提出了智能建模和控制算法。Wang等^[6]对气动马达系统的伺服运动控制进行了研究, 提出了由空气的可压缩性所致的气动马达控制的不确定性和非线性的控制策略。Barr等^[7]分别采用数值计算和试验方法对向心涡轮进行研究，有效提高了其工作效率。

国内的研究则较为多样化。周明连等^[8]以力矩平衡方法建立了气动齿轮马达静态特性的数学模型，以一种用于锚杆钻机的气动齿轮马达为例进行了理论计算，并与实验数据进行比较，为气动齿轮马达的优化奠定了理论基础。林文友等^[9]通过优化设计实验对气动马达的气流通道设计作了初步分析, 为大功率气动马达设计提供了实验参考。张林慧^[10]根据煤矿无轨胶轮车的使用寿命设计了一种三级混流式涡轮气启动马达，并分析了其结构、原理和设计参数。周生伟等^[11]通过对大功率发动机对启动马达的性能要求及气启动马达工作特性的比较，对气启动马达的选型进行了分析。尹鹏、屈盛官等^[12-13]提出了双涡轮空气启动马达的关键技术并进行了基于流体的研究，但是没有很好地解决齿轮顶齿等问题。

本文从适用性和匹配性上进行考虑，对气启动马达进行结构创新设计。马达采用后掠涡轮叶片以便获得较高的效率且没有超过许用应力范围；采用双级冲击式结构，通过由两定子和两转子组成的气道来提高气体动能利用率；改进棘轮单向器结构，齿轮推进装置采用气源节流方式、活塞变直径结构，以有效避免顶齿现象发生，同时减少零件个数及摩擦；减速总成采用行星减速器，以实现极低速运转。

1 新型涡轮式气启动马达主要结构及工作原理

图 1所示为所设计的新型涡轮式气启动马达的结构示意图。

该气启动马达的主要工作部分由动力总成、减速总成、传动总成依次从右到左连接而成。动力总成由2个定子、一级和二级转子组合的轴向气道涡轮、动力总成外壳、齿轮轴等组成，核心部件是双涡轮。动力总成外壳设有马达进气口，压缩空气从进气口进入，从尾端所设的排气风板轴向排出。经过一级和二级动涡轮叶片导流带动涡轮轴旋转做功，尾气能量得到二次利用，产生转速和扭矩。传动机构工作时压缩空气通过气路接口推动活塞轴向移动，从而带动传动总成轴向移动，小齿轮伸出与发动机飞轮齿圈啮合，这时活塞移过一定行程，2个气路接口相通，气信号输出，控制气启动马达主气路导通，从而马达开始工作。该气启动马达高速运转耗气量是同功率叶片马达的三分之一。

2 新型涡轮式气启动马达动力总成设计 2.1 转矩及功率计算

气启动马达加速扭矩由马达输出扭矩与发动机的启动阻力矩之差产生，可表示为：

$ J\frac{\text{d}\mathit{w}}{\text{d}\mathit{t}}={{i}_{1}}\times {{M}_{\text{a}}}-{{M}_{\text{o}}} $

(1)

式中：J为发动机轴系转动惯量，kg·m²；M_a为气启动马达的启动力矩，N·m；M_o为发动机初始阻力矩，N·m; i₁为气启动马达与发动机飞轮的传动比；w为发动机轴系角速度，rad/s；t为时间，s。

由式(1)可知，发动机在启动过程中，当气启动马达输出扭矩大于发动机初始阻力矩M_o时，轴系开始转动，静摩擦转为动摩擦。随着转动速度增大，发动机阻力矩减小，角加速度增大，角速度也越来越大，最终实现发动机启动。

2.2 双级涡轮结构设计

涡轮式气启动马达设计主要考虑能量转化方式、与发动机的连接方式及噪音消除。涡轮一般分为轴流式、混流式和径流式。径流式涡轮气流由中心向外缘流动，由于其工作轮出口处圆周速度大，余速损失大，效率低，叶轮强度低，目前已很少使用^[14]。传统气启动马达多为轴流冲击式涡轮结构，但排入大气的气体仍然有很高的动能，最高可达涡轮做功量的50%，造成很大的浪费^[15-16]。因此，本文设计了双级涡轮转子，它是由2个定子和2个转子组成气道，以提高气体动能利用率。

如图 2所示为新型涡轮式气启动马达动力总成剖视图，该动力总成由动力总成外壳、由定子和转子组成的轴向气道涡轮、齿轮轴等组成。马达进气口在动力总成外壳上，涡轮定子与转子交错轴向排列，且套在齿轮轴上，涡轮转子与齿轮轴采取键连接，涡轮定子与动力总成外壳内腔过盈配合，涡轮转子与动力总成外壳内腔间隙配合，而齿轮轴与减速总成中的行星齿轮配合传动。压缩空气从进气口进入，经过由定子和转子组成的气道，冲击涡轮叶片，带动涡轮轴旋转，转子带动齿轮轴产生转速和扭矩。

由定子和转子组成的气道的平面展成图如图 3所示。

涡轮内气体的流动主要是喷管流动，等熵流动方程如公式(2)所示:

$ -(1-{{M}^{2}})\frac{\text{d}\mathit{v}}{v}=\frac{1-{{M}^{2}}}{k{{M}^{2}}}\cdot \frac{\text{d}\mathit{p}}{p}=\frac{\text{d}\mathit{A}}{A} $

(2)

式中：p为压强，MPa；v为速度，m/s；A为流通截面积，mm²；M为马赫数，此混流式涡轮为亚声速喷管流动，M＜1；k为气体等熵指数，本文气体为空气，取k=1.4。

气启动马达的涡轮装置将压缩空气的压力能转化为动能，这决定了气启动马达的工作效率。发动机的启动由瞬时做功能力决定，所以气启动马达采用冲击式涡轮结构。二级涡轮功率通常是一级涡轮功率的1/3~1/5，在同等进气条件下其输出功率比单涡轮式大20%~33.3%，因此双涡轮式结构可以显著提高马达性能，而且二级涡轮气体排出速度越小，能量利用率越高。

3 新型涡轮式气启动马达传动总成设计

现有气启动马达传动中单向器主要为滚柱式和棘轮式，棘轮式具有传递扭矩大及不易打滑等特点，但体积大，零件多，且多处为滑动摩擦结构，工作时磨损快，寿命短。

因此，针对以上不足，本文在传动总成设计上进行了多处创新。图 4为新型涡轮式气启动马达传动总成剖视图，包括输出轴、上棘轮、下棘轮、活塞和花键轴等。其中下棘轮焊接固定在输出轴上，上棘轮为花键套形式，内孔设有一段内螺旋花键，套在花键轴上，上棘轮外圆上有台阶，该台阶与花键轴的台阶之间装有压迫弹簧，上、下棘轮端面均设有棘齿，它们相互咬合工作时压缩空气通过气道接口推动活塞轴向移动，从而带动传动总成轴向移动。传动总成中多处运动件采用轴承支承结构，运动件之间的摩擦为滚动摩擦。

所设计的气启动马达改变了原有马达单向器的结构，多处运动件不但无需润滑，还大大减少了磨损，延长了使用寿命。同时该结构无需单向器外壳，减小了体积。齿轮推进装置采用气源节流方式、活塞变直径结构，有效避免了顶齿现象发生。

4 新型涡轮式气启动马达减速总成设计

气启动马达减速机构的发展演变过程为:由大偏心距、较小减速比的外啮合式发展到较小偏心距的内啮合式，再到同轴行星齿轮减速式和多级星形齿轮减速式^[17]。同轴行星齿轮减速式有较高的减速比，结构紧凑，尺寸小，是未来发展趋势。

现有一些气启动马达传动减速装置的设计并未受到重视，存在马达体积大、结构复杂、磨损严重以及寿命短等问题^[18]。本文设计的气启动马达采用行星减速器，可实现极低速运转，同时具有体积小、质量轻、转矩大、过载能力大、磨损少及结构简单等优点。

如图 5所示，新型涡轮式气启动马达减速总成由太阳轮、行星轮及固定内齿轮等组成。其中轴承座为台阶轴形式，轴承座大端面沿圆周分布了螺栓孔和台阶止口，用于减速总成、动力总成及马达壳体的定位连接。台阶轴小端外圆上设有密封槽，槽内装有O形密封圈，用于与传动总成的活塞内孔形成动密封。行星架两端均有球轴承支承在轴承座上，以保证它有足够的径向支承强度和转动平衡性。在行星架与轴承座之间还装有轴封。行星架一端装有滚柱及行星齿轮，另一端设有直花键内孔，与传动总成中的花键轴滑动配合，传递转速和扭矩。行星减速机构将齿轮轴输入的转速降低，同时将扭矩放大。

图 6为行星减速机构简图。太阳轮的转速即输入轴的转速n₁，输出轴的转速即行星轮公转的速度(行星架转速)n₂，则减速比为：

$ i={{n}_{1}}/{{n}_{2}} $

(3)

设太阳轮的角速度为ω₁，行星架角速度为ω₂。太阳轮与行星轮在P点啮合，在这一点上，两者的齿轮圆周速度是相等的，以v_P表示。若太阳轮的半径为r₁，行星轮的半径为r₂，内齿轮的半径为r₃，行星轮中心O₂的公转速度为v′_p，则有：

$ {{r}_{3}}={{r}_{1}}+2{{r}_{2}} $

(4)

$ {{v}_{P}}=2{{{{v}'}}_{\text{p}}} $

(5)

$ {{\omega }_{1}}={{v}_{P}}/{{r}_{1}} $

(6)

$ {{\omega }_{2}}={{{{v}'}}_{\text{p}}}/({{r}_{1}}+{{r}_{2}}) $

(7)

则减速比i可表示为：

$ i={{\omega }_{1}}/{{\omega }_{2}}=\left( {{v}_{P}}/{{r}_{1}} \right)\left[ /{{{{v}'}}_{\text{p}}}/\left( {{r}_{1}}+{{r}_{2}} \right) \right]=2\left( {{r}_{1}}+{{r}_{2}} \right)/{{r}_{1}} $

(8)

若太阳轮、行星轮和内齿轮的齿数为z₁，z₂，z₃，则：

$ i=2\left( {{z}_{1}}+{{z}_{2}} \right)/{{z}_{1}} $

(9)

由于r₃=r₁+2r₂，z₃=z₁+2z₂，所以：

$ i=2\left( {{z}_{1}}+\frac{{{z}_{3}}-{{z}_{1}}}{2} \right)/{{z}_{1}}=\left( {{z}_{1}}+{{z}_{3}} \right)/{{z}_{1}} $

(10)

由此可知气启动马达行星减速机构具有较大的减速比。

5 试验分析

如图 7、图 8所示，对所设计的涡轮式气启动马达的输出扭矩和机械功率进行试验研究，测试设备主要由启动器功率测试仪、测试用柴油机、主气动阀及进气管路等组成。

试验结果显示，采用该新型涡轮式气启动马达可以使机动车发动机顺利启动，在进气压力为0.4 MPa时，实际转速与输出功率、扭矩、耗气量的关系曲线如图 9所示；进气压力为0.6 MPa时，实际转速与输出功率、扭矩、耗气量的关系曲线如图 10所示。比较图 9和图 10发现：耗气量几乎保持不变，稳定在120~130 m³/h；扭矩和输出功率曲线的变化趋势几乎相同，扭矩随转速增加而逐渐减小。

具体实测数据如下：

1) 当进气压力分别为0.4 MPa和0.6 MPa时，在转速接近2 500 r/min情况下出现最大耗气量，单位功率耗气量小于130 m³/h。

2) 当进气压力为0.6 MPa，转速为2 300 r/min，以及进气压力为0.4 MPa，转速为2 000 r/min时，达到最大输出功率。

3) 扭矩随转速增加而逐渐减小，当进气压力为0.6 MPa时，最大扭矩接近80 Nm；当进气压力为0.4 MPa时，最大扭矩接近60 Nm。

6 结束语

本文设计的新型气启动马达采用双级涡轮式结构，改变了现有气启动马达结构中大量的滑动摩擦支承和棘轮离心力脱离等设计，提高了产品结构强度、耐磨性及适应性，使它更符合汽车发动机人工操作启动过程和频繁启动的要求，同时，更为合理的结构可保证马达在0.3~1 MPa的气源条件下正常工作，在无补气条件下可实现车辆多次启动，使车辆启动更为可靠。该新型涡轮式气启动马达的成功研制解决了原有马达在货运卡车、军用车辆及公交车等燃油燃气发动机启动中匹配性和适应性不足的问题。