一种发动机自动启动系统的设计与分析

作者/杨涛、唐超、郑俊强、陈强，贵州航天林泉电机有限公司；国家精密微特电机工程技术研究中心

一种发动机自动启动系统的设计与分析

作者/杨涛、唐超、郑俊强、陈强，贵州航天林泉电机有限公司；国家精密微特电机工程技术研究中心

机械式发动机自动启动系统由主轴自转单元、主轴伸缩单元、主轴启动单元等构成，因其控制简单、结构可靠性高，广泛应用于航空发动机的自动启动。本文介绍了自动启动系统的结构组成和工作原理，分析了自动启动系统的设计过程，并对研制的启动系统样机进行了性能测试。结果表明，启动系统的设计方案合理，试验验证系统设计方法准确。

启动系统、伸缩单元、自转单元、主轴启动

引言

本文涉及的发动机启动系统为地面设备，以某箱式起飞的无人机发动机启动系统为研究对象，对自动启动系统功能、性能需求进行分析，提出自动启动系统的设计方案，并针对自动启动系统的设计过程中应注意的要点、各单元驱动电机选型方法等进行详细阐述。

1. 启动系统结构和工作原理

1.1 启动系统结构组成

发动机自动启动系统主要由主轴自转单元、主轴伸缩单元、启动单元、主轴离合单元和测速机构成。系统结构为一体化设计结构，而各部分功能均可独立完成功能测试。其结构布局如图1所示，系统结构图如图2所示。

图1 结构布置图

图2 系统三维图

根据启动系统的功能设计，主轴伸缩单元，由一台电机提供动力；主轴自转由一台电机提供动力；启动单元由一台电机提供动力，共计需要三台电动机。当发动机轴达到启动预定转速，进入下一个工作流程需要一个切换信号，因此需要一台测速电机为系统提供转速信号。主轴自转和发动机启动两个功能单元工作过程中动力之间的相互传递会影响功能的实现，因此系统由一台电磁离合器实现动力传递的隔断与连接。

1.2 启动系统工作原理

系统启动工作，主轴自转电机和主轴伸缩电机同时运行，主轴自转的同时，向前伸出，其主要目的是实现自动启动系统主轴与发动机启动接口对接。主轴伸出到位与否，以安装在主轴前端的微动开关送出信号为准，微动开关接入电机控制电路，当主轴到达预定位置，开关断开电机供电，从而使主轴到达预定位置并停止，等待下一个工作环节的启动。当主轴与发动机启动接口对接完毕，启动单元投入工作，由启动电机拖动主轴旋转，通过主轴上卡口与发动机轴连接，拖动发动机轴快速旋转，达到发动机启动转速，发动机启动。当发动机启动后，主轴伸缩电机启动工作，缩回主轴，从而与发动机启动接口脱离，自此发动机完成启动工作。

2. 关键特性设计

2.1 自转单元动力传递设计

自转单元的工作是为了找正主轴横销与发动机启动接口上的卡槽，方便主轴伸缩单元驱动主轴伸出，使主轴横销卡入发动机启动接口，为后续主轴启动创造条件。自转单元的动力传递采用了凸轮断续传递的方式进行，在凸轮脱离与主轴动力传递的同时具备对自转电机自动断电的功能。通过对凸轮位置的调整，该设计方案可以实现对自转电机和主轴之间的传动链断开和连接控制。

采用凸轮断续动力传递方式，可有效降低伸缩单元负载，同时有助于实现两个功能单元的顺序停止，自转单元主要应用于主轴自转的驱动，因此驱动电机采用永磁直流电机即可实现功能。

2.2 主轴伸缩单元设计

主轴伸缩单元的工作是为了驱动主轴伸出和缩回，实现主轴与发动机启动接口的连接和脱离。主轴伸缩单元与自转单元之间的工作逻辑亦如上述分析。主轴伸缩单元的设计需要考虑其快速响应特性，即应能快速完成伸出和收回动作。

主轴伸出过程中：当主轴与发动机启动接口上的卡槽对正时主轴能够快速伸入发动机启动接口；当主轴横销与发动机启动接口上的卡槽未对正时，伸缩单元的伸出力在发动机接口端面产生的阻力转矩必须受控，应小于自转单元对主轴的驱动力矩。主轴收回动作时应能够全力快速收回。

主轴伸缩单元电机与丝杠动力传动链之间设置了单向摩擦离合器摩擦离合器为单向工作模式，通过压缩波形垫圈提供摩擦力，与弹簧滑销组件和螺旋槽组合实现其单向工作特性。

当主轴伸出时，大齿轮沿着螺旋槽上升方向旋转，摩擦离合器起动工作，当输出力矩大于摩擦离合器限定力矩，摩擦离合器打滑，滑销压缩弹簧收入挡板上的三个销柱内，从而保护电机不出现堵转工况，保护电机；当主轴缩回时，大齿轮沿着螺旋槽下沉方向旋转，滑销在弹簧力的作用下嵌入螺旋槽深处，由滑销和挡板传递动力，摩擦离合器不工作，电机动力全力输出，缩回主轴。

2.3 启动单元设计

启动单元是自动启动系统的主要功能单元，其功能是拖动发动机运转直至发动机启动。启动单元工作需要产生较大的力矩和较高的转速，驱动电机设计具有较大的容量，相对于主轴自转单元和主轴伸缩单元的驱动电机容量来说，相差了两个数量级。二者功能上有差别，而启动单元和主轴自转单元的动力向主轴的传递为分时共用主轴部件，因此在主轴与二者驱动电机的传动链上都要进行动力快速隔断、连接结构的设计。

启动电机与主轴之间采用电磁离合器进行动力传递模式，通过对电磁离合器的通断电实现对传动链的隔断、连接控制。当自转单元工作时，电磁离合器断电，自转电机与主轴之间的动力传动链隔断，自转电机驱动主轴做低速自转运动，自转电机动力不会向启动电机轴端传递，从而有效的降低自转电机的设计功率；当启动电机工作时，电磁离合器通电，自转电机与主轴之间的传动链连接，启动电机动力通过电磁离合器向主轴传递。

前述自转单元采用凸轮断续的动力传递方式，自转电机断电停转状态，凸轮与主轴脱离啮合，因此启动电机动力也不会向自转电机传递。

2.4 系统工作过程状态分析

自动启动系统的工作过程是通过继电器和微动开关形成简单控制电路，与接插件各节点简单的通电时序实现的。系统工作过程中控制电路中的各器件的工作状态如表1所示。

表1 控制电路各器件状态表

3. 系统性能测试

自动启动系统是一个顺序时序控制系统，对于各单元的分析主要侧重于定性的分析。实现系统工作的侧重在于各单元功能的匹配。对于系统功能、性能的检测也主要侧重于能够完成发动机启动工作流程。检测原理图见图3所示。

图3 检测原理图

系统实测情况如表2所示。

表2 系统性能表

系统测试结果表明，系统各单元的设计能够满足发动机启动要求。电机的选型合理。

4. 结论

本文介绍了某型无人机发动机自动启动系统的设计方法，对各单元的特性设计进行了详细的分析，针对应用特性进行了电机类型的选择。从实测指标来看，启动系统的设计方案合理。系统性能测试进一步验证了启动系统设计方法的准确性。本启动系统的研制成功，为此类产品的研制积累了经验，为同类产品的研制提供了可借鉴的方法。

＊ [1] 濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2001.

＊ [2] [日]三浦宏文.机电一体化实用手册.北京：科技出版社，2001.

＊ [3] 吴宗泽.机械设计手册[Z]. 机械工业出版社.