起动机及其主动啮合控制方法与流程

本发明涉及起动机，具体地说，是涉及具有主动啮合功能的起动机及其主动啮合控制方法。

背景技术：

图1为目前已有的辅助啮合式起动机的剖视图，在图1中，对发动机施加起动力矩的辅助啮合式起动机采用以下结构：用减速装置2对电机1中的电枢11的旋转力矩进行减速并增加旋转力矩，通过单向器4安装于输出轴5的驱动齿轮6由上述电机1进行驱动而旋转。

结合参阅图2，辅助啮合式起动机包括电机1、电磁开关3和继电器12。在辅助啮合式起动机中，电磁开关3包括吸引线圈36，保持线圈37(吸引线圈36和保持线圈37设置在线圈骨架43上)，圆周地围在吸引线圈36和保持线圈37的外侧、构成磁路一部分的机体7，设在吸引线圈36和保持线圈37的后端部、构成磁路一部分的止座16，配置在吸引线圈36和保持线圈37的内周、沿轴向自由滑动的柱塞8，对柱塞8向前方施力的复位弹簧14，安装在柱塞8后端的动触点17，以及相对动触点17配设而与外部配线进行连接的一对静触点30a、30b。通过向该电磁开关的吸引线圈36和保持线圈37进行通电而在柱塞8中产生图1中B方向的电磁吸引力，由于该电磁吸引力，与上述柱塞8配合的拨叉9的上端向右侧方向(箭头B标示方向)移动、其下端向图1中左侧的方向移动，因此，对单向器4、输出轴5上的驱动齿轮6施加向图1中左侧方向(箭头A标示方向)移动的力，于是驱动齿轮6向与发动机的飞轮齿圈10啮合的方向移动。

继续参阅图2，蓄电池13的正极端与电磁开关3的端子18相连接，负极端接地、或与电机1的端子31相连。向电磁开关3的端子50进行通电开关的继电器12包括：与蓄电池13相连接的端子50c，与端子18相连接的触点32，以及对触点32和触点33进行控制的线圈34。位于线圈34一端的端子50c通 过按键开关35与蓄电池13的正极端相连接。线圈34的另一端接地、或与负极端子31相连。

从图2可以看出，电磁开关3的线圈是由一个吸引线圈和一个保持线圈组成，二个线圈的匝数基本相等且首端连接在一起，吸引线圈36的尾端与直流电机的电源端也是电磁开关的主触点输出接线柱连接，保持线圈37的尾端搭铁。吸引线圈36的电阻较小，如额定电压为24V的起动机，其电阻一般约为100毫欧，这样起动机在电磁开关3主触点闭合之前能够小扭矩慢转，从而让驱动齿轮6抵在飞轮齿圈10端面上时，驱动齿轮6能够慢慢旋转，叉开顶齿状态，啮入发动机飞轮齿圈10；啮入齿圈后，电磁开关3主触点才会闭合，电机1中才会有大电流流过，起动机才会大扭矩输出，从而避免起动机铣齿故障的发生。因此这类起动机也称为软啮合起动机。

由于这类起动机电磁开关3的吸引线圈36和保持线圈37的首端连在一起，为了保证电磁开关3可靠断电，这样电磁开关3的吸引线圈36和保持线圈37的有效匝数必须基本一致，而保持线圈37的匝数又不能太少，这样吸引线圈36的匝数也较多。虽然可以通过适当的增大吸引线圈36的线径、并减少吸引线圈36匝数的方法，使起动机在电磁开关3主触点未闭合之前能够慢慢旋转；但是吸引线圈36的匝数不能减少的太多，否则，考虑电磁开关3可靠断电，保持线圈37的匝数也需要大幅减少。由于这类起动机产生的软啮合力矩有限，在一些情况下，如高低温、蓄电池亏电、飞轮齿圈端面毛刺比较多、起动机内部发生磨损等时，通电后，驱动齿轮存在无法啮入齿圈的现象，会出现顶齿状况，电磁开关的吸引线圈就被迫长时间通过较大的电流，电磁开关容易出现烧毁故障。尤其12V起动机，起动机的软啮合力矩更小，顶齿率更高，电磁开关烧毁的故障率更高。

此外当起动机发生顶齿后，即驱动齿轮6无法啮入齿圈，电磁开关3的触点无法实现闭合，电磁开关3的吸引线圈36仍然有大电流通过，但是电流逐渐变小，即起动机产生软啮合力矩变小。电流变小主要由于线圈通电过程中产生的热量比较大，随着时间的增加，吸引线圈36的电阻逐渐变大造成的。因此当起动机发生顶齿无法啮入齿圈后，如果继续让吸引线圈36通过电流，实现驱动齿轮啮入齿圈的概念基本为零，反而会造成电磁开关过热影响下次起动机成功啮合和电磁开关吸引线圈过热产生烧毁故障。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有主动啮合功能的起动机，以避免由于起动机发生顶齿导致的电磁开关发生烧毁故障，同时又提高起动机一次起动的啮合成功率。

为了实现上述目的，本发明的一种起动机，包括电机、与所述电机连接的电磁开关和与所述电磁开关连接的继电器；所述电磁开关包括保持线圈和吸引线圈；所述继电器通过一控制电源端子与一按键开关连接；所述继电器包括一输入端子、一输出端子、一功率管以及一保护控制模块。输入端子与电磁开关的电源端子连接。输出端子与保持线圈的首端及吸引线圈的首端连接。功率管连接在所述输入端子与所述输出端子之间。保护控制模块与所述功率管连接，根据起动机的端子电压及/或压降、通电时间及/或主动啮合次数控制所述功率管导通/截至。

上述的起动机，其中，所述保护控制模块包括电压采集模块、电压比较模块、计时模块、计数模块以及控制模块。电压采集模块用于采集起动机的一端子电压或者两端子电压。电压比较模块与所述电压采集模块连接，将所述一端子电压与设定电压相比较，或者将所述两端子电压间的压降与设定压降相比较。计时模块用于检测所述功率管导通时间和截止时间。计数模块用于统计所述保护控制模块执行的主动啮合次数。控制模块与所述电压比较模块、计时模块、计数模块分别连接，且基于电压比较模块及/或所述计时模块及/或所述计数模块导通/截至所述功率管。

上述的起动机，其中，所述电压采集模块与电机的输入端子或电磁开关的电源端子或所述控制电源端子连接以采集电机输入端子电压或电磁开关电源端子电压。

上述的起动机，其中，所述电压采集模块包括第一电压采集模块以及第二电压采集模块。第一电压采集模块与电磁开关的电源端子连接以采集电磁开关电源端子电压。第二电压采集模块与与输出端子连接以采集电磁开关的线圈首端电压。

上述的起动机，其中，所述功率管与电磁开关的电源端子之间设置有一10毫欧以内的电阻。

上述的起动机，其中，所述功率管通过一电磁继电单元连接在所述输入端子与所述输出端子之间，所述电磁继电单元包括与所述输入端子相连接的第一触点，与所述输出端子相连接的第二触点，以及与所述控制电源端子及所述功率管连接的对所述第一触点及所述第二触点进行控制的线圈。

本发明进一步提供上述起动机的主动啮合控制方法，包括步骤：保护控制模块根据起动机的端子电压及/或压降、通电时间及/或主动啮合次数判断电磁开关的触点是否闭合，若未闭合，则控制功率管导通/截止以进行主动啮合。

上述的主动啮合控制方法，其中，在控制功率管导通/截止过程中，包括有步骤S110：控制电源端子通电、功率管导通后，计时模块开始计时，计数模块设定主动啮合次数为0。

上述的主动啮合控制方法，其中，在步骤S110之后，包括步骤S141：功率管导通一T1时间后，判断电磁开关的触点是否已经闭合，如果是，则进行步骤S150：控制功率管继续导通；如果不是，则进行步骤S142：控制功率管截止。

上述的主动啮合控制方法，其中，在步骤S141中，当检测到电机输入端子电压与电磁开关电源端子电压的压降小于设定的值△U1，或者电机输入端子电压大于设定的电压值U3，或者电磁开关电源端子电压符合设定电压变化规律，或者控制电源端子电压符合设定的电压变化规律，或者电磁开关电源端子与电磁开关输出端之间的电压降小于等于设定的电压△U2，则判断电磁开关的触点已经闭合。

上述的主动啮合控制方法，其中，在步骤S142之后，还包括步骤S1451：判读计数模块中统计的主动啮合次数是否小于等于设定的次数N，如果是，则进行步骤S1452：在所述功率管截止T2时间后，控制所述功率管导通，并使得计数模块记录的主动啮合次数增加1，如果不是，则进行步骤S1453：控制功率管继续截止。

本发明的有益功效在于：基于继电器的保护控制模块的设置，能判断起动机是否完成了顺利啮合，以确定是否进行主动啮合功能，使得起动机驱动齿轮顺利啮入齿圈；这样既可以避免由于起动机发生顶齿导致的电磁开关发生烧毁故障，同时又能提高起动机一次起动的啮合成功率。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的 限定。

附图说明

图1为现有技术的辅助啮合式起动机的剖视图；

图2为图1中的辅助啮合式起动机的起动电路的电器接线图；

图3为本发明第一实施例的起动机的电路图；

图4为图3中的保护控制模块的结构框图；

图5为本发明第一实施例的起动机的主动啮合控制方法流程图；

图6为本发明第二实施例的起动机的电路图；

图7为本发明第三实施例的起动机的电路图；

图8为图7中的保护控制模块的结构框图；

图9为本发明第四实施例的起动机的电路图；

图10为本发明第五实施例的起动机的电路图；

图11为本发明第六实施例的起动机的电路图。

其中，附图标记

1—电机

2—减速装置

3—电磁开关

4—单向器

5—输出轴

6—驱动齿轮

7—机体

8—柱塞

9—拨叉

10—飞轮齿圈

11—电枢

12—继电器

13—蓄电池

14—复位弹簧

16—止动盘

17—动触点

18、19—端子

30a、30b—静触点

31—负极端子

32、33—触点

34—线圈

35—按键开关

36—吸引线圈

37—保持线圈

43—线圈骨架

50—端子

50c—端子

本发明

1—电机

3—电磁开关

13—蓄电池

18、19—端子

35—按键开关

36—吸引线圈

37—保持线圈

50—端子

50c—端子

121—输入端子

122—输出端子

311、312、313—端子

123—保护控制模块

1231—电压采集模块

1232—电压比较模块

1233—计时模块

1234—计数模块

1235—控制单元

12311—第一电压采集模块

12312—第二电压采集模块

124—电磁继电单元

1241—第一触点

1242—第二触点

1243—线圈

132—线路

133、134、135、136、137、138—电压检测线路

Q1—功率管

R1—电阻

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

本发明的起动机与现有技术的辅助啮合式起动机的最大区别在于：继电器具有一个电压检测和判断的保护控制模块，通过判断监测点电压或者压降，判断起动机是否完成了顺利啮合，以确定是否进行主动啮合功能，使得起动机驱动齿轮顺利啮入齿圈；这样既可以避免由于起动机发生顶齿导致的电磁开关发生烧毁故障，同时又提高了起动机一次起动的啮合成功率(如普通起动机的啮合成功率为90％，保护控制模块主动啮合次数为3次，则本发明的一次起动啮合成功率为：90％+(1-90％)*90％+(1-(1-90％)*90％)*90％+(1-(1-(1-90％)*90％)*90％)*90％＝99.99％。以下结合具体实施例对上述区别点进行详细介绍。

第一实施例

参阅图3，本发明的起动机的结构与图1所示的辅助啮合式起动机结构大致相似，仍然包括电机1、与电机1连接的电磁开关3和与电磁开关3连接的继电器12，继电器12仍通过端子50c(端子50c也叫控制电源端子)与按键开关35连接，按键开关35设置在蓄电池13与控制电源端子50c之间。电磁 开关3与普通辅助啮合式电磁开关基本相同，仍采用一对触点来控制电机1的大电流通断，包括吸引线圈36和保持线圈37。由于本发明的主要发明点在于继电器，有关起动机的其它详细结构与现有技术相同(可以参阅图1)，在此就不对其多做赘述，以下就对继电器的结构进行详细介绍。

继电器12包括一输入端子121，一输出端子122，一功率管Q1以及一保护控制模块123。输入端子121与电磁开关3的端子18(端子18也叫电磁开关电源端子)连接。输出端子122与保持线圈37的首端及吸引线圈36的首端连接，由于保持线圈37的首端及吸引线圈36的首端连接于端子50，所以，输出端子122与端子50连接。功率管Q1连接在输入端子121与输出端子122之间。保护控制模块123与功率管Q1连接，根据起动机的端子电压及/或压降、通电时间及/或主动啮合次数控制功率管Q1导通/截至。

结合参阅图4，保护控制模块123通过端子311、线路132与控制电源端子50c连接，包括电压采集模块1231、电压比较模块1232、计时模块1233、计数模块1234和控制单元1235。电压采集模块1231用于采集起动机的端子电压，电压比较模块1232用于将集采到的端子电压与一设定电压相比较，计时模块1233用于检测起动机的通电时间/功率管Q1的导通时间，计数模块1234用于统计保护控制模块进行主动啮合功能的次数，控制单元1235与电压比较模块1232、计时模块1233、计数模块1234分别连接，且控制单元1235基于电压比较模块1232及/或计时模块1233及/或计数模块1234导通/截至功率管Q1。本实施例中，电压采集模块1231包括一第一电压采集模块12311，第一电压采集模块12311通过端子312、电压检测线路133与电机1的端子19(端子19也叫电机的输入端子)连接，以便检测电磁开关3的输入端子19的电压，即用于判断电磁开关的触点是否发生闭合，以便控制单元1235判读是否需要进行起动机主动啮合功能。

通过上述结构，继电器12的输出端子122控制电磁开关3的吸引线圈36和保持线圈37。保护控制模块123通过控制功率管Q1(如MOS管)的导通与截止实现电磁开关3的两个线圈电路的通断电。

在按键开关35通电后，保护控制模块123开始检测检测电压或压降，当电压或者压降不满足电磁开关3触点闭合的条件时，控制单元1235控制起动机进行主动啮合功能，使得驱动齿轮顺利啮入齿圈。这样提高了驾驶员一次起 动的啮合成功率，提高了客户满意度，同时降低了由于起动机顶齿造成的电磁开关吸引线圈烧毁的故障率。

下面结合图5本发明第一实施例的起动机的逻辑控制流程图，详细介绍一下起动机的工作过程，如流程图所示：

按键开关35(也叫点火钥匙35)接通后(步骤100)，继电器的端子50c得电，功率管Q1导通，同时保护控制模块中的计时模块开始计时，计数模块中的主动啮合次数设置为0。之后继电器的输出端和电磁开关的端子50得电，这样电磁开关的电源端子18的电流通过继电器的输出端子122、电磁开关的端子50流到电磁开关3的吸引线圈36和保持线圈37中，驱动齿轮6在电磁开关产生电磁力的作用下朝飞轮齿圈10打出，同样由于电磁开关的吸引线圈36的电阻比较小，电机可以带动驱动齿轮小扭矩旋转，驱动齿轮开始与飞轮齿圈进行柔性啮合。

起动机起动发动机过程中，在端子50c或者功率管Q1导通设定的时间T1(一般端子50c或者功率管Q1导通时间基本相同)后，如T1设置为300ms，保护控制模块123的第一电压采集模块12311通过电压检测线路133采集电机的输入端子19的电压。当检测到电机的输入端子19的电压不符合电磁开关触点闭合的条件(如电机的输入端子19的电压≤设定的电压U3)，则判断电磁开关触点未闭合，电磁开关的电源端子18与电机的输入端子19未导通，即驱动齿轮未与飞轮齿圈实现啮合，则控制单元1235控制功率管Q1截止，计数模块1233重新开始计时，继电器的输出端子122断电，电磁开关的端子50断电，从而使得驱动齿轮自动退回。控制单元1235判断计数模块1234中的主动啮合次数Ni是否小于等于设定参数N(如3次)，如控制单元1235判断出主动啮合次数小于等于3次，则在功率管Q1截止时间到达设定的时间T2(如50ms)后控制功率管Q1再次导通，同时计数模块1234记录的主动啮合次数增加1，即让Ni＝Ni+1。由于功率管Q1再次导通，继电器的输出端子122和电磁开关的端子50再次得电，同样驱动齿轮在电磁开关电磁吸引力的作用下，再次打出与驱动齿轮进行啮合，并小扭矩转动。由于每次驱动齿轮打出与飞轮齿圈端面的接触位置会不同，因此本次起动机的啮合成功率与上次啮合成功率是一样。如果第一次起动机的啮合成功率为90％，则采用1次主动啮合功能之后起动机的啮合成功率为：90％+(1-90％)*90％＝99％。

同样当功率管Q1导通时间到设定的时间T1后，保护控制模块123同样会再次检测检测点电压或压降，以便判断出电磁开关触点是否发生闭合，如果判断出电磁开关触点未发闭合，控制单元1235再次控制功率管Q1截止，继电器的输出端子122断电，从而使得驱动齿轮自动退回，并判断主动啮合次数Ni是否小于等于设定的次数N；如果Ni＞设定的次数N，控制单元1235控制功率管Q1继续截止，继电器和起动机停止工作。如果判断出Ni仍然≤设定的次数N，在功率管Q1截止时间再次到达设定的时间T2后，控制单元1235便控制功率管Q1再次导通(进行主动啮合功能)，继电器的输出端子122和电磁开关的端子50得电，使得驱动齿轮在电磁开关电磁吸引力的作用下再次打出与飞轮齿圈进行啮合。如此反复，直到判断出电磁开关触点发生闭合，即驱动齿轮与发动机飞轮齿圈实现啮合，控制单元1235便控制功率管Q1继续导通，起动机将会继续起动机，直到发动机起动成功或者端子50c断电。

这样既可以避免由于起动机发生顶齿导致的电磁开关发生烧毁故障，同时又提高了起动机一次起动的啮合成功率(如普通起动机的啮合成功率为90％,保护控制模块主动啮合次数为3次，则新技术方案的一次起动啮合成功率为：90％+(1-90％)*90％+(1-(1-90％)*90％)*90％+(1-(1-(1-90％)*90％)*90％)*90％＝99.99％。

第二实施例

如图6所述，本实施例的继电器的结构与第一实施例的继电器的结构大致相同，区别在于：本实施例的第一电压采集模块12311通过端子312、电压检测线路134与端子18连接，以便检测电磁开关3的端子18的电压，即用于判断电磁开关的触点是否发生闭合，以便控制单元1235判读是否需要进行起动机主动啮合功能。结合参阅图4，本实施例的保护控制模块123同样包括电压采集模块1231、电压比较模块1232、计时模块1233、计数模块1234和控制单元1235。电压采集模块1231用于采集电磁开关的端子18的电压，电压比较模块1232用于将检测到的电磁开关的端子18的电压与设定电压进行比较，计时模块1233用于检测起动机的通电时间/功率管Q1的导通时间，计数模块1234用于统计保护控制模块进行主动啮合功能的次数，控制单元1235与电压比较模块1232、计时模块1233、计数模块1234分别连接，且控制单元1235基于电压比较模块1232及/或计时模块1233及/或计数模块1234导通/不导通/ 截至功率管Q1。有关继电器的其它详细结构与第一实施例相同，在此就不对其多做赘述。

该实施方式中，由于电压检测线路134可设置在继电器的内部，相对第一实施，减少了继电器12与电磁开关3之间的一个电压检测线路133。

通过上述结构，起动机利用继电器12的输出端子122控制电磁开关3的吸引线圈36和保持线圈37，控制单元1235通过控制功率管Q1(如MOS管)的导通与截止实现电磁开关3的两个线圈电路的通断电。

本实施例的起动机工作过程为：在按键开关35通电后，保护控制模块123开始检测检测电压或压降，当检测到的电磁开关3的端子18的电压与设定的电压不符，不满足电磁开关触点闭合的条件时，保护控制模块123控制起动机进行主动啮合功能，使得驱动齿轮顺利啮入齿圈。除通过电磁开关3的端子18的电压判断电磁开关触点是否发生闭合外，其他控制方法与第一实施例相同，此处不再赘述。

第三实施例

如图7所述，本实施例的继电器的结构与第二实施例的继电器的结构大致相同，区别在于：在功率管Q1与电磁开关的端子18之间增加了一个电阻R1，保护控制模块123通过电压检测线路134、135分别检测电磁开关的端子18的电压和电磁开关的端子50的电压，从而计算出电磁开关的端子18与端子50之间的压降。由于电磁开关的吸引线圈36的电阻和保持线圈37的电阻相差10倍左右，当电磁触点闭合之后，吸引线圈36被短路，基本无电流通过，仅保持线圈37中有20A左右的电流通过，这样，电磁开关的端子18与端子50之间的压降会比较小。为了更加便于区分电磁开关触点是否发生了闭合，本实施例中与功率管Q1串联了一个10毫欧以内的电阻R1，使得两种状态下，压降进一步放大。也可以采用一个具有过电流自动熔断的电阻，以便达到电流超载时，自动断开电路，防止功率管Q1短路造成的电磁开关的端子50一直得电，起动机不断电。

图8为本实施方式保护控制模块的组成结构图，保护控制模块123包括电压采集模块1231、电压比较模块1232、计时模块1233、计数模块1234和控制单元1235。本实施例中，电压采集模块1231包括第一电压采集模块12311和第二电压采集模块12312，第一电压采集模块12311通过端子312、电压检 测线路134与电磁开关的端子18连接，第二电压采集模块12312通过端子313、电压检测线路135与电磁开关的端子50连接，电压比较模块1232用于将电磁开关的端子18与电磁开关的端子50之间的压降与一设定电压降相比较，以判断电磁开关触点是否发生了闭合，其他细节及控制方法与第一实施例相同，此处不再赘述。

第四实施例

如图9所示，本实施例的继电器的结构与第一实施例的继电器的结构大致相同，不同之处在于：功率管Q1通过一电磁继电单元124连接在输入端子121与输出端子122之间。电磁继电单元124包括与电磁开关3的输入端子18相连接的第一触点1241；与输出端子122相连接的第二触点1242；以及与控制电源端子50c及功率管Q1连接的对第一触点124及第二触点125进行控制的线圈1243，也就是说，电磁继电单元124与背景技术中的控制继电器3基本相同。基于这样的结构设置，功率管Q1可以选择小规格的功率管。保护控制模块123的结构与第一实施例的保护控制模块123的结构相同，通过控制功率管Q1的导通截止控制线圈1243中电流的通断，从而控制电磁继电单元124的触点的闭合与断开，进而控制电磁开关的端子50通断电。

本实施例中，保护控制模块123的第一电压采集模块12311通过端子312、电压检测线路133与电机的输入端子19连接，保护控制模块123通过检测电机的输入端子19的电压来判断电磁开关是否发生了闭合。如果通电设定的时间T1后，判断出电机的输入端子19的电压(即电机输入端的电压)小于等于设定的电压U1，则判断电磁开关触点未闭合，则控制功率管Q1截止，电磁继电单元124的触点断开，电磁开关的端子50c断电，起动机退回初始位置。

本实施例继电器的其它结构及起动机的其他控制方法与第一实施例相同，此处不再赘述。

第五实施例

如图10所示，本实施例的继电器的结构与第四实施例的继电器的结构大致相同，主要区别为：保护控制模块123的第一电压采集模块12311通过端子312、电压检测线路134、137检测电磁开关的输入端子18的电压，通过判断电磁开关的输入端子18的电压的变化规律是否符合电磁开关闭合后电压的变 化规律，来判断电磁开关是否发生闭合，从而控制功率管Q1的导通与截止。其他构成及控制方法与第四实施相同，此处不再赘述。

第六实施例

如图11所示，本实施例的继电器的结构与第四实施例的继电器的结构大致相同，主要区别为：保护控制模块123的第一电压采集模块12311通过端子314和电压检测线路138检测控制电源端子50c的电压，即继电器50c端电压，通过判断继电器50c端电压的变化规律是否符合电磁开关闭合后电压的变化规律(如电磁开关触点闭合后，继电器50c端电压和电磁开关的电源端子18的电压会存在大幅度地降低)，来判断电磁开关是否发生闭合，从而控制功率管Q1的导通与截止，进而控制电磁开关的端子50的通断电。其他构成及控制方法与第四实施例相同，此处不再赘述。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。