汽车电子电气第03章起动机

第3章起动机nnn发动机的起动系一般由蓄电池、电流表、起动机、点火开关、继电器等组成。起动机的作用是将蓄电池的电能转变为机械能，驱动发动机使发动机起动，目前汽车上普遍使用的是电力起动机。起动机一般由直流串激式电动机、传动装置和控制机构（即电磁开关）组成。典型起动机的结构3.1起动机的结构及工作原理3.1.1直流电动机1.直流电动机的构造直流电动机主要由机壳、磁极、电枢、换向器及电刷等部分组成。（1）机壳（2）磁极磁极是由固定在机壳上的铁芯和装在铁芯上的磁场绕组组成。磁极的作用是建立电动机的电磁场。磁场绕组的接法a）四个绕组相互串联b）四个绕组两串两并（3）电枢电枢是产生转矩的核心部件，由外圆带槽的硅钢片叠成的铁芯和嵌装在铁芯槽内的电抠绕组组成。（4）换向器换向器的作用是连接磁场绕组、电枢绕组和电源，并保证电枢产生的电磁力矩方向不变，使电枢轴能输出固定方向的转矩。（5）电刷作用是将电流引入电动机。（6）端盖起动机有前后两个端盖。2.直流电动机的工作原理（1）基本原理直流电动机是将电能转变为机械能的设备，它是根据通电导体在磁场中受到电磁力作用这一基本原理进行工作的，其原理示意如图所示。（2）直流电动机的转矩nnnn直流电动机转矩的大小，与电枢电流及磁极磁通的乘积成正比，可由下式表示：M=CmIS式中,Cm——电机常数，与电动机的磁极对数P、电枢绕组总根数Z及电枢绕组电路的支路对数α有关（Cm=PZ/2πα）；IS——电枢电流；——磁极磁通。（3）转矩自动调节原理nnn在直流电动机通电时，产生电磁转矩，使电枢旋转，然而电枢旋转时，其绕组又会切割磁力线，按电磁感应理论，在电枢绕组中又会产生感应电动势，该电动势恰好与外加电枢电流方向相反，因此称为反电动势，其大小为：Ef=Cen式中Ce——与电机结构有关的常数（Ce=PZ/60α）；n——电动机转速。nnn由于反电动势的存在，直流电源加在电枢上的电压，一部分用来平衡反电动势，另一部分则降落在电枢绕组的电阻上，称为电压平衡方程式，即U=Ef+IsRs式中RS——电枢回路的电阻，它包括电枢绕组的电阻以及电刷与换向器的接触电阻。可求出电枢电流：UCenRs=UEfRsIs=nn当电动机的负载增加时，由于电枢轴上的阻力矩增大，电枢转速降低，而使反电动势随之减小，电枢电流则增大，因此，电动机转矩将随之增大，并且直到电动机的转矩增大到与阻力矩相等时为止，这时电动机将在新的负载下以新的较低的转速平稳运转。反之，当电动机的负载减小时，电枢转速上升，反电动势增大，则电枢电流减小，电动机转矩相应减小，直至电动机的转矩减小到与阻力矩相等时为止，电动机则在较高转速下稳定运转。可见，当负载发生变化时，电动机的转速、电流和转矩将会自动地作相应的变化，以满足负载的要求。这就是直流串激式电动机的转矩自动调节原理。3.1.2传动机构nnn传动机构包括单向离合器和拨叉等。单向离合器起着单向传递扭矩将发动机起动，同时又能在起动后自动打滑，以防止发动机起动后飞轮带动起动机电枢高速飞转而造成事故的作用。拨叉的作用是与移动衬套一起使单向离合器做轴向移动，将驱动齿轮与发动机飞轮啮合。常用的单向离合器有滚柱式、摩擦片式和弹簧式三种。1.滚柱式单向离合器滚柱式单向离合器2.摩擦片式单向离合器3.弹簧式单向离合器3.1.3电磁式控制装置nnn一般称之为起动机的电磁开关，它与电磁式拨叉合装在一起，利用挡铁控制起动机驱动齿轮与飞轮的啮合与分离。用按钮或钥匙控制电磁铁，再由电磁铁控制主电路开关，以接通或切断主电路。电磁开关主要由活动铁心、保持线圈、吸引线圈、接触盘、拨叉等组成。黄河JNl50型汽车用ST614型起动机n具体工作过程分析3.1.4起动机的特性1.直流串激式电动机的特性（1）转矩特性nnn转矩特性是指电动机的电磁转矩随电枢电流变化的关系，即M=f（IS）。由于串激式直流电动机的磁场绕组与电枢绕组串联，故电枢电流与激磁电流相等。在磁路未饱和时，磁通Φ与电枢电流IS成正比，即Ф=C1Is。所以电动机转矩为：M=CmФIS=CmC1IS2=CIS2式中,C——常数，C=CmC1；IS——电枢电流；n磁路饱和后：Ф=常数，电动机转矩为：M=CmФISn由上面两个公式可知，串激式直流电动机的电磁转矩在磁路未饱和时，与电枢电流的平方成正比；在磁路饱和后，磁通Φ几乎不变，电磁转矩才与电枢电流成线性关系，如图所示。n这是串激式直流电动机的一个重要特点，即在电枢电流相同的情况下串激式直流电动机的转矩要比并激式直流电动机大。特别在起动的瞬间，由于发动机的阻力矩很大，起动机处于完全制动的情况下，n=0，反电动势Ef＝0。此时电枢电流将达最大值（称为制动电流），产生最大转矩（称为制动转矩），从而使发电机易于起动。这是起动机采用串激电动机的主要原因之一。UIS(RS+RL)Cm（2）机械特性nnn电动机转速随转矩而变化的关系，称为机械特性，即=f（M）。在串激式直流电动机中，由电压平衡方程式可得：n=在磁路未饱和时，由于Φ不是常数，IS增大时Φ也增大，故转速n将随Is的增加而显著下降，又由于转矩M正比于电枢电流Is的平方，所以串激式直流电动机的转速随转矩的增加而迅速下降，如下图所示，即具有软的机械特性。nn由于串激直流电动机具有软的机械特性，即轻载时转速高、重载时转速低，故对起动发动机十分有利。因为重载时转速低，可使起动安全可靠，这是起动机采用串激式直流电动机的又一原因。串激直流电动机在轻载时转速很高，易造成电机“飞车”事故。因此对于功率较大的串激直流电动机不允许在轻载或空载下运行。2.起动机的特性曲线n起动机的转矩、转速、功率与电流的关系称为起动机的特性曲线，如图所示为QDl24型起动机的特性曲线。由图可见：nnnn发动机即将起动时，即起动机刚接入瞬间，此时＝0，电流最大(称为制动电流)，转矩也达最大值(称为制动扭矩)。在起动机空转时，电流Is最小(称为空转电流)，转速达最大值(称为空转转速)。在起动电流接近制动电流的一半时，起动机的功率最大。因此在完全制动(＝0)和空载(M=0)时起动机的功率都等于零。当电流为制动电流的一半时，起动机能发出最大功率。由于起动机运转时间很短，允许它以最大功率运转，所以把起动机的最大输出功率称为起动机的额定功率。3.2起动机基本参数的选择1.起动机功率的选择式中P——起动机功率，单位为kW；MQ——发动机的起动阻力矩，单位为N﹒m；nQ——最低起动转速，单位为r/min。nn发动机的起动阻力矩是指在最低起动转速时的发动机阻力矩。发动机的最低起动转速是指保证发动机可靠起动的曲轴最低转速。MQnQ9549.3P=2.传动比的选择nn最佳传动比的计算传动比的实际选择3.蓄电池容量的确定式中C——蓄电池额定容量，单位为A.h；P——起动机额定功率，单位为kW；U——起动机额定电压，单位为V。PUC=(600～800)3.4典型起动机的结构及工作原理3.4.1起动机的分类nnnn电磁控制强制啮合式电枢移动式齿轮移动式目前应用较多的是电磁控制磁性啮合式起动机。3.4.2电磁控制强制啮合式起动机1.丰田车用常规式起动机工作原理2.国产QDl24型起动机发动机起动时，将点火开关3旋至起动档位，起动继电器线圈有电流通过，吸下可动触点臂，使继电器触点闭合，从而接通了电磁开关线圈的电路。nnnn起动继电器触点l闭合，接通电磁开关电路。两个线圈的电流同方向产生合成电磁力将电磁铁心15吸入，在起动机缓慢转动之下，拨叉19推出滚柱式离合器20，使驱动齿轮21柔和地啮入飞轮齿环。当驱动齿轮与飞轮齿环接近完全啮合时，电磁铁心15推动接触盘10将起动机的主电路接通，起动机便以正常转速起动发动机。主电路接通时，吸引线圈13被短接，齿轮的啮合靠保持线圈14产生的电磁力维持在吸合位置。当发动机起动后，离合器开始打滑，松开点火开关钥匙即自动转回到点火档位，起动继电器线圈断电，触点1跳开，使电磁开关两个线圈串联，吸引线圈13流过反向电流，加速电磁力的消失。由于电磁开关电磁力迅速消失，电磁铁心15和活动杆11在回位弹簧作用下返回。接触盘10先离开主接线柱4、5，触头切断了起动机与蓄电池之间的电路，点火线圈附加电阻也随即接入点火系。最后拨叉将打滑的离合器拨回，驱动齿轮便脱离了飞轮齿环，起动机完成起动工作。3.4.3新型起动机1.电枢移动式起动机电枢移动式起动机的工作过程分为两个阶段，串联辅助励磁绕组主要在第一阶段工作，第二阶段中由于与主磁场绕组并联而几乎被短路；并联辅助励磁绕组则在两个阶段中都工作，不但可以增大吸引电抠的磁力，而且可以起限制空载转速的作用。2.减速式起动机nn减速式起动机与普通的带电磁开关的强制啮合式起动机没有本质的区别，只是在起动机电枢和驱动齿轮之间增加了一套减速机构，因此可将起动机电枢的工作转速设计得较高，然后通过减速机构使驱动齿轮的转速降低并使转矩增加。减速起动机的减速装置有内啮合式、外啮合式和行星齿轮式(同轴式)三种型式。（1）内啮合减速式起动机QD254减速起动机的工作原理（2）行星齿轮减速式起动机12VDW1.4型永磁减速式起动机行星齿轮减速装置的啮合关系（3）外啮合减速式起动机丰田车用减速式起动机的结构丰田车用减速式起动机的原理示意图3.5起动系统常见故障及诊断3.5.1起动机不转nn故障现象起动时，接通起动开关，起动机不转动，无动作迹象。故障原因2）起动机故障4）点火开关故障1）电源故障3）起动继电器故障5）起动系控制线路故障n故障诊断3.5.2起动机运转无力nnn故障现象起动时，驱动齿轮能啮人飞轮齿环，但起动机转速明显偏低甚至停转。故障原因1）电源故障2）起动机故障故障诊断3.5.3起动机空转nnn故障现象起动时，起动机转动，但发动机不转。故障原因单向离合器打滑；飞轮齿环的某一部分严重缺损。故障诊断3.5.4驱动齿轮与飞轮齿环撞击nnn故障现象起动时可听到驱动齿轮与飞轮齿环的金属碰击声，驱动齿轮不能啮入。故障原因电磁开关触点接通的时间过早，驱动齿轮在啮人以前就已高速旋转起来；飞轮环齿磨损严重或驱动齿轮磨损严重。故障诊断3.5.5电磁开关吸合不牢nnn故障现象起动时发动机不转，可听到驱动齿轮轴向来回窜动的声响。故障原因蓄电池亏电或起动机电源线路有接触不良之处；起动继电器的断开电压过高；电磁开关保持线圈断路、短路或搭铁。故障诊断3.6起动机的试验与调整3.6.1空载试验nn空载试验的目的是测量起动机的空载电流和空载转速并与标准值比较，以判断起动机内部有无电路和机械故障。将起动机夹在虎钳上，按下图接线。接通起动机电路（每次试验不要超过1min，以免起动机过热），起动机应运转均匀、电刷下无火花。记下电流表、电压表的读数，并用转速表测量起动机转速，其值应符合规定。若电流大于标准值，而转速低于标准值，表明起动机装配过紧或电枢绕组和磁场绕组内有短路或搭铁故障。若电流和转速都小于标准值，则表示起动机线路中有接触不良的地方（如电刷弹簧压力不足，换向器与电刷接触不良等）。3.6.2全制动试验nn全制动试验的目的是测量起动机在完全制动时所消耗的电流(制动电流)和制动力矩，以判断起动机主电路是否正常，并检查单向离合器是否打滑。将起动机夹持在试验台上，使杠杆的一端夹住起动机驱动齿轮的三个齿（见下图）。按下开关K起动机通电，呈现制动状态，观察单向离合器是否打滑并迅速记下电流表、电压表及弹簧秤的读数，其值均应符规定。若制动力矩小于标准值而电流大于标准值，则表明磁场绕组或电枢绕组中有短路和搭铁故障；若力矩和电流都小于标准值，表明线路中接触电阻过大；若驱动齿轮锁止而电枢轴有缓慢转动，则说明单向离合器有打滑现象。思考题与习题1.起动机一般有哪几部分组成?各部分的作用是什么?2.直流电动机的基本组成是什么？以及工作过程如何?3.串激式直流电动机负载变化时是如何自动调节转矩的?4.汽车起动机为什么要采用直流串激式电动机?5.起动机特性有哪些？影响起动机功率的因素有哪些?6.试述电磁操纵强制啮合式起动机的工作原理。7.起动机常见的几种单向离合器有