汽车电气技术(XXXX)4

汽车电气技术（4）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（秋）第三章起动机汽车发动机不能自己起动，它必须靠外力带动曲轴来帮助起动，即依靠外力拖动，使发动机依靠自身运转的惯性而进入连续不断地吸气、压缩、燃烧、排气运行循环时，发动机才能视为完全起动。发动机的起动系统一般由蓄电池、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，驱动发动机使其起动。在各种各样的起动装置中，目前汽车上普遍使用的是电力起动机，它是采用装有电磁开关的电动机作为起动动力的。起动机一般由三部分组成：(1)直流串励式电动机其作用是产生转矩，即将蓄电池的电能转变为机械能的装置。(2)传动机构其作用是在发动机起动时，使起动机驱动齿轮啮入飞轮齿环，将起动机转矩传给发动机曲轴；而在发动机起动后，使驱动齿轮自动打滑，避免起动机发生电枢飞散的“飞车”事故。(3)控制装置（即电磁开关）用来接通和切断电动机与蓄电池之间的电路，控制起动机驱动齿轮与发动机飞轮的啮合与分离。在有些汽油机上，还具有接入和隔除点火线圈附加电阻的作用。典型起动机的结构1-后端盖2-拔叉3-保持线圈4-吸引线圈5-电磁开关6-触点7-接线柱8-接触盘9-前端盖10-电刷弹簧11-换向器12-电刷13-机壳14-磁极15-电枢16-磁场绕组17-移动衬套18-单向离合器19-电枢轴20-驱动齿轮第一节起动机的结构及工作原理一、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)机壳用钢管制成，一端开有窗口，作为观察电刷与换向器工作之用，平时用防尘箍盖住。机壳上只有一个电流输入接线柱并在内部与磁场绕组的一端相接。壳内装有磁极。(2)磁极磁极是由固定在机壳上的铁心和装在铁心上的磁场绕组组成。磁极的作用是建立电动机的电磁场。一般装有4个（2对）磁极，在大功率起动机中，为增大起动机的电磁力矩，有的装有6个（3对）磁极。磁场绕组采用较粗的矩形裸铜线绕制，其产生的磁极相互交错。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1-绝缘接线柱2-磁场绕组3-绝缘电刷4-搭铁电刷5-换向器(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心和嵌装在铁心槽内的电枢绕组组成。转子铁心与电枢轴为过盈配合。电枢绕组采用矩形裸铜线绕制，可满足几百安培起动电流的要求；汽车起动机上的电枢绕组和磁场绕组一般采用串励方式励磁。(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。它由许多截面呈燕尾形的铜片围合而成，铜片嵌在换向器轴套和压环组成的槽中，铜片之间以及铜片与轴套、压环之间均用云母绝缘。铜片一端有焊接电枢绕组线头的凸缘。(5)电刷电刷的作用是将电流引入电动机。一般有4个电刷架，固定在前端盖上。其中，两个电刷架与端盖绝缘，称为绝缘电刷架；另外两个电刷架与端盖直接铆合而搭铁，称为搭铁电刷架。电刷由铜与石墨粉压制而成，加入铜是为了减少电阻并增加耐磨性。电刷装在电刷架中，借助弹簧压力将其紧压在换向器上。(6)端盖起动机有前后两个端盖。前端盖一般用钢板压制而成，其上装有4个电刷架，后端盖由灰铸铁浇铸而成。它们分别装在机壳的两端，靠两个长螺栓与电动机机壳固定在一起。两端盖内均装有青铜石墨轴承套或铁基含油轴承套，以支承电枢轴。2．直流电动机的工作原理和转矩(1)工作原理直流电动机是将电能转变为机械能的设备，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。a)线匝中电流方向为a→db)线匝中电流方向为d→a电动机的电刷与直流电源相接，电流由正电刷和换向片A输入，经电枢绕组后从换向片B和负电刷流出。此时绕组中的电流方向为由a→d，由左手定则可以确定导体ab受向左的作用力F1，cd受向右的作用力F2，且F1与F2相等，整个绕组受到逆时针方向的转矩作用而转动。当电枢转过半周，换向片B与正电刷接触，换向片A则与负电刷接触，绕组中的电流方向变为由d→a，因而在N极和s极下面导体中的电流方向总是保持不变，电磁转矩的方向也就不变，使电枢受转矩作用仍按逆时针方向转动。这样在电源连续对电动机供电时，电枢就不停地按同一方向转动。由于一个线圈所产生的转矩太小，转速又不稳定，因此实际电动机的电枢采用多匝线圈，换向片的数量随绕组匝数的增多而增加。(2)转矩由电磁理论可以推证，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，即式中Cm——电动机常数，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；Is——电枢电流；Φ——磁极磁通。由上述公式可知，欲增大电动机的转矩，应增大其电枢电流或增强其磁通。(3)转矩自动调节原理在直流电动机通电时，产生电磁转矩使电枢旋转，电枢旋转时，其绕组又会切割磁力线，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，称为反电动势，其大小为n——电动机转速；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，即式中Ce——与电动机有关的常数；式中Rs——电枢回路的电阻，包括电枢绕组的电阻以及电刷与换向器的接触电阻。（电压平衡方程式）由电压平衡方程式，可求出电枢电流Is为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。这就是直流串励式电动机的转矩自动调节原理。二、传动机构传动机构包括单向离合器和拨叉等。单向离合器单向传递转矩将发动机起动，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。拨叉的作用是与移动衬套一起使单向离合器作轴向移动，将驱动齿轮与发动机飞轮啮合。1．滚柱式单向离合器滚柱式单向离合器是目前国内外汽车起动机中使用最多的一种。驱动齿轮1采用40中碳钢加工后淬火而成，与外壳连成一体，外壳内装有十字块3和四套滚柱4及弹簧，十字块与花键套筒固联，护盖7与外壳相互扣合密封。花键套筒的外面套有缓冲弹簧及移动衬套，末端固装着拨叉与卡圈。整个单向离合器总成利用花键套筒套装在起动机轴的花键部位上，可以作轴向移动和随轴转动。滚柱式单向离合器1-驱动齿轮3-十字块5-压帽与弹簧7-护盖9-弹簧座11-移动衬套2-外壳4-滚柱6-垫圈8-花键套筒10-缓冲弹簧12-卡簧单向离合器的外壳与十字块之间的间隙为宽窄不同的楔形槽。这种离合器就是通过改变滚柱在楔形槽中的位置来实现离合的。发动机起动时，传动拨叉将单向离合器沿花键推出，驱动齿轮啮入发动机飞轮齿环。此时电枢转动，十字块随电枢一起旋转，滚柱滚入楔形槽窄的一侧而卡住，于是转矩传给驱动齿轮，从而传递转矩，驱动曲轴旋转。发动机起动后，曲轴转速增高，飞轮齿环带动驱动齿轮旋转，速度大于十字块时，滚柱便滚入楔形槽的宽处而打滑。这样，转矩就不能从驱动齿轮传给电枢，从而防止了电枢超速飞散的危险。滚柱式单向离合器结构简单，坚固耐用，工作可靠，但在传递较大转矩时容易卡住，故不能用于大功率起动机，而在中、小功率的起动机中得到广泛的应用。2．摩擦片式单向离合器大功率的起动机上多采用摩擦片式单向离合器，它是通过摩擦片的压紧和放松来实现离合的。摩擦片式单向离合器的外接合鼓1用半圆键固定在起动机轴上，两个弹性圈2和压环3依次沿起动机轴装进外接合鼓中，青铜主动片4的外凸齿装入外接合鼓的切槽中，钢制的从动片5以其内齿插入内接合鼓6的切槽中。内接合鼓具有螺纹孔并旋在起动机驱动齿轮柄9的三线螺纹上，齿轮柄则自由地套在起动机轴上，内垫有减振弹簧8，并用螺母锁紧以免从轴上脱落。内接合鼓6上具有两个小弹簧7，轻压各片，以保证它们彼此接触。摩擦片式单向离合器1-外接合鼓2-弹性圈3-压环4-主动片5-从动片6-内接合鼓7-小弹簧8-减振弹簧9-齿轮柄10-驱动齿轮11-飞轮当起动机带动曲轴旋转时，内接合鼓沿螺旋线向右移动，将摩擦片压紧，利用摩擦力将电枢的转矩传给飞轮。发动机起动后，起动机驱动齿轮被飞轮带动旋转，当其转速超过电枢转速时，内接合鼓则沿着螺旋线向左退出，摩擦片松开，这时驱动齿轮虽高速旋转，但不驱动电枢，从而避免了电枢超速飞散的危险。摩擦片式单向离合器所传递的最大转矩是由于内接合鼓6顶住弹性圈而被限制的，因此，在压环与摩擦片之间加减薄垫片即可调整最大转矩。3．弹簧式单向离合器这种单向离合器具有结构简单、工艺简化、寿命长、成本低等优点。但因扭力弹簧圈数多，轴向尺寸较长，故只适用于大功率柴油机的起动，而不适宜在小型起动机上装用。弹簧式单向离合器1-驱动齿轮2-挡圈3-月牙形圈4-扭力弹簧5-护圈6-套筒7-垫圈8-缓冲弹簧9-移动衬套10-卡簧起动机驱动齿轮套在起动机电枢轴的光滑部分，联接套筒6套在电枢轴的螺旋花键上，两者之间由两个月牙形圈3连接。月牙形圈的作用是使驱动齿轮与联接套筒之间不能作轴向移动，但可相对转动。在驱动齿轮柄和联接套筒6上包有扭力弹簧4，扭力弹簧的两端各有1/4圈内径较小，并分别箍紧在齿轮柄和联接套筒上。当起动机带动曲轴旋转时，扭力弹簧扭紧，包紧齿轮柄与联接套筒，于是电枢的转矩通过扭力弹簧4、驱动齿轮1传至飞轮齿环，使发动机起动。发动机起动后，驱动齿轮的转速高于起动机电枢，则扭力弹簧放松，这样飞轮齿圈的转矩便不能传给电枢，即驱动齿轮1只能在电枢轴的光滑部分上空转，以避免电枢发生超速飞散的危险。三、电磁式控制装置一般称电磁式控制装置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。可进行远距离控制，操作省力，现代汽车大都采用这种方式。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。下面以黄河JN150型汽车用ST614型起动机为例，说明电磁开关的工作原理。当合上起动总开关9，按下起动按钮8时，吸引线圈6和保持线圈5的电路接通。其电路如下：蓄电池正极→接线柱14→电流表16→熔丝10→起动总开关9→起动按钮8→接线柱7→［保持线圈5→搭铁→蓄电池负极。］［吸引线圈6→接线柱15→起动机磁场绕组→电枢绕组→搭铁→蓄电池负极。］这种电磁开关是利用挡铁与电磁铁心之间一定的气隙，保证驱动齿轮先部分啮人飞轮齿环后，才接通起动主电路。它具有操作轻便、工作可靠的优点。ST614型起动机电磁开关的结构原理1-驱动齿轮2-回位弹簧3-拨叉4-活动铁心5-保持线圈6-吸引线圈7-接线柱8-起动按扭9-起动总开关10-熔丝11-黄铜套12-挡铁13-接触盘14、15-接线柱16-电流表17-蓄电池18-起动机这时活动铁心4在两个线圈电磁吸力的共同作用下，克服回位弹簧2的弹力而向右移动，带动拨叉3将驱动齿轮1推出与飞轮齿环啮合。这时由于吸引线圈的电流流经磁场绕组和电枢绕组，产生一定的电磁转矩，所以驱动齿轮是在缓慢旋转的过程中啮合的。当驱动齿轮完全啮合时，接触盘13将接线柱14、15刚好接通，于是蓄电池的大电流流经起动机的电枢绕组和磁场绕组，产生正常的转矩，带动发动机旋转，起动发动机。与此同时，吸引线圈被短路，齿轮的啮合位置由保持线圈5的吸力来保持。当发动机起动后，松开起动按钮瞬间，保持线圈中的电流只能经吸引线圈构成回路。由于此时两线圈所产生的磁通方向相反，磁力相互抵消，于是活动铁心在回位弹簧的作用下回至原位，驱动齿轮退出啮合，接触盘13脱离接触，切断起动电路，起动机停止运转。四、起动机特性1．直流串励式电动机特性(1)转矩特性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(Ia)。由于串励式直流电动机的磁场绕组与