汽车电气设备与维修第4章

1项目四启动系统的检修任务1启动机的检修任务2启动系统的故障诊断拓展知识项目小结2【学习目标】(1)能认识启动系统各元件及其在汽车上的安装位置。(2)掌握启动机的结构、工作原理和特性。(3)掌握启动机的控制过程及控制电路。(4)能进行启动机的拆装、检测与分析。(5)掌握启动系统的线路连接，能够排除启动系统的故障。3起动机\起动.swf【概述】要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须用外力转动发动机的曲轴，使气缸内吸入(或形成)可燃混合气并燃烧膨胀，工作循环才能自动进行。曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。启动系统4发动机起动的方法很多，汽车发动机常用的电动机起动是用电动机作为机械动力，当将电动机轴上的齿轮与发动机飞轮周缘的齿圈啮合时，动力就传到飞轮和曲轴，使之旋转。电动机本身又用蓄电池作为能源。目前绝大多数汽车发动机都采用电动机起动。电力启动在现代汽车上得到了广泛应用，启动系统的作用就是通过启动机将蓄电池的电能转换成机械运动来启动发动机，发动机启动之后，启动机便立即停止工作。51．启动系统的组成目前汽车上的启动系统一般由蓄电池、启动机和启动控制电路组成，如图4.1所示。启动控制电路包括启动按钮或开关、启动继电器、电磁开关等。启动机是启动系统的核心部件。启动开关的作用是接通启动机电磁开关电路，使电磁开关通电工作。汽油发动机的启动开关与点火开关组合在一起，即点火开关设有启动挡。一些汽车的启动机控制电路中装有启动继电器，由启动继电器触点的开闭控制启动机电磁开关电路的通断，启动开关只是控制启动继电器线圈电路的通断，减小了通过启动开关的电流。6一、起动机组成7图4.1启动系统的组成82．启动机的分类1)按电动机磁场产生的方式分类(1)励磁式启动机：通过向励磁绕组通电产生磁场。汽车上的启动机普遍都采用直流串励式电动机。(2)永磁式启动机：以永久磁铁作为磁极产生磁场。由于磁极采用永磁材料支撑，不需要磁场绕组，所以电动机结构简化，体积小、质量轻。92)按启动时启动机的操纵方式分类(1)直接操纵式启动机：由驾驶者通过脚踏启动踏板或手拉启动拉杆直接操纵拨叉，使启动机驱动齿轮轴向移动而啮入飞轮齿圈，并通过固定在操纵杆上顶压螺钉推动推杆，使启动机上的接触盘式开关接通电动机电路。这种方式现在已很少采用。(2)电磁操纵式启动机：由电磁开关通电后产生的电磁力控制驱动齿轮啮入飞轮齿圈和接通电动机电路。这种方式可实现远距离控制，操作方便，在现代汽车上普遍采用。103)按传动机构啮合方式分类(1)强制啮合式启动机：利用电磁力拉动杠杆机构，使驱动齿轮强制啮入飞轮齿圈。这种启动机工作可靠性高，结构也不复杂，因此在现代汽车上广泛采用。(2)电枢移动式启动机：利用磁极产生的电磁力使电枢产生轴向移动，带动固定在电枢轴上的驱动齿轮啮入飞轮齿圈。它的特点是结构比较复杂，主要用于采用大功率发动机的汽车，如太脱拉T138、斯柯达706R等。(3)齿轮移动式启动机：利用电磁开关推动安装在电枢轴孔内的啮合杆，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈。其结构也比较复杂，采用这种结构的一般是大功率的启动机。11(4)减速式启动机：也是利用电磁吸力推动单向离合器，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈的。它的结构特点是在电枢和驱动齿轮之间装有一组减速齿轮，提高了启动机的启动转矩。它具有结构尺寸小、质量轻、启动可靠等优点，在一些轿车上应用日渐增多。12二、启动机的构造和型号1．启动机的构造启动机由直流电动机、传动机构和控制装置三大部分组成。启动机总成如图4.2所示。起动机\起动机.wmv13图4.2启动机总成14(1)直流电动机：用于将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生电磁转矩。汽车启动机一般均采用直流串励式电动机。“串励”是指电枢绕组与磁场绕组串联。(2)传动机构：其作用是在发动机启动时，使启动机的驱动齿轮与飞轮齿圈啮合，将电动机的转矩传递给发动机曲轴；在发动机启动后，又能使启动机驱动齿轮与飞轮齿圈脱离。(3)控制装置：又称电磁开关，其作用是接通和切断电动机与蓄电池之间的电路；对于某些汽油发动机，还兼有在启动时短路点火线圈附加电阻的作用。15不同类型的汽车上使用的启动机尽管形式不同，但其直流电动机部分基本相似，主要的区别在于传动机构和控制装置。起动机\起动机结构.swf162．启动机的型号根据中华人民共和国行业标准QC/T73－1993《汽车电气设备产品型号编制方法》规定，国产启动机的型号表示如下：(1)产品代号：启动机的产品代号QD、QDJ、QDY分别表示启动机、减速启动机及永磁启动机。(2)电压等级代号：用一位阿拉伯数字表示，1表示12V；2表示24V；6表示6V。(3)功率等级代号：用一位阿拉伯数字表示，其含义见表4.1。17(4)设计序号：按产品设计先后顺序，以1位或2位阿拉伯数字表示。(5)变型代号：在主要电器参数和基本结构不变的情况下，一般电器参数的变化和某些结构改变称为变型，以大写字母A、B、C等表示。18表4.1启动机功率等级代号功率等级代号123456789功率/kW0～11～22～33～44～55～66～77～88～9例如，QD124型表示额定电压为12V，功率为1kW～2kW，第四次设计的启动机。19三、直流电动机1．串励式直流电动机的结构汽车启动机一般均采用串励式直流电动机。串励式直流电动机是启动机最主要的组成部件，它的工作原理和特性决定了启动机的工作原理和特性。直流电动机主要由电枢、磁极、电刷及机壳等部件组成，如图4.3所示。其中，电枢绕组与磁场绕组串联的直流电动机称为串励式直流电动机。20图4.3直流电动机的构造211)电枢电枢是直流电动机的旋转部分，由电枢轴、换向器、电枢铁芯、电枢绕组等组成，电枢的结构如图4.4所示。它的作用是通入电流后，在磁极磁场的作用下产生电磁转矩。电枢铁芯用多片互相绝缘的硅钢片叠成，通过内圆花键固定在电枢轴上，外圆槽内绕有电枢绕组。为了得到较大的转矩，流经电枢绕组的电流很大，一般为200A～600A，因此电枢绕组采用横截面积较大的矩形裸铜线绕制。22电枢绕组各线圈的端头均焊接在换向器的换向片上，通过换向器和电刷将蓄电池的电流引进来，并适时地改变电枢绕组中电流的方向。换向器由铜质换向片和云母片叠压而成，压装于电枢轴的一端。云母片使换向片间、换向片与轴之间均绝缘，如图4.5所示。23图4.4电枢的结构24图4.5换向器的结构252)磁极磁极的作用是产生电枢转动时所需要的磁场，它由铁芯和磁场绕组构成，并通过螺钉固定在机壳内部，形成的磁路如图4.6所示。一般采用四个磁极，大功率启动机有时采用六个磁极。磁场绕组也是用粗扁铜线绕制而成的，与电枢绕组串联。四个励磁绕组的连接方式有两种：一种是四个绕组串联后再与电枢绕组串联；另一种是两个绕组分别串联后并联，然后再与电枢绕组串联，如图4.7所示。励磁绕组一端接在外壳的绝缘接线柱上，另一端与两个非搭铁电刷相连。26图4.6电动机的磁路27图4.7磁场绕组的连接方式283)电刷组件电刷组件的功用是将电源电压引入电枢绕组，主要由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，如图4.8所示。电刷和换向器配合使用以连接磁场绕组和电枢绕组的电路，并使电枢轴上的电磁力矩保持固定方向。电刷用铜粉与石墨粉压制而成，电刷架固定在电刷端盖上，电刷安放在电刷架内。以四磁极电动机为例，其中两个电刷与机壳绝缘，电流通过这两个电刷进入电枢绕组；另外两个为搭铁电刷，通过电枢绕组的电流通过这两个电刷搭铁。29图4.8电刷组件304)机壳启动机的机壳是电动机的磁极和电枢的安装机体，大多数一端有四个检查窗口，便于进行电刷和换向器的维护。机壳中部有一个电流输入接线柱，并在内部与励磁绕组的一端相连。启动机一般采用青铜石墨轴承或铁基含油滑动轴承。减速启动机由于电枢的转速较高，采用滚柱轴承或滚珠轴承。电刷装在前端盖内，后端盖上有拨叉座，盖口有凸缘和安装螺孔，还有拧紧中间轴承板的螺钉孔。312．串励式直流电动机的工作原理1)电磁转矩的产生直流电动机是根据通电导体在磁场中受电磁力作用而发生运动的原理制成的，其工作原理如图4.9所示。3233式中，Cm为电动机的转矩常数，取决于电动机的结构。Cm与电动机磁极对数P、电枢绕组导线总根数Z及电枢绕组电路的支路对数a有关，即Cm = PZ/(2a)。3435式中，Ce为电动机的电动势常数。因为反电动势方向与电源电压方向相反，所以在电动机工作时，电枢回路的电压平衡方程式为U = Ef + IsRs363．启动用直流电动机的特性直流电动机的转矩、转速和功率随电枢电流变化的规律，称为直流电动机的工作特性。图4.10所示为串励式直流电动机的工作特性曲线，其中，曲线M、n和P分别代表转矩特性、机械特性和功率特性。启动机的特性取决于直流电动机的特性，而串励式直流电动机特性的特点是启动转矩大，机械特性软。37图4.10串励式直流电动机的工作特性曲线381)转矩特性电动机产生的电磁转矩M随电枢电流Is变化的关系称为转矩特性。电动机产生的电磁转矩与电枢电流和磁极磁通量成正比(M = Cms)。对于串励式直流电动机，磁场绕组的励磁电流Ij=Is，而磁极磁通量Φ在磁极未饱和时与励磁电流Ij成正比(Φ = CIj)，于是就有：M = CmsCIf = C′Is239三、起动机的工作特性1、转矩特性40图4.11串励式直流电动机的转矩特性41串励式直流电动机的转矩特性曲线如图4.11所示。在磁路未饱和时，电磁转矩M与电枢电流Is的平方成正比；在磁路饱和时，电磁转矩M与电枢电流Is成正比。与并励式直流电动机相比，在相同电枢电流Is的情况下，串励式直流电动机可以产生较大的电磁转矩，特别是在发动机启动瞬间，由于阻力矩很大，启动机处于完全制动状态，电枢转速为零，因此电枢电流达到最大值。此时电枢电流所产生的转矩很大，足以克服发动机的阻力矩，使发动机启动。这就是汽车启动机采用串励式直流电动机的主要原因之一。422)机械特性电动机的转速n随电磁转矩M而变化的关系称为机械特性。根据电枢绕组反电动势的关系式Ef = Cen和电动机电路电压平衡关系式U = Ef + IsRs + IsRj(其中，Rj为磁场绕组电阻)可得到串励式直流电动机的转速n与电枢电流Is的关系为ssje()UIRRnC43四、起动机的工作特性2、机械特性44图4.12串励式直流电动机的机械特性45串励式电动机在磁极未饱和时，将随Is的增大而增大，同时IsRs + IsRj也增大，因此电枢转速n随Is(M)的增大下降较快，具有软的机械特性。串励式直流电动机的机械特性曲线如图4.12所示。从机械特性可以看出，串励式直流电动机具有轻载转速高、重载转速低的特性。重载转速低可以保证电动机在启动时(重载)不会超出允许的功率而烧毁，使启动安全可靠。但功率较大的串励式电动机不可在轻载或空载情况下长时间使用。463)功率特性电动机的输出功率P随电枢电流Is的变化规律称为功率特性。电动机的输出功率P由电动机电磁转矩M和转速n来确定，即9550MnP47由此可知，在全制动(n = 0)和空载(M = 0)时，电动机的输出功率均为0，而在电枢电流接近全制动电流一半时，其输出功率最大，其功率特性曲线如图4.10所示。启动机工作时间短，允许以最大功率状态工作，因此启动机的额定功率一般也就是电动机的最大功率或接近于最大功率。48四、起动机的工作特性3、功率及影响因素49四、启动机的传动机构和控制装置1．启动机的传动机构启动机的传动机构是启动机的主要组成部件，它包括单向离合器和拨叉两个部分。拨叉的作用是使离合器做轴向移动，将驱动齿轮啮入和脱离飞轮齿圈。电磁式拨叉的结构如图4.13所示。线圈通电时，产生的电磁力将铁芯吸入，于是带动拨叉转动，由拨叉头推出离合器，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈；线圈断电时，电磁力消失，在回位弹簧的作用下，铁芯退出，拨叉返回，拨叉头将打滑工况下的离合器拨回，驱动齿轮脱离飞轮齿圈。50图4.13电磁式拨叉的结构51单向离合器的作用是将电动机的电磁转矩传递给发动机的飞轮齿圈