汽车启动电机的结构与工作原理

1汽车起动机的结构与工作原理前言在工作过程中就曾接触到汽车起动机，了解车辆对发动机起动机的工作要求，但是对汽车起动机的结构和工作原理并不清楚，借谭老师布置作业的这个机会，最近比较系统的查阅了汽车起动机的相关课件和参考书，了解了汽车起动机的结构及工作原理。汽车起动机由直流电机、传动装置和控制装置组成，直流电机没有特殊之处，比较容易理解，传动装置和控制装置结构较为特殊，本文重点整理了所查阅的汽车起动机的传动装置和控制装置的相关资料。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。汽车发动机常用的起动方式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。起动机一般由直流电动机、传动机构、控制装置三部分组成。图1起动机1.直流电动机直流电动机在直流电压的作用下，产生旋转力矩。直流电动机主要由电枢、磁极、电刷、电刷架及壳体等部件组成。1.1电枢电枢是直流电动机的转子部分，用来将电能转变为机械能，即在起动机通电时，与磁场相互作用而产生电磁转矩。21.2磁极磁极是直流电动机的定子部分，用来产生电动机运转所必须的磁场，它由磁极铁心、安装在铁心上的励磁绕组及机壳组成。1.3电刷与电刷架电刷用铜和石墨粉压制而成，一般含铜80％～90％，石墨10％～20％，以减小电刷电阻并增加其耐磨性。一般起动机电刷个数等于磁极个数，也有的大功率起动机电刷个数等于磁极个数的2倍，以便减小电刷上的电流密度。2.传动装置普通起动机传动装置中的主要组成部件是单向离合器，单向离合器的作用是起动时将电枢的电磁转矩传递给发动机飞轮，而在发动机起动后，就立即打滑，以防止发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而损坏起动机。起动机单向离合器常见的有滚柱式、摩擦片式、扭簧式等几种形式。2.1滚柱式单向离合器（1）结构特点滚柱式单向离合器的外壳2与驱动齿轮1连为一体，外壳和十字块3装配后形成四个楔形槽，槽中有四个滚柱，滚柱的直径大于槽窄端又小于槽宽端，弹簧将滚柱推向槽窄端，使得滚柱与十字块及外壳表面有较小的摩擦力。十字块与传动套筒8刚性连接，传动套筒安装在电枢轴花键部位，使单向离合器总成可作轴向移动和随轴转动。图2滚柱式单向离合器（2）工作原理起动时，电枢轴通过花键带动传动套筒而使十字块转动，十字块相对于外壳作顺时针转动，使滚柱在小摩擦力的作用下滚向槽窄端而被卡紧，外壳即随十字块一起转动，电动机的电磁转矩便通过单向离合器传递给了驱动齿轮。发动机一旦发动，发动机飞轮3带动驱动齿轮旋转，使外壳的转速高于十字块，十字块相对于外壳逆时针转动，使滚柱滚向槽宽端而打滑，从而避免了发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而损坏起动机。2.2弹簧式单向离合器（1）结构特点如图3所示。主动套筒套在电枢轴的花键上，小齿轮套筒则套在电枢轴前端的光滑部分。在对接处有两个月牙形圈，使两者只能做相对转动而不能做轴向移动。在小齿轮套筒与主动套筒的外圆上包有扭力弹簧，扭力弹簧的内径略小于两套筒的外径，因而具有一定的过盈量（0.25～0.5mm）。在主动套筒上用垫圈封闭传动弹簧，外侧再装缓冲弹簧和固连拨环。图3弹簧式单向离合器（2）工作原理起动发动机时，由于拨叉推动拨环使驱动小齿轮啮入飞轮齿圈，起动机转轴带动花键套筒即主动套筒旋转，使扭力弹簧顺向扭紧并箍死两个套筒，于是就能传递扭矩。发动机起动后，由于飞轮带着驱动齿轮的转速高于起动机轴，将扭力弹簧作反向放松，使驱动齿轮套筒与主动套筒松脱而打滑，从而避免了超速运转的危险。这种离合器具有结构简单、工艺简化、寿命长、成本低等优点，但因扭力弹簧所需圈数多，轴向尺寸较长，故适用于起动柴油机所需的大功率起动机，而不适宜在小型起动机上采用。2.3摩擦片式单向离合器（1）结构特点摩擦片式离合器的外接合鼓1用半月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，钢制的被动片5以其内齿插入内接合鼓6的切槽中。内接合鼓具有螺线孔并旋在起动机驱动齿轮柄9的三线螺纹上，4齿轮柄则自由地套在起动机轴上，内垫有减震弹簧8并用螺母锁着，以免从轴上脱落，内接合鼓6上具有两个小弹簧轻压诸片，以保证它们彼此接触，如图4所示。（a）结构（b）压紧（c）松开1-外接合鼓2-弹性圈3-压环4-主动片5-被动片6-内接合鼓7-小弹簧8-减震弹簧9-齿轮炳10-驱动齿轮11-飞轮图4摩擦片式单向离合器（2）工作原理起动机工作时，内接合鼓沿螺旋槽向右移动，将摩擦片压紧，如图4（b）所示，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，当其转速超过电枢轴转速时，内接合鼓则沿螺旋槽向左退出，摩擦片松开，如图4（c）所示，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的危险。如果起动机超载时，弹性圈在压环的突缘压力下而弯曲，直至内接合鼓的端部顶住弹性圈，此时离合器即打滑，能避免起动机在过载情况下的损坏。摩擦片式离合器虽有传递大转矩，防止超载损坏起动机的优点，但由于摩擦片易磨损而影响起动机性能，需经常检查、调整或更换。同时结构也比较复杂，耗用材料较多，加工费时，修理麻烦。3.控制装置控制装置的作用是控制起动机主电路的通、断和驱动齿轮的移出和退回。3.1开关直接控制起动系开关直接控制起动系是指起动机由点火开关或起动按钮直接控制，起动功率较小的汽车（如长安奥拓，天津夏利轿车）常用这种控制形式。其结构原理如下图所示。51-驱动齿轮2-复位弹簧3-拨叉4-活动铁芯5-保持线圈6-吸引线圈7-接线柱8-起动按钮9-起动总开关10-熔断丝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-起动机图5开关直接控制起动系当合上起动机总开关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—熔断丝10—起动总开关9—起动按钮8—接线柱7，然后分两路，一路为保持线圈5—搭铁—蓄电池负极。另一路为吸引线圈6—接线柱15—起动机磁场绕组—电枢绕组—搭铁—蓄电池负极。这时活动铁芯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便将小齿轮回推出与飞轮齿圈啮合。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。所以小齿轮是在缓慢旋转的过程中啮合的。当齿轮啮合好后，接触盘13将触头14、15接通，于是蓄电池的大电流流经起动机的电枢和磁场绕组，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。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而相互抵消，于是活动铁芯在复位弹簧的作用下回至原位，小齿轮在回位弹簧的作用下退出啮合，接触盘13脱离接触，切断起动电路，起动机停止运转。这种电磁开关是利用挡铁与电磁铁芯之间的一定气隙，保证驱动齿轮先部分啮入飞轮齿环后，才接通起动主电路。它具有操作轻便、工作可靠的优点。3.2起动继电器控制系起动继电器控制是指用起动继电器触点控制起动机电磁开关的大电流，而用点火开关或起动按钮控制继电器线圈的小电流，如图6所示。起动继电器的作用就是以小电流控制大电流，保护点火开关，减少起动机电磁开关线路压降。61-起动继电器触点2-启动继电器线圈3-点火开关4、5起动机开关接线柱6-点火线圈附加电阻短路接线柱7-导电片8-接线柱9-起动机接线柱10-接触盘11-推杆12-固定铁芯13-吸引线圈14-保持线圈15-活动铁芯16-复位弹簧17-调节螺钉18-连接片19-拨叉20-定位螺钉21-滚柱式单向离合器22-驱动齿轮23-限位螺母24-附加电阻线图6起动继电器控制系1．起动开关（点火开关起动挡）接通时（1）起动继电器触点闭合，电磁开关电路接通继电器的电路是：蓄电池—点火开关—继电器的线圈—搭铁。由于电流通过继电器线圈使其产生磁场，在电磁力的作用下触点闭合，于是就接通了电磁开关中吸引线圈和保持线圈的电路。吸引线圈的电路是：蓄电池—继电器“电池”接线柱、支架、触点、“起动机”接线柱—起动机的接线柱“9”—吸引线圈—起动机开关接柱5—起动机磁场绕组、电枢绕组—搭铁。保持线圈的电路是：起动机的接柱“9”—保持线圈—搭铁。此时驱动齿轮与飞轮的接触情况如图7（a）所示。7（a）初始状态齿轮分离（b）齿轮进入啮合（c）驱动飞轮旋转图7起动机的工作过程（2）驱动齿轮与飞轮啮合电流通过吸引线圈和保持线圈后，由于两者产生的磁场方向一致，磁场增强，磁化固定铁芯产生吸力，活动铁芯前移，使接触盘接通电动机开关。同时活动铁芯的后端通过耳环带动拨叉上端前移、下端后移，迫使驱动齿轮伸出。当驱动齿轮与飞轮齿环发生抵触现象时，拨叉下端可推动滑环后半环压缩弹簧继续后移，使电动机开关接通，使电枢轴稍微转动，驱动齿轮与飞轮齿槽对正时，就可使驱动齿轮与飞轮啮合。此时驱动齿轮与飞轮的接触情况如图7（b）所示。（3）电动机开关接通并带动发动机旋转接触盘将电动机开关接柱“4”和“5”接通后，电动机电路接通，其电路是：蓄电池—电动机开关—接触盘磁场绕组—电枢绕组—搭铁。由于此电路中电阻很小，电流可达几百安培，使电动机产生较大的转矩，经离合器带动发动机起动，此时驱动齿轮与飞轮的接触情况如图7（c）所示。电动机开关接通时，吸引线圈被短路，活动铁芯依靠保持线圈的磁力使其保持在吸合位置。另外在电动机开关接通的同时，接触盘也与点火线圈附加电阻短路接柱“6”内的黄铜片接触，使点火线圈附加电阻短路，从而保证可靠点火。2．起动开关断开时（1）起动继电器触点断开，电动机停止工作发动机起动后，立即放松点火开关，起动继电器线圈电路切断，触点张开。触点打开后，保持线圈中的电流经电动机开关接柱“4”、接触盘、接柱“5”—吸引线圈—保持线圈—搭铁构成回路。此时两线圈产生的磁场方向相反，相互消弱，于是活动铁芯在回位弹簧的作用下退回原位。同时接触盘退出，电动机电路切断，电动机停止工作。（2）驱动齿轮与飞轮分离活动铁芯退回的同时，推动拨叉上端后移，拨叉的下端则带动滑环前移，迫使驱动齿轮与飞轮分离。