第3章起动系统

为使静止的发动机进入工作状态，必须先用外力转动发动机曲轴，使活塞上下运动，气缸内吸入可燃混合气，并将其压缩、点燃，体积迅速膨胀产生强大的动力，推动活塞进一步运动并带动曲轴旋转，发动机才能自动进入工作循环。发动机的曲轴在外力作用下开始转动到发动机自动怠速运转的全过程，称为发动机的起动过程。起动机的作用就是将电能转变为机械能，带动发动机曲轴旋转，使发动机进入自动怠速运转。发动机起动后，起动机即立即停止工作。起动机安装在汽车发动机飞轮壳前端座孔上。
早期的汽车曾用人力起动和辅助汽油机起动，现代汽车已广泛采用电力起动机起动，且多为直流起动机。直流起动机一般由三部分组成： 


图31直流串励式起动机组成


1—控制装置； 2—直流电动机； 3—传动机构

（1） 直流串励式电动机，其作用是产生转矩。
（2） 传动机构，或称啮合机构，其作用是在发动机起动时，使起动机小齿轮啮入发动机飞轮环齿，将起动机转矩传给发动机曲轴。在发动机起动后，使起动机小齿轮滑转或与飞轮自动脱离。
（3） 控制装置，即电磁开关等，其作用是接通或切断电动机与蓄电池之间的电路，在有些汽车上，还具有接入和隔断点火线圈附加电阻的作用。
上述三个部分在起动机中的位置如图31所示。
3.1起动机的构造与工作原理
现代汽车用起动机由直流串励式电动机、传动机构和控制装置三个部分组成。直流串励式电动机将蓄电池提供的电能转换为机械能，产生电磁转矩； 传动机构在起动发动机时使起动机轴上的小齿轮啮入飞轮齿环，将电动机产生的电磁转矩传递给发动机曲轴，并在发动机起动后使起动机小齿轮与飞轮齿环自动脱离啮合； 控制装置起到接通和切断电动机与蓄电池间电路的作用，同时控制传动机构与飞轮齿环的啮合与脱开。
起动机的电路组成及各机构间的关系如图32所示。


图32起动机电路组成及各机构间关系


3.1.1直流串励式电动机的构造
导体在磁场中受电磁力的作用。直流电动机产生的电磁转矩即源自电磁力。因此直流电动机主要由电枢、磁极、端盖、机壳、电刷及电刷架等部分组成，如图33所示。


图33直流串励式电动机的结构


1—端盖； 2—电刷架； 3—磁场绕组； 4—磁极铁芯； 5—机壳； 6—后端盖； 

7—电枢； 
8—换向器； 9—电枢铁芯； 10—电枢绕组； 11—电枢轴







1. 电枢
电枢作为能产生电磁力矩的导体，在实际结构上由电枢绕组、电枢铁芯、电枢轴和换向器等部分组成，其外形结构如图33中的电枢部分所示。在电枢绕组中通入电流后，在磁极磁场的作用下，即可产生一个方向不变的电磁转矩。
电枢铁芯由多片互相绝缘的硅钢片叠加而成，它的内圆开有花键槽，用于与电枢轴的固定； 电枢铁芯的外圆也有开槽，用于放置电枢绕组。
电枢绕组在工作中承受很大电流（一般汽油机为200~600A，柴油机可达1000A），因此用很粗的矩形裸铜线绕制在电枢铁芯的外圆槽内，电枢绕组多采用波绕法。为防止裸铜线绕组之间短路，在铜线与铁芯之间、铜线与铜线之间均用绝缘纸隔开。各绕组的端子焊接在换向器的接线槽内，因裸铜线在高速下可能会因离心力的作用而甩出，故在槽口的两侧将铁芯用轧纹挤紧。
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。换向器的结构如图34所示，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内，铜片之间以及铜片与轴套、压环之间均用云母绝缘。铜片一端有用于焊接电枢绕组线头的接线槽。
2. 磁极
磁极的作用是建立电动机的电磁场，是电动机的定子部分。它由磁极铁芯和装在铁芯上的磁场绕组组成，如图35（a）所示。磁场绕组用矩形截面的裸铜条绕制而成，磁极铁芯一般由低碳钢制成，并通过螺钉固定在电动机壳体上。磁极的磁路如图35（b）所示，汽车用起动机上一般是4个（2对）磁极，为增大起动机电磁转矩，大功率起动机（功率超过7.5kW）可装有6个（3对）磁极。但不论采用几对磁极，其磁场绕组所产生的极性必须相互交错。



图34换向器的构造


 1—接线槽； 2—铜片； 
3—轴套； 4—压环




图35磁极与磁路


（a） 磁极结构； （b） 磁极磁路

1—磁极绕组； 2—绝缘接线柱； 3—绝缘电刷； 4—磁极铁芯



磁场绕组和电枢绕组常见的连接方式有两种： 一种是4个绕组相互串联，如图36（a）所示，解放CA10B型汽车采用的ST8B型起动机即采用这种连接； 另一种是先两个串联后再并联，如图36（b）所示，这种接法可在导线截面积相同的情况下增大起动电流，提高起动转矩，黄河JN150型汽车用的ST614型起动机采用的是这种连接。


图36磁场绕组的接法


（a） 串联方式； （b） 串并联方式

1—负电刷； 2—正电刷； 3—磁极绕组； 4—绝缘接线柱； 5—换向器




3. 电刷与刷架
电刷和换向器配合使用，用来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。电刷呈红棕色，由铜和石墨粉压制而成，其中含铜80%~90%，石墨10%~20%。加入铜是为了减少电阻并增加耐磨性。
电刷安装在电刷架内，借助弹簧压力（12~15N）压紧在换向器上，电刷弹簧保证电刷与换向器接触良好。电刷架固定在电刷支架或端盖上。直接固定在支架或端盖上的电刷称为负电刷架，安装在负电刷架内的电刷称为搭铁电刷或负电刷，负电刷直接固定在端盖上搭铁。电刷架与电刷支架或端盖之间安装有绝缘垫片的电刷架称为绝缘电刷或正电刷架，安装在正电刷架内的电刷称为正电刷，正电刷与励磁绕组的末端相连。
4. 机壳及端盖
机壳用管钢压制而成，一端开有窗口，供观察或安装电刷之用，有时也通过此窗口砂磨换向器，平时用防尘箍箍紧。机壳内有电流输入接线柱，壳体外表面车有沟槽，以利于散热。后端盖为灰铸铁浇铸而成，前后端盖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。
3.1.2直流串励式电动机的工作原理
直流串励式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。
由电磁理论可知，通以电流的导体置于磁场中，就会受到电磁力的作用而运动，其运动方向可用左手定则判断。如果将导线做成型状大概像矩形的线匝，通以直流电时，线匝矩形的两边在磁场中将受到大小相等、方向相反的电磁力偶作用而转动，形成电磁转矩，直流电动机产生电磁力矩的原理就是基于此，其工作原理如图37所示。


图37直流电动机工作原理示意图



将电动机的电刷与直流电源相接，电流由换向片E和正电刷流入，由负电刷F流出，此时，绕组中的电流方向是a→b→c→d，如图37（a）所示。电枢绕组在磁场中受到电磁力的作用，产生了电磁转矩，力的方向按左手定则判断，因此转矩方向为逆时针方向。当电枢转过半周时，正电刷接触换向片F，负电刷接触换向片E，绕组中的电流方向改变为d→c→b→a，因而N极和S极下的导线中的电流方向保持不变，电磁转矩方向也就不变，电枢绕组仍按原来的方向继续旋转，如图37（b）所示。
由于一个线圈所产生的转矩太小，转速也不稳定，为增大转矩，稳定转速，电动机的电枢上绕有很多线圈，换向片数随线圈的增多而相应增加。
试验证明，直流串励式电磁转矩的大小与电枢电流Is以及磁极磁通的乘积成正比，可用下式表示： 

M=CmIs （31)
式中，Cm为电机常数，与电动机的结构有关。

3.1.3直流串励式电动机的转矩自动调节
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，电枢绕组中又会产生感应电动势，其方向用右手定则判定。该电动势恰好与外加电枢电流方向相反，故此称为反电动势，其大小为

E=Cen（32)
式中，Ce为电机常数； 

n为电枢转速。
由于反电动势的存在，直流电源加在电枢上的电压U，一部分用来平衡反电动势，另一部分消耗在电枢绕组的电阻上，即

U=E+IsRs （33)
式中，Rs为电枢回路的电阻，它包括电枢绕组的电阻以及电刷与换向器的接触电阻。
式（33）是电动机运行时必须满足的一个基本条件，称为电压平衡方程式。由式（33）可求出电枢电流Ia为

Ia=U-ERa=U-CenRa（34)
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，并且直到电动机的电磁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，以满足负载的需要，使之在新的转速下稳定运转。因此直流串励式电动机具有转矩自动调节的功能，这是汽车起动机采用直流串励式电动机的原因之一。
3.1.4传动机构结构及工作过程
1. 传动机构工作过程


起动机的传动机构由拨叉、单向离合器组成。
发动机的起动过程有以下几步： 
（1） 起动机不工作时，驱动齿轮与飞轮齿圈处于图38（a）所示位置。
（2） 发动机起动时，拨叉在电磁力作用下，将单向离合器和驱动齿轮退出与飞轮齿圈啮合，如图38（b）所示。
（3） 在驱动齿轮与飞轮齿圈接近完全啮合时（图38（c）），驱动齿轮带动飞轮转动，进而带动发动机曲轴运转，在曲轴转速达到最低起动转速，发动机自行做功运转后，单向离合器打滑，驱动齿轮在飞轮带动下空转。
（4） 起动完毕后，拨叉在复位弹簧作用下回位，带动驱动小齿轮退出与飞轮齿圈的啮合，起动机电路开关关断，起动机完成工作。


图38起动机起动发动机的过程


1—飞轮； 2—驱动小齿轮； 3—离合器； 4—拨叉


至此，起动过程完成，发动机正常运转。
一般来说，轿车飞轮齿数约130个，在手动变速器的汽车上，齿圈套在发动机飞轮上； 在自动变速器的汽车上，齿圈则装在液力变矩器的壳体上。起动机小齿轮约为10个齿（9~12个齿），在静止状态下，小齿轮离开齿圈几毫米轴向距离。
2. 单向离合器
单向离合器是起动机传动机构中最主要的组成部分，其功能是单方向传递转矩，常用的有滚柱式、摩擦片式、弹簧式三种。一般来说，滚柱式、弹簧式单向离合器主要用于功率较小的汽油机； 摩擦片式离合器壳传递较大转矩，主要用于柴油发动机。
1） 滚柱式离合器
滚柱式离合器是目前国内外汽车起动机中使用最多的一种，解放汽车、东风汽车、北京吉普车等均使用滚柱式离合器。

滚柱式单向离合器的结构如图39所示，驱动齿轮与外壳连接成一体，外壳内装有十字块，十字块与花键套筒固定连接。在外壳与十字块形成的4个楔形槽内分别装有一套滚柱及压帽与弹簧，外壳与护盖相互扣合密封，在花键套筒外面套有移动衬套及缓冲弹簧。整个单向离合器总成利用花键套筒套在电枢轴的花键上，离合器总成在传动拨叉作用下可以在电枢轴上轴向移动，也可以随电枢轴转动。


图39滚柱式单向离合器

1—驱动齿轮； 2—单向离合器外壳； 3—十字块； 4—滚柱； 5—垫圈； 

6—护盖； 7—花键套筒； 8—弹簧座； 9—螺旋弹簧； 10—移动衬套； 

11—卡环； 12—滚柱； 13—压帽与弹簧


滚柱式单向离合器基于外壳与十字块形成的楔形槽，以及滚柱在楔形槽内的位置不同实现对力矩的单向传递，参照图310，其工作可分成两个阶段： 
（1） 发动机起动时，拨叉在控制装置作用下将离合器沿花键套筒推出，驱动齿轮啮入发动机飞轮齿圈，电枢轴通过花键套筒带动十字块旋转，这时滚柱在摩擦力作用下，滚入楔形槽的窄端，将十字块与外壳卡紧，形成一体，于是将转矩传给驱动齿轮，带动飞轮转动，起动发动机，如图310（a）所示。


图310滚柱式单向离合器工作过程

1—飞轮齿圈； 2—驱动齿轮； 3—十字块； 

4—滚柱； 5—压帽和弹簧

（2） 发动机起动后，飞轮齿圈的转速高于驱动齿轮，驱动齿轮由飞轮带动，十字块处于被动状态，在摩擦力作用下，滚柱进入楔形槽的宽端而打滑，飞轮齿圈的转矩在传递给驱动齿轮后，驱动齿轮并不能将转矩传递给十字块以及花键套筒和直流电动机电枢轴，电动机保持原有速度运转，防止电枢超速飞散的危险。之后，在起动机控制装置作用下，拨叉回位，带动离合器退回，驱动齿轮脱离与飞轮齿圈的啮合，如图310（b）所示。
2） 摩擦片式离合器
摩擦片式单向离合器有外接合鼓驱动式和齿轮柄驱动式两种结构形式。
外接合鼓驱动摩擦片式单向离合器结构如图311所示，由外接合鼓、主动摩擦片、从动摩擦片、内接合鼓、花键套筒等部分组成。由图自右往左可见，螺旋花键套筒安装在电枢轴的螺旋花键部位，外圆则通过三线螺旋花键与内接合鼓连接，内接合鼓与螺旋花键套筒之间有相对转动时，内接合鼓就会产生轴向移动； 内接合鼓外圆有4个轴向凹槽，正好与主动摩擦片的内齿相配合； 这样，螺旋花键套筒、内接合鼓以及主动摩擦片就构成了离合器的主动部分。从动摩擦片上有外凸齿，插入外接合鼓的槽中，而外接合鼓与驱动齿轮为一体，这样从动摩擦片和与驱动齿轮为一体的外接合鼓就构成了离合器从动部分。安装时主从动摩擦片相间安装。螺旋花键套筒自左向右还装有弹性圈、压环和调整垫片，端部用螺母轴向固定。


图311外接合鼓驱动摩擦片式单向离合器结构


1—外接合鼓； 2—止推套筒； 3—调整螺母； 4—弹性圈； 5—压环； 6—调整垫片； 
7—从动摩擦片； 8—主动摩擦片； 9—卡簧； 10—内接合鼓； 11—螺旋花键套筒


起动时，电动机电枢轴带动离合器的主动部分，内接合鼓沿螺旋线旋紧而将主从动摩擦片压紧，进而将转矩传递给离合器从动部分； 起动后，当驱动齿轮被飞轮带动旋转，使离合器从动部分的转速高于主动部分转速时，内接合鼓沿螺旋线旋松，主、从动摩擦片松开，离合器主、从动部分分离，转矩不能传递，从而使电动机电枢轴的运动不受飞轮影响。
齿轮柄驱动摩擦片式单向离合器如图312所示，主要由齿轮柄、内接合鼓、被动摩擦片、主动摩擦片、压环、弹性圈、外接合鼓等组成。由图自右往左可见，其外接合鼓用半圆键固定在电枢轴上，两个弹性圈和压环依次沿电枢轴装进外接合鼓内，青铜主动摩擦片的外凸齿装入外接合鼓的切槽中，钢制的被动摩擦片以其内齿插入内接合鼓的切槽中，内接合鼓具有螺线孔并旋在起动机驱动齿轮柄的三线螺纹上，齿轮柄则自由地套在电枢轴上，内垫有减振弹簧，并用螺母锁紧以免从轴上脱落。与外接合鼓驱动式相同，主从动摩擦片相间安装，内接合鼓上有两个小弹簧，轻压各片，以保证它们彼此接触。齿轮柄驱动式单向离合器工作原理与外接合鼓驱动式相类似。


图312齿轮柄驱动摩擦片式单向离合器结构



1—锁紧螺母； 2—驱动齿轮； 3—齿轮柄； 4—减振弹簧； 5—内接合鼓； 
6—被动摩擦片； 7—主动摩擦片； 8—压环； 9—弹性圈； 10—外接合鼓


3） 弹簧式单向离合器
弹簧式单向离合器的结构如图313所示。连接套筒套在起动机电枢轴的螺旋花键上，起动机驱动齿轮套在轴的光滑部分，两


图313弹簧式单向离合器结构


1—驱动齿轮； 2—挡圈； 3—月形圈； 

4—扭力弹簧； 5—连接套筒； 6—垫圈； 

7—缓冲弹簧； 8—移动衬套； 9—卡簧

者之间由两个月形圈连接，月形圈使驱动齿轮与连接套筒之间不能作轴向移动，但可作相对转动。在齿轮柄和连接套筒上抱有扭力弹簧。扭力弹簧两端各有1/4圈内径较小，分别箍紧在齿轮轴和连接套筒上。当起动机带动曲轴旋转时，扭力弹簧扭紧，抱紧齿轮柄与连接套筒，借助摩擦力传递扭矩。发动机起动后，驱动齿轮转速高于电动机电枢轴转速，扭力弹簧放松，摩擦力减小而使离合器打滑，避免电枢轴因超高速旋转而飞散。弹簧式单向离合器结构简单，加工容易，成本低廉，但所需要的弹簧圈数多，轴向尺寸较长，在小型起动机上装用受到限制。
3.1.5控制装置结构及工作原理
起动机的控制装置起着控制驱动小齿轮与发动机飞轮啮合或分离、接通或切断电动机电路的作用。现代汽车上常用的是电磁式控制装置，有直接控制式电磁控制开关和带起动继电器式电磁控制开关两种。
1. 直接控制式电磁开关
主要由活动铁芯、保持线圈、吸引线圈、接触盘等组成，图314所示为国产黄河TN150型汽车用ST614型直接控制式电磁开关。
发动机起动时，先合上起动总开关，然后按下起动按钮，使保持线圈5、吸引线圈6电路接通，两线圈电流方向相同，产生相同方向电磁引力吸引活动铁芯4向右运动，一方面推动接触盘推杆使接触盘13逐渐与起动机主电路触点14、15接近，另一方面带动拨叉3将离合器及驱动齿轮1推出与飞轮啮合； 在驱动齿轮1与飞轮顺利啮合后，接触盘13与触点14、15接触，将吸引线圈6短路，同时接通起动机主电路，使起动机输出大转矩，并通过驱动齿轮1带动飞轮，实现发动机起动。在发动机起动过程中，通过保持线圈5的电磁引力，保持接触盘与触点14、15的接触，保证起动机主电路的接通。


图314ST614型电磁开关控制原理图


1—驱动齿轮； 2—拨叉回位弹簧； 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—熔断器； 

11—电动机； 12—挡铁； 13—接触盘； 14、15—触点； 16—电流表； 

17—蓄电池； 18—黄铜套


发动机起动后，松开起动按钮8，保持线圈5及吸引线圈6中电磁引力最终消失，活动铁芯4在拨叉弹簧2回力作用下退回，一方面接触盘13与触点14、15分离，起动机主电路断开，另一方面驱动齿轮1在拨叉3作用下回退，脱离与飞轮啮合，至此起动完成。
ST614型直接控制式电磁开关利用挡铁12与电磁铁芯4之间的间隙，保证驱动齿轮先部分啮入飞轮齿环后，再接通起动机主电路，使起动过程更平稳。
电磁开关的结构如图315所示。


图315电磁开关结构

1、13接线柱； 2—附加电阻短路接线柱； 3—导电片； 4—接触盘； 5—磁轭； 6—吸引及保持线圈； 

7—接触盘推杆； 8—活动铁芯； 9—回位弹簧； 10—调节螺钉； 11—拨叉； 12—电磁开关接线柱


2. 带起动继电器式电磁开关
为保护点火开关，在直接控制式电磁开关中加入起动继电器，使起动开关不会被串联入起动机主电路中，称为带起动继电器式电磁开关。如东风EQ1090型汽车起动系统控制电路，如图316所示。


图316东风EQ1090型汽车起动系统控制电路


1—起动继电器触点； 2—起动继电器线圈； 3—点火开关； 4、5—主接线柱； 6—附加电阻短路接线柱； 

7—导电片； 8—吸引线圈接线柱； 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—连接叉； 19—拨叉； 

20—滚柱式离合器； 21—驱动齿轮； 22—止推螺母； 23—点火线圈附加电阻线； 24—附加电阻线（白线1.7Ω）