汽車啟動電機的結(jié)構(gòu)與工作原理

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1、 汽車起動機的結(jié)構(gòu)與工作原理 前言 在工作過程中就曾接觸到汽車起動機，了解車輛對發(fā)動機起動機的工作要求，但是對汽車起動機的結(jié)構(gòu)和工作原理并不清楚，借譚老師布置作業(yè)的這個機會，最近比較系統(tǒng)的查閱了汽車起動機的相關(guān)課件和參考書，了解了汽車起動機的結(jié)構(gòu)及工作原理。汽車起動機由直流電機、傳動裝置和控制裝置組成，直流電機沒有特殊之處，比較容易理解，傳動裝置和控制裝置結(jié)構(gòu)較為特殊，本文重點整理了所查閱的汽車起動機的傳動裝置和控制裝置的相關(guān)資料。 要使發(fā)動機由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須用外力轉(zhuǎn)動發(fā)動機的曲軸，使氣缸內(nèi)吸入（或形成）可燃混合氣并燃燒膨脹，工作循環(huán)才能自動進行。汽車發(fā)動機常用的起動方式是

2、用電動機作為機械動力，當(dāng)將電動機軸上的齒輪與發(fā)動機飛輪周緣的齒圈嚙合時，動力就傳到飛輪和曲軸，使之旋轉(zhuǎn)。電動機本身又用蓄電池作為能源。目前絕大多數(shù)汽車發(fā)動機都采用電動機起動。 起動機一般由直流電動機、傳動機構(gòu)、控制裝置三部分組成。 圖1 起動機 1. 直流電動機 直流電動機在直流電壓的作用下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。直流電動機主要由電樞、磁極、電刷、電刷架及殼體等部件組成。 1.1 電樞 電樞是直流電動機的轉(zhuǎn)子部分，用來將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，即在起動機通電時，與磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 1.2 磁極 磁極是直流電動機的定子部分，用來產(chǎn)生電動機運轉(zhuǎn)所必須的磁場，它由磁極鐵心、安裝在鐵

3、心上的勵磁繞組及機殼組成。 1.3 電刷與電刷架 電刷用銅和石墨粉壓制而成，一般含銅80％～90％，石墨10％～20％，以減小電刷電阻并增加其耐磨性。一般起動機電刷個數(shù)等于磁極個數(shù)，也有的大功率起動機電刷個數(shù)等于磁極個數(shù)的2倍，以便減小電刷上的電流密度。 2. 傳動裝置 普通起動機傳動裝置中的主要組成部件是單向離合器，單向離合器的作用是起動時將電樞的電磁轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)動機飛輪，而在發(fā)動機起動后，就立即打滑，以防止發(fā)動機飛輪帶動起動機電樞高速旋轉(zhuǎn)而損壞起動機。起動機單向離合器常見的有滾柱式、摩擦片式、扭簧式等幾種形式。 2.1 滾柱式單向離合器 （1）結(jié)構(gòu)特點 滾柱式單向離合器的外殼

4、2與驅(qū)動齒輪1連為一體，外殼和十字塊3裝配后形成四個楔形槽，槽中有四個滾柱，滾柱的直徑大于槽窄端又小于槽寬端，彈簧將滾柱推向槽窄端，使得滾柱與十字塊及外殼表面有較小的摩擦力。十字塊與傳動套筒8剛性連接，傳動套筒安裝在電樞軸花鍵部位，使單向離合器總成可作軸向移動和隨軸轉(zhuǎn)動。 圖2 滾柱式單向離合器 （2）工作原理 起動時，電樞軸通過花鍵帶動傳動套筒而使十字塊轉(zhuǎn)動，十字塊相對于外殼作順時針轉(zhuǎn)動，使?jié)L柱在小摩擦力的作用下滾向槽窄端而被卡緊，外殼即隨十字塊一起轉(zhuǎn)動，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩便通過單向離合器傳遞給了驅(qū)動齒輪。發(fā)動機一旦發(fā)動，發(fā)動機飛輪帶動驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，使外殼的轉(zhuǎn)速高于十字塊，十字塊相對

5、于外殼逆時針轉(zhuǎn)動，使?jié)L柱滾向槽寬端而打滑，從而避免了發(fā)動機飛輪帶動起動機電樞高速旋轉(zhuǎn)而損壞起動機。 2.2 彈簧式單向離合器 （1）結(jié)構(gòu)特點 如圖3所示。主動套筒套在電樞軸的花鍵上，小齒輪套筒則套在電樞軸前端的光滑部分。在對接處有兩個月牙形圈，使兩者只能做相對轉(zhuǎn)動而不能做軸向移動。在小齒輪套筒與主動套筒的外圓上包有扭力彈簧，扭力彈簧的內(nèi)徑略小于兩套筒的外徑，因而具有一定的過盈量（0.25～0.5mm）。在主動套筒上用墊圈封閉傳動彈簧，外側(cè)再裝緩沖彈簧和固連撥環(huán)。 圖3 彈簧式單向離合器 （2）工作原理 起動發(fā)動機時，由于撥叉推動撥環(huán)使驅(qū)動小齒輪嚙入飛輪齒圈，起動機轉(zhuǎn)軸帶動花鍵套

6、筒即主動套筒旋轉(zhuǎn)，使扭力彈簧順向扭緊并箍死兩個套筒，于是就能傳遞扭矩。 發(fā)動機起動后，由于飛輪帶著驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速高于起動機軸，將扭力彈簧作反向放松，使驅(qū)動齒輪套筒與主動套筒松脫而打滑，從而避免了超速運轉(zhuǎn)的危險。這種離合器具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡化、壽命長、成本低等優(yōu)點，但因扭力彈簧所需圈數(shù)多，軸向尺寸較長，故適用于起動柴油機所需的大功率起動機，而不適宜在小型起動機上采用。 2.3 摩擦片式單向離合器 （1）結(jié)構(gòu)特點 摩擦片式離合器的外接合鼓1用半月鍵固定在起動機軸上，兩個彈性圈2和壓環(huán)3依次沿起動機軸裝進外接合鼓中，青銅主動片4的外凸齒裝入外接合鼓的切槽中，鋼制的起動機軸裝進外接合鼓中，青

7、銅主動片4的外凸齒裝入外接合鼓的切槽中，鋼制的被動片5以其內(nèi)齒插入內(nèi)接合鼓6的切槽中。內(nèi)接合鼓具有螺線孔并旋在起動機驅(qū)動齒輪柄9的三線螺紋上，齒輪柄則自由地套在起動機軸上，內(nèi)墊有減震彈簧8并用螺母鎖著，以免從軸上脫落，內(nèi)接合鼓6上具有兩個小彈簧輕壓諸片，以保證它們彼此接觸，如圖4所示。 （a）結(jié)構(gòu) （b）壓緊 （c）松開 1-外接合鼓 2-彈性圈 3-壓環(huán) 4-主動片 5-被動片 6-內(nèi)接合鼓 7-小彈簧 8-減震彈簧 9-齒輪炳 10-驅(qū)動齒輪 11-飛輪 圖4 摩擦片式單向離合器 （2）工作原理 起動機工作時，內(nèi)接合鼓沿螺旋槽向右移動，將摩擦片壓緊，如圖4（b）所示，利用摩

8、擦力，將電樞的轉(zhuǎn)矩傳給飛輪。發(fā)動機起動后，起動機驅(qū)動齒輪被飛輪帶動，當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過電樞軸轉(zhuǎn)速時，內(nèi)接合鼓則沿螺旋槽向左退出，摩擦片松開，如圖4（c）所示，這時驅(qū)動齒輪雖高速旋轉(zhuǎn)，但不驅(qū)動電樞，從而避免了電樞超速的危險。如果起動機超載時，彈性圈在壓環(huán)的突緣壓力下而彎曲，直至內(nèi)接合鼓的端部頂住彈性圈，此時離合器即打滑，能避免起動機在過載情況下的損壞。摩擦片式離合器雖有傳遞大轉(zhuǎn)矩，防止超載損壞起動機的優(yōu)點，但由于摩擦片易磨損而影響起動機性能，需經(jīng)常檢查、調(diào)整或更換。同時結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，耗用材料較多，加工費時，修理麻煩。 3. 控制裝置 控制裝置的作用是控制起動機主電路的通、斷和驅(qū)動齒輪的移出和退回

9、。 3.1 開關(guān)直接控制起動系 開關(guān)直接控制起動系是指起動機由點火開關(guān)或起動按鈕直接控制，起動功率較小的汽車（如長安奧拓，天津夏利轎車）常用這種控制形式。其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。 1-驅(qū)動齒輪 2-復(fù)位彈簧 3-撥叉 4-活動鐵芯 5-保持線圈 6-吸引線圈 7-接線柱 8-起動按鈕 9-起動總開關(guān) 10-熔斷絲 11-黃銅套 12-擋鐵 13-接觸盤 14、15接線柱 16-電流表 17-蓄電池 18-起動機 圖5 開關(guān)直接控制起動系 當(dāng)合上起動機總開關(guān)9，按下起動按鈕8時，吸引線圈6和保持線圈5的電路接通。其電路如下：蓄電池正極—接線柱14—電流表16—熔斷絲10—起動總開

10、關(guān)9—起動按鈕8—接線柱7，然后分兩路，一路為保持線圈5—搭鐵—蓄電池負(fù)極。另一路為吸引線圈6—接線柱15—起動機磁場繞組—電樞繞組—搭鐵—蓄電池負(fù)極。這時活動鐵芯4在兩個線圈電磁吸力的共同作用下，克服回位彈簧2的彈力而向右移動，帶動撥叉3便將小齒輪回推出與飛輪齒圈嚙合。這時由于吸引線圈的電流流經(jīng)磁場繞組和電樞繞組，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。所以小齒輪是在緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中嚙合的。當(dāng)齒輪嚙合好后，接觸盤13將觸頭14、15接通，于是蓄電池的大電流流經(jīng)起動機的電樞和磁場繞組，產(chǎn)生正常的轉(zhuǎn)矩，帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)起動發(fā)動機。與此同時，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈5的吸力來保持。發(fā)動機起動后，松開起動

11、按鈕瞬間，保持線圈中的電流只能經(jīng)吸引線圈構(gòu)成回路。由于此時兩線圈所產(chǎn)生的磁通方向相反而相互抵消，于是活動鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下回至原位，小齒輪在回位彈簧的作用下退出嚙合，接觸盤13脫離接觸，切斷起動電路，起動機停止運轉(zhuǎn)。這種電磁開關(guān)是利用擋鐵與電磁鐵芯之間的一定氣隙，保證驅(qū)動齒輪先部分嚙入飛輪齒環(huán)后，才接通起動主電路。它具有操作輕便、工作可靠的優(yōu)點。 3.2 起動繼電器控制系 起動繼電器控制是指用起動繼電器觸點控制起動機電磁開關(guān)的大電流，而用點火開關(guān)或起動按鈕控制繼電器線圈的小電流，如圖6所示。起動繼電器的作用就是以小電流控制大電流，保護點火開關(guān)，減少起動機電磁開關(guān)線路壓降。 1-起

12、動繼電器觸點 2-啟動繼電器線圈 3-點火開關(guān) 4、5起動機開關(guān)接線柱 6-點火線圈附加電阻短路接線柱 7-導(dǎo)電片 8-接線柱 9-起動機接線柱 10-接觸盤 11-推桿 12-固定鐵芯 13-吸引線圈 14-保持線圈 15-活動鐵芯 16-復(fù)位彈簧 17-調(diào)節(jié)螺釘 18-連接片 19-撥叉 20-定位螺釘 21-滾柱式單向離合器 22-驅(qū)動齒輪 23-限位螺母 24-附加電阻線 圖6 起動繼電器控制系 1．起動開關(guān)（點火開關(guān)起動擋）接通時 （1）起動繼電器觸點閉合，電磁開關(guān)電路接通 繼電器的電路是：蓄電池—點火開關(guān)—繼電器的線圈—搭鐵。由于電流通過繼電器線圈使其產(chǎn)生磁場，在電

13、磁力的作用下觸點閉合，于是就接通了電磁開關(guān)中吸引線圈和保持線圈的電路。 吸引線圈的電路是：蓄電池—繼電器“電池”接線柱、支架、觸點、“起動機”接線柱—起動機的接線柱“9” —吸引線圈—起動機開關(guān)接柱5—起動機磁場繞組、電樞繞組—搭鐵。 保持線圈的電路是：起動機的接柱“9” —保持線圈—搭鐵。 此時驅(qū)動齒輪與飛輪的接觸情況如圖7（a）所示。 （a）初始狀態(tài)齒輪分離 （b）齒輪進入嚙合 （c）驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn) 圖7 起動機的工作過程 （2）驅(qū)動齒輪與飛輪嚙合 電流通過吸引線圈和保持線圈后，由于兩者產(chǎn)生的磁場方向一致，磁場增強，磁化固定鐵芯產(chǎn)生吸力，活動鐵芯前移，使接觸盤接通電動機開關(guān)

14、。同時活動鐵芯的后端通過耳環(huán)帶動撥叉上端前移、下端后移，迫使驅(qū)動齒輪伸出。 當(dāng)驅(qū)動齒輪與飛輪齒環(huán)發(fā)生抵觸現(xiàn)象時，撥叉下端可推動滑環(huán)后半環(huán)壓縮彈簧繼續(xù)后移，使電動機開關(guān)接通，使電樞軸稍微轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪與飛輪齒槽對正時，就可使驅(qū)動齒輪與飛輪嚙合。此時驅(qū)動齒輪與飛輪的接觸情況如圖7（b）所示。 （3）電動機開關(guān)接通并帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn) 接觸盤將電動機開關(guān)接柱“4”和“5”接通后，電動機電路接通，其電路是：蓄電池—電動機開關(guān)—接觸盤磁場繞組—電樞繞組—搭鐵。由于此電路中電阻很小，電流可達(dá)幾百安培，使電動機產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)離合器帶動發(fā)動機起動，此時驅(qū)動齒輪與飛輪的接觸情況如圖7（c）所示。 電動機

15、開關(guān)接通時，吸引線圈被短路，活動鐵芯依靠保持線圈的磁力使其保持在吸合位置。 另外在電動機開關(guān)接通的同時，接觸盤也與點火線圈附加電阻短路接柱“6”內(nèi)的黃銅片接觸，使點火線圈附加電阻短路，從而保證可靠點火。 2．起動開關(guān)斷開時 （1）起動繼電器觸點斷開，電動機停止工作 發(fā)動機起動后，立即放松點火開關(guān)，起動繼電器線圈電路切斷，觸點張開。 觸點打開后，保持線圈中的電流經(jīng)電動機開關(guān)接柱“4”、接觸盤、接柱“5” —吸引線圈—保持線圈—搭鐵構(gòu)成回路。此時兩線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，相互消弱，于是活動鐵芯在回位彈簧的作用下退回原位。同時接觸盤退出，電動機電路切斷，電動機停止工作。 （2）驅(qū)動齒輪與飛輪分離 活動鐵芯退回的同時，推動撥叉上端后移，撥叉的下端則帶動滑環(huán)前移，迫使驅(qū)動齒輪與飛輪分離。 8