汽车起动机、发电机测试实验台毕业设计

第1章 绪 论

1.1 汽车起动机发电机测试实验台设计的意义

汽车是现代交通工具中用得最多，最普遍，也是最方便的交通运输工具。汽车起动机、发电机能能够为汽车提供启动动力和全车供电。对汽车能否正常行驶起到至关重要的作用。可视为最最重要的动力源。起动机和发电机能否正常工作将直接影响汽车的使用性能。所以对起动机和发电机的工作状况要严格要求，保证起动机和发电机的正常运转。必须对起动机和发电机的工作性能进行测试，所以本次设计的题目为汽车起动机、发电机测试实验台设计。

通过查阅相关的资料，运用专业基础理论和专业知识，确定起动机、发电机测试实验台的设计方案，进行台架结构设计、部件选择和设计计算。使其达到以下要求：实验台结构简单、操作便捷，试验台架选用材料经济可靠。实验台选用部件器材操作简单实用，达到良好的测试效果的目的。同时用电设备具有安全性。

起动机、发电机测试实验台研究现状：

车起动机和发电机测试实验台，用于对发电机和起动机的参数测试与性能试验。专用的实验台它由多个电器检测仪器组装构成的整体仪器。目前我国用于汽车工业试验与测试的实验台层出不穷。不断地改进与更新。逐步实现实验与计算机数字通信技术数字化和网路化。真正实现了人工智能的水平。实验数据和结果的传输和控制更加准确和详实。随着我国汽车工业的发展，汽车技术的成熟，专门用于发电机和起动机性能测试的教学试验台已经不断完善，在教学领域中研制了专门用于教学施教的测试实验台。根据要求满足学生实验装置易操作性和便捷性进行教学器材和设备组装构成设计，由于试验装置只是模拟实验，学生的重点在于验证.所以实验台重点针对起动机和发电机结构特点性能特点进行测试。

我国汽车实起动机、发电机测试实验台主要为传统汽车电器万能实验台。其类型例如：TQD-2型汽车电器万能实验台。其特点为：实验台由驱动装置、加载装置、测量装置、被测装置等四部分组成。

（1）驱动装置

驱动电机多用于转速可调的调速电动机或电力测功机。 （2）加载装置

加载装置种类很多，常见的有：

① 直流电机或电力测功机（作为负载装置用时是发电机）； ② 电涡流测功机； ③ 水力测功机；

其负荷调节较为困难，不易稳定，所以在试验台中这些年已很少使用了。 ④ 磁粉制动器。

这种负荷装置是近几年才用于汽车实验领域的，其主要特点是：负荷控制方便噪声小低速加载性能好但以为其滑差功率小（大扭距时允许的转速很低）。

（3）被测装置

被测装置为待测发电机、起动机、磁电机、蓄电池等。 实验台外形和主要参数如下：

图1.1 TQD-2型汽车电器万能实验台

表 1.1技术参数

电源 调速范围 三针放电装置 起动机制动装置测试范围 发电机测试装置范围 发电机测试装置范围 检测项目 交流：50Hz、220，单项；直流：12V、24V 转速调节范围（空载）：0~4000r/min;转向：正反转 组列：8组并列；间隙调节范围：0~15mm 最大制动转矩：60Nm；最大制动电流：1000A；电压0-50V 发电机功率在750W以下（除750W14V）各种交直流发电机，硅整流发电机 发电机功率在750W以下（除750W14V）各种交直流发电机，硅整流发电机 直流发电机检查：空载、负载、电枢；电子调节器检验；节压、节流、限流 起动机检验：空载、制动扭矩；分电器检验；分电器点火均匀性及点火提前 磁电机检验：点火性能、点火提前；点火线圈检验：点火性能 蓄电池检验：电压；电喇叭检验：声响 电动刮水器（雨刮）检验：动作状况；硅整流发电机检验：空载、负载

1.2 实验台设计课题研究内容及技术路线

1、 课题研究内容

依据给定汽车汽车电器性能测试试验的标准，以及机械部分设计的成果，确定控制模式及参数，设计起动机、发电机性能实验台的电子控制系统，包括：动力部分、控制部分、执行部分和辅助部分。

1.能够对起动机、发电机结构与原理分析； 2.能够对起动机、发电机性能分析与测试； 3.实验台电路连接设计，能够安全测试。 2、 课题研究技术路线

本次设计的技术路线可用以下步骤表示。

实验台调查研究 教学研究

发电机内部元件结构原理分析 起动机内部元件结构原理分析 发电机外形固定及夹具设起动机外形固定及夹具设计 发电机特性测试电路设计与设备选择 起动机特性测试电路设计与设备选择 实验台布局与设计 现有实验设备试验与测试

图1.2 技术路线

实验台测试完成

1.3实验台设计要求和总体方案

本次设计主要针对汽车发电机和起动机进行综合测试实验台设计，系统的讲述汽车发电机和起动机实验台的特点，工作原理及结构和组成、功能和特点。起动机和发电机结构及组成、特性分析、电路连接、工作原理，实验台布局CAD设计，测试电路、数据分析、功能开发等。具有实验台结构简单、操作便捷特性，试验台架选用材料经济可靠。实验台选用部件器材操作简单实用，达到良好的测试效果的目的。同时用电设备具有安全性。

实验台包括起动机测试电路、发电机测试电路、控制面板箱、试验台架、实验台面五部分组成。

第2章 汽车起动机、发电机原理及特性分析

起动机是将蓄电池电能转换成机械能、再通过传动机构带动发动机曲轴旋转、帮助发动机起动的装置。起动机的种类很多，电动机部分大致相同，而控制装置和传动机构则差异很大。因此起动机多是按控制装置和传动机构的不同来分类的。

按磁场产生的方式分类：激磁式起动机、永磁式起动机。 按控制装置分类：机械操纵式、电磁操纵式。

按传动机构分类：强制啮合式、惯性啮合式、电枢移动式、齿轮移动式、同轴式起动机。

发电机是汽车的主要电源，是将发动机产生的机械能转变为电能的装置。其功用是在发电机正常运转时，向所有用电设备供电，同时给蓄电池充电。汽车用发电机可以分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机的性能在许多发面优于直流发电机，直流发电机已经被淘汰。目前汽车采用三相交流发电机，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电，所以，汽车交流发电机输出的是直流电。

交流发电机按照不同分类方法可分为：

1.按总体结构分：普通交流发电机 整体式交流发电机 带泵交流发电机 无刷交流发电机 永磁交流发电机。

2.按整流器分：6管交流发电机 8管交流发电机 9管交流发电机 11管交流发电机。

3.按励磁绕组搭铁形式分：内搭铁型交流发电机 外搭铁型交流发电机。

2.1 起动机结构组成及其作用

起动机一般由直流电动机、传动机构和电磁开关三部分组成。

（1）直流电动机，其作用是将蓄电池中电能转变为机械能的装置。一般由电枢、磁极、外壳、电刷与电刷架等组成。

电枢总成：电枢用来产生电磁转矩，它由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器组成。电枢铁心由多片互相绝缘的硅钢片叠成；电枢电流一般为200~600A。磁极。磁极由铁心和激磁绕组构成，其作用是在电动机中产生磁场。电刷与电刷架，作用是将电流引入电枢，使电枢产生连续转动。电刷装在电刷架中，借弹簧压紧力压在换向器上。

（2）传动机构（啮合机构），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；而在发动机起动后瞬间，使驱动齿轮打

滑与飞轮齿环自动脱开。

（3）电磁开关（即控制装置），用来接通和切断起动机与蓄电池之间电路。机构将发动机拖转起动。

2.2 工作原理分析

起动机的工作原理可以通过其主要部件直流电动机的工作原理来说明。直流电动机是将电能转变为机械能的设备，它是根据带电导体在磁场中受到电磁力作用的这一原理为基础而制成的。如图2.1所示。

电动机的电刷与直流电源相接，电流由正电刷和换向片A流入，从换向片B和负电刷流出，此时绕组中的电流方向为a---b,按左手定则可确定导线ad受到向左的电流力F。导线cd受到向右的电磁力F，从而使整个线圈受到逆时针方向的转矩而转动。当电枢转过半周时，换向片B与正电刷相接触，换向片A与负电刷相接触，线圈电流的方向改变为由d---a，因而在N极和S极下面导体中的电流方向保持不变，电磁转矩的方向也就不变，使电枢仍按原来的逆时针方向继续转动。

图2.1 直流电动机工作原理

由此可见，直流电动机的换向器保证电枢所产生的电磁力矩的方向保持不变，使其产生定向转动。但实际的直流电动机为产生足够大且转速稳定的电磁力矩，其电枢由多匝线圈构成，换向器的铜片也相应增加。

根据安培定律，可以推导出直流电动机通电后所产生的电磁转矩M与磁极的磁通量Ф及电枢电流Is之间的关系为:

（2.1） 式中，为电动机结构常数。

根据上述与原理分析，电枢在电磁力矩M作用下产生转动，由于绕组在转动同时切割磁力线而产生感应电动势，并根据右手定则判定其方向与电枢电流的方向相反，故称反电动势。反电动势的大小与磁极的磁通量和电枢的转速n成正比。 （2.2）

C——系数（常数）； n——为发动机转数； ——为磁极磁通；

由此可推出电枢回路的电压方程，即：

（2.3）

——电枢绕组电阻； U ——起动机外加电压； ——激磁绕组电阻； ——电枢电流。

在直流电动机刚接通电源的瞬间，电枢转速n为0，电枢反电动势也为0，此时，电枢绕组中的电流达到最大值，电枢产生最大电磁转矩。若此时的电磁转矩大于发动机的阻力矩，电枢就开始加速转动起来。随着电枢转速的上升，增大，电枢电流下降，电磁转矩M也就随之下降，直至M与阻力矩相等为止。可见，当负载变化时，电动机能通过转速、电流和转矩的自动变化来满足负载的需要，使之在新转速下稳定工作，因此直流电动机具有自动调节转矩功能。

2.3 工作特性分析

车用起动机多采用串激式直流电动机，其原理电路如图所示。

图2.2 起动机原理电路图

2.3.1 转矩特性

对于串激式直流电动机，其磁场电流与电枢电流相同，并且磁极未饱和时，磁通

Φ与电枢电流成正比,即, 为常数.串激式直流电动机的转矩可表示:

（2.4） 由此可知,在磁路未饱和时，直流串激式电动机的转矩与电枢电流的平方成正比。但是当此路饱和后磁极磁通量几乎不变，此时电磁转矩与电枢电流成直线关系。在发起动发动机的瞬间，由于发动机的阻力矩很大，发动机处于完全制动状态下，由于转速为零反电动势为零。此时电枢电流达到最大值(称为制动电流)，电动机产生最大转矩（称为制动转矩），从而使起动机易于发生起动发动机，这就是汽车上采用串激直流电动机的主要原因。

图2.3 直流串激式电动机转矩特性

2.3.2 转速特性

根据原理电路图可以列出:

（2.5）

式中 ——连接导线电阻； ——蓄电池内电阻； Δ——电枢接触电压降。 根据,可求得电动机的转速为

由此可知，当电动机的电枢电流增加时，电压降ΣR随之增加。

在磁路未饱和的情况下，磁通φ也随之增加，电动机的转速虽ΣR和的增加而急剧下降。因此，直流串激电动机具有在轻载时，电枢电流IS小，转速高；而在重载时，电枢电流大，转速低的软机械特性，能保证发动机既安全又可靠地起动，这是汽车上采

用直流串激式电动机的主要原因之一。但由于其在轻载和空载时转速很高，容易造成“飞车”现象，因此对于功率较大的直流串激电动机来说不可在轻载或空载下长时间运转。

图2.4 直流串激式电动机转速特性

2.3.3 功率特性

起动机的输出功率P可以通过测量电枢轴上的输出转矩M和电枢的转速n来确定。

（2.6）

起动机在全制动（n=0）和空载（M=0）时，其输出功率均为0，而在IS接近全制动电流一半时其输出功率最大。

起动机工作时间短暂，所以允许在最大功率状态下工作，起动机的额定功率一般也就是电动机的最大功率或接近与最大功率，其特性曲线由图可知：

图2.5 直流串激式电动机功率特性

（1）完全制动时，相当于起动机刚刚接通的瞬间，n=0,电枢电流最大（称为制动电流），转矩也达到最大值（称为制动转矩），但输出功率为零。

（2）起动机空载时电流最小（称为空载电流），但转速达到最大值（称为空载转速），输出功率亦为零。

（3）在电流接近制动电流一半时，起动机的功率最大。

生产中通过空载和全制动俩项实验来检查起动机的技术状况，以判定其制造或维修质量。

2.4 发电机的结构和组成

交流发电机主要由转子总成、定子总成、硅整流器、前后端盖及电刷以及皮带轮、风扇等部件组成。

1、转子总成

转子是交流发电机的磁场部分，工作中产生旋转磁场，它由转子轴、滑环、爪极、磁轭、磁场绕组等组成。转子轴上压装着两块爪极，爪极被加工成鸟嘴形状，爪极空腔内装有励磁绕组和磁轭。滑环由两个彼此绝缘的铜环组成，压装在转子轴上并与轴绝缘，两个滑环分别与励磁绕组的两端相连。当给两滑环通入直流电时，励磁绕组中就有电流通过，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极，当转子转动时，就形成了旋转的磁场。

2、定子

定子的作用是产生交三项流电动势。定子安装在转子外面，与发电机的前、后端盖固定在一起，当转子在其内部转动时，引起定子绕组中磁通的变化，定子绕组中就产生交变的感应电动势。定子又叫电枢，定子由定子铁心和定子绕组（线圈）组成。

3、硅整流器

整流器的作用是将定子绕组的三项交流电变为直流电。整流器由整流板和整流二极管组成。6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管分别压装在相互绝缘的两块板上组成的，其中一块为正极板，另一块为负极板，负极板和发电机外壳直接相连，也可以将发电机的后盖直接作为负极板。6只整流二极管分为正极管和负极管两种，引出电极为正极的称为正极管，3只正极管装在同一块板上，也可以直接安装在后盖上。

4、前后端盖

交流发电机的前后端盖均由铝合金铸造而成，铝合金为非导磁材料，漏磁少、重量轻、散热性能好等优点。在后端盖内装有电刷组件，电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷用铜粉和石墨粉模压而成，电刷架用玻璃纤维模压而成。电刷安装在电刷架内，借助弹簧的压力与滑环保持接触。

交流发电机磁场绕组的搭铁形式有内搭铁和外搭铁之分。磁场绕组的一端经电刷在发电机段盖上搭铁称为内搭铁式；磁场绕组的两端均与端盖绝缘，其中一端经调节器后搭铁成为外搭铁式。交流发电机前端装有皮带轮、风扇，工作时使发电机内部强

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