第4章 起动系统 - 图文

汽车电气设备

沈阳大学凌永成

第4章起动系统

4.1 起动系统概述

4.1.1起动系统的作用

发动机必须依靠外力带动曲轴旋转后，才能进入正常工作状态，通常把汽车发动机曲轴在外力作用下，从开始转动到怠速运转的全过程，称为发动机的起动。

起动系统的作用就是供给发动机曲轴起动转矩，使发动机曲轴达到必需的起动转速，以便使发动机进入自行运转状态。当发动机进入自行运转状态后，便结束任务立即停止工作。电力起动机起动是由直流电动机通过传动机构将发动机起动，具有操作简单，起动迅速可靠，重复起动能力强等优点。目前，绝大多数汽车都采用电力起动机起动。

电力起动机简称为起动机（俗称马达），均安装在汽车发动机飞轮壳的座孔上，用螺栓紧固。

4.1.2起动系统的组成

电力起动系统简称起动系统，由蓄电池、起动机和起动控制电路等组成，如图4-1所示，起动控制电路包括起动按钮或开关、起动继电器等。

起动机在点火开关或起动按钮控制下，将蓄电池的电能转化为机械能，通过飞轮齿圈带动发动机曲轴转动。为增大转矩，便于起动，起动机与曲轴的传动比：汽油机一般为13～17，柴油机一般为8～10。

图4-1 起动系统的组成

4.1.3起动机的组成及分类1.起动机的组成

起动机（Starter。图4-2和图4-3）由直流电动机、传动机构和控制机构三大部分组成，如图4-4所示。

图4-2 QDJ1316型起动机（逆时针旋转，匹配北汽福田CA483型发动机）

图4-3 QDY1202型起动机（逆时针旋转，匹配北京现代J-2型发动机）

汽车用起动机实物照片

图4-4 起动机的组成

2.起动机的分类1）按励磁方式分

（1）励磁式起动机。励磁式起动机靠励磁绕组和磁极铁心建立磁场，结构稍显复杂，但输出转矩和功率都很大，故应用极为广泛。

（2）永磁式起动机。永磁起动机以永磁材料作为磁极，取消了励磁式起动机中的励磁绕组和磁极铁心，结构简化，体积小，质量轻，并节省了金属材料。但永磁起动机的功率一般较小，使用范围在一定程度上受到限制。

2）按控制机构分

（1）机械控制式起动机。机械控制式起动机由驾驶员利用脚踏（或手动）直接操纵机械式起动开关接通或切断起动电路，通常称为直接操纵式起动机。

（2）电磁控制式起动机（亦称电磁操纵式起动机）。电磁控制式起动机由驾驶员旋动点火开关或按下起动按钮，通过电磁开关接通或切断起动电路。

3）按啮合方式分

（1）惯性啮合式起动机。惯性啮合式起动机的离合器靠惯性力的作用产生轴向移动，使驱动齿轮啮入或退出飞轮齿圈。由于可靠性差，现代汽车已不再使用。

（2）强制啮合式起动机。强制啮合式起动机靠人力或电磁力经拨叉推移离合器，强制性地使驱动齿轮啮入或退出飞轮齿圈。因其具有结构简单，动作可靠，操纵方便等优点，故被现代汽车普遍采用。

（3）电磁啮合式（电枢移动式）起动机。电磁啮合式起动机靠电动机内部辅助磁极的电磁力，吸引电枢作轴向移动，将驱动齿轮啮入飞轮齿圈，起动结束后再由回位弹簧使电枢回位，让驱动齿轮退出飞轮齿圈。所以，又称电枢移动式起动机，多用于大功率柴油机。

4）按传动机构分

（1）普通式起动机。将电动机电枢产生的起动力矩直接通过离合器、驱动齿轮传给飞轮齿圈的起动机称为普通式起动机。

（2）减速式起动机。减速起动机基本结构与普通式起动机相同，只是在电枢和驱动齿轮之间，装有减速齿轮（一般减速比为3～4），经减速、增矩后，再带动驱动齿轮。减速式起动机是今后车用起动机的发展方向。

需要指出的是，以上对车用起动机的分类是从不同角度进行的。对于一个具体的起动机，可以同时涵盖几个方面。例如，图4-5所示的起动机即为电磁控制、强制啮合、永磁、减速式起动机。

图4-5 电磁控制、强制啮合、永磁、减速式起动机

4.1.4起动机的型号

根据QT／T73—1993《汽车电气设备产品型号编制规则方法》的规定，国产起动机的型号由以下五部分组成：

（1）产品代号。QD、QDJ和QDY分别表示起动机、减速型起动机和永磁型起动机。

（2）电压等级代号。1—12V；2—24V。（3）功率等级代号。含义如表4-l所示。（4）设计序号。（5）变型代号。

表4-1 起动机的功率等级代号

功率等级代号功率／kW

1＜1

21~2

32~3

43~4

54~5

65~6

76~7

87~8

98~9

例如：QD124表示额定电压为12Ⅴ，功率为1～2kW，第四次设计的起动机。

4.2 起动机用直流电动机

4.2.1直流电动机的工作原理

图4-6 直流电动机工作原理

4.2.2直流电动机的结构组成

起动机的直流电动机主要由定子、转子、换向器、电刷及端盖等组成，如图4-7所示。

图4-7 起动机用直流电动机结构

1.定子

定子亦称磁极，其作用是产生磁场，分励磁式和永磁式两类。为增大转矩，汽车起动机通常采用四个磁极，两对磁极相对交错安装，定子与转子铁心形成的磁力线回路如图4-8所示，低碳钢板制成的机壳是磁路的一部分。

图4-8 电动机磁路

（1）励磁式定子。

励磁式电动机定子铁心为低碳钢，铁心磁场要靠绕在外面的励磁绕组通电建立。为使电动机磁通能按设计要求分布，将铁心制成如图4-9所示的形状，并用埋头螺栓紧固在机壳上。励磁绕组由扁铜带（矩形截面）绕制而成，其匝数一般为6～10匝；铜带之间用绝缘纸绝缘，并用白布带以半叠包扎法包好后浸上绝缘漆烘干而成。

图4-9 励磁式电动机定子

采用励磁式定子的电动机，其励磁绕组与转子串联连接，故称串励式电动机。

具体连接如图4-10所示，先将励磁绕组两两串联后并联再与电枢（转子）绕组串联。

图4-10 串励式电动机

（2）永磁式定子。

永磁式电动机（图4-11）不需要电磁绕组，可节省材料，而且能使电动机磁极的径向尺寸减小；在输出特性相同的情况下其质量比励磁定子式电动机可减轻30％以上。条形永久磁铁可用冷粘接法粘在机壳内壁上或用片状弹簧均匀地固装在起动机机壳内表面上。由于结构尺寸及永磁材料性能限制，永磁起动机的功率一般不大于2kW。

图4-11 永磁式电动机

2.转子

转子亦称电枢（图4-12），由电枢轴、铁心、电枢绕组和换向器等组成。转子的作用是产生电磁转矩。

图4-12 转子（亦称电枢）实物照片

典型起动机转子结构如图4-13所示。转子铁心由硅钢片叠成后固定在转子轴上。铁心外围均匀地开有线槽，用以放置转子绕组；转子绕组由较大矩形截面的铜带或粗铜线绕制而成。

图4-13 起动机转子

在铁心线槽口两侧，用轧纹将转子绕组挤紧以免转子高速旋转时由于惯性作用将绕组甩出，转子绕组的端头均匀地焊在换向片上。为防止铜制绕组短路，在铜线与铜线之间及铜线与铁心之间用性能良好的绝缘纸隔开。

减速型起动机转子速度较普通型转子转速提高了50％～70％，绝缘性能及动平衡要求均较高，因此采用环氧树脂涂封或耐热尼龙纸作为转子槽绝缘纸。

换向器由铜片和云母叠压而成，压装于电枢轴前端，铜片间绝缘，铜片与轴之间也绝缘，换向片与线头采用锡焊连接。减速型起动机的换向器用塑料取代了云母，换向片与线头采用了银铜硬钎焊，既耐高速又耐高温。

考虑到云母的耐磨性较好，当换向片磨损以后，云母片就会凸起，影响电刷与换向片的接触，因此，有些起动机的换向片之间的云母片较换向片割低0.5～0.8 mm。

转子轴驱动端制有螺旋形花键，用以套装传动机构中的单向离合器。

转子与定子铁心之间的气隙，普通起动机一般为0.5～0.8 mm，减速型起动机一般为0.4～0.5 mm。

3.电刷端盖

电刷端盖（图4-14）一般用浇铸或冲压法制成，盖内装有四个电刷架及电刷，其中两只搭铁电刷利用与端盖相通的电刷架搭铁。另外两只电刷的电刷架则与端盖绝缘，绝缘电刷引线与励磁绕组的一个端头相连接，如图4-10和图4-15所示。

图4-14电刷端盖实物

起动机电刷通常用铜粉（80％～90％）和石墨粉压制而成，以减少电阻并提高耐磨性。电刷架上有盘形弹簧，用以压紧电刷。

图4-15 起动机用电刷及端盖

4.驱动端盖

驱动端盖上有拨叉座和驱动齿轮行程调整螺钉，还有支撑拨叉的轴销孔。为了避免电枢轴弯曲变形，一些起动机装有中间支撑板。端盖及中间支撑板上的轴承多用青铜石墨轴承或铁基含油轴承。

轴承一般采用滑动式，以承受起动机工作时的冲击性载荷。有些减速型起动机采用球轴承。两端盖与机壳靠两个较长的穿心连接螺栓将起动机组装成一个整体。端盖与机壳之间的接合面上一般制有定位用安装记号。

4.2.3直流电动机工作特性

直流电动机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两大类，电磁式按励磁绕组与电枢绕组的连接关系又可分并励式、串励式和复励式三种，如图4-16所示。

（a）永磁式

（b）并励式（c）串励式

图4-16 直流电动机类型

（d）复励式

3）蓄电池容量的选择

起动机的功率确定以后，可以按经验公式确定蓄电池的容量：

PC?(610~810)U式中U——起动机额定电压（Ⅴ）；

P——起动机额定功率（kW）；C——蓄电池额定容量（A·h）。

对于大功率起动机（7.0～10kW），蓄电池的容量可以

选择比计算值小一些。

4.3 起动机的传动与控制机构

4.3.1起动机的传动机构

1. 起动机的传动过程

一般起动机的传动机构是指包括驱动齿轮的单向离合器，减速起动机的传动机构还包括减速装置。驱动齿轮与飞轮的啮合一般是靠拨叉强制拨动完成的，如图4-19所示。

（a）静止未工作

（b）电磁开关通电推向啮合（c）主开关接通接近完全啮合图4-19 起动机驱动齿轮啮合过程

常见起动机单向离合器主要有滚柱式、弹簧式和摩擦片式三种。

2.滚柱式单向离合器1）构造

滚柱式单向离合器是通过改变滚柱在楔形槽中的位置实现接合和分离的。主要由驱动齿轮、外壳及十字槽套筒（或外座圈及十字块套筒）、滚柱、弹簧等组成。

图4-20 滚柱式单向离合器

单向离合器的套筒内有螺旋花键，此花键与起动机电枢轴前端的花键结合。单向离合器既可在拨叉作用下沿电枢轴轴向移动，又可在电枢驱动下作旋转运动。

2）工作过程

（a）起动时（b）起动后

图4-21 滚柱式单向离合器工作原理

滚柱式单向离合器工作时属于线接触传力，所以不能传递大转矩，一般用于小功率（2 kW以下）的起动机上，否则滚柱易变形、卡死，造成单向离合器分离不彻底。由于它结构简单，目前广泛用于汽油发动机上。

3.弹簧式单向离合器

弹簧式单向离合器是通过扭力弹簧的径向收缩和放松来实现接合和分离的，其结构如图4-22所示。

图4-22 弹簧式单向离合器

弹簧式单向离合器具有结构简单、寿命长、成本低等特点。因扭力弹簧圈数较多，轴向尺寸较大，多用于大中型起动机。

4.摩擦片式单向离合器

摩擦片式单向离合器是通过主、从动摩擦片的压紧和放松来实现接合和分离的，其结构如图4-23所示。

图4-23 摩擦片式单向离合器

摩擦片式单向离合器传递的最大转矩可通过增减调整垫片进行调整。但结构较复杂，在大功率起动机上应用比较广泛。

4.3.2起动机的控制机构

起动机控制机构也叫操纵机构，有机械控制式（亦称直接操纵式，现已淘汰）和电磁控制式（电磁操纵式）两类。

图4-24 电磁操纵式起动机电路原理

（a）整体式

图4-25 起动机电磁开关

（b）分离式

4.4 起动系统控制电路

4.4.1起动开关直接控制起动系统

起动开关直接控制是指起动机由起动开关（点火开关或起动按钮）直接控制，如图4-26所示。起动功率较小的汽车（如长安奥拓微型轿车、天津夏利轿车）常用这种控制形式。

（a）接线图（b）电原理图

图4-26 开关直接控制的起动系统电路

4.4.2起动继电器控制起动系统

空挡起动开关离合器开关

（a）接线图（b）电原理图

图4-27 起动继电器控制的起动系统电路

起动复合继电器控制起动系统

图4-28 起动复合继电器控制的起动系统电路

为了在发动机起动后，使起动机自动停转并保证不再接通起动机电路，解放CA1092及东风EQ1092等汽车采用了具有安全驱动保护功能的起动复合继电器控制起动系统。

4.4.34.4.4车载计算机控制起动系统

图4-29 LS400轿车微机控制的起动系统

4.5 典型起动机工作过程分析

4.5.1电磁控制强制啮合式起动机1.结构特点

图4-30 QD124型起动机

1—前端盖；2—机壳；3—电磁开关；4—调节螺钉；5—拨叉；6—后端盖；7—限位螺钉；8—单向离合器；9—中间轴承支撑板；10—电枢；11—磁极；12—磁场绕组；13—电刷

2.工作过程分析

1—起动继电器触点；2—起动继电器线圈；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—电磁开关接线柱；10—接触盘；11—推杆；12—固定铁心；13—吸拉线圈；14—保持线圈；15—活动铁心；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（白线1.7Ω）

4.5.2减速式起动机

图4-32 QDJ254减速起动机（24V、功率4.9kW，匹配玉柴4110ZD、云内4100系列柴油机）

1.结构特点

减速起动机基本结构与电磁强制啮合式起动机相同，只是在电枢和驱动齿轮之间，装有减速机构。经减速机构将起动机转速降低后，再带动驱动齿轮。由于应用了减速机构，可采用小型、高速、低转矩的电动机。

起动机的减速机构，常见的有三种形式：内啮合齿轮式、外啮合齿轮式和行星齿轮式，如图4-33所示。

（a）外啮合齿轮式（b）内啮合齿轮式图4-33 减速机构的结构形式

（c）行星齿轮式

减速起动机的电动机转速高达15000～20000r／min，在同样输出功率条件下比普通起动机的质量减少约20％～40％，体积约减少一半，转矩增高。这不仅提高了起动性能，而且也相对减轻了蓄电池的负担。

2.工作过程分析

1—起动开关；2—起动继电器线圈；3—起动继电器触点；4—主触点；5—接触盘；6—吸拉线圈；7—保持线圈；8—活动铁心；9—拨叉；10—单向离合器；11—螺旋花键轴；12—内啮合减速齿轮；13—主动齿轮；14—电枢；15—磁场绕组

4.5.3永磁减速式起动机

1—接线柱；2—活动铁心；3—永久磁铁；4—拨叉；5—换向器；6、9—轴承；7—电刷；

8—行星齿轮减速器总成；10—单向离合器；11—电枢绕组；12—驱动盘；

13—固定内齿圈；14—行星轮支架；15—太阳轮；16—电枢铁心

图4-35上海桑塔纳2000型轿车采用的SD6RA型永磁减速起动机结构简图

图4-36 北京切诺基BJ2021型吉普车采用的12VDW1.4型永磁减速式起动机原理简图

4.5.4电枢移动式起动机1.结构特点

图4-37 电枢移动式起动机

1—油塞；2—摩擦片式单向离合器；3—磁极；4—电枢；5—接线柱；6—接触盘；7—电磁开关；8—扣爪；9—换向器；10—圆盘；11—电刷弹簧；2—电刷；13—电刷架；14—复位弹簧；15—磁场绕组；16—机壳；17—驱动齿轮

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