汽车原理
汽车起动机的工作原理
　

  一、概述   
  1．启动机功用     汽车发动机是靠外力启动的，必须依靠 外力使曲轴旋转，并要求曲轴的旋转达到一 定的转速，才能启动内燃机。汽车发动机常 用的启动方式有人力启动和电力启动机启 动两种。   
   人力启动(手摇)最简单，但劳动强度大， 且不安全，目前只作为后备启动方式。电力 启动机启动具有操作方便、启动迅速可靠、 有重复启动能力等特点，因而被广泛采用。 用于启动内燃机的电动机及附属装置，叫作 启动装置o   
  -     2．对启动电动机的基本要求 
    (1)必须有足够的转矩和转速  转矩和 转速是对电动机最主要的要求， 因为：   
   1)要带动发动机旋转，必须克服发动机 的阻力矩。发动机的阻力矩与发动机的工作 容积、汽缸数、压缩比等有关。对于构造一定 的发动机来说，当温度降低时，润滑油的黏 度增大，阻力矩显著增加；在启动加速过程 中，还要克服各运动机件的惯性力，故启动 电动机必须具备足够的转矩。    ’   
  2)要保证启动发动机除具备足够转矩 外，还必须使发动机的转速升至一定程度。 因为转速过低时，对于化油器式发动机来 说．化油器中的气流速度过低，低压程度过 ．小，汽油不易喷出，也不易雾化，造成混合气 过稀，发动机便不能发动。当温度较低(在冬 天)时，雾化条件变坏，混合气变得更稀，启动 更加因难。一般要求化油器发动机的启动转 速应在40,．-50转／分以上。 
    (2)转矩应能随转速的升高而降低  因 为在启动之初，曲轴由静止开始转动时，机 ’件作加速度运动须克服很大的静止惯性力， 同时各摩擦部分处于半干摩擦状态，摩擦阻 力较大，这时需要较大的启动转矩，才能带 动发动机转动，并使转速很快升高，但随着 曲轴转速升高，加速阻力减小，油膜也逐渐 形成，所需的转矩相应减小，而当曲轴转速 升至启动转速，发动机一旦发动后．自己就能 够独立工作，就不需要电动机带着转动了。所 以，希望转矩能随着转速的升高而降低。     
 3．启动机的组成与分类   
   (1)启动机的组成  电力启动机都是由 直流串励式电动机、传动机构和控制装置三 大部分组成(见图1)。 
   1)直流串励式电动机，其作用是产生电 磁转矩。 
    2)传动机构(或称啮合机构)，其作用是： 在发动机启动时，使启动机小齿轮啮入飞轮 齿圈，将启动机转矩传给发动机曲轴；而在发 动机启动后，使启动机自动脱开飞轮齿圈。     
 3)控制装置(即开关)用来接通与截断启 动机与蓄电池间的电路。 
     常见发动机的启动装置是以蓄电池为 电源的直流电动机，其电动机的启动动力必 须超过发动汽缸的压缩压力及其他摩擦阻 力；必须具有足够的启动转矩，以便使发动 机达到规定的转速。在满足上述要求的情况 下，启动装置应尽可能小型轻量化。为此，启 动装置除必须有直流电动机和附属装置外， 还应有把电动机的动力传递给发动机的动 力传递机构。动力传递机构由转矩齿轮(飞 轮上的齿环)和电动机轴上的小齿轮及行星 减速机构组成。发动机启动时，小齿轮与转 矩齿轮相啮合，电动机转动，通过减速机构 将转矩扩大，再通过小齿轮驱动发动机曲轴 旋转。   
   (2)启动机的分类  启动机的种类很 多，但电动机部分一般没有大的差别，传动机 构和控制装置则差异较大。因此，启动机多是 按传动机构和控制装置的不同来分类的o’     
 1)按传动机构分 
     ①惯性啮合式启动 机。这种启动机启动时， 其驱动齿轮惯性力自动 啮入飞轮齿环，启动后， 驱动齿轮又靠惯性力自 动与飞轮齿环脱开。这 种启动机二亡作可靠性 差．现代汽车已很少使用。 
    ②电枢移动式启动机。这种启动机是靠 电动机内部辅助磁极的电磁吸力，吸引电枢 作轴向移动，使驱动齿轮齿环，启 动后，回位弹簧使电枢回位，于是驱动齿轮 便与飞轮齿环脱开。这种启动机结构复杂， 仅用于一些大功率柴油车上。      ⑧强制啮合式启动机。这种启动机是靠 人力或电磁力拉动拨叉．强制驱动齿轮啮人 和脱出飞轮齿圈。这种启动机结构简单、工作 可靠、操作方便，所以被现代汽车广泛采用。 
  2)按控制装置分   
 ①直接(机械)操纵式启动机即由驾驶 员利用脚踏(或手拉)，直接控制操纵机械式启 动机主电路开关，接通或切断启动电流。在新 型汽车上这种形式的启动机已不再采用。   
  ②电磁控制式启动机电磁操纵式启动 机，通常以钥匙开关控制电磁开关(或启动继 电器)，再由电磁开关控制启动机主电路的 接通与断开6它可以实现远距离控制，操作 简便、省力，被现代汽车广泛采用。此外，还 有齿轮移动式启动机、同轴式启动机和减速 式启动机等。     目前，大多数汽车启动机的控制机构为 电磁操纵式，而传动机构为强制啮合式，故称 为电磁操纵强制啮合式启动机。随着材料和 技术的发展，出现了永磁启动机和减速启动J 机等新型启动机。   
‘      二、启动机的结构原理   
  1．启动直流电动机的结构   
  启动电动机为直流电动机，没有激磁缨 圈，用永久磁铁做磁极。电动机的特性：加负 荷时转速低，转矩大。若负荷减小则转矩减 小，转速提高。由于转速随负荷的变化而有 明显的变化．故适用于短时间内要求大转矩 (大负载)的情况。电动机由电枢、永久磁铁、 电刷等组成。     
 启动直流电动机的结构见图2。   
  (1)电枢  电枢由轴、铁芯、整流片及绝 缘安装的电枢线圈绕组等组成。轴的两端由 轴承支紧，在其中间旋转的是整流电极片和 铁芯。     电枢轴承受很大的转矩。为了使其不损 坏、变形和扭曲，所以用特殊合金钢制成。小 齿轮的滑动部分为螺旋花键，经精加J 工及淬火处理o    I   
   电枢铁芯上的槽，用于安装电枢线圈。 铁芯由一片片厚度为11][1l-]l以下的硅钢片机 绝缘后制成．既有良好的导磁性，又可减少 涡流。使用中，铁芯也不会过于发热。   
   因电枢线圈通过大电流，所以使用大截 面扁平铜线。线圈的一侧是N极，另一侧是 S极，以绝缘方式插入铁芯槽内。在线圈的 两端安装有整流子。整流子由一片片扇形硬 铜片组合成圆形，这些铜片叫做整流片。片 与片之间用厚为lmm的云母片来绝缘。 
    (2)壳及磁极铁芯  壳是铁制成的。圆 筒，形成磁力线通路．是电动机的壳体，内 侧面以永久磁铁代替激磁线圈和铁芯，以 减小体积o     (3)电枢线圈  因为是永久磁铁电动 机，在电枢线圈上有较大的电流，故使用电 阻小的扁平铜线。通过的电流将强磁化磁 极铁芯，产生很强的磁力线．增大电动机的 转矩．电枢体积相应变小。 
  ( 4)电刷  电刷有四个，两个是绝缘夹 子支承；两个接地，同样用夹子支承并与整 流子接触。电流从电刷经整流子通向电枢线 圈。电刷由弹簧压在整流子上，并可在夹子 内上下滑动。电刷要求是单位面积通过的电 流大．故采用电阻小、电流容蛩大的金属石 墨。    ．    ．
    (5)轴承  由于启动负荷大、工作时间 短，故采用含油合金制造的滚珠轴承。轴承 上有保证良好润滑的油槽。    2．直流电动机及其特性   (1)直流电动机的原理  真流电动机 的原理如图3所示。在磁场中放置一个线 圈，线圈的两点分别与两片换向片连接．两 只电刷分别与两片换向片接触．并与蓄电 池的正极或负极接通。、电流方向为：蓄电池 正极一正电刷一换向片_线圈一负电刷叶 蓄电池负极。图3a线圈中的电流方向为 一d，由左手定则可以确定导体ab受向左 的作用力，cd受向右的作用力．整个线圈受 到逆时针方向的转矩作用而转动。当线圈。 转过半周(如图3b所示)后，换向片B与正 电刷接触，换向片A则与负电刷接触．线圈 中的电流方向变为d—a，线圈受转矩作用 仍按逆时针方向转动。这样，在电流连续对 电动机供电时．其线网就不停地按同一方 向转动。实际上，电动机的电枢采用多匝线 圈，换向片的数量也随线圈绕组匝数的增多 而增多。   
  (2)直流串励式电动机的特性  直流串励 式电动机的转矩M、转速n和功率P随电 枢电流变化的规律，称为直流串励电动机的 特性。图4为直流串励式电动机的特性曲 线。其中，曲线M、n和P分别代表转矩特 性、转速特性和功率特性。 
    1)转矩特性  在启动机启动的瞬间，因 发动机的阻力矩很大，启动机处于完全制动 状态，电枢转速为零，电枢电流达到最大值， 转矩也相应地达到最大值。转矩与电枢电流 的平方成正比，所以制动电流所产生的转矩 很大．足以克服发动机的阻力矩，使发动机 的启动变得很容易。这是汽车启动机采用串 励式电动机的主要原因之一。     
 2)转速特性  串励式电动机在输出转 矩大时．电枢电流较大．电动机转速随电流 的增加而急剧下降；反之，在输出转矩较小 时，电动机转速又随着电枢电流的减小而很快 上升。     串励式电动机具有轻载转速高，重载转 速低的特性，对保证启动安全可靠是非常有 利的．这是汽车上采用串励式启动机的又一 重要原因。但是，轻载或空载时的高转速．容 易使串励式电动机发生“飞车”事故。所以功 率较大的串励式电动机不可在轻载或空载 情况下使用；汽车启动机功率较小，但也不 可在轻载或空载状态下长时间运行。   
，      3)功率特性  串励 式电动机的功率P可用 下式表示：     P=Mn／9550     式中，M一电枢轴上 的转矩(Nm)；n一电枢转 速(r／min)。    ’      电动机完全制动时， 转速和输出功率为零，转 矩达到最大值。空载时电 流最小，转速最大．输出 功率也为零。当电枢电流 接近制动电流一半时．电 动机输出功率最大。   
   3．影响启动机功率 的因素     
．     影响启动机功率的因素有以下互方面：     
(1)接触电阻和导线电阻的影响  换向 器烧蚀、污损，换向器和电刷磨损，电刷弹簧 张力减小，导线与电池接线柱连接小紧．导 线过长以及截面积过小等，都会造成较大的 电压降，使启动机的功率减小。因此，必须保 证导线连接处接触良好，尽可能缩短蓄电池 至启动机的导线以及蓄电池搭铁线的长度， 并选用截面积较大的导线，以保证启动机正 常工作。   
’      (2)蓄电池容量的影响  蓄电池容最越 小，其内阻越大，放电时产生的电压降也越 大，此时启动机的功率减小。 
    (3)温度的影响  环境温度主要是通过 其对蓄电池容量和内阻的影响．来影响启动 机功率的。温度降低，蓄电池内阻增加．容‘精 降低，启动机功率下降。因此．冬季应对蒂电 池采取有效的保温措施，以提高启动机功 率，改善启动性能o   
  4．启动机的传动机构   
   启动机的传动机构又称离合机构或离 合器。它由单向离合器和传动拨叉等部件构 成。传动拨叉的结构及工作情况都比较简 单，这里只讨论离合器。单向离合器的作用 是传递电动机转矩以启动发动机，在发动机 启动后自动打滑，保证电枢不致飞散。   
  (1)单向离合器种类  常用的单向离合 器有滚柱式、弹簧式、摩擦片式等3种．，   
  1)滚柱式单向离合器  滚柱式单向离 合器的构造如图5所示。驱动齿轮与外壳制 成一体，十字块与花键套筒制成一体，在外 壳与十字块形成的4个楔形槽中，分别装有 一套滚柱与压帽弹簧．花键套筒外面装有移 动衬套及缓冲弹簧。整个离合器总成利用花 键套筒套在电枢轴的花键上．拨叉拨动移动 衬套时．离合器总成可在电枢轴上作轴向移 动，但花键套筒及十字块都要随电枢轴转动。  ’  工作过程见图60发动机启动时．拨叉使  发动机启动后，飞轮转速升高，飞轮齿 圈变为主动轮，带动驱动齿轮旋转，在摩擦 力的作用下．滚柱滚入楔形槽的宽端面打 滑，使发动机的转矩不能传递给电枢，防止 了电枢的超速飞散。   
  滚柱式离合器结构简单、体积小、工作 +可靠，一般不需调整，在现代汽车上被广泛 采用。但它不能传递大的转矩，在大功率启 动机上使用受到限制。     
 2)摩擦片式单向离合器或摩擦片式离 合器的构造如图7所示。花键套筒的外表面 上有三线螺旋花键，套着内接合鼓(主动鼓)， 内接合鼓上有4．道轴向槽，用来插放主动摩 擦片的内凸齿，被动摩擦片的外凸齿插在与 驱动齿轮成一体的外接合鼓(被动鼓)的槽 中，主、被动摩擦片相间排列o ’   
  摩擦片式离合器可以传递较大转矩，并 能在超载时自动打滑，防止因超载而损坏启 动机。但由于摩擦片容易磨损，表面摩擦系 数会逐渐变小，所以需经常检查和调整，其 结构也比较复杂。   
   3)弹簧式单向离合器  弹簧式单向离 合器的构造如图8所示。花键套筒装在电枢 轴的螺旋花键上，驱动齿轮套在电枢轴的光 滑部分，驱动齿轮柄的圆柱部分与花键套筒 的圆柱部分装在一起后，用两个月形键将它 们连接，两部分之间能够相对转动，但不能 作轴向相对移动。在它们外面包有一个扭力 弹簧，弹簧的两端各有1／4圈内径较小，分 别紧箍在齿轮柄和花键套筒上。扭力弹簧有 圆形和方形截面两种形式。弹簧式离合器 具有结构简单、寿命长、成本低等优点。但由 于扭力弹簧的圈数较多，使其轴向尺寸较 大，因此在小型启动机上的使用受到限制。   
  (2)启动单向离合器工作过程  启动装置 中如滚柱式单向离合器，在螺旋电枢花键轴 与小齿轮之间。发动机启动后，单向离合器 可防止发动机向启动机逆向传递动力，保证 只能把启动机的转矩传递给发动机。另外， 当一次性启动未能启动时，再接合启动开关 的时候，将引起小齿轮和转矩齿轮实现再次 圆滑接合，为此，在电枢轴上安装有制动装置。   
   单向离合器内座圈和小齿轮成一体，外 座圈和套筒成一体，外座圈内有4个楔形沟 槽，沟槽内插入滚柱，依靠弹簧压向楔形沟 槽的狭窄方向。如果电枢旋转，滚柱就被压 在楔形沟槽的狭窄部位，电枢的转矩经滚柱 传递给小齿轮驱动发动机。发动机启动后， 发动机的转速远比启动机的驱动转速高，出 现发动机向启动机逆旋 转。在此情况下，单向离合 器的滚柱向楔形沟槽的宽 敞部位移动，小齿轮空转， 防止发动机反向驱动启动 机。   
   当工作时发动机启动 瞬间，外接合鼓是静止的。 在惯性力作用下，内接合 鼓由于花键套筒的旋转 而左移，从而使主、被动摩 擦片压紧在一起，电枢转 矩经内接合鼓及主、被动 摩擦片和外接合鼓传给 齿轮。发动机启动后，飞轮 齿圈带动驱动齿轮旋转， 于是内接合鼓沿花键套 筒的花键右移，使主、被 动摩擦片放松而打滑，发 动机的转矩不能传给启 动机。   
   5．启动机的控制机构 
    启动机的控制机构，有机械操纵式和电 磁操纵式两类。机械操纵式已经淘汰，这里 只介绍电磁操纵式控制机构。
      (1)电磁开关的构造  胶木盖上有两个 主接线柱，在外部分别与蓄电池和电动机连 接(见图9)，它们伸人开关内部的部分为触 点。电磁开关的另一端有铜套，上面绕着吸 引线圈和保持线圈。两线圈的公共端引出一 个接启动开关或启动继电器的启动机接线 柱。吸引线圈的另一端接电动机主接线柱， 保持线圈的另一端直接搭铁。在位于固定铁 芯中心孑L内的推杆上，绝缘地安装着铜质接 触盘。铜套内有活动铁芯，它与拨叉通过拉 杆相连。电磁开关内的弹簧是用来使接触盘 或活动铁芯回位的。电磁开关上还有一个接 点火线圈开关的接线柱，该接线柱伸入开关 内部的一个弹触头。当接触盘向右移动 时，该接触头与接触盘接触而与电源接通， 电机产生转矩，带动发动机曲轴运转。接触 盘退回时切断了启动机主电路，拨叉将处于打 滑状态的离合器拨回原位，齿轮脱离啮合，启 动机停止工作。      电磁操纵强制啮合式启动机，通过电磁 开关控制主电路的通、断；而驱动齿轮与飞 轮齿圈的啮合与退出，是由一套杠杆机构来 控制的。目前，各种型号启动机电磁开关的 结构和工作原理大同小异。   
  ．(2)电磁开关工作过程  如果接合启动 机开关，蓄电池电流便流经牵引线圈和滞留 线圈，从而吸引铁芯。铁芯牵引拨杆，使小齿 轮和飞轮的转矩齿轮啮合。这时，流经牵gI 线圈的电流经电动机的磁场线圈流人电枢， 电动机慢慢旋转起来，并使小齿轮和飞轮的 转矩齿轮进行圆滑啮合。两个齿轮啮合完了 以后，总开关便断开，电动机直接与蓄电池 相连，产生强大的转矩，驱动发动机。发动机 启动后，如果启动开关仍然接通，则单向离 合器工作，防止从发动机逆向驱动电动机。J 如果启动开关断开，停止向电磁线圈通电，I 铁芯返回原位，制动装置工作，电动机停止．I 回到下次再启动前的状态。    I   
   6．启动系统的安全保护    I   
  (1)安全保护装置的功用  为保证启动I 系统安全可靠地工作，在进口汽车的部分车- 型上设有安全保护(也称误操作保护)装置，其一 功用是：   
  1)当发动机已经正常启动后，如果未及 耐放松启动开关(或启动按钮)，即未及时切 断启动电路，启动机的驱动齿轮将不能及时 与发动机飞轮分离，虽然有单向离合器的作 用‘，发动机不会带动启动机的电枢超速旋 转，但是，发动机飞轮将带动启动机的驱动 齿轮以极高的速度旋转，这将会造成单向离 合器的滑磨，加速磨损。并且，启动机将以空 载转速运转，既消耗电能又会加速启动机轴 承的磨损。设置安全保护装置后，即使没有 及时松开启动开．关，也可及时切断启动机电 路，避免上述现象的发生。   2)在发动机正常运转时，若误接通启动 开关(或启动按钮)，启动机驱动齿轮将在操 纵装置作用下与飞轮轮齿相撞而损坏，故为 此设置安全保护装置，避免驱动齿轮与飞轮 碰撞。 
    (2)启动机保护启动继电器  发动机启动 后，若未及时断开启动开关，就会造成单向 离合器长时间滑磨而加速损坏；若启动后又 误将启动开关接通，则启动机工作，将会造 成启动机驱动齿轮与高速旋转的飞轮齿环 撞击，从而加速齿轮损坏。这两种错误操作 在实际中很难避免。为解决这个问题，在启 动电路中采用了驱动保护电路。如解放 CAl091、东风EQl090汽车采用了启动机继 电器和充电指示继电器组成的组合继电器， 启动继电器有一对常开触点，充电指示继电 器有一对常闭触点，其线圈由发电机中性点 供电。
      启动继电器线圈经充电指示继电器常 【闭触点搭铁。发动机未发动之前，由于发电 I机中性点无电压，充电指示继电器触点闭 I合，经启动继电器的电路仅由点火开关控 I制；发动机启动后，发电机中性点电压达到 l规定值，充电指示继电器常闭触点断开，从 I而将启动继电器切断，使启动继电器触点不 I再闭合，启动机不会工作，从而实现了对启 l动机的保护。   解放CAl091型汽车启动系统电路见 臣10。   
 (3)电磁继电器控制的安全保护装置 豳．11a是将启动继电器(或电磁开关)的线圈 经充电指示灯继电器(或磁场继电器)搭铁构 成的保护电路，这种保护措施用于装有双联 麓点式调节器的汽车，如三菱扶桑NV系 例、NP系列等车型上o I  有的车型，如日野r9172KA型大客车， I祷安全保护继电器与启动继电器组合为一 I{I，称为复合继电器，这种电路与国产汽车解 I|CAl091、东风EQl090F型汽车相同。 |在发动机未启动时，由于发电机未发 融。其中性点N电压为0，调节器中的充电 指示灯继电器线圈无电，触点不动作，启动 继电器的线圈经充电指示灯继电器的常闭 触点搭铁。当启动开关接通时，启动机工作口 在发动机启动后，发电机中性点输出电压， ．作用于充电指示灯继电器的线圈上，常闭触 点断开，常开触点闭合，启动继电器线圈断 电，其触点断开。此时即使没有及时放松启动 开关或误将启动开关接通，启动机也不工作。     
 (4)电子控制继电器的安全保护装置 图1 1b是通过电子电路控制的安全保护电 路，用于日野RC系列等大型客车上。安全 保护继电器中电压比较器a端输出基准电 压，b端输出检测电压。当Ua>Ub时，输出 端C有电流输出，使三极管VT导通，反之 则三极管VT截止。电源电压由B点送人安 全保护继电器，经电阻R1和R2分压，在电 压比较器a端输出一个基准电压。在发动机 未启动时，因发电机中性点N无电压，Ua> Ub，电压比较电路使 三极管VT导通。 
    按压启动按钮，安 全保护继电器的接线 柱SW通电，因三极管 VT导通，继电器线圈 通电，其触点闭合，启 动机电磁开关的吸引 线圈和保持线圈通电， 启动机工作。启动机工 作时，因安全继电器触 点闭合，电源电压加至 接线柱C送人安全继 电器内，经R1、R5送 至电压比较部分b端。 因二极管VD的钳位 作用，b端电位Ub约 为0．5V。电源电压同 时经R3、RP送入a 端。因稳压管VS的作 用，a端电位Ua为1．2V， 仍然保证C端有输出， 使三极管VT导通。 
    发动机正常工作 后，发电机中性点N 输出经半波整流后的 电压，通过检波、整形 电路后，作用于电压比 较部分b端，使Ub> Ua，于是VT截止，安 全继电器线圈断电，即 使没有及时放松按钮 或启动开关，启动机也 将自行停止工作。如果 发动机未启动，放松启 动按钮，则继电器线圈 断电，触点断开，电动机电枢会利用惯性继 续转动。电枢转动成为一只直流发电机，其 电压通过接线柱C送入安全保护继电器内。 因为该电压很小，不能使稳压管击穿，从而 电压比较部分a端为静态电压，约0．1V，b 端电位约0．5V，Ua维修均方便。