汽车起动机的工作原理

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簧片触头。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。