汽车电气设备构造与维修机械工业版教案起动机的组成结构和工作原理.docx
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汽车电气设备构造与维修机械工业版教案起动机的组成结构和工作原理
汽车电气设备构造与维修（机械工业版）教案
课程名称
汽车电气设备构造与维修
教研组长意见
签名
任课教师
陈学军
日期
编写日期
授课日期
年3月28日
年2月20日
授课班级
10汽修（3），10汽电
题目
§3.1起动机的组成、结构和工作原理
目的
要求
了解起动机的作用和类型
掌握起动机的组成
重点、难点
起动机的组成
组
织
教
学
§3.1起动机的组成、结构和工作原理
课堂讲解，学生提问
大约用时
4课时
教具及电化教学手段等
教材，教案
作业布置
课后
记事
教学内容及实施过程（注明：
*重点#难点？
疑点）：
一、导入新课
发动机的起动是指发动机借助外力作用，由静止状态过渡到自行运转的过程。
发动机常用的起动方式有人力起动、辅助汽油机起动和电力起动三种形式。
人力起动在一些汽车上作为一种后备方式保留着；辅助汽油机起动主要用于大功率的柴油发动机上；电力起动操作简便，起动迅速可靠，具有重复起动的能力，被现代汽车广泛采用。
二、明确本次授课的目的与要求
掌握起动机的组成；了解起动机的作用和类型。
三、讲解本次授课的具体内容
第一节起动机的组成、结构和工作原理
发动机的起动是指发动机借助外力作用，由静止状态过渡到自行运转的过程。
发动机常用的起动方式有人力起动、辅助汽油机起动和电力起动三种形式。
人力起动在一些汽车上作为一种后备方式保留着；辅助汽油机起动主要用于大功率的柴油发动机上；电力起动操作简便，起动迅速可靠，具有重复起动的能力，被现代汽车广泛采用。
1.起动系的组成
主要由起动机和起动机控制电路组成，起动时借助点火开关和起动继电器，控制起动机接通或切断主电路，来起动发动机。
2.对起动系的要求
为了完成起动的任务,不管何种起动机都要满足以下要求：
（1）起动时应平顺,起动机的齿轮与发动机的飞轮齿圈啮合要柔和,不应发生冲击。
（2）发动机起动后,起动机的小齿轮应能自动打滑或脱离啮合。
（3）起动系统结构应简单、工作可靠。
（4）发动机在工作中,起动机的小齿轮不能再进入啮合,防止发生冲击。
3.起动机的分类
车用起动机种类繁多，型式各异，主要有以下三种分类方法。
按总体结构不同分类 ①普通起动机，即无特殊结构和装置的起动机，如桑塔纳轿车配用的QD1225型起动机；②减速起动机，该起动机最大的特点就是在传动机构设有减速装置。
由于直流电动机采用高速、小型、低转矩电动机，所以质量和体积比普通起动机可减小30%～35%，缺点是结构和工艺比普通起动机复杂，如切诺基吉普车配用的DW1.4型减速起动机；③永磁起动机，该电动机磁极用永磁材料（铁氧体或钕铁硼等）制成，由于取消了激磁绕组，因此结构简化、体积小、质量轻，如奥迪100型轿车配用的减速起动机。
按控制方式不同分类 ①机械控制式起动机，其特点是由手拉杠杆或脚踏联动机构直接控制起动机的主回路开关来接通或切断主回路。
由于机械控制式要求起动机、蓄电池靠近驾驶室而受到安装和布局的限制，且操作不便，因此已很少采用；②电磁控制式起动机，它是利用点火开关或按钮控制电磁铁，再由电磁铁控制主回路开关来接通或切断主电路。
由于电磁铁可进行远距离控制，且操作方便省力，因此现代汽车普遍采用。
按传动机构啮入方式不同分类 ①强制啮合式起动机，它是依靠电磁力或人力拉动杠杆机构，拨动驱动齿轮强制啮入飞轮齿环。
工作可靠性高，现代汽车广泛采用；②惯性啮合式起动机，它最大的特点就是驱动齿轮借旋转时的惯性力啮入飞轮齿环。
工作可靠性较差，目前已很少采用；③电枢移动式起动机，工作时依靠磁极磁通的电磁力使电枢产生轴向移动，使驱动齿轮啮入飞轮齿环。
该起动机结构比较复杂，东欧国家采用较多，如太脱拉Tl11、T138等汽车。
④齿轮移动式起动机，它是依靠电磁开关推动电枢轴孔内的啮合杆，从而使驱动齿轮啮入飞轮环，如奔驰2026型越野汽车用博世K·B型起动机。
汽车由静止到运动必须作用于外力，这个外力来源于汽车的起动机。
目前汽车上的起动机，动力源多来自电能，即起动机主要由电动机组成。
电力起动具有操作简便、起动迅速的特点,并具有重复起动的能力,可以实现远距离控制。
因此在现代汽车上广泛地采用。
各种普通起动机的结构大同小异，外形如图3-1所示。
它主要由直流电动机、传动机构和控制装置三部分组成。
起动发动机时，通过操纵控制装置即开关，将直流电动机产生转矩，经传动机构传递给曲轴，带动发动机。
3.1.1直流电动机
1.直流电动机的结构
直流电动机主要由壳体、磁极、电枢、换向器和电刷组件等部分组成,如图3-1。
它能将电能转换为机械能，产生转矩带动发动机曲轴，起动发动机。
一般均采用直流串励式电动机。
串励是指电枢绕组与磁场绕组串联。
图3-1普通起动机实物图
（1）磁极
磁极的作用是产生电枢转动时所需要的磁场，它由固定在机壳上的磁极铁心和磁场绕组组成。
如图3-2。
为了增大起动机的电磁转矩，磁极一般有四个或六个。
四个激磁绕组的连接方式有两种：
一种是四个绕组串联后再与电枢绕组串联，如图3－3a）所示，另一种是两个绕组先串联后并联，然后再与电枢绕组串联，如图3－3b）所示。
目前普遍采用后一种连接方式，无论采用哪一种连接方式，其激磁绕组通电产生的磁极必须N、S极相间排列。
图3-2直流电动机结构图
（2）电枢
图3-4所示为电枢总成，由外圆带槽的硅钢片叠成的铁心和电枢绕组组成，磁场绕组和电枢一般采用矩形断面的裸铜线绕制。
换向器装在电枢轴上，它由许多换向片组成。
换向片嵌装在轴套上，各换向片之间均用云母绝缘。
3）电刷
电刷和换向器配合作用。
它主要用来连接磁场绕组和电枢绕组的电路，并使电枢轴上的电磁力矩保持固定方向。
电刷装在端盖上的电刷架上，电刷弹簧使电刷与换向片之间具有适当的压力，以保持配合，如图3-5所示。
以四磁极电动机为例，其中两个电刷与机壳绝缘，电流通过这两个电刷进入电枢绕组，另外两个为搭铁电刷，通过电枢绕组的电流使这两个电刷搭铁。
图3-3激磁绕组连接方式
图3-4电枢结构图
图3-5电刷组件结构图
（4）机壳
机壳是电动机的磁极和电枢的安装机体,其中一端有4个检查窗口,便于进行电刷和换向器的维护，同时起动机的电磁开关也安装在机壳上,其上有一绝缘接线端,是电动机电流的引入线。
2、直流电动机的工作原理
直流电动机的基本工作原理是：
通电的导体在磁场中会受电磁力的作用,电磁力的方向遵循左手定则,如图3-6所示,两片换向片分别与环状线圈的两端连接,电刷一端与两片换向器片相接触,另一端分别接蓄电池的正极和负极。
在线圈旋转过程中，环状线圈电流方向为：
蓄电池正极→正电刷→换向片→线圈→换向片→负电刷→蓄电池负极。
由于电刷位置不变，换向器片随环状线圈一起运转，使环状线圈的电流方向交替变化。
根据左手定则可知：
环状线圈在电磁力矩作用下将一直按同一方向转动。
由于一个线圈产生转矩太小，且转速不稳定，因此实际上，电动机电枢采用多匝线圈，换向片数也随线圈数量的增多而相应增加。
图3-6直流电动机工作原理图
3.直流电动机的工作特性
直流串励式电动机的力矩M、转速n和功率P随电枢电流变化的规律称为直流串励式电动机的特性。
图3-7为直流串励式电动机的特性曲线,其中曲线M、n和P分别代表力矩特性、转速特性和功率特性。
图3-7直流电动机的特性
1）力矩特性
在起动机起动的瞬间,电枢转速为零,电枢电流达到最大值,力矩也相应达到最大值、使发动机的起动变得很容易,这是汽车起动机采用串励式电动机的主要原因。
2）转速特性
串励式电动机输出力矩较大时,电枢电流也大,电动机转速随电流的增加而急剧下降；反之,输出力矩较小时,电动机转速又随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,这对保证起动安全可靠是非常有利的,这也是汽车上采用串励式电动机的一个重要原因。
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——电枢轴上的力矩（Nm）；
n——电枢转速（r/min）。
电动机完全制动时,转速和输出功率为零,力矩达到最大值。
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。
4.影响起动机功率的主要因素
1）蓄电池的容量
蓄电池的容量愈小，供给起动机的电流愈小，于是产生的力矩就愈小，导致功率减小。
2）温度
环境温度主要是通过影响蓄电池的内阻而影响起动机的功率。
3）接触电阻和导线电阻
接触电阻大、导线过长及截面过小，都会造成较大的电压降，使起动机的功率减小。
3.1.2传动机构
传动机构的作用是把直流电动机产生转矩传递给飞轮齿圈,再通过飞轮齿圈把转矩传递给发动机的曲轴,使发动机起动；起动后,飞轮齿圈与驱动齿轮自动打滑脱离。
它一般由驱动齿轮、单向离合器、拨叉、啮合弹簧等组成。
单向离合器有滚柱式、摩擦片式、弹簧式等几种类型。
1.滚柱式单向离合器
1）构造
如图3-8所示,滚柱式单向离合器的驱动齿轮1与外壳2制成一体,外壳内装有十字块3和4套滚柱4、压帽和弹簧。
十字块与花键套筒固定连接,壳底与外壳相互扣合密封。
图3-8滚柱式单向离合器的结构
花键套筒的外面装有啮合弹簧及衬圈,末端安装拨环和卡圈。
整个离合器总成套装在电动机轴的花键部位上,可作轴向移动和随轴转动。
在外壳与十字块之间,形成4个宽窄不等的楔形槽,槽内分别装有一套滚柱、压帽及弹簧。
滚柱的直径略大于楔形槽窄端,略小于楔形槽的宽端。
2）工作过程
滚柱式单向离合器受力分析如图3-9所示,当起动机电枢旋转时,转矩经套筒带动十字块旋转,滚柱滚入楔形槽窄端,将十字块与外壳卡紧,使十字块与外壳之间能传递力矩,如图3-9a）所示；发动机起动以后,飞轮齿圈会带动驱动齿轮旋转。
当转速超过电枢转速时,滚柱滚入宽端打滑,这样发动机的力矩就不会传递至起动机,起到保护起动机的作用,如图3-9b）所示。
图3-9滚柱的受力及作用示意图
2.摩擦片式单向离合器
摩擦片式单向离合器是利用分别与两个零件关联的主动摩擦片和被动摩擦片之间的接触和分离，通过摩擦片实现扭矩传递和打滑的。
1-外接合鼓；2-螺母；3-弹性圈；4-压环；5-调整垫圈；6-被动摩擦片；7、12-卡环；8-主动摩擦片；9-内接合鼓；10-花键套筒；11-移动衬套；13-缓冲弹簧；14-挡圈
3.弹簧式单向离合器
弹簧式单向离合器是利用与两个零件关联的扭力弹簧的粗细变化，通过扭力弹簧实现扭矩传递和打滑的。
1-驱动齿轮；2-挡圈；3-月形键；4-扭力弹簧；5-护套；
6-花键套筒；7-垫圈；8-缓冲弹簧；9-移动衬套；10-卡簧
3.1.3控制装置
电磁控制装置在起动机上称为电磁开关,它的作用是控制驱动齿轮与飞轮齿圈的啮合与分离,并控制电动机电路的接通与切断。
在现代汽车上,起动机均采用电磁式控制电路,电磁式控制装置是利用电磁开关的电磁力操纵拨叉,使驱动齿轮与飞轮啮合或分离。
1、电磁控制装置的结构
课本图3-12是电磁开关的结构图。
图3-13是QD124型起动机的电路。
图3-13QD124型起动机的电路
起动继电器线圈电路为：
蓄电池正极→主接线柱→电流表→点火开关→起动继电器“点火开关”接线柱→线圈→起动继电器“搭铁”接线柱→搭铁→蓄电池负极。
电磁开关电路为：
蓄电池正极→起动机主接线柱→起动继电器“电池”接线柱→触点→起动继电器“起动机”接线柱→接线柱→（吸拉线圈→导电片→主接线柱→电动机）/（保持线圈）→搭铁→蓄电池负极。
起动机主电路为：
蓄电池正极→起动机主接线柱→接触盘→起动机主接线柱→磁场绕组→绝缘电刷→电枢绕组→搭铁电刷→搭铁→蓄电池负极。
2、基本工作过程
见课本图3-13。
当点火开关接通后,保持线圈的电流经起动机端子12进入,经线圈后直接搭铁,吸引线圈的电流也经起动机端子12进入,但通过线圈后未直接搭铁,而是进入电动机的励磁线圈和电枢后再搭铁。
两线圈通电后产生较强的电磁力,克服复位弹簧弹力使活动铁心移动,一方面通过拨叉带动驱动齿轮移向飞轮齿圈并与之啮合,另一方面推动接触片移向端子9和端子10的触点,在驱动齿轮与飞轮齿圈进入啮合后,接触片将两个主触点接通,使电动机通电运转。
在驱动齿轮进入啮合之前,由于经过吸引线圈的电流经过了电动机,所以电动机在这个电流的作用下会产生缓慢旋转,以便于驱动齿轮与飞轮齿圈进入啮合。
在两个主接线柱触点接通之后,蓄电池的电流直接通过主触点和接触片进入电动机,使电动机进入正常运转,此时通过吸引线圈的电路被短路。
因此,吸引线圈中无电流通过,主触点接通的位置靠保持线圈来保持。
发动机起动后,切断起动电路,保持线圈断电,在弹簧的作用下,活动铁心回位,切断了电动机的电路,同时也使驱动齿轮与飞轮齿圈脱离啮合。
3.1.4起动机的型号
机械工业部部颁标准JB1546-83《汽车电气设备产品型号编制方法》中规定如下：
QD
□
□
□□
□
产品代号
电压等级
功率等级
设计序号
变型代号
第一部分为产品代号：
起动机的产品代号为QD,其中Q表示起,D表示动。
第二部分为分类代号：
起动机的型号中以电压等级作为分类代号,分类代号“1”表示电压等级为12V,分类代号“2”表示电压等级为24V。
第三部分为分组代号：
起动机的型号中,以功率等级作为分组代号,分组代号应符合表4-2之中的规定。
起动机分组代号 表3-1
分组代号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
功率等级
（kW）
～0.736
＞（1～2）
×0.736
＞（2～3）×0.736
＞（3～4）×0.736
＞（4～5）
×0.736
＞（5～7）
×0.736
＞（7～10）
×0.736
＞（10～15）
×0.736
＞15
×0.736
注：
型号中关于设计序号和变型代号的规定与其他电气产品中的有关规定相同。
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