汽车启动电机的结构与工作原理

汽车起动机的结构与工作原理

前言在工作过程中就曾接触到汽车起动机，了解车辆对发动机起动机的工作要求，但是对汽车起动机的结构和工作原理并不清楚，借谭老师布置作业的这个机会，最近比较系统的查阅了汽车起动机的相关课件和参考书，了解了汽车起动机的结构及工作原理。汽车起动机由直流电机、传动装置和控制装置组成，直流电机没有特殊之处，比较容易理解，传动装置和控制装置结构较为特殊，本文重点整理了所查阅的汽车起动机的传动装置和控制装置的相关资料。

要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须用外力转动发动机的曲轴，使气缸内吸入（或形成）可燃混合气并燃烧膨胀，工作循环才能自动进行。汽车发动机常用的起动方式是用电动机作为机械动力，当将电动机轴上的齿轮与发动机飞轮周缘的齿圈啮合时，动力就传到飞轮和曲轴，使之旋转。电动机本身又用蓄电池作为能源。目前绝大多数汽车发动机都采用电动机起动。

起动机一般由直流电动机、传动机构、控制装置三部分组成。

图1 起动机

1.直流电动机

直流电动机在直流电压的作用下，产生旋转力矩。直流电动机主要由电枢、磁极、电刷、电刷架及壳体等部件组成。

1.1 电枢

电枢是直流电动机的转子部分，用来将电能转变为机械能，即在起动机通电时，与磁场相互作用而产生电磁转矩。

1.2 磁极

磁极是直流电动机的定子部分，用来产生电动机运转所必须的磁场，它由磁极铁心、安装在铁心上的励磁绕组及机壳组成。

1.3 电刷与电刷架

电刷用铜和石墨粉压制而成，一般含铜80％～90％，石墨10％～20％，以减小电刷电阻并增加其耐磨性。一般起动机电刷个数等于磁极个数，也有的大功率起动机电刷个数等于磁极个数的2倍，以便减小电刷上的电流密度。

2.传动装置

普通起动机传动装置中的主要组成部件是单向离合器，单向离合器的作用是起动时将电枢的电磁转矩传递给发动机飞轮，而在发动机起动后，就立即打滑，以防止发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而损坏起动机。起动机单向离合器常见的有滚柱式、摩擦片式、扭簧式等几种形式。

2.1滚柱式单向离合器

（1）结构特点

滚柱式单向离合器的外壳2与驱动齿轮1连为一体，外壳和十字块3装配后形成四个楔形槽，槽中有四个滚柱，滚柱的直径大于槽窄端又小于槽宽端，弹簧将滚柱推向槽窄端，使得滚柱与十字块及外壳表面有较小的摩擦力。十字块与传动套筒8刚性连接，传动套筒安装在电枢轴花键部位，使单向离合器总成可作轴向移动和随轴转动。

图2 滚柱式单向离合器

（2）工作原理

起动时，电枢轴通过花键带动传动套筒而使十字块转动，十字块相对于外壳作顺时针转动，使滚柱在小摩擦力的作用下滚向槽窄端而被卡紧，外壳即随十字块一起转动，电动机的电磁转矩便通过单向离合器传递给了驱动齿轮。发动机一旦发动，发动机飞轮

带动驱动齿轮旋转，使外壳的转速高于十字块，十字块相对于外壳逆时针转动，使滚柱滚向槽宽端而打滑，从而避免了发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而损坏起动机。2.2 弹簧式单向离合器

（1）结构特点

如图3所示。主动套筒套在电枢轴的花键上，小齿轮套筒则套在电枢轴前端的光滑部分。在对接处有两个月牙形圈，使两者只能做相对转动而不能做轴向移动。在小齿轮套筒与主动套筒的外圆上包有扭力弹簧，扭力弹簧的内径略小于两套筒的外径，因而具有一定的过盈量（0.25～0.5mm）。在主动套筒上用垫圈封闭传动弹簧，外侧再装缓冲弹簧和固连拨环。

图3 弹簧式单向离合器

（2）工作原理

起动发动机时，由于拨叉推动拨环使驱动小齿轮啮入飞轮齿圈，起动机转轴带动花键套筒即主动套筒旋转，使扭力弹簧顺向扭紧并箍死两个套筒，于是就能传递扭矩。

发动机起动后，由于飞轮带着驱动齿轮的转速高于起动机轴，将扭力弹簧作反向放松，使驱动齿轮套筒与主动套筒松脱而打滑，从而避免了超速运转的危险。这种离合器具有结构简单、工艺简化、寿命长、成本低等优点，但因扭力弹簧所需圈数多，轴向尺寸较长，故适用于起动柴油机所需的大功率起动机，而不适宜在小型起动机上采用。

2.3 摩擦片式单向离合器

（1）结构特点

摩擦片式离合器的外接合鼓1用半月键固定在起动机轴上，两个弹性圈2和压环3依次沿起动机轴装进外接合鼓中，青铜主动片4的外凸齿装入外接合鼓的切槽中，钢制的起动机轴装进外接合鼓中，青铜主动片4的外凸齿装入外接合鼓的切槽中，钢制的被动片5以其内齿插入内接合鼓6的切槽中。内接合鼓具有螺线孔并旋在起动机驱动齿轮柄9的三线螺纹上，

齿轮柄则自由地套在起动机轴上，内垫有减震弹簧8并用螺母锁着，以免从轴上脱落，内接合鼓6上具有两个小弹簧轻压诸片，以保证它们彼此接触，如图4所示。

（a）结构（b）压紧（c）松开

1-外接合鼓2-弹性圈3-压环4-主动片5-被动片6-内接合鼓

7-小弹簧8-减震弹簧9-齿轮炳10-驱动齿轮11-飞轮

图4 摩擦片式单向离合器

（2）工作原理

起动机工作时，内接合鼓沿螺旋槽向右移动，将摩擦片压紧，如图4（b）所示，利用摩擦力，将电枢的转矩传给飞轮。发动机起动后，起动机驱动齿轮被飞轮带动，当其转速超过电枢轴转速时，内接合鼓则沿螺旋槽向左退出，摩擦片松开，如图4（c）所示，这时驱动齿轮虽高速旋转，但不驱动电枢，从而避免了电枢超速的危险。如果起动机超载时，弹性圈在压环的突缘压力下而弯曲，直至内接合鼓的端部顶住弹性圈，此时离合器即打滑，能避免起动机在过载情况下的损坏。摩擦片式离合器虽有传递大转矩，防止超载损坏起动机的优点，但由于摩擦片易磨损而影响起动机性能，需经常检查、调整或更换。同时结构也比较复杂，耗用材料较多，加工费时，修理麻烦。

3.控制装置

控制装置的作用是控制起动机主电路的通、断和驱动齿轮的移出和退回。

3.1 开关直接控制起动系

开关直接控制起动系是指起动机由点火开关或起动按钮直接控制，起动功率较小的汽车（如长安奥拓，天津夏利轿车）常用这种控制形式。其结构原理如下图所示。