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