汽车起动系统结构与工作原理

前一节讲到，起动系分为了三大部分，它们可以由多个部件组成，在本节中，详细地讲述汽车起动系统的结构。

1.起动机的结构

（1）直流电动机

直流电动机在直流电压作用下，产生旋转转矩。起动机的直流电动机按磁场产生方式不同，可以分为永磁式电动机和励磁电动机，励磁电动机又根据磁场绕组和励磁绕组连接方式不同分为串励电动机、并励电动机和复励电动机。

串励电动机应用最多，它主要由转子、定子、电刷架与电刷等主要部件构成，如图5-3所示。

图5-3 串励直流电动机的构成

1）转子：转子是直流电动机的旋转部分，包括转子轴、换向器、转子铁心和转子绕组，如图5-4所示。为了获得足够的转矩，通过转子绕组的电流一般为200～600 A，因此转子绕组采用较粗的矩形裸铜线绕制成成形绕组。

图5-4转子

2）定子：定子由固定在机壳上的磁极（定子）铁心和磁场绕组组成，如图5-5所示。

定子一般是4个，两对定子相对交错安装在电动机定子内壳上，定子与转子铁心形成的磁回路如图5-6所示。

图5-5 电动机定子总成

图5-6 电动机的磁路

低碳钢板制成的机壳也是磁路的一部分。4个励磁线圈有的是互相串联后再与电枢绕组串联，有的是每两个分别串联再并联，然后再与转子绕组串联，如图5-7所示。

图5-7 励磁绕组的接法

a）4个励磁绕组串联 b）励磁绕组两两串联后并联

图5-8 起动机接线图

1—接线柱 2—起动开关 3—蓄电池 4—励磁绕组 5—搭铁电刷 6—非搭铁电刷 7—换向器

起动机内部接线如图5-8所示。

励磁绕组一端接在外壳的绝缘接线柱上，另一端与两个非搭铁电刷相连。当起动开关接通时，起动机的电路为：蓄电池正极→接线柱1→励磁绕组4→电刷6→转子绕组→搭铁电刷5→搭铁→蓄电池负极。

3）电刷架与电刷：电刷架一般为框式结构，其中正极刷架与端盖绝缘安装，负极刷架搭铁。电刷置于电刷架中，电刷由铜粉与石墨粉压制而成，呈棕红色。电刷架上装有弹性较好的盘形弹簧。

（2）起动机的传动机构

起动机的传动机构是起动机的主要组成部件，包括离合器和拨叉两个部分。离合器的作用是将电动机的电磁转矩传递给发动机，使之起动，同时又能在发动机起动后自动打滑，保证起动机不致飞散损坏。传动机构中的离合器分为滚柱式离合器、摩擦片式离合器、弹簧式离合器等几种。而拨叉的作用是使离合器作轴向移动，将驱动齿轮啮入和脱离飞轮齿圈。

发动机起动时，按下按钮或起动开关，线圈通电产生电磁力将铁心吸入，于是带动拨叉转动，由拔叉头推出离合器，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈。发动机起动后，只要松开按钮或开关，线圈即断电，电磁力消失。在回位弹簧的作用下，铁心退出，拨叉返回，拨叉头将打滑工况下的离合器拨回，驱动齿轮脱离飞轮齿圈。

1）滚柱式离合器：滚柱式离合器是目前国内外汽车起动机中使用最多的一种，我国解放牌汽车、东风牌汽车、北京牌吉普车等均使用滚柱式离合器。

滚柱式离合器的结构如图5-9所示。

图5-9 滚柱式离合器的结构

a）总成 b）构件

1—外壳 2—花键套筒 3—卡圈 4—拨环 5、9—弹簧 6—滚柱 7—驱动齿轮 8—铜衬套 10—十字块

图5-10 滚柱式离合器的工作原理

a）发动机起动时 b）发动机起动后

1—驱动齿轮 2—外壳 3—十字块 4—滚柱 5—弹簧 6—飞轮齿圈

其中，驱动齿轮采用40号中碳钢经加工淬火而成，与外壳连成一体。外壳内装有十字块和4套滚柱及弹簧，十字块与花键套筒固定连接，壳底与外壳相互折合密封。花键套筒的外面装有缓冲弹簧及衬圈，末端固装着拨环与卡圈。整个离合器总成利用花键套筒套在起动机轴的花键部位上，可以作轴向移动和随轴移动。

滚柱式离合器的工作原理如图5-10所示。

在图5-10a中，发动机起动时，经拨叉将离合器沿花键推出，驱动齿轮啮入发动机飞轮齿圈。由于十字块处于主动状态，随电动机转子一起旋转，促使4套滚柱进入槽的窄端，将花键套筒与外壳挤紧，于是电动机电枢的转矩就可由十字块经滚柱离合器外壳传给驱动齿轮，从而达到驱动发动机飞轮齿圈旋转、起动发动机运转的目的。在图5-10b中，发动机起动后，飞轮齿圈的转速高于驱动齿轮，十字块处于被动状态，促使滚柱进入槽的宽端而自由滚动，只有驱动齿轮随飞轮齿圈作高速旋转。起动机转速并不升高，在这种离合器打滑的功能下，防止了转子超速飞散的危险。

起动完毕由于拨叉回位弹簧的作用，经拨环使离合器退回，驱动齿轮完全脱离飞轮齿圈。

滚柱式离合器具有结构简单、坚固耐用、体积小、质量轻、工作可靠等优点，因此得到了广泛采用。其不足是不能用于大功率起动机上。

2）摩擦片式离合器：摩擦片式离合器的驱动齿轮与外接合鼓做成一个整体，如图5-11所示。

图5-11 摩擦片式离合器

a）结构 b）压紧状态 c）放松状态

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—减振弹簧 9—齿轮柄 10—驱动齿轮 11—飞轮

在外接合鼓的内壁有4道轴向槽沟，钢质被动摩擦片利用外围4个齿插装其中。在花键套筒的一端表面有3条螺旋花键，其上套着内接合鼓。内接合鼓的表面也有4条轴向槽沟，用钢或青铜制造的主动摩擦片利用内圆4个齿套装在槽沟内。主动摩擦片和被动摩擦片彼此相间地排列组装。

内接合鼓的外面装有缓冲弹簧，端部固装着拨环。离合器总成在起动机不工作时，主、被动摩擦片之间处于放松无摩擦力状态。发动机起动时，通过拨叉推动拨环使内接合鼓沿3条螺旋花键向外移动，主动和被动摩擦片相互压紧，从而具有了摩擦力。当驱动齿轮啮入飞轮齿圈时，就能利用起动机转矩驱动曲轴旋转。发动机起动后，驱动齿轮被飞轮齿圈带动做高速旋转，在惯性力和拨叉返回的作用下，内接合鼓沿3条螺旋花键向内移动，于是主动和被动摩擦片之间的摩擦力消失而打滑，防止了电枢超速飞散的危险。

摩擦片式离合器具有传递大转矩、防止超载损坏起动机的优点，多用在大功率起动机上。但由于摩擦片容易磨损而影响起动性能，需要经常检查、调整或更换摩擦片。此外，这种离合器结构比较复杂，耗用材料较多，加工费时，而且不便于维修。

3）弹簧式离合器：弹簧式离合器的主动套筒套装在电枢轴的花键上，如图5-12所示。

小齿轮套筒套在电枢轴的光滑部分，在小齿轮套筒与主动套筒外径上装有驱动弹簧，驱动弹簧内径略大于两套筒的外径。起动发动机时，传动叉拨动集电环，并压缩弹簧，推动离合器移向飞轮齿圈一端，使小齿轮啮入飞轮齿圈。电枢旋转时带动主动套筒，在摩擦力的作用下，驱动弹簧被扭紧，将两个套筒抱死，起动机转矩便由此传给飞轮。起动机起动后，驱动小齿轮和飞轮齿圈的主动与从动关系改变，啮合器因驱动弹簧被放松而打滑，从而使电枢轴避免了超速运转的危险。

图5-12 弹簧式离合器

1—衬套 2—驱动齿轮 3—挡圈 4—月形圈 5—扭力弹簧 6—护套 7—垫圈 8—传动套筒 9—缓冲弹簧 10—移动衬套 11—卡簧

弹簧式离合器具有结构简单、制造工艺简单、成本低等优点，但由于驱动弹簧所需圈数较多，使其轴向尺寸增大。

2.减速起动机

减速起动机根据减速机构可分为外啮合式、内啮合式和行星齿轮啮合式3种类型。

外啮合式减速机在电枢轴和起动机驱动齿轮之间利用惰轮作中间传动，且电磁开关铁心与驱动齿轮同轴，直接推动驱动齿轮进入啮合，无需拨叉，如图5-13所示。

图5-13 外啮合式减速起动机

1—O形橡胶圈 2—电动机 3—毡垫圈 4—主动齿轮 5—惰轮 6—拉紧螺栓 7—螺栓 8—传动外壳 9—驱动齿轮 10—单向离合器 11—从动齿轮 12—钢球 13—回位弹簧 14—电磁开关

减速起动机的外形与普通起动机有效大差别。但有些外啮合式减速机中间不加惰轮，驱动齿轮必须通过拔叉拨动才能进行啮合。外啮合式减速机的传动中心距较大，因此受起动机结构的限制，其减速比不能太大，一般用在小功率的起动机上。

内啮合式减速机的传动中心距小，可有较大的减速比，故适用于较大功率的起动机。但内啮合式减速机的驱动齿轮仍需用拨叉拨动进行啮合，因此，内啮合式减速起动机的外形与普通起动机相似。图5-14是国产QD254型减速起动机原理图。

图5-14 QD254型内啮合式减速起动机原理图

1—起动开关 2—起动继电器 3—起动继电器触点 4—主触点 5—接触盘 6—吸拉线圈 7—保持线圈 8—活动铁心 9—拨叉 10—单向离合器 11—螺旋花键轴 12—内啮合减速齿轮 13—主动齿轮 14—电枢绕组 15—励磁绕组

行星齿轮减速机结构紧凑，传动比大，效率高。由于输出轴与电枢轴同心、同旋向，电枢轴无径向载荷，可使整机尺寸减小。除了结构上增加行星齿轮减速机之外，由于行星齿轮式减速起动机的轴向位置结构与普通起动机相同，因此配件可通用。行星齿轮啮合式减速机如图5-15所示。

图5-15 行星齿轮啮合式减速机

1—拨叉 2—电磁开关 3—电枢 4—磁铁 5—电刷 6—换向器 7—行星齿轮减速机 8—单向离合器 9—驱动齿轮

3.起动机的型号识别

根据中华人民共和国行业标准QC/T73——1993《汽车电气设备产品型号编制方法》的规定，汽车起动机的型号如下：

第1部分为产品代号：起动机的产品代号QD、QDJ、QDY分别表示起动机、减速起动机及永磁起动机。

第2部分为电压等级代号：1-12V；2-24V；3-48V。

第3部分为功率等级代号：其含义如表5-1所示。

第4部分为设计序号。

第5部分为变形代号。

表5-1 功率等级代号的含义

例如，QD124表示额定电压为12V、功率为1～2kW、第四次设计的起动机。

图5-16 串励式起动机的工作原理

4.起动机的工作原理

（1）直流起动机的工作原理

直流电动机是根据载流导体在磁场中受力运动的原理设计而成。如图5-16表示的是串励式起动机的工作原理。

当电路接通时，蓄电池的电流经励磁绕组和转子绕组形成回路。励磁绕组通电后形成电磁场，转子绕组通电后受到电磁作用力产生旋转运动。换向片和电刷保证旋转的转子绕组某有效导体从一个磁极范围转到另一个异性磁极范围时，导体中的电流方向能够同时改变。

（2）汽车起动机的控制原理

1）电磁开关的控制原理：汽车起动机的控制装置包括电磁开关、起动继电器和点火起动开关等部件。在各种控制电路中，电磁开关的作用和工作原理都是相同的，图5-17是基本的电磁控制电路。

电磁开关主要由电磁铁机构和电动机开关两部分组成。电磁铁机构由固定铁心、活动铁心、吸引线圈和保持线圈等组成。固定铁心固定不动，活动铁心可以在铜套里作轴向移动。活动铁心前端固定有推杆，推杆前端安装有开关触盘，活动铁心后端用调节螺钉和连接销与拨叉连接。铜套外面安装有复位弹簧，作用是使活动铁心等可移动部件复位。起动机电磁控制电路如图5-17所示。

起动时，点火钥匙打到ST位，电流由蓄电池正极→“50”端子7→吸拉线圈6→导电片→“c”端子2→起动机励磁绕组→转子→搭铁→蓄电池负极，起动机慢慢转动，同时电流由电磁开关“50”端子7经保持线圈8，回到蓄电池负极。吸拉线圈与保持线圈产生同方向的电磁力，在电磁力作用下，铁心压缩回位弹簧，向左移动，带动拨叉，使驱动小齿轮与发动机飞轮啮合，电磁开关内的接触盘此时将“c”与“30“旁通接柱相继接通，电流由蓄电池正极→“30”端子4→接触盘→“c”端子2→起动机励磁绕组→转子→搭铁→蓄电池负极，起动机主电路接通，起动机电枢产生电磁转矩，起动发动机，此时吸拉线圈6被短路，保持线圈8的电磁力使驱动小齿轮与飞轮保持啮合，保证发动机运转。

图5-17 起动机电磁控制电路

1—励磁线圈 2—C接线柱 3—旁通接柱 4—30接线柱 5—点火开关 6—吸拉线圈 7—50接线柱 8—保持线圈 9—电刷

起动后，发动机飞轮转速超过起动机电枢时，单向离合器切断飞轮与小齿轮之间的动力传递，保护起动机。松开点火钥匙，“50”端子断电，由于机械惯性，短时间内接触盘仍将“30”端子4与“c”端子2接通，蓄电池电流经接触盘→吸拉线圈6→保持线圈8→搭铁→蓄电池负极，吸拉线圈与保持线圈产生相反方向的电磁力，接触盘接触不牢，在回位弹簧的作用下，铁心迅速回位，接触盘与“c”、“30”端子分开，起动主电路被断开，起动完毕。

图中旁通接柱接点火线圈附加电阻接柱（起动开关接柱），由于起动机工作时电流很大，为保证点火系统的火花能量，电磁开关上的旁通接柱是在起动时将附加电阻短路的。

目前，汽车较多采用电子点火，点火系统己不再设置附加电阻，在这种类型的车上，起动机电磁开关也没有旁通接柱。

2）起动继电器控制原理：起动继电器的结构简图如图5-18左上角部分所示，由电磁铁机构和触点总成组成。线圈分别与壳体上的点火开关端子和搭铁端子E连接，固定触点与起动机端子E连接，活动触点经支架与电池端子BAT相连。起动继电器触点为常开触点，当线圈通电时，继电器铁心便产生电磁力，使其触点闭合，从而将继电器控制的吸引线圈和保持线圈电路接通。利用起动继电器控制电磁开关，能减小通过点火开关起动触点的电流，避免烧蚀触点，延长使用寿命。有些汽车上的起动继电器在改进控制电路以后，还能起到自动停止起动机工作及安全保护的作用。