汽车电器构造检修案例:起动机结构特征分析

各型号电力起动机的结构大体相同，主要由串励式直流电动机、传动机构和控制装置三部分组成，如图3-2所示。串励式直流电动机的作用是产生转矩；传动机构的作用是在起动发动机时，使起动机驱动齿轮啮入飞轮齿圈，将起动机动力传递给发动机曲轴，在发动机起动后，驱动齿轮将自动脱开；控制装置是用来接通和切断电动机与蓄电池之间的电路。

图3-2 起动机的基本结构

1—保持线圈 2—吸引线圈 3—电磁开关壳体 4—电动机开关触点 5—接线端子“30” 6—开关触盘 7—换向器端盖 8—电刷弹簧 9—换向器 10—电刷 11—电动机壳体 12—磁极 13—电枢 14—磁场线绕 15—换向器 16—支撑盘 17—单向离合器 18—电枢轴螺旋键槽 19—驱动齿轮 20—离合器驱动座圈（外座圈） 21—离合器制动盘 22—啮合弹簧 23—移动叉 24—复位弹簧

1.串励式直流电动机

为了使起动机获得较大转矩，汽车一般采用串励式直流电动机。由于串励式直流电动机工作电流大、工作时间短、转矩大，所以对其零件的机械强度要求高。直流电动机主要由电枢、磁极、电刷组件和壳体等组成，如图3-3所示。

（1）电枢 电枢是直流电动机发生旋转的部分，主要由电枢轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成，如图3-4所示。电枢铁心是由相互绝缘的硅钢片叠装而成的，在电枢铁心的周围制有安放电枢绕组的线槽。起动机为了获得较大的转矩，流经电枢绕组的电流很大（小功率起动机一般为300A左右，大功率的一般在1000A以上），所以电枢绕组采用较粗的矩形裸铜线绕制，其绕组两端分别焊接在换向器的铜片上。换向器由许多换向片（一般为27片）组成，换向片的内侧制成燕尾形，换向片与换向片以及换向片与电枢轴、压环之间由云母绝缘，如图3-5所示。

图3-3 串励式直流电动机总成

1—端盖 2—电刷组件 3—磁场绕组 4—磁极铁心 5—机壳 6—电枢 7—后端盖

图3-4 电枢总成

1—电枢轴 2—电枢绕组 3—电枢铁心 4—换向器

图3-5 换向器

1—换向片 2—云母

（2）磁极 电子式直流电动机的磁场为电磁场，磁极一般为4个（功率超过7kW的起动机一般采用6个），其磁极由铁心和磁场绕组两部分组成（永磁式直流电动机的磁场为永久磁场，由永久磁铁构成），如图3-6所示。铁心用低碳钢制成马蹄形，并用螺钉固定在电动机壳体的内壁，磁场绕组套装在铁心上。当磁场绕组接通电流时，在磁场铁心中就会产生磁场，如图3-7所示。

图3-6 磁极结构

磁场绕组的连接方式有两种：一种是4个绕组串联后再与电枢绕组串联，如图3-8a所示；另一种是将绕组两两串联后并联，然后再与电枢绕组串联，如图3-8b所示。汽车起动机普遍采用后一种连接方式。

（3）电刷组件 电刷组件主要由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，如图3-9所示，其功用是连接电枢绕组电路，保持电枢轴上电磁转矩的方向。电刷是由铜粉与石墨压制而成，呈棕红色，加入铜粉是为了减少电阻提高导电性；加入石墨是为了提高耐磨性。电刷置于电刷架中，其电刷架一般是框式结构，一台起动机有4个或6个电刷架，其中正电刷架与端盖绝缘固定，负电刷架直接搭铁。电刷架上装有弹性较好的盘形弹簧，电刷利用弹簧压力将其与换向器压紧连接。

图3-7 电动机的磁路

图3-8 磁场绕组的接法

a）磁场绕组串联 b）磁场绕组串联后并联

1—负电刷 2—正电刷 3—磁场绕组 4—接线柱 5—换向器

（4）机壳 机壳由低碳钢卷制而成，或由铸铁铸造而成。由于起动机工作时间很短，所以电枢轴一般采用青铜石墨轴承或铁基含油滑动轴承。减速起动机由于其电枢的转速很高，电枢轴承则采用滚子轴承或球轴承。

2.直流电动机的工作原理

（1）直流电动机的工作原理 在电力式起动机中，磁场线圈通过电流产生电磁场，如图3-10所示。直流电动机的工作过程是将电能转变为机械能，其工作原理是根据通电导体在磁场中受到电磁力的作用而发生转动，如图3-11所示。

图3-9 电刷组件

1—盘形弹簧 2—电刷架 3—电刷 4—电刷端盖

图3-10 电磁场

电动机工作时，电流通过电刷和换向片流入绕组。如图3-11a所示，换向片A与正电刷接触，换向片B与负电刷接触，其电流方向为：蓄电池正极→正电刷→换向片A→绕组→换向片B→负电刷→蓄电池负极。根据左手定则判定绕组匝边ab、cd均受到电磁力F的作用，由此产生逆时针方向的电磁转矩使电枢转动；当电枢转动至换向片A与负电刷接触，换向片B与正电刷接触时，如图3-11b所示，电流方向变为d→a，但电磁转矩的方向仍保持不变，使电枢按逆时针方向继续转动。

图3-11 直流电动机的工作原理图

a）电流方向：a→b b）电力方向：b→a

但实际的直流电动机为了产生足够大且转速稳定的电磁力矩，电枢采用多匝绕组，换向器的铜片也随其相应增加。对于结构一定的电动机，根据安培定律，其电磁转矩M与磁极磁通Φ和电枢电流I_a成正比，其数学表达式为：

M=C_mΦI_a

式中，C_m为电动机的转矩常数，它与电动机磁极对数、电枢绕组导线总根数及电枢绕组电路的支路对数有关。

（2）直流电动机转矩的自动调节原理 当直流电动机接通电流时，电枢绕组就会产生电磁转矩M使电枢转动。在转动的同时，电枢绕组又切割磁感线而产生感应电动势，称为反电动势E，其方向与电枢电流方向相反。反电动势E与磁通量Φ和电枢转速n成正比，其数学表达式为：

E=C_eΦ_n

式中C_e为电动机的转矩常数，取决于电动机的结构。

由此可得出电压平衡方程式，即：

U=E+I_aR_a

式中U为电枢电动势，单位为V；R_a为电枢电阻，单位为Ω。

在直流电动机刚接通电源的瞬间，电枢处于静止状态，电枢的反电动势为零。此时绕组中的电流处于最大值，使电枢在磁场中产生最大的电磁转矩，电枢开始加速转动。当直流电动机负载增大时，电枢轴上的阻力转矩增大，使电枢转速降低，反电动势随之减小，电枢电流增大，因此电磁转矩将随之增大，直至电动机的电磁转矩增加到与阻力转矩相等为止，此时电动机的转速将低于原来运转的转速直至平稳运转。反之，当电动机负载减小时，电枢轴的阻力转矩减小，电枢转速升高，反电动势增大，电枢电流减小，电磁转矩随之减小，直至电动机的电磁转矩减小到与阻力转矩相等为止，这时电动机将在较小的负载下以比原转速较高的转速平稳运转。

可见，当负载发生变化时，电动机能通过转速、电流和转矩自动发生变化来满足负载的需要，这就是直流电动机的转矩自动调节过程。

3.传动机构

传动机构是起动机的主要组成部件，其主要由齿轮、单向离合器、拨叉及啮合弹簧等组成。起动机传动机构的作用是把直流电动机产生的转矩传递给飞轮齿圈，再通过飞轮齿圈传递给发动机曲轴，使发动机起动。在起动机传动结构中起重要作用的是单向离合器，单向离合器的结构和工作情况相对比较复杂，其作用是单方向的传递转矩，当发动机起动后，发动机转速高于起动机转速，为防止起动机被飞轮反拖而损坏，单向离合器在发动机起动后自动打滑，保护起动机不被损坏。

单向离合器主要有滚柱式、摩擦式和弹簧式等几种类型。

（1）滚柱式单向离合器

1）结构。滚柱式单向离合器是目前国内外汽车起动机使用最多的一种，其结构如图3-12所示，传动齿轮与外壳制成一体，外壳与十字块连接，使得外壳形成了4个楔形槽，在槽内装有4套滚柱、压帽和弹簧。十字块与花键筒固定在一起，壳底与外壳相互折合密封。在花键套筒的外面装有啮合弹簧、拨环及卡簧，离合器总成可做轴向移动和随轴转动。

图3-12 滚柱式单向离合器

1—驱动齿轮 2—外壳 3—十字块 4—滚柱 5—压帽及弹簧 6—垫圈 7—护盖 8—花键套筒 9—弹簧座 10—啮合弹簧 11—拨环 12—卡簧

2）工作原理。滚柱式单向离合器的工作原理如图3-13所示，当发动机起动时，经拨叉

图3-13 滚柱式单向离合器的工作原理

1—驱动齿轮 2—飞轮齿圈 3—楔形槽 4—滚柱 5—花键轴

将单向离合器沿电枢花键轴推出，使驱动齿轮与发动机飞轮齿圈啮合。由于十字块处于主动状态，随电动机电枢一起旋转，促使4个滚柱进入楔形槽较窄的一端，将十字块与外壳挤紧向同一方向转动，于是电动机电枢的转矩就可由十字块经滚柱、外壳传给驱动齿轮，从而驱动发动机飞轮齿圈旋转，达到起动发动机运转的目的，如图3-13a所示。

当发动机起动后，发动机自行运转使飞轮齿圈的转速高于驱动齿轮，十字块处于被动状态，外壳与滚柱的摩擦力使滚柱进入楔形槽较宽的一端而自由滚动，只有驱动齿轮及外壳随飞轮齿圈作高速旋转，而起动机空转（起动机出现打滑），如图3-13b所示。这种单向离合器的单向打滑功能防止了电枢超速出现飞散的危险。起动完毕，由于拨叉回位弹簧的作用，经拨环使单向离合器退回，驱动齿轮完全脱离飞轮齿圈。

（2）摩擦片式单向离合器

1）结构。摩擦片式单向离合器适用于中等功率和高功率的起动机，其结构如图3-14所示，驱动齿轮与外接合毂制成一个整体，在外接合毂内壁有4道轴向槽沟，装有从动摩擦片（青铜材料）；在花键套筒的一端设置有3条螺旋花键，与具有螺旋花键的内接合毂相配合；内接合毂的表面亦有4条轴向槽沟，用于装主动摩擦片（钢制）；主动摩擦片与从动摩擦片相间地排列组装；在内接合毂的另一端装有缓冲弹簧和拨环。

图3-14 摩擦片式单向离合器总成

1—驱动齿轮 2—挡圈 3—螺母 4—弹性圈 5—压环 6—调整垫圈 7—从动摩擦片 8—主动摩擦片 9—卡环 10—内接合毂 11—螺旋套 12—拨环

2）工作原理。在起动发动机时，移动拨叉推动拨环使内接合毂沿螺旋花键向外移动，同时电动机通电旋转，通过螺旋花键使主动齿轮和从动齿轮相互压紧，如图3-15a所示。当驱动齿轮啮合飞轮齿圈后，由于摩擦片被压紧产生摩擦力，将起动机的转矩传给驱动齿轮；当发动机的阻力矩较大时，内接合毂会继续向右移动，增大摩擦片之间的压力，直到摩擦片之间的摩擦力足够传递所需的起动转矩，带动曲轴旋转，起动发动机。

当发动机起动后，飞轮转速高于起动机转速，驱动齿轮被飞轮齿圈带动，此时，内接合毂沿螺旋花键向左退出，摩擦片之间的压力消失，如图3-15b所示。这时驱动齿轮出现打滑现象，防止起动机飞散损坏，起到保护的作用。

（3）弹簧式单向离合器

1）结构。弹簧式单向离合器的结构如图3-16所示。传动套筒套装在电枢轴的花键上，驱动齿轮则套在电枢轴前端的光滑部分上，两者之间由两个月形圈连接。月形圈可使驱动齿轮与传动套筒之间不能轴向移动，但可相对转动。在驱动齿轮柄与传动套筒外面包有扭力弹簧，扭力弹簧的内径略大于两套筒的外径。扭力弹簧有圆形和矩形两种截面，外部有护圈封闭。

2）工作原理。在起动发动时，电枢轴带动传动套筒旋转，扭力弹簧顺其旋转方向扭转，内径变小，圈数增加，将齿轮柄与传动套筒抱紧，成为一个整体，将电动机的转矩传给驱动齿轮，带动飞轮旋转，起动发动机。

当发动机起动后，飞轮转速高于驱动齿轮转速，扭力弹簧被反向扭转，内径变大，齿轮柄与传动套筒松脱，各自转动（齿轮柄被飞轮齿圈带动高速旋转，传动套筒随电枢低速旋转），使发动机转矩不能传给电枢，起飞散保护作用。

图3-15 摩擦片式离合器工作原理图

1—飞轮 2—驱动齿轮 3—齿轮柄 4—从动摩擦片 5—主动摩擦片 6—弹性圈 7—外接合毂 8—压环 9—小弹簧 10—减振弹簧 11—内接合毂

图3-16 弹簧式单向离合器

1—衬套 2—驱动齿轮 3—扭力弹簧 4—护圈 5—垫圈 6—缓冲弹簧 7—拨环 8—卡环 9—传动套 10—月形圈 11—挡圈

4.控制机构

起动机控制机构又称为操纵机构，主要由电磁开关、电磁继电器、拨叉、拨环、点火开关等组成。其中电磁开关在起动机工作时起主要控制作用，而电磁开关又受到电磁继电器的控制，像这种在电磁开关控制回路中加入继电器控制回路，称为带起动继电器式电磁开关，目前汽车起动机均采用起动继电器式电磁开关控制电路。

（1）电磁继电器 电磁继电器结构如图3-17左上角所示，蓄电池通过点火开关与电磁继电器“IG”端子连接，在“E”端子处搭铁；电磁继电器固定触点与“S”端子连接，活动触点经触点臂与蓄电池端子“BAT”连接。当线圈通电时，电磁继电器铁心产生电磁吸引力，使活动触点与固定触点闭合，电流通过“S”端子流入吸引线圈和保持线圈。

（2）电磁开关结构特点 电磁开关主要由活动铁心、吸引线圈、保持线圈、复位弹簧和接触盘构成，如图3-18a所示。电磁开关上有4个接线柱，如图3-18b所示；分别是两个主接线柱“C”端子和“30”端子，附加电阻短路接线柱“15a”和起动机接线柱“50”端子。吸引线圈和保持线圈一端与起动机接线柱相接组成公共端；而吸引线圈的另一端与主接线柱“C”相连，保持线圈的另一端搭铁。固定铁心与活动铁心安装在一个铜套内。固定铁心固定不动，活动铁心通过电磁引力可在铜套内做轴向移动。推杆固定在活动铁心前端，在推杆前端安装有开关触盘或接触盘；活动铁心后端用调节螺钉和连接销与移动叉连接。铜套外面安装有一个复位弹簧，其作用是使活动铁心等可移动部件复位。

图3-17 起动继电器式电磁开关控制电路

1—主接线柱（左为“30”端子，右为“C”端子） 2—短路附加电阻接线柱“15a” 3—起动继电器触点 4—起动继电器线圈 5—点火线圈附加电阻线（白色，1.7Ω/温度为20℃时） 6—点火线圈 7—导电片 8—吸引线圈接线柱 9—起动机接线柱“50” 10—吸引线圈 11—保持线圈 12—接触盘 13—推杆 14—固定铁心 15—活动铁心 16—复位弹簧 17—调节螺钉 18—连接叉 19—拨叉 20—滚柱式单向离合器 21—驱动齿轮 22—止推螺母

图3-18 电磁开关

1—复位弹簧 2—接触盘 3—“30”端子 4—“C”端子 5—吸引线圈 6—保持线圈 7—活动铁心 8—“15a”端子 9—导电片 10—“50”端子

（3）电磁开关的工作原理 电磁开关的工作过程如图3-17所示，闭合点火开关L使起动机电路接通，起动机继电器线圈通电，继电器触点闭合，使吸引线圈、保持线圈经起动机接线柱同时通电。两线圈通电后产生较强的电磁引力，克服弹簧弹力使活动铁心向左移动，一方面通过拨叉带动驱动齿轮右移与飞轮齿圈啮合，另一方面推动接触盘左移，与“30”端子和“C”端子相连，在驱动齿轮与飞轮啮合之前，由于吸引线圈与电动机连接，所以电动机在这个小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啮合。在驱动齿轮与飞轮齿圈啮合后，接触盘将“30”端子和“C”端子接通，蓄电池的电流直接通过主触点和接触盘进入电动机，使电动机进入正常运转。此时，通过吸引线圈的电流被短路，因此吸引线圈中无电流通过，主接线柱的位置靠保持线圈来保持。

在发动机起动后及时松开起动开关，切断起动电路，保持线圈断电，在复位弹簧的作用下，活动铁心回位，切断了电动机的电路，同时也使驱动齿轮退出与飞轮齿圈的啮合。