汽车启动机结构与工作原理浅析

典型的启动机由直流电动机、传动机构和控制装置3个部分构成，如图3.2所示。

图3.2　启动机的结构

1—控制装置；2—直流电动机；3—传动机构

1）直流电动机

（1）直流电动机的结构

直流电动机主要由电枢、换向器、电刷组件、磁极以及机壳、端盖（轴承）等部件组成，如图3.3所示。

图3.3　直流电动机构造

1—前端盖；2—电刷架；3—励磁绕组；4—磁极铁芯；5—机壳；6—换向器；7—电枢；8—后端盖

①电枢与换向器。电枢由电枢轴、电枢铁芯、电枢绕组等组成，电枢的结构如图3.4所示，它的作用是产生电磁转矩。电枢铁芯由硅钢片叠压而成，压装在电枢轴花键部位上。电枢绕组嵌装在铁芯的槽内，绕组两端分别焊接在换向器的铜片上。为了得到较大的转矩，流经电枢绕组的电流很大，一般为200～600 A，电枢绕组采用横截面积较大的矩形裸铜线绕制。为了防止裸铜线绕组间短路，在铜线与铜线之间、铜线与铁芯之间用绝缘性能较好的绝缘纸隔开。

图3.4　电枢与换向器图

1—换向器；2—电枢铁芯；3—电枢绕组；4—电枢轴；

图3.5　换向器

1—铜片；2—云母片

换向器的功能是保证电枢绕组产生的电磁转矩的方向保持不变。换向器由铜片和云母片相互叠压而成，压装在电枢轴的一端，云母片使铜片间、铜片与轴之间均绝缘，如图3.5所示。

②磁极、机壳。磁极由铁芯和励磁绕组构成，并通过螺钉固定在电动机壳体上，如图3.6所示。磁极的作用是产生磁场，一般采用4个磁极。励磁绕组用粗扁铜线绕制而成，工作时通过电刷、换向器与电枢绕组串联。励磁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3.7（a）所示；另一种是两个绕组先串联后并联，再与电枢绕组串联，如图3.7（b）所示。

图3.6　启动机磁极及机壳图

1—励磁绕组；2—磁极铁芯；3—外壳；4—螺钉

图3.7　磁级绕组的连接方式

1—绝缘接线柱；2—励磁线圈；3—绝缘电刷；4—搭铁电刷；5—换向器

③电刷组件。电刷组件的功用是将电源电压引入电枢绕组，主要由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，如图3.8所示。电刷用铜粉与石墨粉压制而成，有较好的导电性能和耐磨性能。

电刷架固定在电刷端盖上，电刷安放在电刷架内。直接固定在端盖上的电刷架称为搭铁电刷架或负电刷架，安装在负电刷架中的电刷称为负电刷。用绝缘板将电刷架绝缘固定在电刷架盖上的电刷架称为绝缘电刷架或正电刷架，安装在正电刷架上的电刷称为绝缘电刷或正电刷。电刷弹簧压在电刷上，其作用是保证电刷与换向器接触良好，如图3.9所示。

图3.8　电刷组件图

1—搭铁电刷架；2—绝缘垫；3—正极电刷架；4—电刷弹簧；5—搭铁电刷

图3.9　电刷安装(www.xing528.com)

1—电刷架；2—电刷；3—电刷弹簧；4—换向器

④端盖衬套（轴承）。启动机的工作时间很短，一般采用青铜石墨轴承或铁基含油滑动轴承支承电枢轴的转动。由于减速启动机电枢的转速较高，因此往往采用滚柱轴承或滚珠轴承。衬套（轴承）镶嵌在启动机前后端盖中。

（2）直流电动机的工作原理

直流电动机根据通电导体在磁场中受电磁力作用而发生运动，如图3.10所示。换向器的作用，使在N极和S极之间，处于上、下面导体的电流方向保持不变，电磁力形成的转矩方向保持不变，使电枢始终按一定的方向转动。

电枢绕组虽然能按一定的方向转动，但是每当转到垂直位置时，都是依靠惯性转过，转动很不平稳，电磁力产生的电磁转矩也很小。为了增大电磁转矩和提高电动机的平顺性，实际使用的电动机采用了多组电枢绕组和多对磁极。对于结构一定的电动机，其电磁转矩M与磁极磁通Φ、电枢电流I成正比，其数学表达式为

式中　Cm——电机结构常数，取决于电动机的结构。

图3.10　直流电动机工作原理

2）传动机构

启动机的传动机构由单向离合器和拨叉组成。单向离合器的功用是单方向传递力矩，即启动发动机时，将电动机的驱动转矩传递给发动机曲轴（传递动力）；当发动机启动后又能自动打滑（切断动力），以免损坏电动机。这是因为发动机飞轮与启动机驱动齿轮之间的传动比为1∶10～1∶15，当发动机启动后如果动力联系不及时切断，飞轮就会带动电枢以8 000～15 000 r/min的转速高速旋转，从而导致电枢绕组从铁芯槽中甩出而损坏电枢。

启动机采用的单向离合器有滚柱式、弹簧式和摩擦片式3种。桑塔纳、捷达、丰田、奥迪等小轿车用中小功率汽油发动机的启动机上广泛采用的都是滚柱式单向离合器。而摩擦片式离合器可以传递较大转矩，主要用于柴油发动机启动机。滚柱式单向离合器结构简单紧凑，如图3.11所示，在中小功率的启动机上被广泛采用。

图3.11　滚柱式单向离合器

1—驱动齿轮；2—离合器外壳；3—十字块；4—滚柱；5—弹簧压帽组件；6—垫圈；7—护盖；8—传动套；9—弹簧座；10—弹簧；11—拨叉套；12—卡簧

单向离合器外壳2与驱动齿轮1连为一体，离合器外壳和十字块装配后形成4个楔形槽，槽中有4个滚柱4，滚柱的直径大于槽窄端又小于槽宽端，弹簧及压帽5将滚柱推向槽窄端，使得滚柱4与十字块3及外壳2的内表面有较小的摩擦力。十字块3与传动套筒8刚性连接，传动套筒8安装在电枢轴花键部位，使单向离合器总成可以轴向移动和随轴转动。

启动时，拨叉通过拨叉套11推动单向离合器总成作轴向移动，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈的同时，电枢轴通过花键带动传动套筒8使十字块3移动，十字块相对于外壳2的转动使滚柱4在小摩擦力的作用下滚向槽窄端而被卡紧，使得外壳2随十字块3一起转动，于是电枢的电磁转矩通过单向离合器传递给了驱动齿轮，如图3.12（a）所示。发动机一旦发动，发动机飞轮带动驱动齿轮旋转，使离合器外壳2的转速高于十字块3，此时，滚柱4滚向槽宽端而打滑，如图3.12（b）所示，从而防止了发动机飞轮带动启动机电枢高速旋转而造成飞散事故。

图3.12　滚柱式单向离合器工作原理

1—发动机飞轮；2—驱动齿轮；3—外座圈；4—内座圈；5—滚柱；6—弹簧帽；7—弹簧

滚柱式单向离合器结构简单紧凑，在中小功率的启动机上被广泛采用，如奥迪、捷达、丰田、桑塔纳等。但在传递较大转矩时，滚柱容易变形而卡死。因此，滚柱式单向离合器不适用于较大功率的启动机。

3）控制装置

启动机在工作时电路中会有很大的电流通过，同时在启动时要把电机动力传递给发动机，发动机启动着火后又要及时切断动力传递，为了安全、可靠地操作，对启动机电路的控制，采用了电磁开关。

（1）电磁开关的作用和构造

电磁开关控制启动机驱动齿轮与飞轮的啮合与分离以及电动机电路的通断。电磁开关主要由吸引线圈、保持线圈、活动铁芯、接触盘、触点等组成，如图3.13所示。

图3.13　启动机控制装置结构图

1—推杆；2—固定铁芯；3—接触盘；4—“C”端子；5—点火开关；6—“30”端子；7—“15a”端子；8—“50”端子；9—吸引线圈；10—保持线圈；11—电枢轴衬套；12—活动铁芯；13—复位弹簧；14—调节螺钉；15—挂钩；16—拨叉；17—单向离合器；18—驱动齿轮

（2）电磁开关的工作原理

接通点动开关5，电磁开关通电，其电流通路为：吸拉线圈中电流由蓄电池正极→启动机“30”端子→点动开关5→启动机“50”端子8→吸引线圈9→启动机“C”端子4→启动机磁场和电枢线圈→启动机外壳搭铁→蓄电池负极。保持线圈中电流为蓄电池正极→启动机“30”端子→点动开关5→启动机“50”端子8→保持线圈10→启动机外壳搭铁→蓄电池负极。

此时，通过吸引线圈9和保持线圈10的电流产生的磁力方向相同，在两线圈磁力的共同作用下，使活动铁芯克服弹簧力左移，带动拨叉3将驱动齿轮向右推向飞轮，与此同时，活动铁芯将接触盘3顶向触点4和6。当驱动齿轮与飞轮啮合时，接触盘3将触点4、6接通，使启动机通入启动电流，产生正常电磁转矩，通过传动装置带动发动机。接触盘接通触点时，吸引线圈9被短路，活动铁芯靠保持线圈10的磁力保持在吸合的位置。

发动机启动后，在断开启动开关的瞬间，接触盘3仍在接触位置，此时电磁开关线圈电流为：蓄电池正极→启动机“30”端子→接触盘3→启动机“C”端子4→吸引线圈9→启动机“50”端子8→保持线圈10→启动机外壳搭铁→蓄电池负极。此时，吸引线圈9中通过的电流方向与启动时相反，吸引线圈9产生了与保持线圈10相反方向的磁通，两线圈产生的磁力互相抵消，活动铁芯12在复位弹簧13力的作用下复位，使驱动齿轮18退出。与此同时，接触盘3也回位，切断启动机电路，启动机便停止工作。