汽车启动机的组成及原理

启动机由直流电动机1、传动机构2和电磁操纵机构3等组成,如图10-1所示。

1.直流电动机

(1)电动机原理。图10-2是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间,装设一个可以绕Z—Z＇轴而转动的圆柱形铁芯,在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到称为换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的,它们和电枢装在同一根轴上,可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷,它们和换向片之间是滑动接触。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时,电流从电刷A流入,而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b,再从c流向d。我们知道,载流导体在磁场中要受到电磁力,其方向由左手定则来决定。这样,在电枢上就产生了反时针方向的转矩,因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极,而cd边从S极下面进入N极时,与线圈a端连接的换向片跟电刷B接触,而与线圈d端连接的换向片跟电刷A接触,这样,线圈内的电流方向变为从d流向c,再从b流向a,从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变,电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。

图10-1　启动机的组成

1—直流电动机;2—传动机构;3—电磁操纵机构

图10-2　直流电动机模型

(2)结构组成。汽车用启动电动机一般为直流电动机,它主要由磁极、电枢、换向器及机壳和前后端盖等组成。在直流电压的作用下直流电动机产生旋转力矩,该力矩被称为电磁力矩或电磁转矩。启动发动机时,它通过驱动齿轮、飞轮的环齿驱动发动机的曲轴旋转,使发动机启动,如图10-3所示。

图10-3　直流电动机

1—前端盖;2—电刷和电刷架;3—励磁绕组;4—磁极铁芯;5—机壳;6—整流子;7—电枢;8—后端盖

1)磁极。磁极用来在启动机工作时建立磁场,它由固定在机壳上的磁极铁心4和缠绕在铁芯上的励磁绕组3组成。励磁绕组所产生的磁极应该是交错的。

2)电枢。在启动机通电时电枢与磁场相互作用而产生电磁转矩。它由外圆带槽的硅钢片叠成的铁芯、电枢轴和电枢绕组等组成。

启动机的电枢绕组与励磁绕组采用串联方式连接,称此种直流电机为串励式直流电动机。串励式直流电动机工作时,励磁电流与电枢电流相等,通过电枢绕组和磁场绕组的电流高达几百安或更大,这样可以产生强大的电磁转矩,有利于发动机的启动。它还具有低转速时产生的电磁转矩大、电磁转矩随着转速的升高而逐渐减小的特性,使启动发动机时安全可靠。

3)换向器。换向器由电刷和电刷架2以及由装在电枢轴上的整流子6组成,用来连接励磁绕组与电枢绕组的电路,并使电枢轴上产生的电磁力矩保持固定方向。

2.传动机构

(1)传动机构的作用。传动机构安装在电动机电枢的延长轴上,启动发动机时,将电枢产生的电磁转矩传递给发动机飞轮,使发动机启动。在发动机启动后,驱动齿轮转速超过电枢轴转速时,传动机构中的超速保护装置使驱动齿轮与电枢轴自动脱开,防止发动机飞轮带动启动机电枢高速旋转。

(2)传动机构的类型。车用启动机的传动机构也称为啮合机构,它分为以下几种。

1)惯性啮合式传动机构。发动机启动时,依靠驱动齿轮自身旋转的惯性力的作用,沿电枢轴移出与飞轮环齿啮合,使发动机启动。发动机启动后,驱动齿轮转速提高,在惯性力的作用下自动沿电枢轴退回,脱离与飞轮的啮合。惯性啮合式结构简单,但可靠性较差,现已很少采用。

2)强制啮合式传动机构。接通启动开关启动发动机时,依靠电磁力通过拨叉或直接推动驱动齿轮作轴向移动与飞轮环齿啮合。启动后,切断启动开关,外力的作用消除后,驱动齿轮在回位弹簧的作用下沿电枢轴退回,脱离与飞轮的啮合。强制啮合式传动机构工作可靠,结构简单,应用比较广泛。

3)电枢移动式传动机构。接通启动开关启动发动机时,靠磁极产生的电磁力克服弹簧拉力的作用使电枢作轴向移动,带动固定在电枢轴上的驱动齿轮移出与飞轮齿环进入啮合。启动机不工作时,在弹簧的作用下启动机的电枢与磁极错开。

(3)超速保护装置。它是启动机的离合机构,称为单向离合器。

单向离合器安装在驱动齿轮与电枢轴之间,在接通启动开关启动发动机时,它将驱动齿轮与电枢轴连成一体,使启动机的电磁转矩通过驱动齿轮和飞轮传递到发动机的曲轴,发动机启动。发动机启动后,它立即将驱动齿轮与电枢轴脱开,防止发动机高速旋转的转矩通过飞轮传递给电枢轴,起到超速保护的作用。

启动机常用的单向离合器有滚柱式、弹簧式、摩擦片式等多种形式。

1)滚柱式单向离合器。如图10-4所示,驱动齿轮1与外座圈2连成一体,花键套筒6与十字块固定连接,外座圈2与十字块3形成的四个楔形槽内分别装有一套滚子4及弹簧,并通过花键套装在启动机电枢的延长轴上。单向离合器总成在传动拨叉的作用下,可以在电枢轴上轴向移动,也可随电枢轴转动。

如图10-4(b)所示发动机启动时,电枢轴通过花键套筒带动十字块旋转,滚子借摩擦力及弹簧推力的作用,进入楔形槽的窄端,将十字块与外座圈连成一体。于是将启动机轴上的转矩通过十字块、楔紧的滚子传递到外座圈,与外座圈连成一体的驱动齿轮随电枢轴一同旋转,从而带动飞轮齿圈转动,使曲轴旋转启动发动机。(www.xing528.com)

发动机启动后,随着曲轴转速升高,飞轮齿圈将带动驱动齿轮高速旋转。此时,驱动齿轮的旋转方向并没有改变,但它已由主动轮变为从动轮,而且驱动齿轮和单向离合器外座圈的转速超过十字块的转速。在摩擦力的作用下,滚子克服弹簧张力的作用滚入楔形槽的较宽一端而打滑,使十字块、外座圈脱离联系而自由的相对转动,高速旋转的驱动齿轮与电枢轴脱开,电枢轴仍以正常转速旋转,这样转矩就不能从驱动齿轮传给电枢轴,从而防止了启动机超速。

图10-4(d)所示滚柱式单向离合器的楔形缺口开在外座圈上,其工作原理与上述单向离合器相同。

图10-4　向离合器组成与工作示意

(a)组成;(b)启动时;(c)启动后;(d)楔形缺口开在外座圈上的单向离合器
1—启动机驱动齿轮;2—外座圈;3—十字块;4—滚子;5—柱塞;6—花键套筒;7—弹簧;8—飞轮齿圈

2)弹簧式单向离合器。弹簧式单向离合器结构简单,如图10-5所示。

图10-5　弹簧式单向离合器

1—衬套;2—启动机驱动齿轮;3—限位套;4—扇形块;5—离合弹簧;6—护套;7—花键滑套;8—缓冲弹簧;9—拨叉滑环;10—卡环;11—挡板

启动机驱动齿轮套与花键滑套的外圆上紧套着离合弹簧5,离合弹簧的内径略小于两套筒的外径,有一定的过盈量(0.25～0.5mm)。安装时,离合弹簧与护套6有间隙。花键滑套7套在电枢轴的螺旋花键上。花键滑套7前端的光滑部分套着启动机驱动齿轮2。启动机驱动齿轮右端的相应缺口中装着两个扇形块4,并伸入花键滑套左端的环槽内。当发动机启动时,电枢轴带动花键滑套旋转,使离合弹簧扭紧,并紧箍在两套筒外圆面上传递转矩。发动机启动后,由于花键滑套的转速低于飞轮齿圈转速,使离合弹簧松开而打滑,防止了启动机电枢超速运转带来的危害。

3)摩擦片式单向离合器。在一些大功率启动机上常采用摩擦片式单向离合器,以传递较大的转矩,其结构如图10-6所示。

图10-6　摩擦片式单向离合器

(a)剖视图;(b)零件组合
1—启动机驱动齿轮;2—螺母;3—弹性垫圈;4—压环;5—调整垫圈;6—从动摩擦片;7、12—卡环;8—主动摩擦片;9—内花键鼓;10—花键套;11—滑套;13—弹簧;14—限位套

摩擦片式离合器的主动摩擦片8的内圆有四个凸起,嵌入内花键鼓外圆的四个直槽中。从动摩擦片6的外圆有四个凸起,嵌入外接合鼓的四个直槽中。外接合鼓与驱动齿轮1成一体,内花键鼓9靠三线螺旋花键套装在花键套10的左端,花键套则通过内螺旋花键套装在电枢轴的花键部分。摩擦片之间的压力通过垫圈的数量变化来调整。

启动发动机时,启动机的电磁转矩通过电枢轴传递给花键套,由于内接合鼓与花键套之间的转速差,内接合鼓沿螺旋花键左移,将从动片与主动片压紧使驱动齿轮与电枢轴连成一体,启动机的转矩通过驱动齿轮传递给发动机曲轴,使发动机启动。

发动机启动后,飞轮带着驱动齿轮和外接合鼓高速旋转,其转速超过花键套的转速,内接合鼓则沿螺旋花键右移,从动摩擦片与主动摩擦片分离,驱动齿轮与电枢轴脱开,防止电动机超速。

3.控制机构

控制机构主要控制启动机主电路的通断和驱动齿轮的移出与退回。常见的控制机构有两种形式。

(1)直接操纵式控制机构。由驾驶员通过启动踏板和杠杆机构,直接操纵启动开关接通启动机的主电路,并使驱动齿轮移出与飞轮环齿啮合。

(2)电磁操纵式控制机构。由驾驶员通过启动开关操纵启动机的电磁开关,或通过启动继电器操纵启动机的电磁开关,接通启动机的主电路,并将驱动齿轮推出与飞轮啮合。

电磁啮合式启动机是目前普遍使用的装置,它主要是通过电磁开关的作用,控制启动机传动叉的动作和主电路的通断,使驱动齿轮往复移动。启动机的电磁开关安装在启动机的上部,用来控制启动机驱动齿轮与飞轮的啮合与分离,以及电动机电路的接通与关断。它由启动按钮8、固定铁芯12、吸拉线圈6、保持线圈5、活动铁芯4、拨叉3等组成。

如图10-7所示,按下启动按钮,吸拉线圈和保持线圈都通电,并在各自铁芯中产生了方向相同的磁场,在吸拉线圈和保持线圈磁场的共同作用下,使活动铁芯克服弹簧力右移。于是活动铁芯推动插在固定铁芯内的接触盘13右移,将主接线柱14和15接通,此时蓄电池和发电机的电流流过电动机励磁线圈和电枢,电动机开始转动。同时活动铁芯使拨叉移动,叉形下端向左摆动,推动单向离合器左移,回位弹簧2推动驱动齿轮与飞轮上启动齿圈啮合。于是电动机带动发动机曲轴转动,启动发动机。发动机启动后转速尽管较低,但因启动齿圈齿数远大于驱动齿轮(约16∶1),发动机可能带动电动机超速运转而损坏起动电动机。此时,单向离合器使驱动齿轮打滑,同时因启动按钮回位,电磁开关铁芯线圈断电,磁力消失。接触盘在回位弹簧地作用下向左移动,主接线柱14、15脱离接触,切断启动机电路,停止运转。而单向离合器在回位弹簧2的作用下,带动驱动齿轮与飞轮脱离啮合。

图10-7　电磁操纵式控制机构结构示意图

1—单向离合器;2—回位弹簧;3—拨叉;4—活动铁芯;5—保持线圈;6—吸拉线圈;7—接线柱;8—启动按钮;9—总开关;10—熔断器;11—黄铜套;12—固定铁芯;13—接触盘;14、15—主接线柱;16—电流表;17—蓄电池;18—电动机