起動(dòng)機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)和工作原理

09-02

起動(dòng)機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)三部分組成，如圖4-2所示。

直流電動(dòng)機(jī)的作用是將蓄電池輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：由單向離合器與驅(qū)動(dòng)齒輪、撥叉等組成。其作用是在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)使驅(qū)動(dòng)齒輪與非輪齒圈相嚙合，將起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞

給發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸；在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后又能使驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪自動(dòng)脫離，在它們脫離過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪反拖驅(qū)動(dòng)齒輪時(shí)，單向離合器使其形成空轉(zhuǎn)，避免了飛輪帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。

操縱機(jī)構(gòu)：主要是指起動(dòng)機(jī)的電磁開(kāi)關(guān)，用來(lái)接通或斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)與蓄電池之間的電路。

直流電動(dòng)機(jī)

功用：將蓄電池輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

結(jié)構(gòu):由電樞（轉(zhuǎn)子）、磁極（定子）、換向器和電刷等主要部件構(gòu)成。

（1）電樞

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱(chēng)為電樞，又稱(chēng)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由外圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心、電樞繞組線圈、電樞軸和換向器組成。如圖4-3所示。

為了獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)電樞繞組的電流較大（汽油機(jī)為200～600 A；柴油機(jī)可達(dá)1000 A），因此，電樞繞組采用較粗的矩形裸銅漆包線繞制為成型繞組。

（2）磁極

磁極由固定在機(jī)殼內(nèi)的磁極鐵心和磁場(chǎng)繞組線圈組成。如圖4-4所示。

磁極一般是4個(gè)，兩對(duì)磁極相對(duì)交錯(cuò)安裝在電機(jī)的殼體內(nèi)，定子與轉(zhuǎn)子鐵心形成的磁通回路見(jiàn)圖4-5所示，低碳鋼板制成的機(jī)殼也是

磁路的一部分。

4個(gè)勵(lì)磁線圈有的是相互串聯(lián)后再與電樞繞組串聯(lián)（稱(chēng)為串聯(lián)式），有的則是兩兩相串后再并聯(lián)，再與電樞繞組串聯(lián)（稱(chēng)混聯(lián)式），如圖4-6bc所示。

起動(dòng)機(jī)內(nèi)部線路連接如圖4-6a所示。勵(lì)磁繞組一端接在外殼的絕緣接線柱上，另一端與兩個(gè)非搭鐵電刷相連接。

當(dāng)起動(dòng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電路為蓄電池正極→接線柱2→勵(lì)磁繞組3→電刷6→換向器和電樞繞組5→搭鐵電刷4→搭鐵→蓄電池負(fù)極。

（3）電刷與電刷架

如圖4-7所示，電刷架一般為框式結(jié)構(gòu)，其中正極電刷架絕緣地固定在端蓋上，負(fù)極電刷架與端蓋直接相連并搭鐵。電刷置于電刷架中，電刷有銅粉與石墨粉壓制而成，呈棕黑色。電刷架上有較強(qiáng)彈性的盤(pán)形彈簧。

（4）換向器

作用：向旋轉(zhuǎn)的電樞繞組注入電流。

它由許多截面呈燕尾形的銅片圍合而成，如圖4-8所示。銅片之間由云母絕緣。云母絕緣層應(yīng)比換向器銅片外表面凹下0.8mm左右，以免銅片磨損時(shí)，云母片很快突出。電樞繞組各線圈的端頭均焊接在換向器的銅片上。

起動(dòng)機(jī)的工作原理:

（1）電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

它是根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用而發(fā)生運(yùn)動(dòng)的原理工作的。如圖4-9a所示，為一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電動(dòng)機(jī)模型。根據(jù)

左手定則判定a b、c d兩邊均受到電磁力F的作用，由此產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。其換向方法如圖4-9b所示。實(shí)際的電樞上有很多線圈，換向器銅片也有相應(yīng)的對(duì)數(shù)。

（2）直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

電樞在電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于繞組在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同時(shí)也切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)右手定則判定其方向與電樞電流Is方向相反，故稱(chēng)反電動(dòng)勢(shì)Ef。反電動(dòng)勢(shì)Ef與磁極的磁通φ和電樞的轉(zhuǎn)速n成正比：

Ef= Ceφn

式中Ce——電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。

由此可推出電樞回路的電壓平衡方程式，即：U = Ef IsRs

式中Rs——電樞回路電阻。

其中包括電樞繞組電阻和電刷和換向器的接觸電阻。

直流電動(dòng)機(jī)在剛剛接通直流電源的瞬間，電樞轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢(shì)均為0，此時(shí)，電樞繞組中的電流最大，即Ism==U/Rs，將產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，即Mmax，若此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩M大于電動(dòng)機(jī)阻力轉(zhuǎn)矩Mz，電樞就開(kāi)始加速運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。隨著轉(zhuǎn)速n的上升，Ef增大，Is下降，M也就隨著下降。當(dāng)M下降至于Mz相等時(shí)，電樞就以此轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。如果直流電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中負(fù)載發(fā)生變化，就會(huì)出現(xiàn)以下情況：

負(fù)載增大時(shí)，M＜Mz→n↓→Ef↓→Is↑→M↑→M＝Mz，達(dá)到新的穩(wěn)定；

負(fù)載減小時(shí)，M＞Mz→n↑→Ef↑→Is↓→M↓→M＝Mz，達(dá)到新的穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)能通過(guò)轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)變化來(lái)滿足負(fù)載的需要，使之能在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作。因此，直流電動(dòng)機(jī)有自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩功能。

工作特性：

（1）工作特性曲線：起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率與電流的關(guān)系稱(chēng)之為起動(dòng)機(jī)的特性曲線。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，機(jī)械特性軟（電樞轉(zhuǎn)速隨其負(fù)載增大而降低，隨其負(fù)載的減小而上升）。

轉(zhuǎn)矩特性：在磁路未飽和的情況下，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Ｍ與電樞電流的平方I2S成正比。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性如圖4-10所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻力矩很大，起動(dòng)機(jī)處于完全制動(dòng)狀態(tài)下，由于轉(zhuǎn)速為電樞電流達(dá)到最大值（稱(chēng)為制動(dòng)電流），電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩（稱(chēng)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩），足以克服發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。這就是汽車(chē)起動(dòng)機(jī)采用串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的主要原因之一。

轉(zhuǎn)速特性（機(jī)械特性）：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ與電樞電流Is的關(guān)系式為：

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)在磁極未飽和時(shí)，由于Φ不為常數(shù)，當(dāng)Is增加時(shí)，

即電樞轉(zhuǎn)矩增大，由于Φ與Is(Rs+Rj)也隨之增加，因此，電樞轉(zhuǎn)速n隨Is(M)的增大下降較快，故具有較軟的機(jī)械特性，如圖4-11所示。

即直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有在輕載時(shí)，電樞電流小，轉(zhuǎn)速高；在重載時(shí)，電樞電流大，轉(zhuǎn)速低的軟機(jī)械特性，能保證發(fā)動(dòng)機(jī)即安全又可靠地起動(dòng)，這是汽車(chē)起動(dòng)機(jī)采用串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的又一主要原因。

功率特性：

串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的功率P可用下式表示:

P = Mn / 9550

式中：M——電樞軸上的力矩（Nm）；

n——電樞轉(zhuǎn)速（r/min）。

由式可以看出，在完全制動(dòng)（n=0）和空轉(zhuǎn)（M=0）兩種情況下，起動(dòng)機(jī)的功率都等于0。因?yàn)槠饎?dòng)機(jī)工作時(shí)間很短，可以允許在最大功率下工作，所以把起動(dòng)機(jī)的最大輸出功率稱(chēng)為起動(dòng)機(jī)的額定功率。其特性曲線如圖4-12a所示。

直流串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率特性完全可以表述起動(dòng)機(jī)的工作特性。如圖4-12b所示為三大特性曲線在同一坐標(biāo)系的情況，由該圖可以看出：

1）完全制動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于起動(dòng)機(jī)剛接通的瞬間，n=0，電樞電流最大（即制動(dòng)電流Imax），轉(zhuǎn)矩也達(dá)到最大值（稱(chēng)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩），但輸出功率為0。

2）起動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)電流最小（稱(chēng)為空載電流I0），轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值（稱(chēng)為空載轉(zhuǎn)速）輸出功率也為0。

3）在電流接近制動(dòng)電流的一半時(shí)，起動(dòng)機(jī)功率最大。將其最大功率作為額定功率。

(2)影響起動(dòng)機(jī)功率的主要因素

（1）蓄電池容量的影響:蓄電池容量越小，其內(nèi)阻越大，放電時(shí)產(chǎn)生的電壓降越大，因而供給起動(dòng)機(jī)的電壓降低，使起動(dòng)機(jī)輸出的功率減小。

（2）環(huán)境溫度影響:當(dāng)溫度降低時(shí)，由于蓄電池電解液密度增大，內(nèi)阻增大，會(huì)使蓄電池容量和端電壓急劇下降，起動(dòng)機(jī)功率將會(huì)顯著下降。

（3）接觸電阻和導(dǎo)線電阻:電刷與換向器接觸不良、電刷壓簧彈力下降、電刷過(guò)短以及導(dǎo)線與蓄電池接線柱接觸不良，都會(huì)使工作線路電阻增加；導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)以及導(dǎo)線橫截面積過(guò)小也會(huì)造成較大的電壓降，由于起動(dòng)機(jī)工作電流特別大，這些都會(huì)使起動(dòng)機(jī)功率減小。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指使起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒環(huán)嚙合傳動(dòng)及分離的機(jī)構(gòu)。

作用：起動(dòng)時(shí)，使起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒環(huán)嚙合，將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞給飛輪；

起動(dòng)后，自動(dòng)切斷動(dòng)力傳遞，防止電動(dòng)機(jī)被發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)超速運(yùn)轉(zhuǎn)而遭到損壞。

組成：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)齒輪、單向離合器、撥叉、嚙合彈簧等組成，安裝在轉(zhuǎn)子軸的花鍵部分。

種類(lèi)：滾柱式單向離合器、摩擦片式單向離合器、彈簧式單向離合器。

滾柱式單向離合器

滾柱式單向離合器外形如圖4-14所示，其結(jié)構(gòu)如圖4-15所示，傳動(dòng)套筒8內(nèi)具有花鍵槽，與電樞軸上的外花鍵相配合。起動(dòng)小齒輪1套在電樞軸的光滑部分上。在傳動(dòng)套筒的另一端，活絡(luò)地套著緩沖彈簧壓向右方，并有卡簧防止脫出。移動(dòng)襯套由傳動(dòng)叉撥動(dòng)。起動(dòng)小齒輪與離合器外殼剛性連接，十字塊與傳動(dòng)套筒剛性連接。裝配后，十字塊與外殼形成四個(gè)楔形空間，滾柱分別安裝在四個(gè)楔形空間內(nèi)，且在壓帽彈簧張力的作用下，處在楔形空間的窄端。

起動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是：

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在電磁力的作用下，傳動(dòng)撥叉使移動(dòng)襯套沿電樞軸軸向移動(dòng)，從而壓縮緩沖彈簧。在彈簧張力的作用下，離合器總成與起動(dòng)小齒輪沿電樞軸軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)小齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的嚙合。與此同時(shí)，控制裝置接通起動(dòng)機(jī)主電路，起動(dòng)機(jī)輸出強(qiáng)大的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩由傳動(dòng)套筒傳至十字塊，十字塊與電樞軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，由于飛輪齒圈瞬間制動(dòng)，就使?jié)L柱在摩擦力的作用下，滾入楔形槽的窄端而卡死。于是起動(dòng)小齒輪和傳動(dòng)套成為一體，帶動(dòng)飛輪起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖4-16所示。

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，由于飛輪齒環(huán)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪高速旋轉(zhuǎn)且比電樞軸

轉(zhuǎn)速高的多，驅(qū)動(dòng)齒輪尾部的摩擦力帶動(dòng)滾柱克服彈簧張力，使

滾柱滾向鍥型腔室較寬的一端，于是滾柱將在驅(qū)動(dòng)齒輪尾部與外座圈間發(fā)生滑摩，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不能傳給電樞軸，起到分離作用，電樞軸只按自己的轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)，避免電樞超速飛散的危險(xiǎn)

此種離合器構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠；接合時(shí)為剛性，不能承受大的沖擊力，傳遞大扭矩會(huì)因滾柱卡死而失效；適用于額定功率在1.47KW以下的小型起動(dòng)機(jī)。

控制裝置

現(xiàn)代汽車(chē)上，起動(dòng)機(jī)的控制裝置均采用電磁式控制裝置，即電磁開(kāi)關(guān).其外形如圖4-17所示。

作用：控制驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪齒圈的嚙合與分離；控制電動(dòng)機(jī)電路的接通與切斷。

組成:如圖4-18所示，電磁開(kāi)關(guān)主要由吸引線圈、保持線圈、復(fù)位彈簧、活動(dòng)鐵芯、接觸片等組成。其中，電磁開(kāi)關(guān)上的“30”端子接至蓄電池正極；“C”端子接起動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組；吸接線圈一端接起動(dòng)機(jī)主電路，