无职院汽车电器与电子控制技术讲义01起动系

第一章起动系发动机进入正常工作循环之前，必须依靠外力进行起动。常用的起动方法有：人力起动、辅助汽油机起动和电力起动机起动等。人力起动，最为简单，但不方便；目前手摇起动只作为汽车的起动后备手段；辅助汽油机起动，比较笨重，仅用大功率柴油机或大型拖拉机上；电力起动机起动，简称电动机起动，操作轻便，起动迅速可靠，还可重复起动，在现代汽车上得到广泛应用。第一节概述一、起动系统的组成和作用发动机起动系统的组成，主要由蓄电池、点火开关、起动机、起动机继电器等组成。起动系的作用就是通过起动机将蓄电池的电能转化为机械能，通过传动装置将电磁转矩传递给发动机飞轮，驱动飞轮旋转，实现发动机的起动。1、起动机起动机一般由三部分组成：（1）直流串励式电动机。用于将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生转矩。（2）传动装置（啮合机构）。其作用是在发动机起动时，使起动机的驱动齿轮与飞轮齿圈啮合，将电动机的转矩传给发动机飞轮；在发动机起动后，使起动机与飞轮自动脱离。（3）控制装置，即电磁开关等。其作用是接通或切断电动机与蓄电池之间的电路；对于某些汽油发动机，还兼有在起动时短路点火线圈附加电阻的作用。2、起动开关与起动继电器（1）起动开关。起动开关的作用是接通起动机电磁开关电路，使电磁开关通电工作。汽油发动机的起动开关与点火开关组合在一起，即点火开关设有起动档。（2）起动继电器。由于起动机电磁开关的电流较大（一般为35～40A），直接由起动开关控制，起动开关会因通过的电流过大而容易烧坏。因此，一些汽车的起动机控制电路中装有起动继电器，由起动继电器触点的开闭控制起动机电磁开关电路的通断，起动开关只是控制起动继电器线圈电路的通断，因而减小了通过起动开关的电流。二、起动机的种类现代汽车普遍采用电磁控制式起动机。在起动机的组成中，电动机一般没有多大的差别，而传动装置与控制装置差异较大，因此分类有所不同。1．按电动机磁场产生的方式（1）励磁式起动机：通过向励磁绕组通电产生磁场。一直以来，汽车上的起动机普遍都采用直流串励式电动机，如桑塔纳轿车用QD1225型、东风EQ2120型汽车用QD2623型起动机。（2）永磁式起动机：以永久磁铁作磁极产生磁场。由于磁极采用永磁材料支撑，无需磁场绕组，因此电动机结构简化、体积小、质量轻。永磁式起动机是近年来出现的新型起动机，但目前在汽车上使用还比较少，如奥迪100型轿车。2、按传动机构啮合方式分类起动机可分为强制啮合式、电枢移动式和同轴齿轮移动式起动机。（1）强制啮合式起动机：利用电磁力拉动杠杆机构，使驱动齿轮强制啮入飞轮齿圈的起动机。主要优点是工作可靠性高，因此现代汽车广泛采用。（2）电枢移动式起动机：利用磁极产生的电磁力使电枢产生轴向移动，从而将驱动齿轮啮入飞轮齿圈的起动机。其特点是结构比较复杂，主要用于大功率发动机的汽车，如太脱拉T138、斯柯达706R等汽车起动机。（3）同轴移动式起动机：利用电磁开关推动电枢轴孔内的啮合推杆移动，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈的起动机。主要用于大功率发动机的汽车，如斯泰尔SXZ190型汽车用QD2745型起动机和奔驰Benz2026型汽车用KB型起动机。三、起动机型号根据QC/T73——1993《汽车电气设备产品型号编制方法》规定，国产起动机的型号表示如下：12541311254131说明：①产品代号：QD一起动机：QDJ一减速起动机；QDY一永磁起动机；②电压等级代号：1～12V；2～24V；③功率等级代号：其含义如表2－1所示；④设计代号：按产品设计先后顺序，以1～2位阿拉伯数字组成；⑤变型代号：主要电器参数和基本结构不变的情况下，一般电器参数的变化和某些结构改变称为变型，以汉语拼音大写字母A、B、C等表示。第二节起动机的构造及工作原理本节介绍目前应用最为广泛的电磁操纵强制啮合式起动机，结构如图1-1所示。图1-1起动机结构一、起动机的构造（一）直流电动机1．串励式直流电动机的结构，主要由电枢、换向器、磁极以及机壳等部件组成。（1）电枢与换向器。电枢由电枢轴、电枢铁心、电枢绕组等组成，电枢的结构如图1-2所示，它的作用是产生电磁转矩。图1-2电枢的结构电枢铁心由硅钢片叠压而成，借花键压装在电枢轴上。电枢绕组嵌装在铁心的槽内，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200～600A，因此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、铜线与铁心之间用绝缘性能较好的绝缘纸隔开。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。根据材质的不同，换向器铜片之间的云母片有低于铜片和与铜片平齐两种。云母片低于铜片主要是为了避免钢片磨损后云母片外突而造成电刷与换向器接触不良；云母片与铜片平齐则主要是防止电刷粉末落人铜片之间的槽中而造成短路。国产起动机换向器云母片一般不低于铜片。但许多进口汽车起动机换向器云母片却低于铜片。（2）磁极。磁极由铁心和励磁绕组构成，并通过螺钉固定在电动机壳体上。磁极的作用是产生磁场，一般采用四个磁极，为增大电磁转矩，大功率起动机采用六个磁极。励磁绕组也是用粗扁铜线绕制而成，与电枢绕组串联。四个励磁绕组的连接方式有两种，一种是四个绕祖串联后再与电枢绕组串联，另一种是两个绕祖先串联后并联，然后再与电枢绕组串联。如图1-3所示。图1-3励磁绕组的连接方式（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。电刷用铜粉与石墨粉压制而成，起动机电刷的含铜量为80％左右，石墨含量为20％左右。加人较多铜粉的目的是减小电阻，提高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称正电刷架，安装在正电刷架上的电刷称为绝缘电刷或称正电刷。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。（4）轴承。起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。减速起动机由于电枢的转速较高，采用滚柱轴承或滚珠轴承。（二）直流串励式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的原理工作的。由于换向器的作用，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和电枢电流I成正比，其数学表达式为：M＝CmφI（1－l）式中Cm—电机结构常数，取决于电动机的结构。2．传动装置起动机的传动装置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，即起动发动机时，将电动机的驱动转矩传递给发动机曲轴（传递动力）；当发动机起动后又能自动打滑（切断动力），以免损坏电动机。这是因为发动机飞轮与起动机驱动齿轮之间的传动比为1:10~1:15，当发动机起动后如果动力联系不及时切断，飞轮就会带动电枢以8000~15000r/min的转速高速旋转，从而导致电枢绕组从铁心槽中甩出而损坏电枢。起动机采用的单向离合器有滚柱式、弹簧式和摩擦片式三种。滚柱式和弹簧式离合器主要用于功率较小的汽油发动机起动机，摩擦片式离合器可以传递较大转矩，主要用于柴油发动机起动机。单向离合器工作原理大同小异，下面以滚柱式单向离合器为例介绍其结构原理。图1-4滚柱式单向离合器图1-5滚珠式单向离合器的工作原理a）起动时传递电磁转矩b）起动后打滑滚柱式单向离合器的结构如图1－4所示。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四个楔形槽，槽中有四个滚柱4，滚柱的直径大于槽窄端又小于槽宽端，弹簧及活柱5将滚柱推向槽窄端，使得滚柱与十字块及外壳表面有较小的摩擦力。十字块3与传动套筒l0刚性连接，传动套筒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。起动时，拨叉通过移动村套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使十字块移动，十字块相对于外壳的转动使滚柱在小摩擦力的作用下滚向槽窄端而被卡紧，使得外壳随十字块一起转动，于是电枢的电磁转矩通过单向离合器传递给了驱动齿轮（图1-5a）。发动机一旦发动，发动机飞轮带动驱动齿轮旋转，使离合器外壳的转速高于十字块，此时，滚柱滚向槽宽端而打滑（图1-5b），从而防止了发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而造成飞散事故。滚柱式单向离合器结构简单紧凑，在中小功率的起动机上被广泛采用，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起动机。3．控制装置电磁开关的作用是控制起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图、保持线圈、活动铁心、接触盘、触点等组成。对于汽油发动机用起动机，电磁开关内还有点火线圈附加电阻短路触点，通过电磁开关外壳上的接线柱与点火线圈一次线圈相连。图1-6起动机工作原理以ST614型起动机电路为例，说明电磁开关的工作原理，如图1－6所示。接通起动开关，电磁开关通电，其电流通路为：蓄电池正极→接线柱18→电流表11→熔断器10→起动开关9→电磁开关接线柱7吸引线圈6→接线柱14→起动机磁场和电枢线圈保持线圈5→电源开关搭铁→电源开关→蓄电池负极此时由于通过吸引线圈6和保持线圈5的电流方向相同，因此产生的磁力方向相同，在两线圈磁力的共同作用下，使活动铁心克服弹簧力右移，带动拨叉3将驱动齿轮推向飞轮，与此同时，活动铁心将接触盘15顶向触点。当驱动齿轮与飞轮啮合时，接触盘15将触点18、14接通，使起动机通入起动电流，产生正常电磁转矩起动发动机。接触盘接通触点时，吸引线圈被短路，活动铁心靠保持线圈的磁力保持在吸合的位置。发动机起动后，在断开起动开关的瞬间，接触盘仍在接触位置，此时电磁开关线圈电流为：蓄电池正极→接线柱18→接触盘15→接线柱14→吸引线圈6→保持线圈5→搭铁→蓄电池负极。此时，吸引线圈与保持线圈中通过的电流相反，吸引线圈产生了与保持线圈相反方向的磁通，两线圈磁力互相抵消，活动铁心在弹簧力的作用下复位，使驱动齿轮退出；与此同时，接触盘也回位，切断起动机电路，起动机便停止工作。第三节起动机的工作特性及其影响因素一、起动机的工作特性直流串励式电动机的转矩M、转速n和功率P与电流之间的关系，称为直流串励式电动机的工作特性。直流串励式电动机工作特性曲线，如图1-7所示，其中曲线M、n和P分别代表转矩特性、转速特性和功率特性。图1-7起动机工作特性曲线1．转矩特性电动机电磁转矩M随电枢电流Is变化的关系称为转矩特性。对于串励式电动机而言，磁通在磁路未饱和时磁通与电流的平方成正比，在磁路饱和时磁通与电流成正比。因此，在起动机起动的瞬间，因发动机的阻力矩很大，起动机处于完全制动状态。此时电枢转速为零，电枢电流达到最大值。转矩与电枢电流的平方成正比，所以制动电流所产生的转矩很大，足以克服发动机的阻力矩，使发动机的起动容易。这就是汽车起动机采用串励式电动机的主要原因之一。2．机械特性电动机的转速n随电磁转矩M而变化的关系称为机械特性。串励式电动机在输出转矩大时，电枢电流较大，电流随电动机转速的增加而急剧下降。反之，在输出转矩小时，电枢电流又随电动机转速的减小的而很快上升。从机械特性看出，直流串励式电动机具有轻载转速高、重载转速低的特点。重载转速低，可以保证电动机在起动时（重载）不会超出允许的功率而烧毁，使起动安全可靠。这是起动机采用串励式直流电动机的另一原因。但由于其轻载或空载时转速很高，容易造成“飞散”事故。因此，对于功率较大的串励式直流电动机，不允许在轻载或空载下长时间运行。3．功率特性串励式起动机的功率可由下式确定：式中M—起动机输出转矩，单位为Nm；n—起动机的转速，单位为r/min；P—电动机功率，单位为kw。起动机在全制动(ns=0)和空载（MS=0）时，其功率均为0，而在IS接近全制动电流一半时其输出功率最大。起动机工作时间短暂，允许以最大功