第六章 起动系统
    汽车发动机由静止状态转为运转状态的过程称为起动。发动机进入正常工作循环之前，必须借助外力来起动。现代汽车发动机的起动任务普遍采用电磁控制式起动系统来完成。
    电磁控制式起动系统是由起动机、起动继电器和点火起动开关三部分组成。起动机由直流电动机、传动装置和控制装置三部分组成。直流电动机是以蓄电池为动力电源，电源动力在点火起动开关和电磁开关的控制下，通过传动机构将转矩传递给发动机。
    第一节 发动机起动条件
    发动机的起动性能用起动转矩Md、起动转速nmi。和起动功率P等参数来评价。
    一、起动转矩
    起动发动机需要一定的转矩，该转矩必须大于阻碍发动机曲轴旋转的起动阻力矩。起动阻力矩包括摩擦阻力矩、压缩阻力矩和惯性阻力矩。
    1．摩擦阻力矩
    摩擦阻力矩是指活塞与气缸壁、曲轴与轴承之间的摩擦阻力矩。其大小取决于摩擦表面积和润滑油的豁度。因润滑油的勃度与温度有关，所以摩擦阻力矩的大小与温度有关。当温度为0～5℃时，摩擦阻力矩约占发动机起动阻力矩的60%；当温度为－10～－20℃时，摩擦阻力矩约占起动阻力矩的80%～95%。
    2．压缩阻力矩
    压缩阻力矩是指活塞在压缩行程受到压缩气体的作用而形成的阻力矩。其大小取决于发动机的排量、功率和压缩比。
    3．惯性阻力矩
    惯性阻力矩是指活塞、连杆、曲轴和与曲轴相连机件（如冷却风扇、交流发动机、空调压缩机等）的惯性力而形成的阻力矩。其大小取决于这些机件在加速过程中惯性力的大小。

    起动发动机必须的起动转矩，可概略地用下式求得：
            Md=KL
式中Md----起动发动机必须的转矩；
      K----比例系数（当温度为0℃时，汽油发动机取30～40；柴油发动机取70～75）；
      L----发动机排量，L。

    二、起动转速
    起动转速是指在一定温度下，发动机能够独立工作的最低曲轴转速。
    对于汽油发动机，为了形成可燃混合气，其最低起动转速需要50～70r/min。如果起动转速过低，就会使油泵供油不足和气体流速过低，从而导致可燃混合气雾化不良；除此之外，起动转速过低还会使发动机压缩行程的散热损失和漏气损失增加，从而导致发动机起动性能降低甚至不能起动。
    对于柴油发动机，由于其最低起动转速取决于混合气压缩时，能否达到燃油的自燃温度和燃油的雾化情况，因此其最低起动转速比汽油发动机要高，一般需要100～150r/min。如果起动转速过低，就会使高压油泵压力不足，喷油嘴喷出的燃油雾化不良；此外，起动转速过低还会使压缩行程的散热损失增加而达不到自燃温度，从而导致发动机起动性能降低甚至不能起动。

    最低起动转速还与发动机的型式、使用条件以及环境温度有关。环境温度越低，则需要最低起动转速越高；新发动机的密封性能好，故最低起动转速可相应降低；行驶里程或使用时间接近大修的发动机，由于密封性能下降，因此最低起动转速相应提高。
    三、起动功率
    根据发动机的起动转矩场和起动转速nmi。即可求得发动机必需的起动功率P:

    起动机的功率应当大于或等于发动机必需的起动功率，否则就不能保证发动机的起动性能。

    第二节 起动机分类与型号
    一、起动机类型
    汽车用起动机种类繁多，分类方法各不相同。
    （一）按控制方式分类
    按控制方式不同，起动机可分为
    1．机械控制式
    机械控制式由手拉杠杆或脚踏联动机构直接控制起动机的主电路开关来接通或切断主电路。由于机械控制式要求起动机、蓄电池靠近驾驶室而受到安装和布局的限制，且操作不便，因此已很少采用。
    2．电磁控制式
    电磁控制式是由点火起动开关或按钮控制电磁铁，再由电磁铁的电磁力控制驱动齿轮与飞轮啮合或分离，同时又控制电动机的开关电路接通或切断。由于电磁铁可进行远距离控制，且操作方便、省力，因此现代汽车大多数都采用。
   （二）按总体结构分类
    按总体结构不同，起动机可分为
    1．普通起动机
    无特殊结构和装置，如东风EQ2102型汽车配用的QD2623型24V4.5kW起动机、东风EQ 1090型汽车配用的QD124、QD1212型以及解放CA1091型汽车配用的QD1215型和桑塔纳轿车配用的QD 1225型起动机均为普通起动机。
    2．永磁起动机
    电动机磁极用永磁材料（铁氧体或钕铁硼等）制成，由于取消了磁场线圈，因此结构简化、体积小、质量轻，如切诺基吉普车和奥迪100型轿车配用的起动机。
    3．减速起动机
    传动机构设有减速装置的起动机。电动机可采用高速、小型、低转矩电动机，质量和体积比普通起动机可减小30%～35%。缺点是结构和工艺比普通起动机复杂。如切诺基吉普车配用的DWIA型永磁式减速型起动机以及南京依维柯采用的QDJ1317型12V2.5kW起动机。
   （三）按传动机构啮入方式分类
    按传动机构啮入方式不同，起动机可分为
    1．强制啮合式
    依靠电磁力或人力拉动杠杆机构，拨动驱动齿轮强制啮入飞轮齿圈。工作可靠性高，现代汽车广泛采用。
    2．惯性啮合式
    驱动齿轮借旋转时的惯性力啮入飞轮齿圈。工作可靠性较差，已很少采用。
    3．电枢移动式
    依靠磁极磁通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。结构比较复杂，东欧国家采用较多，如太脱拉T111/T138，斯柯达706R，却贝尔D250、D420、D450等汽车。
    4．同轴移动式
    依靠电磁开关推动电枢轴孔内的啮合推杆，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈。如延安SX 1290型汽车采用的QD2608、QD2745型24V5.5kW起动机以及奔驰Benz2026型汽车采用的KB型起动机。

    二、起动机型号

    根据QC/T 73-1993的规定，汽车起动机的型号组成如图6-1所示。

    1．产品代号
    产品代号有QD、QDJ、QDY三种，分别表示普通起动机、减速起动机、永磁起动机或永磁减速起动机。字母Q、D、J、Y分别为“起”、“动”、“减”、“永”字汉语拼音的第一个大写字母。
    2．电压等级代号
    电压等级代号用一位阿拉伯数字表示，含义见表4-1。
    3．功率等级代号
    功率等级代号用一位阿拉伯数字表示，含义见表6-1。

    4．设计序号
    设计序号是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
    变型代号主要是在电气参数和基本结构不变的情况下，一般电气参数的变化和结构的改变称为变型，以汉语拼音大写字母A、B、C……顺序表示。
如QD 1225：表示额定电压为12V、功率为1-2kW，第25次设计的起动机。

    第三节 起动系统结构原理
    现代汽车普遍配用电磁式起动机，主要由直流电动机、传动装置和电磁开关三部分组成。各型普遍电磁式起动机的结构基本相同，下面以东风ED 1090型载货汽车配用的QD 124型起动机为例进行介绍，其结构如图6-2所示。

    一、直流电动机
   （一）直流电动机结构
    直流电动机主要由壳体、磁极、电枢、换向器和电刷组件等部分组成。其工作时有两个显著的特点：①工作电流大、转矩大；②工作时间短（一般为3-5s）.
    1．壳体
    壳体由钢管制成，其功能是安装磁极和固定机件。磁极固定在壳体内壁上。壳体上有一个接线端子或一根电缆引线，对于电磁式电动机，该端子或引线与磁场线圈的一端连接。
    2.磁极
    直流电动机磁极的功能是产生磁场，磁极由铁芯和磁场线圈组成，铁芯用低碳钢制成马蹄形，并用螺钉固定在电动机壳体的内壁上，磁场线圈套装在铁芯上。为了增大起动机的电磁转矩，一般采用四个磁极，功率超过7.35kW的起动机有的采用6个磁极。磁场线圈用矩形裸体铜线（QD 124型起动机为1.25×6.OMM2矩形铜线；QD321型起动机为1.25×5.5mm2矩形铜线）绕制，并与电枢绕组串联，如图6-3所示。4个磁场线圈的连接方式有两种：一种是4个绕组串联后再与电枢绕组串联，如图6-3（a）所示；另一种是两个绕组先串联后并联，然后再与电枢绕组串联，如图6-3（b）所示，目前普遍采用后一种连接方式。无论采用哪一种连接方式，其磁场线圈通电产生的磁极必须N、S极相间排列。

    3．电枢
    电枢的功能是产生电磁转矩，如图6-4（a）所示，主要由电枢绕组、铁芯和换向器组成。
    电枢铁芯由相互绝缘的硅钢片叠装而成，其圆周上制有安放电枢绕组的槽，内以花键固装在电枢轴上。为了获得较大的电磁转矩，流经电枢绕组的电流很大，一般都为400A左右。因此，电枢绕组采用横截面积较大的矩形或圆形（切诺基吉普车）裸体铜线绕制。
    4．换向器
换向器的功能是将通入电刷的直流电流转换为电枢绕组中导体所需的交变电流，以使不同磁极下导体中电流的方向保持不变。换向器由截面呈燕尾形的铜片合围而成，如图6-4（b）所示。燕尾形铜片称为换向片，换向片与换向片之间以及换向片与轴套、压环之间均用云母绝缘。

    5．电刷组件
    电刷组件的功能是将电流引入电动机，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。加入较多铜粉的目的是减小电阻，提高导电性能和耐磨性能。电刷安装在电刷架内，借弹簧压力紧压在换向器上，电刷弹簧的压力一般为12-15N。电刷架有4个，固定在支架或端盖上，直接固定在支架或端盖上的电刷架称为搭铁电刷架或负电刷架，安装在两个负电刷架中的电刷称为负电刷；用绝缘垫片将电刷架绝缘固定在电刷支架或端盖上的电刷架称为正电刷架，安装在两个正电刷架内的电刷称为正电刷。
   （二）直流电动机工作过程
    直流电动机是将电能转换为机械能的装置，并根据载流导体在磁场中将受到电磁力的作用而发生运动的原理进行工恨工作过程如图6-5所示。

    当电枢绕组在所示的垂直位置时，如图6-5（a）所示，电刷⑤、⑥不与换向片③、④接触，线圈中没有电流流过，线圈不受力的作用，因此线圈不会转动。
    如将线圈稍微向顺时针方向转动，电刷⑤、⑥便分别与换向片③、④接触，如图6-5（b）所示，电枢绕组中便有电流流过，电流路径由蓄电池正极，经电刷⑤、换向片③、电枢绕组、换向片④、电刷⑥回到蓄电池负极。根据左手定则可以判定，线圈I边将向下运动、线圈11边将向上运动，整个线圈将沿顺时针方向转动。
    当线圈旋转到图6-5（c）所示垂直的位置时，电刷⑤、⑥又不与换向片③、④接触，线圈中又无电流流过，但是，此时线圈将以其转动惯性转过此位置。
    当线圈转过垂直位置时，电刷⑤、⑥便分别与换向片④、③接触，如图6-5（d）所示，线圈中又有电流流过，电流路径由蓄电池正极，经电刷⑤、换向片④、线圈、换向片③、电刷⑥回到蓄电池负极。由左手定则可知，此时线圈I边向上运动、线圈II边向下运动，整个线圈仍沿顺时针方向转动。
    由此可见，由于换向片的作用，便使线圈处在磁场南极或北极下导线中的电流方向保持不变，即南极下面导线中的电流始终由电池经电刷流入，北极下面导线中的电流始终由导线经电刷流回电池。由于磁场方向和每个磁极下线圈导线中的电流方向保持不变，因此由左手定则可知，线圈导线受力而形成的力矩方向不变。如果电流不断通入线圈，电枢就会不停地旋转。当电动机有负载时，就可将电源的电能转换为机械能。
    直流电动机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能，实际使用的电动机采用了多组电枢绕组和多对磁极。
    二、传动装置
    普通起动机的传动装置主要由单向离合器和拨叉组成。
   （一）离合器
    单向离合器的功能是单方向传递转矩，即起动发动机时，将电动机的驱动转矩传给发动机曲轴（传递动力）；当发动机起动后又能自动打滑（切断动力），以免损坏起动机。因为飞轮与起动机驱动齿轮的传动比为1.10～1:15，当发动机起动后，如不及时切断动力，起动机电枢就会被发动机带动并以8000～15 000r/min高速旋转，导致电枢绕组从铁芯槽中甩出而损坏电枢。
    离合器有滚柱式离合器、弹簧式离合器和摩擦片式离合器三种。摩擦片式离合器可以传递较大转矩，主要用于柴油发动机汽车，滚柱式和弹簧式离合器主要用于汽油发动机汽车。
    1．滚柱式单向离合器结构
    滚柱式单向离合器的结构如图6-6所示。传动导管③与外座圈⑤制成一体，外座圈内圆制成“＋”字形空腔。驱动齿轮⑦另一端的内座圈伸入外座圈的空腔内，将“＋”字形空腔分割成楔形腔室。

    滚柱有4～6只，安放在楔形腔室内。弹簧一端套上弹簧帽，并安放在外座圈的径向小孔中，弹簧帽压在滚柱上，弹簧另一端压在铁皮外壳上，铁皮外壳将内外座圈包装在一起。当起动机未工作时，弹簧张力将滚柱压向楔形室较窄一端。
    传动导管套装在电枢轴上，导管内圆制有内螺旋键槽，与电枢轴上的外螺旋键槽配合而传递动力。制成一体的驱动齿轮和内座圈套装在电枢轴的光轴部分，既可轴向移动，也可绕光轴转动。
    2．滚柱式单向离合器工作过程
   （1）起动发动机时，传递动力。起动发动机时，驾驶员操纵点火起动开关，在控制装置（电磁开关）的作用下，拨叉下端便拨动离合器向后移动，驱动齿轮与发动机飞轮齿圈进入啮合。当电动机驱动转矩小于发动机阻力转矩时，电枢轴仅带动传动导管与外座圈转动，此时驱动齿轮、内座圈和飞轮并不转动，在内座圈与滚柱之间的摩擦力矩和弹簧力矩作用下，滚柱滚向楔形室较窄一侧并将外座圈与内座圈卡成一体，动力便经电枢轴、传动导管和外座圈、滚柱、内座圈和驱动齿轮传到发动机飞轮齿圈。当电动机驱动力矩达到或超过发动机阻力转矩时，驱动齿轮便带动飞轮旋转，直到发动机被起动为止。在起动发动机时，草向离合器的驱动齿轮为主动部件，发动机的飞轮为被动部件。
   （2）起动发动机后，切断动力。发动机起动后，曲轴在活塞的作用下高速旋转，发动机的飞轮转为主动部件，离合器的驱动齿轮转为被动部件。由于飞轮齿圈与驱动齿轮之间的传动比较大，因此发动机一旦被起动，其飞轮便带动驱动齿轮高速旋转。由于驱动齿轮的转速远高于电枢轴的转速，因此内座圈与滚柱之间的摩擦力矩便使滚柱克服弹簧力矩滚向楔形室较宽一侧，滚柱将在内、外座圈之间跳跃滚动，发动机的动力不会传递给电枢轴，即动力联系切断，此时电枢轴仅由电枢绕组产生的电磁力矩驱动而空转，从而避免电枢超速旋转。
   （二）拨叉
    拔叉的作用是使离合器做轴向移动，使驱动啮入或脱离飞轮齿环。现代汽车一般采用电磁式拨叉，如图6-7所示。它用外壳封装于起动机壳体上，有可动和静止两部分组成。可动部分包括拨叉和电磁铁芯，两者之间用螺杆活的连接。静止部分包括绕在电磁铁芯钢套外的线圈、拨叉轴和复位弹簧。

    发动机起动时，驾驶员只需将点火开关旋至起动挡，线圈通电产生电磁力，将铁芯吸入，于是带动拨叉转动由拨叉头推出离合器，使驱动齿轮啮入飞轮齿环。发动机起动后，松开点火开关，点火开关便自动回位一个角度（回至点火工作挡），线圈断电，电磁力消失，在复位弹簧作用下，铁芯退出，拨叉返回，拨叉头将打滑工况下的离合器拨回，驱动齿轮脱离飞轮齿环。
    三、控制装置结构原理
控制装置由电磁开关、起动继电器与点火起动开关组成。东风EQ 1090型载货汽车配用的QD 124型起动机电磁控制机构如图6-8所示。

   （一）电磁开关
    1．电磁开关结构
    电磁开关主要由电磁铁机构和电动机开关两部分组成。电磁铁机构主要由固定铁芯、活动铁芯、吸引线圈和保持线圈等组成。固定铁芯与活动铁芯安装在一个铜套内。固定铁芯固定不动，活动铁芯可在铜套内作轴向移动。活动铁芯前端固定有推杆，推杆前端安装有开关触盘；活动铁芯后端用调节螺钉与耳环连接，耳环与拨叉连接。铜套外面安装有一个复位弹簧，其作用是使活动铁芯等可移动部件复位。
    电动机开关由开关触盘和触点组成。触盘固定在活动铁芯推杆的前端；两个触点分别与起动机端子C和端子30制成一体。在两触点的旁边，还有一块与附加电阻短路接线柱（图中代号⑥为一小螺母端子）相连的小铜片，称为附加电阻短路开关，该铜片的端面应稍微偏后于电动机开关触点所在的平面，以便在触盘接通电动机开关触点时，短路开关能可靠接通，附加电阻能被可靠短路。
    2.控制机构工作原理
    当吸拉线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相同时，其电磁吸力便吸引活动铁芯向前移动，直到推杆上的触盘将电动机开关的两个触点接通而使电动机电路接通为止。
    当吸拉线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相反时，其电磁吸力相互抵消，在复位弹簧的张力作用下，活动铁芯等可移动部件自动复位，触盘与触点断开，电动机电路即被切断。
   （二）起动继电器
    起动继电器的结构如图6～8左上角部分所示，主要由电磁铁机构和触点总成组成。线圈分别与壳体上的“点火起动开关”端子和“搭铁”端子连接，固定触点与“起动机”端子连接，活动触点通过触点臂和支架与“电池”端子连接。继电器触点为动合触点，当线圈通电时，产生电磁吸力将触点吸闭，从而便将继电器控制的吸引线圈和保持线圈电路接通。继电器触点的闭合电压12V系统为6.0～7.6V， 24V系统为14～16V；断开电压12V系统为3.0～5.5V， 24V系统为4.5～8V。

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