第三部分 起动系统

情境一 起动机的结构与工作原理

一、起动系统的作用及组成

1．起动系统的作用

起动系统的作用是带动发动机曲轴转动，使发动机曲轴达到必需的起动转速，以使发动机进入自行运转状态。当发动机进入正常运转状态后，起动系统便结束任务，停止工作。

2．起动系统的组成

起动系统包括蓄电池、起动机、起动机继电器、点火开关、空挡起动开关等，如图3.1所示。

二、起动机的组成

起动机是由直流电动机、传动机构和控制机构三个部分组成的。起动机的结构如图3.2所示。

1．直流电动机

直流电动机的作用是将蓄电池输入的电能转换为发动机起动时的机械能，产生电磁转矩。

2．传动机构

传动机构的作用是在发动机起动时，使起动机小齿轮与发动机的飞轮齿圈啮合，将电动机产生的转矩传递给发动机曲轴；在发动机起动后，及时切断曲轴与起动电动机之间的动力传递。

3．控制机构

控制机构也称操纵机构或电磁开关。控制机构的作用是接通或切断直流电动机与蓄电池之间的电路，控制起动机小齿轮与发动机飞轮齿圈的啮合与分离。有些起动机的控制机构还具有在起动发动机时断开辅助设备（如音响）的作用。

三、起动机的分类

起动机的种类很多，可以从电动机励磁方式、啮合方式和控制方式来分类。

1．按电动机励磁方式不同分类

按电动机励磁方式的不同，可分为电励磁式起动机和永磁式起动机。

2．按电动机啮合方式不同分类

按电动机啮合方式的不同，可分为惯性啮合式起动机、强制啮合式起动机、电枢移动式起动机和减速式起动机。

3．按电动机控制方式不同分类

按电动机控制方式的不同，可分为机械控制式起动机和电磁控制式起动机。

四、起动机的型号

根据国家汽车工业行业标准《汽车电气设备产品型号编制方法》（QC/T 73—1993）的规定，起动机的型号如图3.3所示。

产品名称代号：可用2～3个大写汉语拼音首字母表示，如“QD”表示起动机，“QDJ”表示减速起动机，“QDY”表示永磁起动机。

电压等级代号：可用一位数字表示，如1表示12V，2表示24V，6表示6V。

功率等级代号：可用一位数字表示，其含义如表3.1所示。

五、直流电动机的结构与工作原理

1．直流电动机的结构

直流电动机主要是由磁极、电枢、电刷与电刷架、机壳、端盖等组成，如图3.4所示。

（1）磁极

磁极是由固定在机壳上的磁极铁芯和磁场绕组组成，如图3.5所示，其作用是产生磁场。大多数起动机采用4个磁极。起动机4个磁场绕组的连接方法有两种：一种是将4个绕组相互串联；另一种是两串两并，即先将每两个串联后再并联，如图3.6所示。

（2）电枢

电枢的作用是产生磁转矩。电枢由电枢轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等部分组成，如图3.7所示。

电枢铁芯由硅钢片叠装而成并固定在电枢轴上；铁芯外围开有线槽，用来安放电枢绕组。

换向器由铜质换向片和云母片相间叠压而成，作用是把通入电刷的直流电流传递给电枢线圈，并适时地改变电枢绕组电流的方向。

（3）电刷与电刷架

电刷与电刷架的作用是将电流引入电动机。电刷一般用铜和石墨粉压制而成。电刷装在电刷架中，借弹簧力压紧在换向器上，如图3.8所示。

（4）机壳

机壳一般被做成圆筒状，如图3.5所示，中间开有螺孔，作为固定磁场绕组之用；磁场绕组的搭铁端接到机壳上。

（5）端盖

端盖分为后端盖和前端盖，如图3.9所示。后端盖一般用钢板冲压而成，其上有4个螺孔，以便安装电刷架；还有一凹槽，作为绝缘通过磁场绕组接线用。前端盖用铸铁浇铸而成，其上有拨叉座和电枢轴安装孔；前、后端盖分别装在机壳的两端，靠两个螺栓与起动机机壳紧固在一起。

2．直流电动机的工作原理

直流电动机是根据通电导体在磁场中受磁场力作用的原理制成的，电磁力的方向遵循左手定则。其工作原理如图3.10所示。电动机工作时，电流通过电刷和换向器流入电枢绕组。如图3.10（a）中，换向片A与正电刷接触，换向片B与负电刷接触，绕组中的电流方向为a→b→c→d，根据左手定则，绕组ab边和cd边均受到电磁力F的作用，由此产生逆时针方向的电磁转矩，使电枢转动；当电枢转动至换向片A与负电刷接触，换向片B与正电刷接触时，电流改由d→c→b→a方向，见图3.10（b），但电磁转矩的方向仍保持不变，使电枢按逆时针方向继续转动。

图3.10只列举了电枢绕组中的一匝线圈的工作过程，实际上，直流电动机电枢是由很多组线圈组成的，换向器的铜片数量也会随线圈数量的增加而增多。

六、传动机构的结构与工作原理

传动机构由驱动齿轮、单向离合器、拨叉、减速机构（有的起动机不具有减速机构）等部分组成；驱动齿轮和单向离合器一般做成一体，不可分解，如图3.11所示。

1．传动机构的工作过程

传动机构是指使起动机的驱动齿轮与发动机的飞轮齿圈啮合传动及分离的机构。

传动机构的作用是在发动机起动时使起动机的驱动齿轮与发动机的飞轮齿圈啮合，将电动机产生的转矩传递给飞轮；发动机起动后自动打滑切断动力传递，防止起动机被发动机带动超速运转而遭到“飞散”损坏。

起动机传动机构的工作示意图如图3.12所示。

图3.12（a）表示起动机不工作（处于静止状态）时所处的位置，起动机驱动齿轮与飞轮齿圈有一个安全间隙。

图3.12（b）表示在电磁开关的作用下，拨叉驱动齿轮向左移动并与飞轮齿圈正在啮合，此时起动机的主电路还没有接通。

图3.12（c）表示驱动齿轮与发动机的飞轮齿圈完全啮合，主电路接通，电枢轴开始带动发动机曲轴旋转。发动机起动后，驱动齿轮与飞轮齿圈仍处于啮合状态，发动机转速高于起动机转速，但是此时单向离合器打滑，驱动齿轮在飞轮的带动下空转；起动结束后，驱动齿轮在电磁开关的作用下，与发动机的飞轮齿圈脱离啮合。

2．单向离合器的结构及工作原理

常见的起动机单向离合器主要有滚柱式单项离合器、弹簧式单项离合器和摩擦片式单项离合器三种。

（1）滚柱式单向离合器

滚柱式单向离合器的结构如图3.13所示。其驱动齿轮与外壳连成一体，滚柱和弹簧嵌装在与花键套筒制成一体的十字块上。整个离合器总成套装在电动机轴的花键部位，既可在拨叉作用下沿轴做轴向移动，又可在电枢驱动下做旋转运动。

滚柱式单向离合器的工作原理是通过改变滚柱在楔形槽中的位置来实现分离和结合的，具体分析如下：

发动机起动时，拨叉动作将驱动齿轮与发动机的飞轮齿轮啮合，电枢转矩由传动套筒传给十字块，使十字块随同电枢轴旋转。此时，飞轮齿圈施加给小齿轮的阻力使滚柱滚向槽的窄端而卡死，如图3.14（a）所示。电枢轴产生的转矩通过驱动齿轮传给飞轮，起动发动机。

发动机起动后，飞轮齿圈带动驱动齿轮高速旋转。当驱动齿轮的转速大于十字块的转速时，滚柱滚入楔形槽的宽端而打滑，如图3.14（b）所示。这样，驱动齿轮高速旋转的转矩就不会传给电枢轴，从而防止电枢因高速飞转而造成电枢“飞散”的事故。

单向滚柱式离合器主要用于中、小功率的起动机上。

（2）摩擦片式单向离合器

摩擦片式单向离合器的结构和压紧状态如图3.15所示，其工作原理是通过主、从动摩擦片的压紧和放松来实现分离和接合的。

具体分析如下：

发动机起动时，当驱动齿轮啮入飞轮齿圈后，起动机通电旋转，内接合毂由于螺旋花键的作用向右移动，摩擦片被压紧而将起动机的力矩传给驱动齿轮。当发动机的阻力较大时，内接合毂继续向右移动，增大摩擦片之间的压力，直到摩擦片之间的摩擦力足够传递所需的起动力矩，带动曲轴旋转，起动发动机。

当发动机起动后，驱动齿轮的转速高于起动机电枢时，内接合毂沿螺旋花键的方向向左移动退出，摩擦片之间的压力消除。这样飞轮的转矩便不会传给电枢，从而防止电动机被发动机带动超速运转而遭到“飞散”的危险。

摩擦片式单向离合器主要用于大功率的起动机上。

（3）弹簧式单向离合器

弹簧式单向离合器的结构如图3.16所示，其工作原理是通过扭力弹簧的径向收缩和放松来实现分离和接合的。

具体分析如下：

当起动机带动曲轴旋转时，扭力弹簧扭紧，内径变小，抱紧驱动齿轮轴和连接套筒。于是电枢的转矩通过连接套筒、扭力弹簧、驱动齿轮传至飞轮齿圈，使发动机起动。

当发动机起动后，因驱动齿轮的转速高于起动机电枢，则扭力弹簧放松，内径变大，齿轮柄和连接套筒松脱，这样飞轮齿圈的转矩便不会传给电枢，即驱动齿轮只在电枢轴上的光滑部分空转而起单向分离作用。

弹簧式单向离合器主要用在大功率的起动机上。

七、操纵机构的结构与工作原理

1．操纵机构的结构

起动机操纵机构的结构主要由起动电磁开关、拨叉等部分组成。起动机的工作主要受电磁开关的控制。电磁开关由吸拉线圈、保持线圈、活动铁芯、主开关接触盘及复位弹簧等组成。起动电磁开关实物如图3.17所示。

2．操纵机构的工作原理

电磁操纵式起动机的工作原理如图3.18所示。

将点火开关接通时，蓄电池经起动控制电路向起动机电磁开关通电，接通两条回路。

（1）起动时

点火开关接至“起动”挡，接通吸拉线圈和保持线圈。其控制电路为：

蓄电池正极→保险丝→点火开关→50#接线柱→分两路：一路经吸拉线圈→主电路C接线柱→励磁绕组→碳刷→电枢绕组→碳刷→搭铁→蓄电池负极；另一路经保持线圈→搭铁→蓄电池负极。

此时，磁场铁芯克服弹簧力向左移动，带动拨叉推动起动机驱动齿轮向右移动，与飞轮齿圈啮合；同时压动推杆使接触盘接通电磁开关上的30#接线柱与C接线柱，起动机主电路接通，即蓄电池正极→30#接线柱→接触盘→C接线柱→起动机励磁绕组→碳刷→电枢绕组→碳刷→搭铁→蓄电池负极。

齿轮啮合的同时接触盘将触头接通，此时蓄电池便向励磁绕组和电枢绕组提供大电流（200～600A），产生强大的转矩，带动起动机转动。

（2）停止起动时

断开点火开关，给50#接线柱断电，刚刚断开时接触盘仍然与30#接线柱与C接线柱接通。其电流回路为：

蓄电池正极→30#接线柱→接触盘→吸拉线圈→保持线圈→搭铁→蓄电池负极；吸拉线圈与保持线圈产生相反方向的磁场而有效磁场大大削弱，磁场铁芯失去磁场力而在复位弹簧力的作用下迅速回位，接触盘与C接线柱和30#接线柱分开，同时驱动齿轮通过拨叉被拉回静止位置，起动机停止工作，起动完成。

八、汽车起动控制电路的识读

汽车起动控制电路有三种形式，即不带起动附加继电器的起动控制电路、带起动附加继电器的起动控制电路和带起动保护的起动控制电路。

在识读汽车起动控制电路时可将起动电路分为两个部分：一部分是主电路；另一部分是控制电路。

1．不带起动附加继电器的起动控制电路

别克凯越汽车采用了不带起动附加继电器的起动控制电路，如图3.19所示。

其电路分析如下：

（1）控制电路

蓄电池正极→保险丝→点火开关3#线→起动机ST端子后分成两路：一路经电磁开关内的吸拉线圈→起动机→搭铁→蓄电池负极；另一路经电磁开关内的保持线圈→搭铁→蓄电池负极。

此时电磁开关动作，一方面使起动机主电路接通，另一方面使起动机小齿轮与飞轮齿圈接合，达到使起动机带动发动机飞轮齿圈转动的目的。

（2）主电路

蓄电池正极→起动机“B+”端子→电磁开关内部的开关触点→起动电动机→搭铁→蓄电池负极，形成回路。

2．带起动附加继电器的起动控制电路

带起动附加继电器的起动控制电路是指控制起动继电器内的电磁线圈，可以使继电器内部的常开触点闭合而接通起动电磁开关电路，使起动电磁开关工作，如图3.20所示。该电路在主电路上与不带起动附加继电器的起动控制电路相同，不同之处在控制电路上。下面把控制电路分两级进行分析。

（1）第一级控制电路

当点火开关置于“ST”挡时，其电路为：

蓄电池正极→AM2保险丝→点火开关→起动继电器→防盗ECU→搭铁。

防盗验证通过后，从防盗ECU输出低电压信号，搭铁。起动继电器线圈通电工作，其触点闭合，接通第二级控制电路。

（2）第二级控制电路

蓄电池正极→MAIN保险丝→起动继电器触点→起动ST端子后接通起动机电磁开关电路，接通主电路，起动机开始工作。

3．带起动保护的起动控制电路

（1）组合继电器

EQ1091型汽车起动系统装用了JD171型组合继电器，如图3.21所示。它由两部分构成：一部分是起动继电器，其作用是与点火开关配合，控制起动机电磁开关中的吸拉线圈与保持线圈中电流的通断，以保护点火开关；另一部分是保护继电器，其作用是与起动继电器配合，使起动电路具有自动保护功能，另外还控制充电指示灯。组合继电器的结构，左侧为起动继电器，右侧为保护继电器，它们都由铁芯、线圈、磁轭、触点臂、弹簧及一对触点组成，其中起动继电器触点S1为常开触点，而保护继电器触点S2为常闭触点。由于起动继电器线圈与保护继电器触点S2串联，因此，当S2打开时，S1不可能闭合。

（2）起动系统的工作过程

图3.22所示为东风EQ1091型汽车起动电路。该起动电路最大的特点是带有组合起动继电器，具有起动保护作用，即发动机在运行状态下，即使因误操作而将点火开关转到“起动”挡，起动机也不会工作，这样就能避免飞轮运转时因起动机驱动齿轮的啮入而造成打齿的现象。

其电路分析如下：

1）当点火开关置于“起动”挡（Ⅱ挡）时，起动继电器线圈通电。其电流回路为：蓄电池正极→保险丝→电流表→点火开关→起动继电器线圈→保护继电器常闭触点→搭铁→蓄电池负极。

此时起动继电器常开触点闭合，接通了电磁开关电路。

2）电磁开关电路接通，其电路回路为：蓄电池正极→组合继电器触点后分为两路：一路经过吸拉线圈→直流电动机→搭铁→蓄电池负极；另一路经过保持线圈→搭铁→蓄电池负极。

3）发动机起动后，松开点火开关，钥匙自动返回“点火”挡（Ⅰ挡），起动继电器触点打开，切断了电磁开关的电路，电磁开关复位，停止起动机工作。

4）如发动机起动后，点火开关没能及时返回Ⅰ挡，这时组合继电器中的保护继电器线圈承受交流发电机中性点电压，使常闭触点打开，自动切断起动继电器线圈的电路。触点断开使电磁开关断电，起动机便自动停止工作。

5）若在发动机运行时，误将起动机投入使用，由于在此控制电路中，保护继电器的线圈总是加有交流发电机中性点电压，常闭触点总处于打开状态，即使误将点火开关旋至“起动”挡，起动继电器线圈也不通，电磁开关不动作，因而起到了保护驱动齿轮的作用。

4．带自动变速器的起动系统控制电路

带自动变速器的起动电路要受自动变速器的挡位开关控制，只有自动变速器的挡位开关处于“P”或“N”位时才可以接通起动电路。下面以广州本田雅阁轿车起动系统的控制电路为例介绍其控制电路。

图3.23所示为广州本田雅阁轿车起动系统的控制电路，当点火开关置于“ST”位，且AT挡位开关（自动变速器开关）置于空挡位置或离合器互锁开关（手动变速器）闭合时，起动机断电继电器线圈通电，产生电磁吸力，使其触点吸合，接通起动机电路。

九、起动系统的使用与保护

1．起动机的正确使用

起动机工作时电流大、转速高，合理、正确地使用起动机，能确保起动机工作正常、起动可靠，并有效延长起动机的使用寿命。起动机使用时应注意以下几点：

1）发动机起动时，起动机的最大电流可达200～600A。若长时间、大电流的工作，不仅可能烧坏起动机，还会造成蓄电池因过放电而受到损伤。因此，起动发动机时，起动机的每次工作时间不宜超过5s；若起动失败后，应等待约15s后再重新起动。

2）起动发动机时，应尽量减少起动机的起动次数，若连续3次起动失败，应检查发动机的电路、油路等系统是否正常，起动负荷是否过大；排除故障后再行起动。

3）在起动发动机过程中，应将变速器操纵杆置于“空挡”位，并踩下离合器踏板，使起动机不带负载起动，以提高一次起动的成功率。

4）蓄电池要经常保持充足电的状态，以保证发动机起动时，起动电动机能获得较大的工作电流和电压，确保起动机具有足够的转速和转矩，以满足发动机的起动，减少起动机的工作时间。

5）在冬季和低温环境下冷机起动时，建议先对发动机进行预热，以提高起动的成功率，减少重复起动的次数，并有利于延长起动机和蓄电池的使用寿命。

6）发动机起动后，要立即松开点火开关，使起动机停止工作，以免损坏电磁开关和起动电动机，以及减小单向离合器不必要的磨损。

7）发动机起动后，若操纵点火开关不能使起动机停止运转，要立即关闭发动机和车辆电源，必要时应即时拆开蓄电池的电源线，等查明故障且排除后，再重新接好电路。

2．起动机的维护

（1）日常维护

1）检查起动机电路各导线的连接，电源正极线的绝缘；如有不良，应更换电源线。

2）清除起动机外壳的尘土及油污，保持清洁干燥。

3）检查起动机操纵机构和电磁阀的工作情况，如运动件或柱塞卡滞，应及时排除。

（2）车辆每行驶6000km后的维护

1）清洁起动机换向器的灰尘、油污。

2）检查换向器云母片的深度：当云母片槽深度小于0.2mm时，应重新清理槽深。

3）拆下起动机，清洁起动机的转子轴承和转轴花键，并涂上润滑脂，以润滑转子轴和单向离合器。

（3）车辆每行驶24000km后的维护

1）清洁换向器表面的油污，用300～400#砂纸打磨或用车床车削换向器外圆。

2）检查电刷的磨损程度及电刷弹簧压力：若电刷磨损后长度小于12mm时，应更换；若电刷弹簧弹力低于10N时，应更换电刷弹簧。

十、起动机的拆装（以捷达王轿车起动机为例）

1．起动机的拆卸

1）拆下起动机磁场绕组电源线、紧固螺母，取下C接线，如图3.24所示。

2）拆下电磁开关的3个紧固螺栓，并将电磁开关取下，如图3.25所示。

3）拆下电枢的2个紧固螺栓，取出磁场绕组及电枢，如图3.26所示。

4）拧下后端盖的紧固螺栓，并取出后端盖、电枢和电刷架总体，分别如图3.27和图3.28所示。

5）取出传动机构，如取出行星齿轮盖，取出拨叉，取出单向离合器总成、飞轮与钢珠等，如图3.29所示。

2．起动机的安装

1）在单向离合器与行星齿轮上涂润滑油，如图3.30所示。

2）将单向离合器与减速齿轮装到前端盖，并装上拨叉及拨叉垫，如图3.31所示。

3）用细砂纸将换向器工作面进行打磨，将电刷弹簧座用尖嘴钳拨开，放入弹簧；再用尖嘴钳压紧弹簧座，将电刷总成装到换向器上，如图3.32所示。

4）将电枢总成装入磁场绕组中，将电动机总成装入前端盖，装上后端盖，并拧紧紧固螺栓，如图3.33所示。

5）安装电动机的2个紧固螺栓，将活动铁芯卡到拨叉上，装上回位弹簧和电磁开关，并拧紧电磁开关紧固螺母，如图3.34所示。

6）装上磁场绕组电源线（连接C接线柱），并拧紧紧固螺母（见图3.35），起动机安装完成；之后应做空转实验以检查安装的可靠性。