第三部分 起動系統

情境一 起動機的結構與工作原理

一、起動系統的作用及組成

1．起動系統的作用

起動系統的作用是帶動發動機曲軸轉動，使發動機曲軸達到必需的起動轉速，以使發動機進入自行運轉狀態。當發動機進入正常運轉狀態后，起動系統便結束任務，停止工作。

2．起動系統的組成

起動系統包括蓄電池、起動機、起動機繼電器、點火開關、空擋起動開關等，如圖3.1所示。

二、起動機的組成

起動機是由直流電動機、傳動機構和控制機構三個部分組成的。起動機的結構如圖3.2所示。

1．直流電動機

直流電動機的作用是將蓄電池輸入的電能轉換為發動機起動時的機械能，產生電磁轉矩。

2．傳動機構

傳動機構的作用是在發動機起動時，使起動機小齒輪與發動機的飛輪齒圈嚙合，將電動機產生的轉矩傳遞給發動機曲軸；在發動機起動后，及時切斷曲軸與起動電動機之間的動力傳遞。

3．控制機構

控制機構也稱操縱機構或電磁開關。控制機構的作用是接通或切斷直流電動機與蓄電池之間的電路，控制起動機小齒輪與發動機飛輪齒圈的嚙合與分離。有些起動機的控制機構還具有在起動發動機時斷開輔助設備（如音響）的作用。

三、起動機的分類

起動機的種類很多，可以從電動機勵磁方式、嚙合方式和控制方式來分類。

1．按電動機勵磁方式不同分類

按電動機勵磁方式的不同，可分為電勵磁式起動機和永磁式起動機。

2．按電動機嚙合方式不同分類

按電動機嚙合方式的不同，可分為慣性嚙合式起動機、強制嚙合式起動機、電樞移動式起動機和減速式起動機。

3．按電動機控制方式不同分類

按電動機控制方式的不同，可分為機械控制式起動機和電磁控制式起動機。

四、起動機的型號

根據國家汽車工業行業標準《汽車電氣設備產品型號編制方法》（QC/T 73—1993）的規定，起動機的型號如圖3.3所示。

產品名稱代號：可用2～3個大寫漢語拼音首字母表示，如“QD”表示起動機，“QDJ”表示減速起動機，“QDY”表示永磁起動機。

電壓等級代號：可用一位數字表示，如1表示12V，2表示24V，6表示6V。

功率等級代號：可用一位數字表示，其含義如表3.1所示。

五、直流電動機的結構與工作原理

1．直流電動機的結構

直流電動機主要是由磁極、電樞、電刷與電刷架、機殼、端蓋等組成，如圖3.4所示。

（1）磁極

磁極是由固定在機殼上的磁極鐵芯和磁場繞組組成，如圖3.5所示，其作用是產生磁場。大多數起動機采用4個磁極。起動機4個磁場繞組的連接方法有兩種：一種是將4個繞組相互串聯；另一種是兩串兩并，即先將每兩個串聯后再并聯，如圖3.6所示。

（2）電樞

電樞的作用是產生磁轉矩。電樞由電樞軸、電樞鐵芯、電樞繞組和換向器等部分組成，如圖3.7所示。

電樞鐵芯由硅鋼片疊裝而成并固定在電樞軸上；鐵芯外圍開有線槽，用來安放電樞繞組。

換向器由銅質換向片和云母片相間疊壓而成，作用是把通入電刷的直流電流傳遞給電樞線圈，并適時地改變電樞繞組電流的方向。

（3）電刷與電刷架

電刷與電刷架的作用是將電流引入電動機。電刷一般用銅和石墨粉壓制而成。電刷裝在電刷架中，借彈簧力壓緊在換向器上，如圖3.8所示。

（4）機殼

機殼一般被做成圓筒狀，如圖3.5所示，中間開有螺孔，作為固定磁場繞組之用；磁場繞組的搭鐵端接到機殼上。

（5）端蓋

端蓋分為后端蓋和前端蓋，如圖3.9所示。后端蓋一般用鋼板沖壓而成，其上有4個螺孔，以便安裝電刷架；還有一凹槽，作為絕緣通過磁場繞組接線用。前端蓋用鑄鐵澆鑄而成，其上有撥叉座和電樞軸安裝孔；前、后端蓋分別裝在機殼的兩端，靠兩個螺栓與起動機機殼緊固在一起。

2．直流電動機的工作原理

直流電動機是根據通電導體在磁場中受磁場力作用的原理制成的，電磁力的方向遵循左手定則。其工作原理如圖3.10所示。電動機工作時，電流通過電刷和換向器流入電樞繞組。如圖3.10（a）中，換向片A與正電刷接觸，換向片B與負電刷接觸，繞組中的電流方向為a→b→c→d，根據左手定則，繞組ab邊和cd邊均受到電磁力F的作用，由此產生逆時針方向的電磁轉矩，使電樞轉動；當電樞轉動至換向片A與負電刷接觸，換向片B與正電刷接觸時，電流改由d→c→b→a方向，見圖3.10（b），但電磁轉矩的方向仍保持不變，使電樞按逆時針方向繼續轉動。

圖3.10只列舉了電樞繞組中的一匝線圈的工作過程，實際上，直流電動機電樞是由很多組線圈組成的，換向器的銅片數量也會隨線圈數量的增加而增多。

六、傳動機構的結構與工作原理

傳動機構由驅動齒輪、單向離合器、撥叉、減速機構（有的起動機不具有減速機構）等部分組成；驅動齒輪和單向離合器一般做成一體，不可分解，如圖3.11所示。

1．傳動機構的工作過程

傳動機構是指使起動機的驅動齒輪與發動機的飛輪齒圈嚙合傳動及分離的機構。

傳動機構的作用是在發動機起動時使起動機的驅動齒輪與發動機的飛輪齒圈嚙合，將電動機產生的轉矩傳遞給飛輪；發動機起動后自動打滑切斷動力傳遞，防止起動機被發動機帶動超速運轉而遭到“飛散”損壞。

起動機傳動機構的工作示意圖如圖3.12所示。

圖3.12（a）表示起動機不工作（處于靜止狀態）時所處的位置，起動機驅動齒輪與飛輪齒圈有一個安全間隙。

圖3.12（b）表示在電磁開關的作用下，撥叉驅動齒輪向左移動并與飛輪齒圈正在嚙合，此時起動機的主電路還沒有接通。

圖3.12（c）表示驅動齒輪與發動機的飛輪齒圈完全嚙合，主電路接通，電樞軸開始帶動發動機曲軸旋轉。發動機起動后，驅動齒輪與飛輪齒圈仍處于嚙合狀態，發動機轉速高于起動機轉速，但是此時單向離合器打滑，驅動齒輪在飛輪的帶動下空轉；起動結束后，驅動齒輪在電磁開關的作用下，與發動機的飛輪齒圈脫離嚙合。

2．單向離合器的結構及工作原理

常見的起動機單向離合器主要有滾柱式單項離合器、彈簧式單項離合器和摩擦片式單項離合器三種。

（1）滾柱式單向離合器

滾柱式單向離合器的結構如圖3.13所示。其驅動齒輪與外殼連成一體，滾柱和彈簧嵌裝在與花鍵套筒制成一體的十字塊上。整個離合器總成套裝在電動機軸的花鍵部位，既可在撥叉作用下沿軸做軸向移動，又可在電樞驅動下做旋轉運動。

滾柱式單向離合器的工作原理是通過改變滾柱在楔形槽中的位置來實現分離和結合的，具體分析如下：

發動機起動時，撥叉動作將驅動齒輪與發動機的飛輪齒輪嚙合，電樞轉矩由傳動套筒傳給十字塊，使十字塊隨同電樞軸旋轉。此時，飛輪齒圈施加給小齒輪的阻力使滾柱滾向槽的窄端而卡死，如圖3.14（a）所示。電樞軸產生的轉矩通過驅動齒輪傳給飛輪，起動發動機。

發動機起動后，飛輪齒圈帶動驅動齒輪高速旋轉。當驅動齒輪的轉速大于十字塊的轉速時，滾柱滾入楔形槽的寬端而打滑，如圖3.14（b）所示。這樣，驅動齒輪高速旋轉的轉矩就不會傳給電樞軸，從而防止電樞因高速飛轉而造成電樞“飛散”的事故。

單向滾柱式離合器主要用于中、小功率的起動機上。

（2）摩擦片式單向離合器

摩擦片式單向離合器的結構和壓緊狀態如圖3.15所示，其工作原理是通過主、從動摩擦片的壓緊和放松來實現分離和接合的。

具體分析如下：

發動機起動時，當驅動齒輪嚙入飛輪齒圈后，起動機通電旋轉，內接合轂由于螺旋花鍵的作用向右移動，摩擦片被壓緊而將起動機的力矩傳給驅動齒輪。當發動機的阻力較大時，內接合轂繼續向右移動，增大摩擦片之間的壓力，直到摩擦片之間的摩擦力足夠傳遞所需的起動力矩，帶動曲軸旋轉，起動發動機。

當發動機起動后，驅動齒輪的轉速高于起動機電樞時，內接合轂沿螺旋花鍵的方向向左移動退出，摩擦片之間的壓力消除。這樣飛輪的轉矩便不會傳給電樞，從而防止電動機被發動機帶動超速運轉而遭到“飛散”的危險。

摩擦片式單向離合器主要用于大功率的起動機上。

（3）彈簧式單向離合器

彈簧式單向離合器的結構如圖3.16所示，其工作原理是通過扭力彈簧的徑向收縮和放松來實現分離和接合的。

具體分析如下：

當起動機帶動曲軸旋轉時，扭力彈簧扭緊，內徑變小，抱緊驅動齒輪軸和連接套筒。于是電樞的轉矩通過連接套筒、扭力彈簧、驅動齒輪傳至飛輪齒圈，使發動機起動。

當發動機起動后，因驅動齒輪的轉速高于起動機電樞，則扭力彈簧放松，內徑變大，齒輪柄和連接套筒松脫，這樣飛輪齒圈的轉矩便不會傳給電樞，即驅動齒輪只在電樞軸上的光滑部分空轉而起單向分離作用。

彈簧式單向離合器主要用在大功率的起動機上。

七、操縱機構的結構與工作原理

1．操縱機構的結構

起動機操縱機構的結構主要由起動電磁開關、撥叉等部分組成。起動機的工作主要受電磁開關的控制。電磁開關由吸拉線圈、保持線圈、活動鐵芯、主開關接觸盤及復位彈簧等組成。起動電磁開關實物如圖3.17所示。

2．操縱機構的工作原理

電磁操縱式起動機的工作原理如圖3.18所示。

將點火開關接通時，蓄電池經起動控制電路向起動機電磁開關通電，接通兩條回路。

（1）起動時

點火開關接至“起動”擋，接通吸拉線圈和保持線圈。其控制電路為：

蓄電池正極→保險絲→點火開關→50#接線柱→分兩路：一路經吸拉線圈→主電路C接線柱→勵磁繞組→碳刷→電樞繞組→碳刷→搭鐵→蓄電池負極；另一路經保持線圈→搭鐵→蓄電池負極。

此時，磁場鐵芯克服彈簧力向左移動，帶動撥叉推動起動機驅動齒輪向右移動，與飛輪齒圈嚙合；同時壓動推桿使接觸盤接通電磁開關上的30#接線柱與C接線柱，起動機主電路接通，即蓄電池正極→30#接線柱→接觸盤→C接線柱→起動機勵磁繞組→碳刷→電樞繞組→碳刷→搭鐵→蓄電池負極。

齒輪嚙合的同時接觸盤將觸頭接通，此時蓄電池便向勵磁繞組和電樞繞組提供大電流（200～600A），產生強大的轉矩，帶動起動機轉動。

（2）停止起動時

斷開點火開關，給50#接線柱斷電，剛剛斷開時接觸盤仍然與30#接線柱與C接線柱接通。其電流回路為：

蓄電池正極→30#接線柱→接觸盤→吸拉線圈→保持線圈→搭鐵→蓄電池負極；吸拉線圈與保持線圈產生相反方向的磁場而有效磁場大大削弱，磁場鐵芯失去磁場力而在復位彈簧力的作用下迅速回位，接觸盤與C接線柱和30#接線柱分開，同時驅動齒輪通過撥叉被拉回靜止位置，起動機停止工作，起動完成。

八、汽車起動控制電路的識讀

汽車起動控制電路有三種形式，即不帶起動附加繼電器的起動控制電路、帶起動附加繼電器的起動控制電路和帶起動保護的起動控制電路。

在識讀汽車起動控制電路時可將起動電路分為兩個部分：一部分是主電路；另一部分是控制電路。

1．不帶起動附加繼電器的起動控制電路

別克凱越汽車采用了不帶起動附加繼電器的起動控制電路，如圖3.19所示。

其電路分析如下：

（1）控制電路

蓄電池正極→保險絲→點火開關3#線→起動機ST端子后分成兩路：一路經電磁開關內的吸拉線圈→起動機→搭鐵→蓄電池負極；另一路經電磁開關內的保持線圈→搭鐵→蓄電池負極。

此時電磁開關動作，一方面使起動機主電路接通，另一方面使起動機小齒輪與飛輪齒圈接合，達到使起動機帶動發動機飛輪齒圈轉動的目的。

（2）主電路

蓄電池正極→起動機“B+”端子→電磁開關內部的開關觸點→起動電動機→搭鐵→蓄電池負極，形成回路。

2．帶起動附加繼電器的起動控制電路

帶起動附加繼電器的起動控制電路是指控制起動繼電器內的電磁線圈，可以使繼電器內部的常開觸點閉合而接通起動電磁開關電路，使起動電磁開關工作，如圖3.20所示。該電路在主電路上與不帶起動附加繼電器的起動控制電路相同，不同之處在控制電路上。下面把控制電路分兩級進行分析。

（1）第一級控制電路

當點火開關置于“ST”擋時，其電路為：

蓄電池正極→AM2保險絲→點火開關→起動繼電器→防盜ECU→搭鐵。

防盜驗證通過后，從防盜ECU輸出低電壓信號，搭鐵。起動繼電器線圈通電工作，其觸點閉合，接通第二級控制電路。

（2）第二級控制電路

蓄電池正極→MAIN保險絲→起動繼電器觸點→起動ST端子后接通起動機電磁開關電路，接通主電路，起動機開始工作。

3．帶起動保護的起動控制電路

（1）組合繼電器

EQ1091型汽車起動系統裝用了JD171型組合繼電器，如圖3.21所示。它由兩部分構成：一部分是起動繼電器，其作用是與點火開關配合，控制起動機電磁開關中的吸拉線圈與保持線圈中電流的通斷，以保護點火開關；另一部分是保護繼電器，其作用是與起動繼電器配合，使起動電路具有自動保護功能，另外還控制充電指示燈。組合繼電器的結構，左側為起動繼電器，右側為保護繼電器，它們都由鐵芯、線圈、磁軛、觸點臂、彈簧及一對觸點組成，其中起動繼電器觸點S1為常開觸點，而保護繼電器觸點S2為常閉觸點。由于起動繼電器線圈與保護繼電器觸點S2串聯，因此，當S2打開時，S1不可能閉合。

（2）起動系統的工作過程

圖3.22所示為東風EQ1091型汽車起動電路。該起動電路最大的特點是帶有組合起動繼電器，具有起動保護作用，即發動機在運行狀態下，即使因誤操作而將點火開關轉到“起動”擋，起動機也不會工作，這樣就能避免飛輪運轉時因起動機驅動齒輪的嚙入而造成打齒的現象。

其電路分析如下：

1）當點火開關置于“起動”擋（Ⅱ擋）時，起動繼電器線圈通電。其電流回路為：蓄電池正極→保險絲→電流表→點火開關→起動繼電器線圈→保護繼電器常閉觸點→搭鐵→蓄電池負極。

此時起動繼電器常開觸點閉合，接通了電磁開關電路。

2）電磁開關電路接通，其電路回路為：蓄電池正極→組合繼電器觸點后分為兩路：一路經過吸拉線圈→直流電動機→搭鐵→蓄電池負極；另一路經過保持線圈→搭鐵→蓄電池負極。

3）發動機起動后，松開點火開關，鑰匙自動返回“點火”擋（Ⅰ擋），起動繼電器觸點打開，切斷了電磁開關的電路，電磁開關復位，停止起動機工作。

4）如發動機起動后，點火開關沒能及時返回Ⅰ擋，這時組合繼電器中的保護繼電器線圈承受交流發電機中性點電壓，使常閉觸點打開，自動切斷起動繼電器線圈的電路。觸點斷開使電磁開關斷電，起動機便自動停止工作。

5）若在發動機運行時，誤將起動機投入使用，由于在此控制電路中，保護繼電器的線圈總是加有交流發電機中性點電壓，常閉觸點總處于打開狀態，即使誤將點火開關旋至“起動”擋，起動繼電器線圈也不通，電磁開關不動作，因而起到了保護驅動齒輪的作用。

4．帶自動變速器的起動系統控制電路

帶自動變速器的起動電路要受自動變速器的擋位開關控制，只有自動變速器的擋位開關處于“P”或“N”位時才可以接通起動電路。下面以廣州本田雅閣轎車起動系統的控制電路為例介紹其控制電路。

圖3.23所示為廣州本田雅閣轎車起動系統的控制電路，當點火開關置于“ST”位，且AT擋位開關（自動變速器開關）置于空擋位置或離合器互鎖開關（手動變速器）閉合時，起動機斷電繼電器線圈通電，產生電磁吸力，使其觸點吸合，接通起動機電路。

九、起動系統的使用與保護

1．起動機的正確使用

起動機工作時電流大、轉速高，合理、正確地使用起動機，能確保起動機工作正常、起動可靠，并有效延長起動機的使用壽命。起動機使用時應注意以下幾點：

1）發動機起動時，起動機的最大電流可達200～600A。若長時間、大電流的工作，不僅可能燒壞起動機，還會造成蓄電池因過放電而受到損傷。因此，起動發動機時，起動機的每次工作時間不宜超過5s；若起動失敗后，應等待約15s后再重新起動。

2）起動發動機時，應盡量減少起動機的起動次數，若連續3次起動失敗，應檢查發動機的電路、油路等系統是否正常，起動負荷是否過大；排除故障后再行起動。

3）在起動發動機過程中，應將變速器操縱桿置于“空擋”位，并踩下離合器踏板，使起動機不帶負載起動，以提高一次起動的成功率。

4）蓄電池要經常保持充足電的狀態，以保證發動機起動時，起動電動機能獲得較大的工作電流和電壓，確保起動機具有足夠的轉速和轉矩，以滿足發動機的起動，減少起動機的工作時間。

5）在冬季和低溫環境下冷機起動時，建議先對發動機進行預熱，以提高起動的成功率，減少重復起動的次數，并有利于延長起動機和蓄電池的使用壽命。

6）發動機起動后，要立即松開點火開關，使起動機停止工作，以免損壞電磁開關和起動電動機，以及減小單向離合器不必要的磨損。

7）發動機起動后，若操縱點火開關不能使起動機停止運轉，要立即關閉發動機和車輛電源，必要時應即時拆開蓄電池的電源線，等查明故障且排除后，再重新接好電路。

2．起動機的維護

（1）日常維護

1）檢查起動機電路各導線的連接，電源正極線的絕緣；如有不良，應更換電源線。

2）清除起動機外殼的塵土及油污，保持清潔干燥。

3）檢查起動機操縱機構和電磁閥的工作情況，如運動件或柱塞卡滯，應及時排除。

（2）車輛每行駛6000km后的維護

1）清潔起動機換向器的灰塵、油污。

2）檢查換向器云母片的深度：當云母片槽深度小于0.2mm時，應重新清理槽深。

3）拆下起動機，清潔起動機的轉子軸承和轉軸花鍵，并涂上潤滑脂，以潤滑轉子軸和單向離合器。

（3）車輛每行駛24000km后的維護

1）清潔換向器表面的油污，用300～400#砂紙打磨或用車床車削換向器外圓。

2）檢查電刷的磨損程度及電刷彈簧壓力：若電刷磨損后長度小于12mm時，應更換；若電刷彈簧彈力低于10N時，應更換電刷彈簧。

十、起動機的拆裝（以捷達王轎車起動機為例）

1．起動機的拆卸

1）拆下起動機磁場繞組電源線、緊固螺母，取下C接線，如圖3.24所示。

2）拆下電磁開關的3個緊固螺栓，并將電磁開關取下，如圖3.25所示。

3）拆下電樞的2個緊固螺栓，取出磁場繞組及電樞，如圖3.26所示。

4）擰下后端蓋的緊固螺栓，并取出后端蓋、電樞和電刷架總體，分別如圖3.27和圖3.28所示。

5）取出傳動機構，如取出行星齒輪蓋，取出撥叉，取出單向離合器總成、飛輪與鋼珠等，如圖3.29所示。

2．起動機的安裝

1）在單向離合器與行星齒輪上涂潤滑油，如圖3.30所示。

2）將單向離合器與減速齒輪裝到前端蓋，并裝上撥叉及撥叉墊，如圖3.31所示。

3）用細砂紙將換向器工作面進行打磨，將電刷彈簧座用尖嘴鉗撥開，放入彈簧；再用尖嘴鉗壓緊彈簧座，將電刷總成裝到換向器上，如圖3.32所示。

4）將電樞總成裝入磁場繞組中，將電動機總成裝入前端蓋，裝上后端蓋，并擰緊緊固螺栓，如圖3.33所示。

5）安裝電動機的2個緊固螺栓，將活動鐵芯卡到撥叉上，裝上回位彈簧和電磁開關，并擰緊電磁開關緊固螺母，如圖3.34所示。

6）裝上磁場繞組電源線（連接C接線柱），并擰緊緊固螺母（見圖3.35），起動機安裝完成；之后應做空轉實驗以檢查安裝的可靠性。