第一节 起动机的构造
在电磁控制式起动系统中，蓄电池是动力电源，起动机是将电能转换为机械能并将机械能传递到发动机飞轮的动力转换与传递装置，起动继电器和点火开关是控制装置。其中，起动机是起动系统的核心装置，其结构与性能直接影响汽车的使用。
一、起动机的分类
汽车用起动机种类繁多，形式各异，分类方法各不相同。电磁控制式起动机可按起动机的总体结构和传动机构的啮入方式进行分类。
1. 按起动机的总体结构分类
按总体结构不同，起动机可分为电磁式、永磁式和减速式起动机。
1）电磁式起动机。电动机的磁场为电磁场的起动机。电磁场是指由线圈通电而在铁心中产生的磁场。
2）减速式起动机。传动机构设有减速装置的起动机。其电动机一般采用高速小型电动机，质量和体积比电磁式起动机减小30%～35%，主要用于小轿车和轻型越野汽车。
3）永磁式起动机。电动机磁场由永久磁铁产生永磁磁场的起动机。由于磁极由永磁材料（铁氧体或钕铁硼等）制成，无需磁场绕组，因此电动机结构简化、体积小、质量小。主要用于小轿车。
2. 按传动机构啮入方式分类
按传动机构啮入方式不同，起动机可分为强制啮合式、电枢移动式和同轴移动式起动机。
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。其主要优点是工作可靠性高，因此当今汽车广泛采用。
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。其特点是结构复杂，适用于大功率发动机汽车。
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汽车，如斯泰尔车系起动机。
各型电磁式起动机的结构大同小异，都是由直流电动机、传动装置和控制装置三部分组成，如图2-2所示。右下部分是直流电动机，左下部分的单向离合器和移动叉是传动装置，上半部分的电磁开关是控制装置。
图2-2 起动机结构剖视图
1—电枢轴螺旋键槽 2—驱动齿轮 3—离合器驱动座圈（外座圈）4—离合器制动盘 5—啮合弹簧 6—移动叉 7—复位弹簧 8—保持线圈 9—吸引线圈 10—电磁开关壳体 11—电动机开关触点 12—接线端子“30” 13—电动机开关触盘 14—换向器端盖 15—电刷弹簧 16—换向器 17—电刷 18—电动机壳体 19—磁极 20—电枢 21—磁场绕组 22—集电环 23—支撑盘 24—单项离合器
二、直流电动机结构特点
直流电动机是将电能转换为机械能的装置。起动机用直流电动机也是由磁极、电枢、电刷组件和壳体等部件组成。
1. 磁极的特点
磁极由铁心和磁场绕组两部分组成（永磁式直流电动机的磁场为永磁磁场。由永久磁铁产生，无需磁场绕组）。铁心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，如图2-3所示，磁场绕组套装在铁心上。磁极的功用是产生磁场。电磁式直流电动机的磁场为电磁场，当磁场绕组接通电流时，在磁极的铁心中就会产生磁场，即电磁场。
起动机用直流电动机的显著特点是磁极多、磁场绕组的横截面积大，目的是增大起动机的电磁转矩。起动机一般都采用4个磁极，功率超过7kW的起动机一般采用6个磁极。磁场绕组一般用矩形漆包铜线绕制，QD1215型起动机采用了1.25mm×5.5mm扁铜线，并与电枢绕组串联，如图2-4所示。
图2-3 直流电动机磁极的结构
图2-4 磁场绕组连接方式
a）串联电路 b）先串联后并联电路
磁场绕组的连接方式有两种：一种是4个绕组串联后再与电枢绕组串联，如图2-4a所示；另一种是两个磁场绕组串联后再并联，然后再与电枢绕组串联，如图2-4b所示。当今汽车起动机普遍采用后一种连接方式，其目的是减小电阻，增大电流和电磁转矩。无论采用哪一种连接方式，其磁场绕组通电产生的磁极都必须满足N、S极相间排列的要求。
2. 电枢的特点
电枢主要由电枢铁心、电枢绕组和换向器组成，其结构如图2-5a所示。电枢的功用是产生电磁转矩。
电枢铁心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线槽，内孔借花键槽压装在电枢轴上。电枢绕组绕制在电枢铁心的线槽内，绕组两端分别焊接在换向器的铜片上。为了获得较大的电磁转矩，流经电枢绕组的电流很大（小功率起动机300A左右，大功率起动机800A以上）。因此，电枢绕组采用横截面积较大的扁或圆漆包铜线绕制。
换向器的功用是保证电枢绕组产生的电磁转矩的方向保持不变。换向器由截面呈燕尾形的铜片围合而成，如图2-5b所示。燕尾形铜片称为换向片，换向片与换向片、换向片与轴套以及换向片与压环之间均用云母绝缘。
3. 电刷组件的特点
电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，结构如图2-6所示。电刷组件的功用是将直流电引入电枢绕组。
图2-5 起动机电枢的结构
a）电枢总成 b）换向器结构
1—电枢轴 2—电枢绕组 3—铁心 4—换向器 5—换向片 6—轴套 7—压环 8—焊线凸缘
图2-6 电刷组件的结构
1—电刷弹簧 2—电刷 3—电刷架 4—端盖
电刷用铜粉与石墨粉混合后模压而成，起动机电刷中铜的质量分数为80%左右，石墨的质量分数为20%左右。加入较多铜粉的目的是减小电阻，提高导电性能，石墨可提高耐磨性能。电刷安装在电刷支架（简称电刷架）内，借弹簧张力紧压在换向器上，电刷弹簧的压力一般为12～15 N。
一台起动机有4只电刷架。电刷架直接固定或通过绝缘垫片固定在换向器端盖上。直接固定在换向器端盖上的电刷架，称为负电刷架，安装在负电刷架内的电刷称为负电刷；电刷架与换向器端盖之间安装有绝缘垫片，电刷架与换向器端盖绝缘的电刷架，称为正电刷架，安装在正电刷架内的电刷称为正电刷。
4. 壳体与端盖的特点
起动机的壳体由电动机壳体、驱动端盖和换向器端盖三部分组成。电动机壳体用低碳钢板卷焊或铸铁浇铸而成，用于固定磁极和构成导磁回路；驱动端盖和换向器端盖一般都用砂型浇铸而成，用于安装支承电枢和离合器总成。电动机壳体上设有一个接线端子，该端子与磁场绕组的一端连接。
直流电动机的工作原理与电工学所述完全相同，故不赘述。
三、传动装置的结构原理
起动机的传动装置由单向离合器和移动叉组成。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。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机起动机，摩擦片式离合器能够传递较大的转矩，主要用于柴油机起动机。
（一）滚柱式单向离合器的结构
滚柱式单向离合器的结构如图2-7所示。传动导管与外座圈制成一体，外座圈内圆制成十字形空腔。驱动齿轮另一端的内座圈伸入外座圈的空腔内，将十字形空腔分割成楔形腔室，如图2-8所示。
图2-7 滚柱式单向离合器的结构
1—集电环 2—驱动弹簧 3—传动导管 4—卡环 5—驱动座圈 6—壳体 7—驱动齿轮 8—滚柱 9—弹簧帽 10—压紧弹簧
图2-8 楔形槽的结构
1—驱动座圈 2—滚柱弹簧 3—滚柱 4—壳体 5—内座圈 6—驱动齿轮
滚柱有4～6只，安放在楔形腔室内。弹簧一端套有弹簧帽，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、外座圈卷压包装在一起。当起动机尚未投入工作时，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，导管内加工有内螺旋键槽，与电枢轴上的外螺旋键槽配合而传递动力。驱动齿轮与内座圈制成一体，并套装在电枢轴的光轴部分，既可轴向移动，也可绕轴转动。
（二）滚柱式单向离合器的工作原理
1）起动发动机时传递动力。起动发动机时，驾驶人操纵点火起动开关，在控制装置（电磁开关）的作用下，移动叉下端便拨动离合器向车后移动，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，如图2-9a所示，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递到发动机飞轮齿圈。
图2-9 单向离合器工作原理图
a）传递动力 b）切断动力
1—驱动齿轮 2—发动机飞轮齿圈 3—楔形槽 4—滚柱 5—电枢轴
当电动机驱动转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，离合器驱动齿轮为主动部件，发动机飞轮为被动部件。
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，发动机飞轮转为主动部件，单向离合器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，飞轮就会带动驱动齿轮高速旋转。由于驱动齿轮转速远远高于电枢轴转速，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，如图2-9b所示，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转矩驱动而空转，从而避免电枢超速旋转而损坏。
四、控制装置的结构原理
起动机的控制装置包括电磁开关、起动继电器和点火起动开关等。电磁开关与起动机安装在一起。起动机的控制电路大同小异，电磁式起动机的控制电路如图2-10所示。
图2-10 电磁式起动机的控制电路
1—起动继电器触点 2—继电器线圈 3—点火起动开关 4—起动机电源端子“30” 5—起动机磁场端子“C” 6—电动机开关触盘 7—推杆 8—电动机开关触点 9—附加电阻短路开关接线端子“15a” 10—吸引线圈与保持线圈接线端子“50” 11—固定铁心 12—吸引线圈 13—保持线圈 14—活动铁心 15—复位弹簧 16—调节螺钉 17—连接销 18—移动叉 19—单向离合器 20—驱动齿轮 21—止推垫圈
（一）电磁开关
电磁开关的功用是控制电动机主电路的接通与切断。
1）电磁开关结构组成。电磁开关由电磁铁机构和电动机开关两部分组成。
电磁铁机构由固定铁心、活动铁心、吸引线圈和保持线圈等组成。固定铁心与活动铁心安装在一个铜套内。固定铁心固定不动，活动铁心可在铜套内做轴向移动。活动铁心前端固定有推杆，推杆前端安装有开关触盘6；活动铁心后端用调节螺钉和连接销与移动叉连接。铜套外面安装有一个复位弹簧，其作用是使活动铁心等可移动部件复位。
电磁开关接线座上一般设有4个接线端子，如图2-11b所示。
图2-11 电磁开关端子位置
a）结构组成 b）接线端子
1—端子30 2—端子15a 3—端子50 4—端子C
电动机开关由开关触盘和触点组成。触盘固定在活动铁心推杆的前端；两个触点分别与磁场端子C和电源端子30的螺柱制成一体。在开关触点旁边，设有一个小铜片制成的附加电阻短路开关，并与接线端子15a相连，该铜片的端面应稍微偏后于电动机开关触点所在的平面，以便触盘接通开关触点时，短路开关能可靠接通，使附加电阻能被短路。
2）电磁开关的工作原理。当吸引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心向前移动，直到推杆前端的触盘将电动机开关触点接通使电动机主电路接通为止。
当吸引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，活动铁心等可移动部件自动复位，触盘与触点断开，电动机主电路切断。
（二）起动继电器
起动继电器的结构如图2-10左上角部分所示，它由电磁铁机构和触点总成组成。电磁铁机构的线圈分别与壳体上的点火开关端子IG和搭铁端子E连接，固定触点与起动机端子S连接，活动触点经触点臂和支架与蓄电池端子BAT连接。起动继电器的触点为常开触点，当线圈通电时，继电器铁心产生电磁吸力将触点吸闭，从而将继电器控制的吸引线圈和保持线圈电路接通。
起动继电器触点的闭合电压12V电器系统为6.0～7.6V，24V电器系统为14～16V；断开电压12V电器系统为3.0～5.5V，24V电器系统为4.5～8V。