第二节 汽车起动机的结构
现代汽车起动机由直流电动机、传动机构和电磁开关三部分构成，图2-2所示为普通电磁控制式起动机的结构，其主体部分为串励式直流电动机。
图2-2 电磁控制式起动机的结构
1—连接叉 2—回位弹簧 3—衔铁 4—保持线圈 5—吸拉线圈 6—弹簧 7—接触盘 8—接继电器接线柱 9—接磁场绕组接线柱 10—连接片 11—主触点（接蓄电池） 12—接点火线圈接线柱 13—磁场绕组引线 14—贯通螺栓 15—端盖 16—铜套 17—搭铁电刷 18—不搭铁电刷 19—防尘箍 20—外壳 21—换向器 22—磁极 23—磁场绕组 24—电枢线圈 25—螺旋槽 26—拨叉 27—弹簧 28—单向离合器 29—起动机齿轮 30—定位螺母
一、直流电动机
直流电动机主要由壳体、磁极、电枢和电刷组件等构成。
（1）壳体 其作用是安装磁极和固定其他部件。磁极固定在壳体内壁上，壳体上有一个接线端子与电磁开关上的主接线柱连接。
（2）磁极 其作用是产生磁场。磁极由铁心和磁场绕组组成，铁心由螺栓固定在壳体内壁上，磁场绕组套装在铁心上。通常壳体上固定有两对或三对磁极。磁场绕组通常与电枢绕组串联，如图2-3所示。
图2-3 磁极绕组的连接
a）四磁极绕组串联 b）磁场绕组两两串联后再并联
（3）电枢 电枢主要由电枢绕组、铁心和换向器组成，电枢绕组嵌在铁心的沟槽内，每一根单匝电枢绕组的两端各焊在换向器的一个换向片上，如图2-4所示。
换向器的作用是把通入电刷的直流电流转换为流经电枢绕组中的交变电流，以使不同磁极下导体中流过的电流方向保持不变。
电枢铁心用多片、内外圆均带槽、表面绝缘的硅钢片叠成，通过内圆花键槽固定在电枢轴上，外圆槽内绕有电枢绕组；各绕组的端子与换向器铜片焊接，使各电枢绕组形成串联，如图2-5所示。换向器由铜片和云母片叠压而成，压装于电枢轴的一端，云母片使铜片间、铜片与轴间绝缘。
（4）电刷组件 电刷组件的作用是把电流引入电动机，其主要由石墨电刷、电刷架和电刷弹簧构成，如图2-6所示。电刷用铜和石墨粉压制而成，安装在电刷架内，靠弹簧压力紧压在换向器上。电刷的对数一般与定子磁极的对数相等。
图2-4 电枢总成
1—换向器铜片 2—电枢绕组接线端 3—电枢铁心 4—电枢绕组 5—电枢轴
图2-5 电枢绕组连接方式
1—电枢绕组 2—换向器铜片
图2-6 电刷与电刷架
1—电刷 2—盘形弹簧 3—柜式电刷架 4—换向器 5—起动机前端盖
随着永磁材料技术的发展，现已开发了许多采用永磁材料作定子磁极的起动机。目前，永磁起动机还多数用在中小排量的轿车发动机上。
二、传动装置
传动装置有减速型和非减速型两类。
1.非减速型传动装置
图2-2所示的起动机采用的是非减速型传动装置。在电动机轴上切有螺旋槽25，与起动机齿轮单向离合器28的导向套筒旋合滑配。导向套筒外面套有拨叉26，通过弹簧27推动单向离合器28及起动机齿轮29实现啮合。推力的来源是通电电磁铁衔铁的拉力，衔铁拉动拨叉把起动机齿轮推向飞轮齿环的动作在先，电动机通电起动在后，在啮入时螺旋槽使齿轮反向旋转，单向离合器便不限制齿轮在受到撞击时退让，使之易于啮入。发动机起动后，飞轮齿环反拖起动机齿轮高速旋转，单向离合器使齿轮与轴脱开。被反拖而高速旋转的起动机齿轮会以摩擦力带转导向套筒，沿着螺旋槽使起动齿轮退出啮合。
2.减速型传动装置
减速型传动装置指直流电动机驱动齿轮通过减速机构传动动力，在起动时与飞轮齿环啮合驱动发动机曲轴旋转的传动装置。采用减速机构后，即增大了速比，又使起动机易于接近飞轮齿环。电动机可采用高速、小型、低转矩电动机，其质量和体积比普通起动机可减小30%～35%，适用于飞轮直径小的发动机。其结构如图2-7所示。
图2-7 具有减速型传动装置的起动机
1—后端盖 2—外壳（磁场绕组铁心的组成部分） 3—电刷架壳体 4—电磁开关 5—衔铁 6—拨叉 7—单向离合器 8—传动机构外壳 9—传动齿轮副 10—电刷及电刷弹簧 11—转子（电枢）
3.单向离合器
单向离合器是起动机传动装置的重要部件，其作用是起动时将电枢的电磁转矩传递给发动机飞轮。而在发动机起动后，立即打滑脱开。常用的单向离合器有滚柱式、摩擦片式、扭簧式和棘轮式等几种形式。
（1）滚柱式单向离合器 滚柱式单向离合器有十字腔和十字块两种结构形式，如图2-8所示。
图2-8 滚柱式单向离合器
a）十字腔形式 b）十字块形式 1—传动套筒 2—移动衬套 3—缓冲弹簧 4—带十字腔座圈 5—滚柱 6—带柄驱动齿轮 7—罩壳 8—卡簧 9—弹簧及活柱 10—驱动齿轮 11—单向离合器外壳 12—十字块 13—护盖 14—弹簧座 15—垫圈
滚柱式单向离合器结构形式不同，但工作原理相似，下面以十字块式为例进行说明。单向离合器的外壳11与驱动齿轮10连为一体，外壳和十字块12装配后形成4个楔形槽，槽中有4个滚柱，滚柱的直径大于槽窄端又小于槽宽端，弹簧及活柱将滚柱推向槽窄端，使得滚柱与十字块及外壳表面有较小的摩擦力。十字块与传动套筒1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进行轴向移动并随轴转动。起动时，电枢轴通过花键带动传动套筒使十字块相对于外壳作顺时针转动，滚柱在小摩擦力的作用下滚向槽窄端而被卡紧，外壳随十字块一起转动，电动机的电磁转矩就通过单向离合器传递给了驱动齿轮（图2-9a）；发动机起动后，发动机飞轮带动驱动齿轮旋转，使外壳的转速高于十字块，十字块相对于外壳的逆时针转动使滚柱滚向槽宽端而打滑（图2-9b）。
图2-9 滚柱式单向离合器工作原理
a）起动时传递电磁转矩 b）起动后打滑 1—十字块 2—弹簧及活柱 3—楔形槽 4—单向离合器外壳 5—驱动齿轮 6—飞轮 7—活柱 8—滚柱
（2）摩擦片式单向离合器 摩擦片式单向离合器也有两种结构形式，如图2-10所示。下面以外接合鼓驱动式为例进行说明。传动套筒13安装在电枢轴右螺旋花键部位，其外圆则通过三线螺旋花键与内接合鼓11连接，当内接合鼓与传动套筒之间有相对转动时，内接合鼓就会产生轴向移动；内接合鼓外圆上有凹槽，与主动摩擦片10的内突齿相配合；从动摩擦片有外突齿，插入外接合鼓16的槽中，外接合鼓与驱动齿轮3为一体；传动套筒自左向右还装有弹性垫圈5、压环6和调整垫圈7，端部用限位螺母4轴向固定。起动时，起动机电枢带动传动套筒转动，内接合鼓的惯性作用力使其与传动套筒之间产生相对的转动而轴向左移，内接合鼓的端面将主从动摩擦片压紧。这时，电动机的电磁力矩就通过单向离合器传递给驱动齿轮。发动机起动后，发动机飞轮带动驱动齿轮高速转动，使内结合鼓的转速高于传动套筒的转速，内接合鼓与传动套筒之间产生的相对转动与起动时相反，使内接合鼓轴向右移。这时，主、从动摩擦片间的压紧力消失而打滑。
在起动时，如果因起动阻力矩过大，驱动齿轮不能带动发动机飞轮转动时，主从动摩擦片的压力到达某一极限值后不再增加，传递的转矩也就不再增大，从而避免了电动机因负载过大而被烧坏的危险。
（3）扭簧式单向离合器 扭簧式单向离合器的结构如图2-11所示。传动套筒8与起动机电枢以螺旋花键连接，驱动齿轮柄松套在传动套筒上，月形圈4限制了驱动齿轮和传动套筒之间的轴向相对移动，但不妨碍其相对转动。扭力弹簧5包在驱动齿轮柄和传动套筒的外圆表面，弹簧的两端各有1/4圈部位内径较小，分别箍紧在驱动齿轮柄和传动套筒上。
图2-10 摩擦片式单向离合器
a）外接合鼓驱动式 b）齿轮柄驱动式 1—限位套 2—衬套 3—驱动齿轮 4—限位螺母 5—弹性垫圈 6—压环 7—调整垫圈 8—从动摩擦片 9、15—卡环 10—主动摩擦片 11—内接合鼓 12—缓冲弹簧 13—传动套筒 14—移动衬套 16—外接合鼓 17—驱动齿轮柄 18—小弹簧 19—电枢轴
图2-11 扭簧式单向离合器结构
1—衬套 2—驱动齿轮 3—挡圈 4—月形圈 5—扭力弹簧 6—护套 7—垫圈 8—传动套筒 9—缓冲弹簧 10—移动衬套 11—卡簧
起动时，扭力弹簧在其两端摩擦力的作用下被扭紧，整个弹簧紧箍在驱动齿轮柄和传动套筒上而传递转矩。发动机起动后，由于驱动齿轮转速高于电枢的转速，扭力弹簧放松，驱动齿轮便在传动套筒上滑转。
三、控制装置
起动机的控制装置由电磁开关、起动继电器和点火起动开关组成，其主要作用是协调起动机的啮入动作和拖转动作的时序。从起动机控制形式的不同，主要分为起动开关直接控制方式、起动继电器控制方式两类。
1.起动开关直接控制方式
起动开关直接控制的起动电路如图2-12所示。起动开关（或点火开关）串联在蓄电池正极与起动机电磁开关接线柱中，直接控制起动机电磁开关线圈的通断。而起动机电磁开关中的吸引线圈与电动机串联相接。
图2-12 起动开关直接控制式起动机控制电路原理
1—驱动齿轮 2—回位弹簧 3—拨叉 4—活动铁心 5—保持线圈 6—吸引线圈 7—电磁开关接线柱 8—起动开关 9—熔断器 10—电流表 11—蓄电池 12—电动机 13—电动机接线柱 14—接触盘 15—磁轭 16—电源接线柱
起动时，接通起动开关，电磁开关两线圈通电，其电流通路为
此时，吸引线圈6与保持线圈5产生的磁力吸引活动铁心4右移，带动拨叉3转动，将驱动齿轮1推向发动机飞轮；与此同时，接触盘14被右移的铁心顶向触点，并在驱动齿轮与飞轮啮合时将触点接通。电动机12通电后，便产生正常的电磁转矩，通过传动机构带动发动机转动。触点接通时，吸引线圈6被接触盘14短路，由保持线圈5所产生的磁力保持铁心在移动后位置。
发动机起动后，在断开起动开关的瞬间，接触盘14还未退回，此时电流通路为
蓄电池正极→电源接线柱16→接触盘14→电动机接线柱13→吸引线圈6→保持线圈5→搭铁→蓄电池负极。
吸引线圈6产生了与保持线圈5相反的磁力，两线圈的磁力相互抵消，活动铁心4便在回位弹簧力的作用下回位，驱动齿轮1和接触盘14退回，电动机12断电，起动机停止工作。
2.起动继电器控制方式
起动继电器控制的起动电路如图2-13所示。控制电路中增设了起动继电器，其触点为常开，串联在起动机电磁开关电源电路中。继电器线圈电路由点火开关控制其通断。线圈通电时，触点闭合，接通起动机电磁开关电路。
起动时，将点火开关转动至起动档，起动继电器线圈通电，其电流通路为
蓄电池正极→蓄电池接线柱13→电流表→点火开关14（起动触点）→起动继电器SW接线柱→起动继电器线圈→搭铁→蓄电池负极。
当起动继电器线圈有电流流过后，所产生的电磁力将触点吸合，接通起动机电磁开关电路，起动机便开始工作。
松开点火开关，点火开关回至点火档，起动继电器线圈断电，起动继电器触点断开，起动机电磁开关断电，起动机停止工作。
该控制电路中，电磁开关电流（35～45A）由起动继电器触点控制，起动开关（或点火开关起动档）只是控制较小的继电器线圈电流，因此点火开关不容易烧蚀。
图2-13 起动继电器控制电路原理
1—起动继电器 2—点火线圈 3—电磁开关接线柱 4—吸引线圈 5—保持线圈 6—活动铁心 7—拨叉 8—接触盘推杆 9—接触盘 10—电枢 11—磁场绕组 12—电动机接线柱 13—蓄电池接线柱 14—点火开关 15—蓄电池