启动系统检修

任务1　启动系统检修

【任务导入】

汽车发动机是靠外力启动的，常用的启动方式有人力启动和电力启动（简称电启动）两种。人力启动简单，但是不方便，劳动强度大，目前只在部分汽车上作为后备方式而保留着。电启动方式操作简便，启动迅速、可靠，重复启动能力强，所以在现代汽车上广泛采用。

【任务分析】

桑塔纳2000GSi轿车启动机运转无力。

【相关知识】

一、启动机的作用和组成

汽车启动机又称“马达”，在点火开关或启动按钮控制下，将蓄电池的电能转化为机械能，通过飞轮齿圈带动发动机曲轴转动，从而启动发动机。启动机驱动小齿轮与飞轮齿圈的传动比：汽油机车一般为13～17，柴油机车一般为8～10。

1．启动机的作用

现代汽车发动机的启动大多采用电启动。电启动简单可靠，操纵方便，可随时工作。电启动以蓄电池为电源，以直流电动机为动力，通过传动机构和控制装置进行工作。

启动机的作用就是将电能转变为机械能，带动发动机曲轴旋转，使发动机启动。完成启动任务后立即停止工作。

2．启动机的组成

启动机一般由串励直流电动机、传动机构和控制装置三部分组成。

（1）串励直流电动机是启动机最主要的组成部件，其作用是将蓄电池的电能转换为机械能，产生转矩。

（2）传动机构或称啮合机构，其作用是在发动机启动时，使启动机小齿轮啮入飞轮齿环，将启动机转矩传递给发动机曲轴。在发动机启动后，传动机构使启动机小齿轮滑转或与飞轮自动脱离。常用的传动机构有滚柱式、弹簧式和摩擦片式等。

（3）控制装置即开关，其作用是接通或切断电动机与蓄电池之间的电路。在有些汽车上，还具有接入和隔除点火线圈附加电阻的作用。

3．启动机的分类

启动机的主要组成中，电动机一般没有多大差别，而传动机构和控制装置却各不相同。因此，启动机多按控制装置和传动机构的不同来分类。

1）按控制装置分类

（1）直接操纵式启动机 直接操纵式启动机是由脚踏或手拉杆联动机构直接控制启动机的主电路开关来接通或切断主电路。这种方式结构简单、工作可靠，但要求启动机、蓄电池靠近驾驶室，因此对安装布局限制很大，而且操作不方便，劳动强度大，现代汽车已很少采用该方式了。

（2）电磁操纵式启动机 也称为电磁控制式启动机。电磁操纵式启动机用按钮或点火开关控制继电器，再由继电器控制启动机的主开关来接通或切断主电路。这种控制方式可以实现远距离控制，操作方便，被现代汽车广泛采用。

2）按传动机构的工作原理分类

（1）惯性啮合式启动机 惯性啮合式启动机依靠驱动齿轮的惯性力，配合大导距螺旋槽，自动啮入飞轮齿环。启动后，小齿轮又靠惯性力自动与飞轮齿环脱开。这种机构结构非常简单，但因啮合力太小不能传递较大的转矩，故可靠性差，现已很少使用。

（2）强制啮合式启动机 强制啮合式启动机是依靠人力或电磁力，推动拉杆，强制小齿轮啮入飞轮齿环的。强制啮合式启动机因其工作可靠，仍被现代汽车所采用。

（3）电枢移动式启动机 电枢移动式启动机是靠启动机磁极磁通的吸引力，使电枢沿轴向移动而使小齿轮啮入飞轮齿环的。启动后再由回位弹簧使电枢回位，使小齿轮与飞轮齿环脱离啮合。这种啮合机构常用于大功率的柴油汽车上。

（4）齿轮移动式启动机 齿轮移动式启动机是靠电磁开关推动安装在电枢轴孔内的啮合杆，而使小齿轮啮入飞轮齿环的。

（5）减速式启动机 减速式启动机是靠电磁吸引力推动单向离合器，使小齿轮啮入飞轮齿环的。

4．对启动机的要求

启动机虽然具有上述不同形式，但都必须满足下列要求。

（1）齿轮啮入要容易，不应发生冲击。

（2）发动机启动后，小齿轮应能自动滑转或脱出，不得再与发动机飞轮齿环啮合。在发动机工作时，启动机驱动小齿轮不能啮入飞轮齿环。因为启动机齿轮与发动机飞轮齿环转速比很大，一般为15∶1或更大，会导致发动机带动启动机高速旋转，造成启动机“飞车”事故。

（3）结构简单，工作可靠。能否带动发动机迅速、方便、可靠地启动，是评价启动机性能好坏的重要指标。

二、直流串励式电动机

1．直流串励式电动机的工作原理

直流串励式电动机是将电能转变为机械能的装置，是以通电导体在磁场中受磁力作用这一原理为基础制成的，其工作原理如图4－1所示。

当电路接通时，如图4－1（a）所示，线圈abcd的电流方向是：蓄电池正极→励磁绕组→电刷→换向片A→线圈（a→d）→换向片B→电刷→搭铁。此时，励磁绕组中产生电磁场，磁场磁极如图中所示。根据左手定则可知，线圈中的有效边ab与cd所受磁场力F的方向如图4－1（a）所示；此时线圈产生的转矩方向为逆时针方向。当线圈转过半周后，如图4－1（b）所示，线圈abcd中的电流方向发生改变，电流方向是：蓄电池正极→励磁绕组→电刷→换向片B→线圈（d→a）→换向片A→电刷→搭铁。此时，线圈中的电流方向虽改变，但线圈中的有效边ab与cd所受的磁场力F的方向也同时改变，故线圈产生的转矩方向不变，仍为逆时针方向。

由于一个线圈所产生的力矩太小，转速又不稳定，所以电动机的电枢绕组是由很多线圈组成的，换向器的片数也随线圈的增加而增加。

图4－1　直流串励式电动机的工作原理

2．直流串励式电动机的构造

直流串励式电动机由电枢、磁极、电刷和电刷架、轴承、换向器等组成，其构造如图4－2所示。

图4－2　直流串励式电动机的结构

1—端盖；2—电刷架；3—接线柱；4—电枢；5—磁极固定螺栓；6—磁极铁芯；7—励磁绕组；8—电刷

1）电枢

电枢由电枢轴、电枢绕组、换向器、铁芯等组成，其作用是产生电磁转矩，如图4－3所示。电枢铁芯由硅钢片叠成后固定在轴上，铁芯外围均开有线槽，用以放置电枢绕组。为了得到较大的转矩，需尽可能地提高电枢电流（一般为200～600A），因此，电枢绕组都是用较粗的矩形裸铜线绕制而成，在铜线与铁芯之间、铜线与铜线之间用绝缘纸隔开。电枢绕组的两端均匀地焊在换向片上。电枢绕组一般用波绕法，与每一绕组两端相连接的换向片相隔90°。这种绕法的电阻较低，有利于提高转矩。

图4－3　直流电动机的组成

1—换向器；2—铁芯；3—绕组；4—电枢轴

由电动机的工作原理可知，换向器的作用是将电源提供的直流电转换成电枢绕组所需要的交流电，以保证电枢绕组所产生的转矩方向不变。换向器由铜片和云母片相间叠压而成，铜片之间用云母片绝缘。

2）磁极

磁极的作用是产生磁场，它由铁芯和励磁绕组构成。为增大磁场强度，大多数启动机采用4个磁极。通过螺栓将磁极铁芯固定在电动机的外壳上，磁极与磁路如图4－4所示。励磁绕组也是采用矩形粗铜线绕制而成的（电流达到200～600A）。励磁绕组与电枢绕组常见的接法如图4－5所示。由于励磁绕组与电枢绕组串联，故这种电动机称为直流串励式电动机。

图4－4　磁极与磁路

（a）磁极的结构；（b）磁路

1—接线柱；2—励磁绕组；3—电刷；4—铁芯

图4－5　励磁绕组与电枢绕组常见的接法

（a）4励磁绕组串联；（b）励磁绕组两两串联后再并联

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，使电枢产生定向转矩。电刷一般用铜和石墨粉压制而成，有利于减小电阻及增加耐磨性。电刷装在电刷架中，借弹簧压力压在换向器上，如图4－6所示。

一般电动机内装有4个电刷，其中2个电刷直接搭铁，称为搭铁电刷。

图4－6　电刷与电刷架

—电刷；3—盘形弹簧；4—搭铁电刷架；5—绝缘垫；6—绝缘电刷架；7—搭铁电刷

4）轴承

因启动机每次工作时间很短，并且承受的是冲击负荷，所以启动机轴承一般都采用青铜石墨轴承或铁基含油轴承。而减速启动机的转速很高，其电枢轴承采用滚柱轴承或滚珠轴承。

三、传动机构

启动机的传动机构由驱动齿轮、单向离合器、拨叉、啮合弹簧等组成，安装在启动机轴的花键部分。启动时，传动机构使驱动齿轮沿启动机轴花键槽外移与飞轮齿圈啮合，将电动机产生的力矩通过飞轮传递给发动机曲轴，使发动机启动；启动后，飞轮转速提高，将通过驱动齿轮带动电动机轴高速旋转，引起电动机超速。因此，在发动机启动后，传动机构应使驱动齿轮与电动机脱开，防止电动机超速。

1．单向离合器

传动机构中，结构和工作情况比较复杂的是单向离合器，它的作用是传递电动机转矩，启动发动机，而在发动机启动后自动打滑，保护启动机电枢不致超速飞车。常用的单向离合器主要有以下几种。

1）滚柱式单向离合器

图4－7所示为滚柱式单向离合器。驱动齿轮5与外壳1连成一体，外壳内装有离合器外环9，与传动导管固定连接，启动机电枢轴通过花键与传动导管的花键连接使其能够旋转。驱动齿轮5相对于离合器外环9能自由地转动。在外壳1与离合器外环9形成的楔形槽内分别装有一套滚柱6与滚柱弹簧3，滚柱挡板压住滚柱后与外壳1相互扣合密封。在传动导管外面套有推动凸缘7和缓冲弹簧8。整个单向离合器总成利用传动导管套在电枢轴的花键上，离合器总成在推动凸缘7的作用下，可以在轴上移动，也可以随轴转动。

图4－7　滚柱式离合器

1—外壳；2—滚柱挡板；3—滚柱弹簧；4—铜套；5—驱动齿轮；6—滚柱；7—推动凸缘；8—缓冲弹簧；9—离合器外环

滚柱式单向离合器的工作原理如图4－8所示。

发动机启动时，拨叉将离合器总成沿电枢轴花键推出，驱动齿轮5与发动机飞轮齿圈啮合，同时启动机通电，转矩由电枢轴传递到离合器外环4，滚柱弹簧2压迫滚柱3滚向逐渐收缩的豁口楔紧驱动齿轮。这样，驱动齿轮5和离合器外环4锁定在一起，启动机转矩传递到发动机飞轮齿圈而启动发动机。

当发动机启动并以自身动力运转时，发动机飞轮齿圈企图拖动驱动齿轮以比启动机电枢轴快得多的速度旋转，在摩擦力的作用下，滚柱滚到楔形槽宽敞的空隙部分。从而释放驱动齿轮，使驱动齿轮轴可以相对于电枢自由打滑。这样转矩就不能从驱动齿轮传到电枢，从而防止了电枢超速飞车的危险。

图4－8　滚柱式单向离合器的工作原理

1—逐渐收缩的豁口；2—滚柱弹簧；3—滚柱；4—离合器外环；5—驱动齿轮；6—电枢轴旋转方向

2）摩擦片式单向离合器

摩擦片式单向离合器多用于功率较大的启动机上，如柴油发动机的启动机。

图4－9所示的为摩擦片式单向离合器的结构。

图4－9　摩擦片式单向离合器

1—外接合鼓；2—螺母；3—弹性圈；4—压环；5—调整垫圈；6—被动摩擦片；7、12—卡环；8—主动摩擦片；9—内接合鼓；10—花键套筒；11—移动衬套；13—缓冲弹簧；14—挡圈

花键套筒10套在电枢轴的螺旋花键上，它的外表面有三条螺旋花键套着内接合鼓9，内接合鼓上有四个轴上槽，用来插放主动摩擦片的内凸齿，被动摩擦片的外凸齿插在与驱动齿轮成一体的外接合鼓1的槽中。主、被动摩擦片8、6相间排列。离合器工作时，利用两者的摩擦力经凸齿传递转矩。

发动机启动后内接合鼓9开始瞬间是静止的，在惯性力作用下，内接合鼓9由于花键套筒10的旋转而左移，从而使主、被动摩擦片压紧而传力，电枢转矩最终传给驱动齿轮。发动机启动后，飞轮齿圈的转速高于驱动齿轮，于是内接合鼓9又沿传动套筒的螺旋花键右移，使主、被动摩擦片出现间隙而打滑，避免了电枢超速。摩擦片式单向离合器可以传递较大转矩，并能在超载时自动打滑，但由于摩擦片易磨损，需经常检查调整，其结构也较复杂。

3）弹簧式单向离合器

图4－10所示为弹簧式单向离合器的结构。花键套筒6套在电枢轴的螺旋花键上，驱动齿轮1套在轴的光滑部分，两者间用两个月形键3连接，使驱动齿轮1与花键套筒6之间不能作轴向相互移动，但可以相对转动。在驱动齿轮柄和花键套筒外装有扭力弹簧4，扭力弹簧的两端各有1/4圈内径较小，分别箍紧在齿轮柄和花键套筒上。

图4－10　弹簧式单向离合器

；3—月形键；4—扭力弹簧；5—护圈；6—花键套筒；7—垫圈；8—缓冲弹簧；9—移动衬套；10—卡簧

启动发动机时，电枢轴带动花键套筒6稍有转动，扭力弹簧4顺着其螺旋方向将齿轮柄与花键套筒6包紧，启动机转矩经扭力弹簧4传给驱动齿轮1启动发动机。发动机启动后，驱动齿轮转速高于花键套筒，扭力弹簧放松，驱动齿轮与花键套筒松脱打滑，发动机的转矩不能传给电动机电枢。

弹簧式单向离合器结构简单，寿命长，成本低。但其轴向尺寸较大，因此主要用在一些大功率启动机上。例如，日本五十铃TXD50型汽车的启动机就是使用弹簧式单向离合器。

2．拨叉

拨叉的作用是使离合器作轴向移动，将驱动齿轮啮入和脱离飞轮齿环。汽车上采用的拨叉一般有机械式拨叉和电磁式拨叉两种。机械式拨叉目前已经被淘汰，这里只介绍电磁式拨叉。

电磁式拨叉结构如图4－11所示。

电磁式拨叉用外壳封装于启动机壳体上，由可动部分和静止部分组成。可动部分包括拨叉和电磁铁芯，两者之间用螺杆活动地连接。静止部分包括绕在电磁铁芯钢套外的线圈、拨叉轴和回位弹簧。

发动机启动时，按下按钮或启动开关，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。发动机启动后，只要松开按钮或开关，线圈就断电，电磁力消失，在回位弹簧的作用下，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。

电磁式拨叉的结构紧凑，操作省力又方便，还不受安装位置的限制，因此现代汽车的启动

图4－11　电磁式拨叉结构

1—线圈；2—外壳；3—电磁铁芯；4、5—接线柱；6—拨环；7—缓冲弹簧；8—驱动齿轮；9—拨叉轴；10—拨叉；11、12—弹簧

机几乎全部采用这种拨叉。

四、电磁开关

启动机电磁开关也称启动机的操纵机构或控制机构，主要用来控制启动机驱动齿轮与发动机飞轮齿圈啮合，控制启动机主电路（电流为200～600A）的导通。

1．电磁开关的结构

图4－12所示为电磁开关的结构与工作原理图。电磁开关主要由吸拉线圈7、保持线圈8、活动铁芯9、接触盘6等组成。其中，吸拉线圈7与电动机串联，保持线圈8与电动机并联，直接搭铁。活动铁芯9一端通过接触盘6控制主电路的导通；另一端通过拨叉11控制驱动齿轮的啮合。在启动机电磁开关上有三个接线柱：主接线柱3（接蓄电池的启动电缆线）、启动接线柱5（接点火开关启动挡或启动继电器）和点火线圈附加电阻短路接线柱2（接点火线圈）。

图4－12　电磁开关的结构与工作原理图

—附加电阻短路接线柱；4—点火开关；5—启动接线柱；6—接触盘；7—吸拉线圈；活动铁芯；10—调节螺钉；11—拨叉；12—单向离合器；13—驱动齿轮；14—飞轮

2．启动机的工作过程

（1）启动时，将点火开关打到启动（ST）挡，电磁开关通电，其电路为：蓄电池正极→启动机主接

此时，吸拉线圈7与保持线圈8的电流方向相同、磁场方向相同，活动铁芯9在两个线圈磁场力的共同作用下克服回位弹簧的作用向左移动，通过拨叉11使驱动齿轮13与发动机飞轮14啮合。当驱动齿轮13与飞轮14啮合后，接触盘6将主接线柱1、3内侧触头接通，于是启动机的主电路接通（电流为200～600A），其电路为：蓄电池正极→主接线柱3→接触盘6→主接线柱1→励磁绕组→电刷→电枢绕组→电刷→搭铁。

这时，直流电动机产生电磁转矩，通过单向离合器带动曲轴旋转，启动发动机。

（2）发动机启动后，单向离合器打滑。

（3）松开点火开关，点火开关从启动（ST）挡回到点火（IG）挡，这时从点火开关到启动接线柱5之间已没有电流，吸拉线圈7与保持线圈8由原来的并联变为串联，其电路为：蓄电池正极→主接线柱3→接触盘6→主接线柱1→吸拉线圈7→保持线圈8→搭铁。

此时，由于吸拉线圈7与保持线圈8的电流方向相反、磁场方向相反，磁吸力相互抵消，因此，活动铁芯9在回位弹簧的作用下迅速右移，使主电路断开，驱动齿轮13与飞轮14脱离啮合，启动机停止工作。

在接触盘6接通主电路之前，由于电流经吸拉线圈7到励磁绕组与电枢绕组，所以电枢产生了一个较小的电磁转矩，使驱动齿轮13在缓慢旋转状态下与飞轮14平稳啮合。主电路接通后，吸拉线圈7被短路，活动铁芯9的位置由保持线圈8产生的磁吸力来保持；主电路接通的同时，接触盘6将附加电阻短路接线柱2接通，使点火线圈的附加电阻短接，提高点火电压。现在附加电阻已经很少采用，所以这个接线柱或不接线，或已经被取消。

【任务实施】

一、实施环境

（1）汽车电器实训室或汽车整车实训室。

（2）汽车启动系统试教板（如桑塔纳、富康等）、工具车（配有拆装工具）、工作台。

（3）相应的维修手册或资料。

二、实施步骤

1）故障现象

接通点火开关，启动启动机时，伴有连续不断的齿轮撞击声，使驱动齿轮不能与飞轮齿环啮合。

2）故障原因

（1）主电路通电过早。在驱动齿轮与飞轮齿环还未啮合之前，驱动齿轮就已转动。

（2）启动机安装螺栓松动。

（3）驱动齿轮和飞轮齿环的齿损害或磨损严重，齿长不足，啮合不牢，扭矩过大，两齿轮打滑。

3）故障诊断与排除

首先调整启动机电磁开关的闭合时间，将调整螺钉适当旋入。若仍然存在齿响，再检查驱动齿轮与飞轮齿环的磨损情况。若齿磨损大于3mm，应焊修或更换。