前言在工作過程中就曾接觸到汽車起動機，了解車輛對發動機起動機的工作要求，但是對汽車起動機的結構和工作原理並不清楚，借譚老師布置作業的這個機會，最近比較系統的查閱了汽車起動機的相關課件和參考書，了解了汽車起動機的結構及工作原理。汽車起動機由直流電機、傳動裝置和控制裝置組成，直流電機沒有特殊之處，比較容易理解，傳動裝置和控制裝置結構較為特殊，本文重點整理了所查閱的汽車起動機的傳動裝置和控制裝置的相關資料。
要使發動機由靜止狀態過渡到工作狀態，必須用外力轉動發動機的曲軸，使氣缸內吸入（或形成）可燃混合氣並燃燒膨脹，工作迴圈才能自動進行。汽車發動機常用的起動方式是用電動機作為機械動力，當將電動機軸上的齒輪與發動機飛輪周緣的齒圈嚙合時，動力就傳到飛輪和曲軸，使之旋轉。電動機本身又用蓄電池作為能源。
目前絕大多數汽車發動機都採用電動機起動。
起動機一般由直流電動機、傳動機構、控制裝置三部分組成。
圖1 起動機
直流電動機在直流電壓的作用下，產生旋轉力矩。直流電動機主要由電樞、磁極、電刷、電刷架及殼體等部件組成。
電樞是直流電動機的轉子部分，用來將電能轉變為機械能，即在起動機通電時，與磁場相互作用而產生電磁轉矩。
磁極是直流電動機的定子部分，用來產生電動機運轉所必須的磁場，它由磁極鐵心、安裝在鐵心上的勵磁繞組及機殼組成。
電刷用銅和石墨粉壓制而成，一般含銅80％～90％，石墨10％～20％，以減小電刷電阻並增加其耐磨性。一般起動機電刷個數等於磁極個數，也有的大功率起動機電刷個數等於磁極個數的2倍，以便減小電刷上的電流密度。
普通起動機傳動裝置中的主要組成部件是單向離合器，單向離合器的作用是起動時將電樞的電磁轉矩傳遞給發動機飛輪，而在發動機起動後，就立即打滑，以防止發動機飛輪帶動起動機電樞高速旋轉而損壞起動機。起動機單向離合器常見的有滾柱式、摩擦片式、扭簧式等幾種形式。
（1）結構特點
滾柱式單向離合器的外殼2與驅動齒輪1連為一體，外殼和十字塊3裝配後形成四個楔形槽，槽中有四個滾柱，滾柱的直徑大於槽窄端又小於槽寬端，彈簧將滾柱推向槽窄端，使得滾柱與十字塊及外殼表面有較小的摩擦力。十字塊與傳動套筒8剛性連線，傳動套筒安裝在電樞軸花鍵部位，使單向離合器總成可作軸向移動和隨軸轉動。
圖2 滾柱式單向離合器
（2）工作原理
起動時，電樞軸通過花鍵帶動傳動套筒而使十字塊轉動，十字塊相對於外殼作順時針轉動，使滾柱在小摩擦力的作用下滾向槽窄端而被卡緊，外殼即隨十字塊一起轉動，電動機的電磁轉矩便通過單向離合器傳遞給了驅動齒輪。發動機一旦發動，發動機飛輪帶動驅動齒輪旋轉，使外殼的轉速高於十字塊，十字塊相對於外殼逆時針轉動，使滾柱滾向槽寬端而打滑，從而避免了發動機飛輪帶動起動機電樞高速旋轉而損壞起動機。
（1）結構特點
如圖3所示。主動套筒套在電樞軸的花鍵上，小齒輪套筒則套在電樞軸前端的光滑部分。在對接處有兩個月牙形圈，使兩者只能做相對轉動而不能做軸向移動。
在小齒輪套筒與主動套筒的外圓上包有扭力彈簧，扭力彈簧的內徑略小於兩套筒的外徑，因而具有一定的過盈量（0.25～0.5mm）。
在主動套筒上用墊圈封閉傳動彈簧，外側再裝緩衝彈簧和固連撥環。
圖3 彈簧式單向離合器
（2）工作原理
起動發動機時，由於撥叉推動撥環使驅動小齒輪齧入飛輪齒圈，起動機轉軸帶動花鍵套筒即主動套筒旋轉，使扭力彈簧順向扭緊並箍死兩個套筒，於是就能傳遞扭矩。
發動機起動後，由於飛輪帶著驅動齒輪的轉速高於起動機軸，將扭力彈簧作反向放鬆，使驅動齒輪套筒與主動套筒鬆脫而打滑，從而避免了超速運轉的危險。這種離合器具有結構簡單、工藝簡化、壽命長、成本低等優點，但因扭力彈簧所需圈數多，軸向尺寸較長，故適用於起動柴油機所需的大功率起動機，而不適宜在小型起動機上採用。
（1）結構特點
摩擦片式離合器的外接合鼓1用半月鍵固定在起動機軸上，兩個彈性圈2和壓環3依次沿起動機軸裝進外接合鼓中，青銅主動片4的外凸齒裝入外接合鼓的切槽中，鋼製的起動機軸裝進外接合鼓中，青銅主動片4的外凸齒裝入外接合鼓的切槽中，鋼製的被動片5以其內齒插入內接合鼓6的切槽中。內接合鼓具有螺線孔並旋在起動機驅動齒輪柄9的三線螺紋上，齒輪柄則自由地套在起動機軸上，內墊有減震彈簧8並用螺母鎖著，以免從軸上脫落，內接合鼓6上具有兩個小彈簧輕壓諸片，以保證它們彼此接觸，如圖4所示。
（a）結構 （b）壓緊 （c）鬆開
1-外接合鼓 2-彈性圈 3-壓環 4-主動片 5-被動片 6-內接合鼓
7-小彈簧 8-減震彈簧 9-齒輪炳 10-驅動齒輪 11-飛輪
圖4 摩擦片式單向離合器
（2）工作原理
起動機工作時，內接合鼓沿螺旋槽向右移動，將摩擦片壓緊，如圖4（b）所示，利用摩擦力，將電樞的轉矩傳給飛輪。發動機起動後，起動機驅動齒輪被飛輪帶動，當其轉速超過電樞軸轉速時，內接合鼓則沿螺旋槽向左退出，摩擦片鬆開，如圖4（c）所示，這時驅動齒輪雖高速旋轉，但不驅動電樞，從而避免了電樞超速的危險。如果起動機超載時，彈性圈在壓環的突緣壓力下而彎曲，直至內接合鼓的端部頂住彈性圈，此時離合器即打滑，能避免起動機在過載情況下的損壞。
摩擦片式離合器雖有傳遞大轉矩，防止超載損壞起動機的優點，但由於摩擦片易磨損而影響起動機效能，需經常檢查、調整或更換。同時結構也比較複雜，耗用材料較多，加工費時，修理麻煩。
控制裝置的作用是控制起動機主電路的通、斷和驅動齒輪的移出和退回。
開關直接控制起動系是指起動機由點火開關或起動按鈕直接控制，起動功率較小的汽車（如長安奧拓，天津夏利轎車）常用這種控制形式。其結構原理如下圖所示。
1-驅動齒輪 2-復位彈簧 3-撥叉 4-活動鐵芯 5-保持線圈 6-吸引線圈
7-接線柱 8-起動按鈕 9-起動總開關 10-熔斷絲 11-黃銅套 12-擋鐵
13-接觸盤 14、15接線柱 16-電流錶 17-蓄電池 18-起動機
圖5 開關直接控制起動系
當合上起動機總開關9，按下起動按鈕8時，吸引線圈6和保持線圈5的電路接通。其電路如下：蓄電池正極—接線柱14—電流錶16—熔斷絲10—起動總開關9—起動按鈕8—接線柱7，然後分兩路，一路為保持線圈5—搭鐵—蓄電池負極。
另一路為吸引線圈6—接線柱15—起動機磁場繞組—電樞繞組—搭鐵—蓄電池負極。這時活動鐵芯4在兩個線圈電磁吸力的共同作用下，克服回位彈簧2的彈力而向右移動，帶動撥叉3便將小齒輪回推出與飛輪齒圈嚙合。這時由於吸引線圈的電流流經磁場繞組和電樞繞組，產生一定的電磁轉矩。
所以小齒輪是在緩慢旋轉的過程中嚙合的。當齒輪嚙合好後，接觸盤13將觸頭14、15接通，於是蓄電池的大電流流經起動機的電樞和磁場繞組，產生正常的轉矩，帶動發動機旋轉起動發動機。與此同時，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈5的吸力來保持。
發動機起動後，鬆開起動按鈕瞬間，保持線圈中的電流只能經吸引線圈構成迴路。由於此時兩線圈所產生的磁通方向相反而相互抵消，於是活動鐵芯在復位彈簧的作用下回至原位，小齒輪在回位彈簧的作用下退出嚙合，接觸盤13脫離接觸，切斷起動電路，起動機停止運轉。這種電磁開關是利用擋鐵與電磁鐵芯之間的一定氣隙，保證驅動齒輪先部分齧入飛輪齒環後，才接通起動主電路。
它具有操作輕便、工作可靠的優點。
起動繼電器控制是指用起動繼電器觸點控制起動機電磁開關的大電流，而用點火開關或起動按鈕控制繼電器線圈的小電流，如圖6所示。起動繼電器的作用就是以小電流控制大電流，保護點火開關，減少起動機電磁開關線路壓降。
1-起動繼電器觸點 2-啟動繼電器線圈 3-點火開關 4、5起動機開關接線柱
6-點火線圈附加電阻短路接線柱 7-導電片 8-接線柱 9-起動機接線柱
10-接觸盤 11-推桿 12-固定鐵芯 13-吸引線圈 14-保持線圈 15-活動鐵芯
16-復位彈簧 17-調節螺釘 18-連線片 19-撥叉 20-定位螺釘
21-滾柱式單向離合器 22-驅動齒輪 23-限位螺母 24-附加電阻線
圖6 起動繼電器控制系
1．起動開關（點火開關起動擋）接通時
（1）起動繼電器觸點閉合，電磁開關電路接通
繼電器的電路是：蓄電池—點火開關—繼電器的線圈—搭鐵。由於電流通過繼電器線圈使其產生磁場，在電磁力的作用下觸點閉合，於是就接通了電磁開關中吸引線圈和保持線圈的電路。
吸引線圈的電路是：蓄電池—繼電器「電池」接線柱、支架、觸點、「起動機」接線柱—起動機的接線柱「9」 —吸引線圈—起動機開關接柱5—起動機磁場繞組、電樞繞組—搭鐵。
保持線圈的電路是：起動機的接柱「9」 —保持線圈—搭鐵。
此時驅動齒輪與飛輪的接觸情況如圖7（a）所示。
（a）初始狀態齒輪分離 （b）齒輪進入嚙合 （c）驅動飛輪旋轉
圖7 起動機的工作過程
（2）驅動齒輪與飛輪嚙合
電流通過吸引線圈和保持線圈後，由於兩者產生的磁場方向一致，磁場增強，磁化固定鐵芯產生吸力，活動鐵芯前移，使接觸盤接通電動機開關。同時活動鐵芯的後端通過耳環帶動撥叉上端前移、下端後移，迫使驅動齒輪伸出。
當驅動齒輪與飛輪齒環發生牴觸現象時，撥叉下端可推動滑環後半環壓縮彈簧繼續後移，使電動機開關接通，使電樞軸稍微轉動，驅動齒輪與飛輪齒槽對正時，就可使驅動齒輪與飛輪嚙合。此時驅動齒輪與飛輪的接觸情況如圖7（b）所示。
（3）電動機開關接通並帶動發動機旋轉
接觸盤將電動機開關接柱「4」和「5」接通後，電動機電路接通，其電路是：蓄電池—電動機開關—接觸盤磁場繞組—電樞繞組—搭鐵。由於此電路中電阻很小，電流可達幾百安培，使電動機產生較大的轉矩，經離合器帶動發動機起動，此時驅動齒輪與飛輪的接觸情況如圖7（c）所示。
電動機開關接通時，吸引線圈被短路，活動鐵芯依靠保持線圈的磁力使其保持在吸合位置。
另外在電動機開關接通的同時，接觸盤也與點火線圈附加電阻短路接柱「6」內的黃銅片接觸，使點火線圈附加電阻短路，從而保證可靠點火。
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