子任务一 启动机组成原理认知
学习目标
1.知识目标
（1）能说出启动机系统的主要组成。
（2）能说出启动机的主要组成结构及其作用。
（3）能够描述启动机的工作原理。
（4）能根据启动机的型号解释其含义。
2.能力目标
（1）能查找识别启动机系统的主要组成部分。
（2）能根据实物图指认出启动机的类型、型号。
（3）能根据实物图指认出启动机的主要组成及其作用。
3.素养目标
（1）培养学生良好的识图能力。
（2）培养学生良好的沟通交流能力。
（3）培养学生自主探索的学习习惯。
实训内容
（1）启动系统主要组成部件识别。
（2）启动机的组成原理、型号的认知。
（3）启动机的工作过程状态操作演示。
课时计划
第1次课：2课时。
知识准备
一、启动机的组成
常规启动机一般由直流串励式电动机、传动机构、控制装置等3个部分组成，如图3-1-1所示。
微课：启动机的组成识别
图3-1-1 汽车常规启动机
（一）直流串励式电动机
功用：将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生电磁转矩。
结构：由电枢（转子）、磁极（定子）、换向器和电刷等主要部件构成。
1.电枢
直流电动机的转动部分称为电枢，又称转子。转子由外圆带槽的硅钢片叠成的铁心、电枢绕组线圈、电枢轴和换向器等组成，如图3-1-2所示。
图3-1-2 直流串励式电动机电枢结构
为了获得足够的转矩，通过电枢绕组的电流一般较大（汽油机为200～600 A；柴油机可达1 000 A），因此，电枢绕组采用较粗的矩形裸铜漆包线绕制为成型绕组。
电枢绕组通常用波绕法，两端焊在换向片上，与每一绕组两端相连接的换向器片相隔90°，这种绕法电阻较低，有利于提高转矩。
2.磁极
磁极由固定在机壳内的磁极铁心和磁场绕组线圈组成，如图3-1-3所示。
磁极一般是4个，两对磁极相对交错安装在电机的壳体内，定子与转子铁心形成的磁通回路如图3-1-4所示，低碳钢板制成的机壳也是磁路的一部分。
图3-1-3 磁极
图3-1-4 磁路
4个励磁线圈的连接方式有两种，一种是相互串联后再与电枢绕组串联（称为串联式），另外一种则是两两相串后再并联，再与电枢绕组串联（称为混联式），如图3-1-5所示。
图3-1-5 励磁绕组的连接
当启动开关接通时，电动机的工作电路为蓄电池正极→接线柱→励磁绕组→绝缘电刷→换向器和电枢绕组→搭铁电刷→搭铁→蓄电池负极。
3.换向器
换向器由许多截面呈燕尾形的铜片围合而成，如图3-1-6所示。铜片之间由云母绝缘。云母绝缘层应比换向器铜片外表面凹下0.8 mm左右，以免铜片磨损时，云母片很快突出。电枢绕组各线圈的端头均焊接在换向器的铜片上。换向器作用是向旋转的电枢绕组注入电流。
4.电刷与电刷架
电刷与电刷架的作用是将电流引入电枢，使电枢产生连续转动，电刷架总成如图3-1-7所示。电刷一般用（80%～90%）铜和（10%～20%）石墨压制而成，有利于减小电阻及增加耐磨性。电刷装在电刷架中，借弹簧压力紧压在换向器上。与外壳直接相连构成电路搭铁，称为搭铁电刷；与励磁绕组和电枢绕组相连，与外壳绝缘，称为绝缘电刷。
图3-1-6 换向器
图3-1-7 电刷架
1—电刷加；2—电刷弹簧；3—绝缘电刷；4—搭铁电刷。
（二）传动机构
传动机构的作用是把直流电动机产生的转矩传递给飞轮齿圈，再通过飞轮齿圈把转矩传递给发动机的曲轴，使发动机启动；启动后，飞轮齿圈与驱动齿轮自动打滑脱离。传动机构一般由驱动齿轮、单向离合器、拨叉和啮合弹簧等组成。单向离合器有滚柱式、摩擦片式和弹簧式等类型。其中滚柱式单向离合器是小型汽车上最常用的，下面讨论其结构和工作原理。
滚柱式单向离合器的构造如图3-1-8所示，它的驱动齿轮与外壳制成一体，外壳内装有十字块和4套滚柱、压帽和弹簧。十字块与花键套筒相连，壳底与外壳相互扣合密封。花键套筒的外面装有啮合弹簧及衬圈，末端安装着拨环与卡圈。整个离合器总成套装在电动机轴的花键部位上，可做轴向移动和随轴转动。在外壳与十字块之间，形成4个宽窄不等的楔形槽，槽内分别装有一套滚柱、压帽及弹簧。滚柱的直径略大于楔形槽窄端，略小于楔形槽的宽端。
图3-1-8 滚柱式单向离合器
1—驱动齿轮；2—外壳；3—十字块；4一滚柱；5—压帽弹簧；6—垫圈；7一护盖；8—花键套筒；9—弹簧座；10—啮合弹簧；11—拨环；12—卡簧。
工作过程：受力分析如图3-1-9所示，当启动机电枢旋转时，转矩经套筒带动十字块旋转，滚柱滚入楔形槽窄端，将十字块与外壳卡紧，使十字块与外壳之间能传递力矩；发动机启动以后，飞轮齿圈会带动驱动齿轮旋转，当转速超过电枢转速时，滚柱滚入宽端打滑，这样发动机的力矩就不会传递至启动机，起到保护启动机的作用。
图3-1-9 滚柱的受力及作用示意图
（三）控制装置
电磁控制装置在启动机上称为电磁开关，它的作用是控制驱动齿轮与飞轮齿圈的啮合与分离，并控制电动机电路的接通与切断。在现代汽车上，启动机均采用电磁式控制电路，电磁式控制装置是利用电磁开关的电磁力操纵拨叉，使驱动齿轮与飞轮啮合或分离。
1.控制装置的组成
图3-1-10所示为电磁开关结构。它主要由吸引线圈、保持线圈、回位弹簧、活动铁心和接触片等组成。其中，端子50接点火开关，通过点火开关再接电源；端子30直接接蓄电池正极；端子C与启动机内部励磁绕组相连。
图3-1-10 电磁开关结构
2.基本工作过程
电磁开关的工作过程要结合电路进行分析，主要的工作过程见启动系统控制电路。当启动电路接通后，保持线圈的电流经启动机端子50进入，经线圈后直接搭铁，吸引线圈的电流也经启动机端子50进入，但通过线圈后未直接搭铁，而是进入电动机的励磁线圈和电枢后再搭铁。两线圈通电后产生较强的电磁力，克服回位弹簧弹力使活动铁心移动，一方面通过拨叉带动驱动齿轮移向飞轮齿圈并与之啮合，另一方面推动接触片移向端子30和C的触点，在驱动齿轮与飞轮齿圈进入啮合后，接触片将两个主触点接通，使电动机通电运转。在驱动齿轮进入啮合之前，由于经过吸引线圈的电流经过了电动机，所以电动机在这个电流的作用下会产生缓慢旋转，以便于驱动齿轮与飞轮齿圈进入啮合。在两个主接线柱触点接通之后，蓄电池的电流直接通过主触点和接触片进入电动机，使电动机进入正常运转，此时通过吸引线圈的电路被短路，因此，吸引线圈中无电流通过，主触点接通的位置靠保持线圈来保持。发动机启动后，切断启动电路，保持线圈断电，在回位弹簧的作用下，活动铁心回位，切断了电动机的电路，同时也使驱动齿轮与飞轮齿圈脱离啮合。
二、启动机的分类
在各种启动机中，电动机部分一般没有本质的差别，而控制方法和传动机构的啮入方式则有很大差异，因此启动机是按控制方法和传动机构的啮入方式的不同来分类的。
按控制方法的不同，启动机可分为机械控制式和电磁控制式。
按传动机构啮入方式，启动机可分为惯性啮合式、强制啮合式、电枢移动式和同轴式启动机。
另外，还有磁极为永久磁铁的永磁式启动机，以及内装减速齿轮的减速启动机等，但一般来说，减速启动机大多都是永磁式的。
三、直流电动机的工作原理
直流电动机是根据载流导体在磁场中受到电磁力作用而发生运动的原理工作的。如图3-1-11所示，两片换向片分别与环状线圈的两端连接，电刷一端与两换向器片相接触，另一端分别接蓄电池的正极和负极。在环状线圈中电流的方向交替变化，由左手定则判断可知，环状线圈在电磁力矩作用下按顺时针方向连续转动。这样在电源连续对电动机供电时，其线圈就不停地按同一方向转动。
图3-1-11 直流电动机的工作原理
为了增大输出力矩并使运转均匀，实际的电动机中电枢采用多匝线圈，随线圈匝数的增多换向片的数量也要增多。
四、启动机的型号
根据中华人民共和国行业标准《汽车电气设备型号产品编制方法》QC/T 73—1993规定，启动机的规格型号如图3-1-12所示。
第1部分：启动机产品代号。启动机产品代号QD.QDJ、QDY分别表示常规启动机、减速启动机及永磁式启动机。
第2部分：电压等级代号。1表示12 V，2表示24 V，6表示6 V。
第3部分：功率等级代号，其含义如表3-1-1所示。
第4部分：设计序号。
第5部分：变形代号。
例如：QD124表示额定电压为12 V、功率为1～2 kW经过第四次设计的常规启动机。
图3-1-12 启动机的规格型号
表3-1-1 功率等级代号
五、启动系统控制电路(https://www.daowen.com)
启动系统控制电路指除启动机本身电路以外的启动电路。大体可以分为无启动继电器的控制电路、有启动继电器的控制电路和带组合继电器的控制电路。
（一）无启动继电器的控制电路
无启动继电器的控制电路如图3-1-13所示。点火开关接至启动挡时，电流的流向为：蓄电池正极→点火开关启动挡→端子50→吸引线圈→端子C→励磁绕组→电枢绕组→搭铁→蓄电池负极；同时，保持线圈中也通过电流：蓄电池正极→点火开关启动挡→端子50→保持线圈→搭铁→蓄电池负极。
此时，吸引线圈与保持线圈产生的磁场方向相同，在两线圈电磁吸力的作用下，活动铁心克服回位弹簧的弹力而被吸入。拨叉将启动驱动齿轮推出使其与飞轮齿圈啮合。
齿轮啮合后，接触盘将端子C与端子30接通，蓄电池便向励磁绕组和电枢绕组供电，产生正常的转矩，带动启动机转动。与此同时，吸引线圈被短路，齿轮的啮合位置由保持线圈的吸力来保持。
启动结束后，松开点火开关，此时，由于磁滞后与机械的滞后性，活动铁心不能立即复位，端子C与端子30仍保持接通状态，电流流向为：蓄电池正极→端子30→接触片→端子C→吸引线圈→端子50→保持线圈→搭铁→蓄电池负极。由于保持线圈与吸引线圈中电流方向相反，两个线圈中磁场相互抵消，在复位弹簧的作用下，活动铁心复位，驱动齿轮在拨叉的作用下退出啮合，端子30与端子C随之断开，电动机停转。启动机完成一次启动过程。
图3-1-13 无启动继电器的控制电路
（二）带启动继电器的控制电路
在电磁操纵式启动机的使用中，常通过启动继电器的触点接通或切断启动机电磁开关的电路控制启动机的工作，以保护启动开关。
（1）启动工作过程：启动开关未接通时，启动继电器触点张开，启动机开关断开，离合器驱动齿轮与飞轮处于分离状态。启动开关接通时，如图3-1-14所示。
启动继电器线圈电路接通，其电路为：蓄电池正极→点火开关4→启动继电器“点火开关”接线柱5→继电器线圈10→“搭铁”接线柱6→搭铁→蓄电池负极。
（2）电磁线圈电路接通。继电器触点9闭合，同时接通吸引线圈14和保持线圈15电路，两线圈产生同方向的磁场，磁化铁心，吸动活动铁心16前移，铁心前端带动接触盘13接通两个开关（启动机开关和附加电阻短路开关），后端带动拨叉18移动使驱动齿轮19与飞轮啮合。
吸引线圈电路：蓄电池正极→主接线柱3→启动继电器“电池”接线柱7、支架、触点9、“启动机”接线柱8→电磁开关接线柱12→吸引线圈14→主接线柱2→电动机磁场绕组→电枢绕组→搭铁→蓄电池负极。
保持线圈电路：蓄电池正极→主接线柱3→启动继电器“电池”接线柱7、支架、触点9、“启动机”接线柱8→电磁开关接线柱12→保持线圈15→搭铁→蓄电池负极。
图3-1-14 带启动继电器的控制电路
1—蓄电池；2，3—主接线柱；4—点火开关；5—“点火开关”接线柱；6—“搭铁”接线柱；7—“电池”接线柱； 8—“启动机”接线柱；9—触点；10—继电器线圈；11—吸引线圈接线柱；12—电磁开关接线柱； 13—接触盘；14—吸引线圈；15—保持线圈；16—活动铁心；17—回位弹簧；18—拨叉；19—驱动齿轮；20—导电片。
（3）电动机电路接通。接触盘13将电动机开关接线柱连通后，电动机电路接通。此电路电阻极小，电流可达几百安培，电动机产生较大转矩，带动飞轮转动。电动机开关接通后，吸引线圈和附加电阻被短路。
其电路为：蓄电池正极→主接线柱3→接触盘13→磁场绕组→电枢绕组→搭铁→蓄电池负极。
（4）启动开关断开。启动继电器停止工作，触点张开。启动继电器触点张开后电动机开关断开瞬间，保持线圈电流通路为：蓄电池正极→主接线柱3→接触盘13→主接线柱2→吸引线圈14→保持线圈15→搭铁→蓄电池负极。电磁开关内两个线圈磁场方向相反，磁场相互抵消，利用回位弹簧17，电动机开关断开，驱动齿轮19退出啮合，完成一次启动。
（三）带组合继电器的控制电路
为防止发动机启动以后启动电路再次接通，一些启动电路中安装了带有保护功能的组合式继电器，如图3-1-15所示。
组成：由启动继电器和保护继电器组合而成。启动继电器由点火开关控制，用来控制启动机电磁开关的电路，保护继电器与启动继电器配合，使启动电路具有自动保护功能，并可以控制充电指示灯。
工作过程：
（1）点火开关转至启动挡位时，启动继电器电磁铁线圈电路接通。其电路为：蓄电池正极→点火开关15→组合继电器接线柱“SW”→启动继电器线圈2→保护继电器常用触点3→搭铁→蓄电池负极。继电器常开触点1闭合，接通吸引线圈和保持线圈电流通路，启动机开始工作。
（2）发动机发动后，发电机建立电压，其中性点同时有一定数值的电压对保护继电器线圈4供电。其电路为：定子绕组→中性点N→组合继电器接线柱“N”→保护继电器线圈4→接线柱“E”→搭铁→正向导通二极管一定子绕组。
当中性点电压达到正常值后，线圈4通过电流使铁心产生吸力吸开触点3，切断启动继电器线圈2的电路，触点1张开，启动机停止工作。发动机正常工作后，若误接通启动开关，启动机也不会工作。因为此时，发电机已正常供电，中性点始终保持一定的电压值，使充电指示控制继电器触点总是处于张开状态，启动继电器触点不再闭合，启动机更不会工作，从而实现了对启动机的保护。
图3-1-15 带组合继电器的控制电路
1—继电器常开触点；2—启动继电器线圈；3—保护继电器常闭触点；4—保护继电器线圈；5—充电指示灯； 6—端子C；7—端子30；8—附加电阻短路开关接线柱；9—端子50；10—吸引线圈； 11—保持线圈；12—直流电动机；13—接触片；14—蓄电池；15—点火开关。
一些装有防盗系统的汽车，在启动机的控制电路中还串联有防盗继电器的触点，只有在防盗继电器触点闭合的前提下，启动机才可以通电运转。
知识测试
一、填空题
（1）按控制方法的不同，汽车用启动机可分为两种，即________和________。
（2）启动机主要由________、________和________三部分组成。
（3）启动瞬间，启动机的驱动齿轮的啮合位置是由电磁开关的________线圈的吸力保持。
（4）永磁式启动机中用永久磁铁替代常规启动机中的________。
二、判断题
（1）启动机一定有励磁绕组且与电枢绕组完全串联。 （ ）
（2）电磁操纵启动机单向离合器与电枢轴普遍用螺旋花键连接。 （ ）
（3）电磁操纵启动机均设计有铁心断电行程。 （ ）
（4）蓄电池搭铁极性接反，会造成普通电磁式启动机转子反转。 （ ）
（5）汽车启动机在全制动状态下，其输出转矩最大。 （ ）
（6）所谓启动机的全制动试验，是指当启动机检修后，检测其运转电压、电流是否符合规定。 （ ）
实训指导
一、实训任务
实训任务1 启动机的安装位置及型号识别
结合指定的蓄电池，小组合作完成实训任务的相关操作和学习要求。
（1）要求：根据实训指导的要求完成启动机安装位置及指定启动机的型号识别，同时完成实训指导的相关填写要求，每人至少完成1轮以上操作，遇到问题小组讨论、查询资料或咨询老师。
（2）完成时间：15 min。
实训任务2 启动机的主要部件识别及启动系统工作过程
结合指定的蓄电池，小组合作完成实训任务的相关操作和学习要求。
（1）要求：根据实训指导的要求完成指定启动机的主要部件识别及启动系统的工作过程，同时完成实训指导相关填写要求，遇到问题小组讨论、查询资料或咨询老师。
（2）完成时间：45 min。
实训任务1、实训任务2的安全操作流程：
（1）启动机安装位置识别。
（2）启动机的型号识别。
（3）启动机的主要部件识别。
（4）观察启动系统工作过程。
（5）7S管理。
二、实训准备
1.安全要求及注意事项
（1）严格遵守实训管理制度。
（2）严格遵守实训室安全操作规程。
2.场地检查
检查工作场地是否清洁及存在安全隐患，如不正常，请汇报老师并及时处理。
异常记录：_______________________________________________________________。
3.设备安全状况检查（需要/正常打√，不需要/不正常打×，并记录）
（1）检查车辆状况□、全车电气灯光示教板状况□、全车电气台架状况□。
异常记录：_______________________________________________________________。
（2）目视检查蓄电池外观□、充电机技术状况□。
异常记录：_______________________________________________________________。
4.其他准备
任意金属件、万用表、导线、毛巾、笔、白纸等。
三、实训操作指导
实训任务1 启动机的安装位置及型号识别
（1）查询资料并结合图3-1-16，写出启动机在车上的连接安装位置：____________________________________________________________________________________________。
图3-1-16 启动机的连接安装位置
（2）查找指定启动机的型号：__________________________________。
实训任务2 启动机的主要部件识别及启动系统工作过程
（1）启动机的主要部件识别。
①在指定启动机上找到其主要外部组件，在找到的部件后面打“√”：直流电机□，传动机构□，控制机构□。
②在指定试验桌上找到启动机的主要内部组件，在找到的部件后面打“√”：顶杆□，铁心□，吸引线圈□，保持线圈□，点火线圈接线柱□，主接线柱□，电刷□，前端盖□，电刷架□，护圈□，壳体□，磁场线圈□，电枢□，驱动齿轮□，后端盖□，单向离合器□，拨叉□，调整螺钉□。
（2）分小组进行示教板操作，演示启动系统工作过程，结合图3-1-17所示的启动机系统原理图完成表3-1-2（即在相应关键词处画√等），并叙述启动系统的工作过程。
（3）7S管理。
收拾清洁工具□，整理整顿场地□，清洁场地□，填写相关使用记录表□。
图3-1-17 无启动继电器的控制电路
表3-1-2 点火开关接通后启动机的工作情况表
思政点睛
1.通过本次课的学习，你掌握了哪些技能？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.为了更好地提升学习效率，你认为应该改进的措施有哪些？加强课前学习□，优化小组分工□，重视团队沟通□，用好工作页□，轮流操作□，重视小组讨论□，做笔记□，多和老师沟通□，用好网络资源□，其他方面□_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.通过本次课的学习，你认为对今后的就业有哪些帮助？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________