汽車啟動系統空載性能,結構試驗臺

摘要本文在深學習汽車啟動機的組成，工作原理的基礎上，對啟動機各線路進行改造，模擬啟動機的各種操作實驗。最終設計了汽車啟動機空載性能/結構實驗臺。為了教學而設計的汽車啟動機空載性能/結構實驗臺，解決了教學需要與教學條件的不足之間的矛盾，并且能使學生更加直觀的認識和掌握汽車啟動機的基本組成和工作原理。有利于提高學生的操作技能，提高學習效率和教學效果。關鍵詞：汽車起動機基本組成工作原理Abstract:Basedonthedeepstudyofautomotivestarter,workingontheprincipleofthestarterlineforeachtransformationexperimentstartedsimulatevariousoperatingmachines.Thefinaldesignofthecarstarterloadperformance/architecturebench.Designedforteachingloadperformancecarstarter/benchstructuretosolvethecontradictionbetweentheneedsofteachingandteachingconditionsbetweeninadequateandmakestudentsmoreintuitiveunderstandingandgraspthebasicprinciplesofcompositionandthecarstartedworkingmachine.Helptoimprovestudents'skills,improvelearningefficiencyandeffectivenessofteaching.Keywords:automotivestarterbasiccompositionworks目錄引言： 42汽車啟動機結構組成及工作原理 42.1汽車啟動機的結構 42.2汽車起動機的傳動機構 52.3汽車起動機的基本原理 63汽車啟動機電路組成與工作原理 63.1啟動電路介紹 63.2啟動電路的組成 63.2.1啟動系統的主電路 63.2.2啟動保護電路 73.3啟動電路的工作原理 74汽車啟動機的工作原理及特性分析 74.1汽車起動機的工作原理分析 84.2汽車起動機的工作特性分析 104.2.1轉矩特性 104.2.2轉速特性 114.2.3功率特性 125汽車啟動機空載性能/結構實驗臺的設計 135.1實驗臺的總體布局 135.2實驗臺的框架，底座，面板設計 145.2.1實驗臺的框架設計 145.2.2實驗臺的底座設計 155.2.3實驗臺的面板設計 185.3實驗臺電路設計 185.3.1實驗臺空載性能實驗電路 195.3.2吸引線圈實驗電路 205.3.3保持線圈實驗電路 225.3.3控制電路 235.3.4實驗臺測試電路 256結論以及展望 266.1結論 266.2展望 267.0汽車啟動馬達空載性能/結構實驗臺圖片展示 26鳴謝： 27參考文獻： 27引言：汽車起動機是汽車啟動系統的關鍵部件，它通過將蓄電池的電能轉化為機械能，克服發(fā)動機阻力，使靜止狀態(tài)的發(fā)動機發(fā)動起來，帶動曲軸使汽車能夠進入正常運行。因此，其性能將直接影響汽車整車的啟動和使用性能。汽車起動機同時又是一個有一定技術含量的機電一體化部件，其內部包括一個串激式直流電動機，傳動機構和控制裝置等。由于啟動機的工作環(huán)境差，功能重要故在汽車啟動系統中屬于相當重要的一環(huán)。隨著科學技術的不斷發(fā)展，汽車啟動機的結構勢必越來越復雜實用，這就對汽車設計，維修等相關人員提出了新的更高的要求。因此，汽車啟動機相關的教學實驗臺在教學中的使用顯得越來越重要。2汽車啟動機結構組成及工作原理2.1汽車啟動機的結構(1)直流電動機；其作用是產生可以帶動齒環(huán)的轉矩。(2)傳動機構；其作用是：在發(fā)動機起動時，使起動機驅動齒輪嚙入飛輪齒環(huán)，將起動機轉矩傳給發(fā)動機曲軸；而在發(fā)動機起動后．使驅動齒輪打滑與飛輪齒環(huán)自動脫開。(3)控制機構；用來接通和切斷起動機與蓄電池之間的電路。在有些汽車上，還具有接入和隔除點火線圈附加電阻的作用。2.2汽車起動機的傳動機構傳動機構的作用啟動的傳動機構安裝在電動機電樞的延長軸上，用來在啟動發(fā)動機時將驅動齒輪與電樞軸連成一體，使發(fā)電機啟動。發(fā)動機啟動后，飛輪轉速提高，它將帶著驅動齒輪高速旋轉，會使電樞軸因超速旋轉而損壞。因此，在發(fā)動機啟動后驅動齒輪的轉速超過電樞軸的正常轉速時，傳動機構應使驅動齒輪與電樞軸自動脫開，防止電動機超速。為此，啟動機的傳動機構中必須有超速保護裝置。傳動機構的類型車用起動機的傳動機構也稱為嚙合機構，有如下類型：（1）慣性嚙合式傳動機構（2）強制嚙合式傳動機構（3）電樞移動式嚙合機構性嚙合式傳動機構接通點火開關啟動發(fā)動機時，驅動齒輪靠慣性力的作用，沿電樞軸移除與飛輪嚙合，使發(fā)動機啟動；發(fā)動機啟動后，當飛輪的轉速超過電樞軸轉速時，驅動齒輪靠慣性力的作用退回，脫離與飛輪的嚙合，防止電機超速。這種啟動機工作可靠性差．現代汽車已很少使用。電樞移動式啟動機。接通點火開關啟動發(fā)動機時，驅動齒輪靠杠桿機構的作用沿電樞軸移出與飛輪環(huán)齒嚙合，使發(fā)動機啟動；發(fā)動機啟動后，切斷啟動開關，外力的作用消除后，驅動齒輪在復位彈簧的作用下退回，脫離與飛輪環(huán)齒的嚙合。這種啟動機結構復雜，僅用于一些大功率柴油車上。強制嚙合式啟動機。啟動機不工作時，起動機的電樞與磁極錯開。接通起動開關起動發(fā)動機時，在磁極磁力的作用下，整個電樞連同驅動齒輪移動與磁極對齊的同時，驅動齒輪與飛輪環(huán)齒嚙合。發(fā)動機啟動后，切斷啟動開關，磁極退磁，電樞軸連同驅動輪退回，脫離與飛輪的嚙合。這種啟動機結構簡單、工作可靠、操作方便，所以被現代汽車廣泛采用。2.3汽車起動機的基本原理大體上說，起動機用三個部件來實現整個起動過程。直流電動機引入來自蓄電池的電流并且使起動機的驅動齒輪產生機械運動；傳動機構將驅動齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時能夠在發(fā)動機起動后自動脫開；起動機電路的通斷則由一個電磁開關來控制。其中，電動機是起動機內部的主要部件，它的工作原理就是我們在初中物理中所接觸到的以安培定律為基礎的能量的轉化過程，即通電導體在磁場中受力的作用。電動機包括必要的電樞、換向器、磁極、電刷、軸承和外殼等部件。3汽車啟動機電路組成與工作原理3.1啟動電路介紹對于不同的啟動機來說，啟動系統電路的正常工作非常重要，啟動系統的電路可以分為啟動系統主電路，啟動保護電路，啟動控制電路，雙電源電壓轉換電路以及帶預熱裝置的電路。3.2啟動電路的組成3.2.1啟動系統的主電路啟動機需要通過大電流才能發(fā)出足以啟動發(fā)動機的轉矩。啟動機的主電路即啟動電路中通過大電流的電路。3.2.2啟動保護電路發(fā)動機啟動后，若駕駛員沒有斷開點火開關的啟動檔，或者發(fā)動機進入啟動狀態(tài)后由于誤操作又使啟動擋開關接通。就會造成啟動機中的小齒輪與正在運動的環(huán)齒輪造成碰撞，引起損壞。為了防止這種誤操作，在啟動電路中增加了保護裝置，保證不會發(fā)生此類故障。3.3啟動電路的工作原理圖1圖1所示為啟動機電磁操縱機構電路圖，當啟動開關11接通時，電流由50端子和30端子進入，此時5吸引線圈，6保持線圈均有電流通過，電流通過吸引線圈進入電動機接線柱電動機通電。由于吸引線圈的電磁作用使得7鐵心被吸回9小齒輪被頂出，接通了3起動機蓄電池接線柱，吸引線圈被短路。電流此時分為兩個通路，一個為經過保持線圈接地，一個直接進入電動機使電動機正常運轉。完成了啟動機的工作過程，帶動齒圈旋轉。4汽車啟動機的工作原理及特性分析4.1汽車起動機的工作原理分析起動機的工作原理可以通過其主要部件直流電動機的工作原理來說明。直流電動機是將電能轉變?yōu)闄C械能的設備，它是根據帶電導體在磁場中受到電磁力作用的這一原理為基礎而制成的。如圖2所示。電動機的電刷與直流電源相接，電流由正電刷和換向片AB和負電刷流出，此時繞組中的電流方向為ab,按左手定則可確定導線ad受到向左的電流力F。導線cd受到向右的電磁力F，從而使整個線圈受到逆時針方向的轉矩而轉動。當電樞轉過半周時，換向片B與正電刷相接觸，換向片A與負電刷相接觸，線圈電流的方向改變?yōu)橛蒬a，因而在N極和S極下面導體中的電流方向保持不變，電磁轉矩的方向也就不變，使電樞仍按原來的逆時針方向繼續(xù)轉動。

圖5由此可見，直流電動機的換向器保證電樞所產生的電磁力矩的方向保持不變，使其產生定向轉動。但實際的直流電動機為產生足夠大且轉速穩(wěn)定的電磁力矩，其電樞由多匝線圈構成，換向器的銅片也相應增加。根據安培定律，可以推導出直流電動機通電后所產生的電磁轉矩M與磁極的磁通量Ф及電樞電流Is之間的關系為:式中，為電動機結構常數。根據上述與原理分析，電樞在電磁力矩M作用下產生轉動，由于繞組在轉動同時切割磁力線而產生感應電動勢，并根據右手定則判定其方向與電樞電流Is的方向相反，故稱反電動勢。反電動勢的大小與磁極的磁通量和電樞的轉速n成正比。C——系數（常數）；

N——為發(fā)動機轉數；——為磁極磁通；由此可推出電樞回路的電壓方程，即：

——電樞繞組電阻U

——起動機外加電壓；

——激磁繞組電阻；

——電樞電流。在直流電動機剛接通電源的瞬間，電樞轉速n為0，電樞反電動勢Ef也為0，此時，電樞繞組中的電流達到最大值，電樞產生最大電磁轉矩。若此時的電磁轉矩大于發(fā)動機的阻力矩，電樞就開始加速轉動起來。隨著電樞轉速的上升，Ef增大，電樞電流下降，電磁轉矩M也就隨之下降，直至M與阻力矩相等為止。可見，當負載變化時，電動機能通過轉速、電流和轉矩的自動變化來滿足負載的需要，使之在新轉速下穩(wěn)定工作，因此直流電動機具有自動調節(jié)轉矩功能。4.2汽車起動機的工作特性分析車用啟動機多采用串激式直流電動機，其原理電路如圖6所示圖64.2.1轉矩特性對于串激式直流電動機，其磁場電流Ij與電樞電流Is相同，并且磁極未飽和時，磁通Φ與電樞電流成正比，即C2為常數，串激式直流電機的轉矩可表示：由此可知,在磁路未飽和時，直流串激式電動機的轉矩與電樞電流的平方成正比。但是當此路飽和后磁極磁通量幾乎不變，此時電磁轉矩與電樞電流成直線關系。在發(fā)起動發(fā)動機的瞬間，由于發(fā)動機的阻力矩很大，發(fā)動機處于完全制動狀態(tài)下，由于轉速為零反電動勢為零。此時電樞電流達到最大值(稱為制動電流)，電動機產生最大轉矩（稱為制動轉矩），從而使起動機易于發(fā)生起動發(fā)動機，這就是汽車上采用串激直流電動機的主要原因。圖7直流串激式電動機轉矩特性4.2.2轉速特性根據原理電路圖可以列出：式中Rd—連接導線電阻R0—蓄電池內阻--電樞接觸電壓降根據Ef=Cnψ，可求得電動機的轉速為由此可知，當電動機的電樞電流Is增加時，電壓降IsΣR隨之增加。

在磁路未飽和的情況下，磁通φ也隨之增加，電動機的轉速雖IsΣR和ψ的增加而急劇下降。因此，直流串激電動機具有在輕載時，電樞電流IS小，轉速高；而在重載時，電樞電流Is大，轉速低的軟機械特性，能保證發(fā)動機既安全又可靠地起動，這是汽車上采用直流串激式電動機的主要原因之一。但由于其在輕載和空載時轉速很高，容易造成“飛車”現象，因此對于功率較大的直流串激電動機來說不可在輕載或空載下長時間運轉。圖8直流串激式電動機轉速特性4.2.3功率特性啟動機的輸出功率P可以通過測量電樞軸上的輸出轉矩M和電樞的轉速n來確定。啟動機在全制動（n=0）和空載（M=0）時，其輸出功率均為0，而在Is接近全制動電流一半時其輸出電流最大。啟動機工作時間短暫，所以允許在最大功率狀態(tài)下工作，啟動機的額定功率一般也就是電動機的最大功率或接近于最大功率，其特性曲線由圖可知：圖9直流串激式電動機功率特性完全制動時，相當于啟動機剛剛接通的瞬間，n=0，電樞電流最大（稱為制動電流），轉矩也達到最大值（稱為制動轉矩），但輸出功率為0.（2）啟動機空載時電流最小（稱為空載電流）但轉速達到最大值（稱為空載轉速），輸出功率也為0（3）在電流接近制動電流的一半時，啟動機功率最大。生產中通過空載和全制動兩項實驗來檢查起動機的技術狀況，以判定其制造或維修質量。5汽車啟動機空載性能/結構實驗臺的設計5.1實驗臺的總體布局實驗臺總長1500mm，總寬150mm，總高為900mm。實驗臺離地面1050mm，整體臺架使用不銹鋼制作，面板上固定啟動機零件的直角支撐板用鋁片制作。支撐架采用焊接成型，焊接完成后進行打磨拋光等工藝。實驗臺面板上各元件都標出了其名稱并繪有彩色電路圖，采用高強度高粘性的噴繪底膜材料，不易脫落掉色，在電路圖重點部分采用發(fā)光二極管來突出重點線路，學員可以直觀對照電路圖和實物，認識和分析汽車啟動機的結構和工作原理。面板上有一個啟動機實物，有一個拆卸了的啟動機，將其零件部分剖開分布在面板上，面板上還有一些測試孔可以直接由面板上的電壓表電流表測出對應電路的電壓，電流。在啟動機實物上裝有一個小磁鐵，對應面板的位置放置了一個霍爾傳感器以測出電動機在空載運行時的轉速。啟動機實驗包含的三個單獨實驗：空載實驗、吸引實驗、回位實驗。分別對應在面板上有三個開關來分別控制這三個實驗。5.2實驗臺的框架，底座，面板設計5.2.1實驗臺的框架設計實驗臺的框架采用將2.0mm厚的不銹鋼板經過裁斷，壓折而成。如圖10圖10將四段處理好的框體進行切割，焊接。最終制成支撐面板的框體，如圖11。圖11箱體的總長度為1500mm，總寬度為150mm，總高度為900mm。面板長度為1400mm，高度為800mm，厚度為2.5mm。此設計的大小使人站在面板前0.5-3米處可以將整個面板的情況看的很清晰，符合人機工程學。采用的不銹鋼0Cr18Ni9的硬度不大于HBW201、HRB92、HV210，是符合設計要求的?？煽啃詾?.998，完全可靠。箱體與面板之間的連接采用螺栓螺母連接。強度足夠。在框體兩側的孔洞為框體與底座的連接處，采用M10的螺栓螺母連接。5.2.2實驗臺的底座設計實驗臺的底座采用38*38cm，1.5mm厚的不銹鋼方管型材經過切割，焊接而成。如圖12。圖12底座的高度為1300mm，寬度為1508mm。對比框體寬度1500mm預留出來的8mm是為了在框體兩側放置兩個舉升器，從而可以使面板豎直/水平放置。底座采用38*38標準不銹鋼方管焊接而成，能承重800KG，面板加框體的重量為80KG，所以強度足夠。將框體放置在底座上，在豎直狀態(tài)下，面板的高度為1630mm，水平狀態(tài)下為1050mm，該實驗臺的主要使用狀態(tài)為水平狀態(tài)。我國人口的平均身高為170cm，見圖13故該實驗臺在水平狀態(tài)下符合大多數人的使用。圖13圖14為實驗臺水平狀態(tài)，圖15為實驗臺豎直狀態(tài)。圖14圖15在上課使用的時候，可以將面板調成水平狀態(tài)，此狀態(tài)下，學員可以更方便的觀察啟動機的工作過程，工作原理。在平時不使用該實驗臺的時候，可以將框體調節(jié)成豎直狀態(tài)，這樣大大的節(jié)省了實驗臺所占用的空間。在底座的下方還安裝了四個腳輪，其中兩個萬向無剎車腳輪，兩個萬向帶剎車的腳輪，這樣方便于對實驗臺位置移動的控制。5.2.3實驗臺的面板設計實驗臺面板的長度為1400mm，寬度為800mm，厚度為2.5mm。使用鋁塑板切割，印刷制成。圖16為設計圖圖165.3實驗臺電路設計實驗臺的電路分為五個部分，對應可以實現三種不同實驗，分別是空載性能實驗，吸引線圈實驗，保持線圈實驗。其余兩個部分為輔助電路，分別是控制電路，輔助測試電路。5.3.1實驗臺空載性能實驗電路空載性能實驗電路是為了完成汽車啟動馬達的空載性能實驗而設計的電路。啟動馬達在空載啟動時，電流走向為：50端子—吸引線圈—電機開關C端子—磁場線圈—正電刷—電樞線圈—負電刷—搭鐵—蓄電池負極蓄電池正極30端子—觸盤—電機開關C端子—磁場線圈—正電刷—電樞線圈—負電刷—搭鐵—蓄電池負極。圖17為銜鐵未被吸回時電流走向（紅色）圖17圖18為銜鐵被吸回時，吸引線圈被短路后電流的走向。圖18電流經過50端子，30端子，分別流經電動機，保持線圈，由搭鐵流回負極。此時啟動電機的工作狀態(tài)為吸引線圈，將銜鐵吸回，通過撥叉將齒輪撥出，電機為齒輪提供轉矩，齒輪開始旋轉。此狀態(tài)下電機通過電流最大，功率最小，扭矩為0。5.3.2吸引線圈實驗電路吸引線圈電路是為了完成汽車啟動馬達吸引實驗而設計的電路，啟動馬達吸引實驗啟動時，電流走向為：蓄電池正極保險絲點火開關電磁開關50端子吸引線圈電機開關C端子磁場線圈（也叫勵磁線圈）正電刷電樞線圈負電刷—搭鐵蓄電池負極進行吸引實驗時應先將電機開關（C端子與電機開關連接處）斷開，否則電流會經過30端子，50端子，由C端子流出，而此時C端子正與負極連接會出現短路的情況。為了避免這種情況應先確定電機開關是否關閉，再進行實驗。圖19紅色部分為吸引實驗時電流走向。-圖19由圖中可以看出，如若此時給30端子接通正極，電流會直接由30端子流入搭鐵從而回到負極，將電源短路。圖20綠色部分為假若不關閉電機開關電流走向。圖20為了避免這種短路的現象，設計者在控制電路中設計了一個以一條電路分別控制一個常開繼電器，一個常閉繼電器的電路，避免了這個問題，后面會詳細介紹一下控制電路。5.3.3保持線圈實驗電路保持線圈實驗電路是為了完成汽車啟動馬達保持實驗而設計的電路，當啟動保持線圈實驗時，電流的走向為：蓄電池正極—保險絲—點火開關（啟動檔）--電磁開關50端子—保持線圈—搭鐵—蓄電池負極進行保持實驗時應先打開吸引線圈開關使銜鐵吸回，此時關閉吸引線圈開關，銜鐵并沒有在回位彈簧的作用下回位，即保持線圈起到的作用，使銜鐵保持在當前的位置，將齒輪保持在頂出的狀態(tài)，完成保持實驗。圖21中紅色部分為保持實驗時電流的走向。圖21當銜鐵處于吸回狀態(tài)時，進入到保持線圈的磁場，保持線圈才可以將銜鐵吸住并且固定在當前的位置，如果銜鐵不處于吸回狀態(tài)，接觸不到保持線圈的磁場，此時將50端子接電源正極，搭鐵處接電源負極，正極處出現火花而啟動機無反應，就是因為這個原因。將保持實驗與整個實驗臺的控制電路連接在一起會因為整個框體與啟動機搭鐵連接而無法斷開搭鐵，從而無法實現保持線圈實驗。為了實現保持線圈實驗，設計者采用絕緣材料來支撐啟動馬達，解決了這個問題，后面會詳細介紹。5.3.3控制電路因為啟動機運行時電流較大，無法將開關，指示燈等電路元件直接安裝在主電路中（會導致電路元件損壞）。為了解決這個問題，設計了整個實驗臺的控制電路。控制電路由開關，LED燈管，指示燈，繼電器組成。繼電器的功能：繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，廣泛應用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設備中，是最重要的控制元件之一。繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應機構（輸入部分）；有能對被控電路實現“通”、“斷”控制的執(zhí)行機構（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進行驅動的中間機構（驅動部分）。作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用：1）擴大控制范圍：例如，多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。2）放大：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。3）綜合信號：例如，當多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經過比較綜合，達到預定的控制效果。4）自動、遙控、監(jiān)測：例如，自動裝置上的繼電器與