起动机的类型及工作过程（啮合弹簧的作用与铣齿原因）

常熟老吴

本文最早于2007.10发在《汽车电器》杂志网站论坛 由于目前许多汽车电器教材上，对起动机的工作过程讲的不是很正确，在实际使用中存在不少误区，因此在这里来个老调重弹。     起动机是汽车电器中最基本的部件，主要由直流电动机、传动啮合机构、开关三大部分组成。起动机与其它电机最大的区别是传动啮合机构，按啮合方式的不同，分以下三种。     1.惯性啮合的起动机。     2.强制啮合（强行啮合）的起动机。     3.柔性啮合（软啮合、缓啮合、二级啮合）的起动机。     惯性啮合的起动机只适合单缸小功率发动机，因此现在只有摩托车上才有应用。     强制啮合的起动机，是目前应用最多的起动机。其最主要的特征就是啮合机构中有啮合弹簧，大多数的啮合弹簧装在单向器上，微型车（长安、五菱等）用起动机，啮合弹簧装在抜叉上，还有一些小功率起动机的啮合弹簧装在电磁开关的活动铁芯内，例如桑塔纳用的减速起动机，近年生产的不少减速起动机，啮合弹簧装在拨叉支点位置。     强制啮合的起动机工作过程中，当电磁开关线圈通电，动铁芯拉动抜叉把驱动齿轮推向发动机的飞轮齿环时，会出现二种情况：     1.驱动齿轮的齿刚好对正飞轮齿环的槽，驱动齿轮非常容易地与飞轮齿环啮合，随后电磁开关触点接通，直流电机通电转动，带动发动机起动。其特点是齿轮先啮合，开关后接通。这个过程叫顺利啮合。     2.驱动齿轮的 齿刚好对正飞轮齿环的齿，即出现了顶齿情况，此时驱动齿轮被顶住停止前移。但由于电磁开关的吸力很大，动铁芯依然拉动拨叉，拔叉压缩啮合弹簧，使动铁芯继续运动，直至电磁开关触点接通，直流电机通电转动，当驱动齿轮转过一个很小的角度后，便叉开了顶齿位置，在啮合弹簧的作用下，与飞轮齿环啮合。其特点是开关触点先接通，齿轮后啮合，这个过程叫强制啮合。也就是在顶齿状态下强行啮合。     这里啮合弹簧起了关键作用，抜叉压缩啮合弹簧后，一方面使驱动齿轮压紧在飞轮齿环上，为驱动齿轮齿进入飞轮齿环的槽作准备，其二由于驱动齿轮压紧在飞轮齿环上，当电机转动时阻力很大，电机的初始转速不会很高，以便啮合。     如果啮合弹簧的压力不够，驱动齿轮就压不紧飞轮齿环，那么当电机转动时，因阻力小转速高，驱动齿轮的齿很快转过飞轮齿环的槽，而不进入与其啮合。此时驱动齿轮就顶在飞轮齿环端面高速旋转，发出难听的磨擦声，这就是铣齿故障，因为此时驱动齿轮象一把铣刀一样，在铣削飞轮齿环，故名。     铣齿故障是强制啮合起动机的常见病，其后果是飞轮齿环被铣坏，而不得不更换。从上述分析可知，铣齿的罪魁祸首，是啮合弹簧压力不够 。造成啮合弹簧压力不够的原因有二个：1是弹簧本身压力未达标，2是静止状态驱动齿轮与飞轮齿环之间的轴向距离太大。     那么要解决铣齿问题，就必须加大啮合弹簧的压力。对使用者来说一个行之有效的办法，就是缩小驱动齿轮与飞轮齿环之间的轴向距离。当你更换飞轮齿环时，用直径2mm的铁丝焊接做一个与飞轮齿环一样大的环，在飞轮上先装铁丝环，再装飞轮齿环，只有这样才能彻底解决2Kw以下起动机的铣齿问题，对2Kw以上起动机能延长飞轮齿环寿命。     由于起动机功率越大啮合弹簧的压力越大，强制啮合时驱动齿轮压紧在飞轮齿端部碾转，天长日久齿轮磨损不可避免，齿轮磨损后两齿轮之间的轴向距离增大，就有可能引发铣齿故障，铣齿一旦发生，齿轮的磨损急剧增加，两齿之间的轴向距离进一步加大，从而进入恶性循环，把啮合部位的飞轮齿完全铣坏。这就是许多车辆刚开始不铣齿，使用一段时间后铣齿越来越严重的原因。     目前的标准规定驱动齿轮与飞轮齿环之间的轴向距离为3--5mm，实践证明当该距离达到5mm时就容易引发铣齿故障，原因是啮合弾簧的压缩，是要等到驱动齿轮顶着飞轮齿环时才开始，那么驱动齿轮与飞轮齿环之间的距离越大，驱动齿轮的空行程越大，啮合弹簧的可压缩行程就越小，就造成压不紧飞轮齿环，铣齿就不可避免。因此最有效治理铣齿故障的方法，是缩小驱动齿轮与飞轮齿环之间的距离，把5mm间距变为3mm。但对功率较大的起动机，强制啮合时齿轮磨损不可避免，因此需采用可避免齿轮磨损的柔性啮合技术。     目前许多人由于受某些教材的误导，认为发生铣齿的原因是开关触点闭合过早，而采取一些推迟闭合的措施，例如盲目在电磁开关与起动机端盖之间加垫片，其意图是使动铁芯的行程增大，以此来推迟开关触点的闭合，效果还相当地好。但好景不长，又会旧病复发。如此调整几次后，无论如何调整也解决不了问题了，只好更换飞轮齿环。新换的飞轮齿环用一段时间后，还是会出现老毛病。     合格的起动机当电磁开关通电，驱动齿轮被拨叉拨出后，驱动齿轮与止推档圈之间，大约有1mm的间隙，这个间隙的作用是防止拨叉磨损。起动机在车上工作时，驱动齿轮在电枢轴上的螺旋花键作用下，会顶在止推档圈上转动，因原来是留有间隙的，现在这个间隙就到了拨叉与单向器后边之间了，也即拨叉不再抵在单向器的后边，与单向器是不接触的，拨叉就不会磨损。当在电磁开关与前端盖之间加垫片后，就把这个间隙消除了，从而使啮合弹簧的可压缩量增加了1mm左右，因压力增大铣齿故障暂时消失了，但起动机工作时，拨叉始终抵在单向器上很快就会磨损间隙重现，因此铣齿又出现了。     如果垫片加的过厚，还有可能使拨叉变形，从而破坏断电间隙，结果是发动机一旦不“着火”，起动机就无法停止工作。过厚的垫片还有可能造成动铁芯吸不到底，使开关动触点的超行程缩小或消失，将造成开关接触不良或发生熔焊粘连故障。     合格的起动机都有断电间隙，就是当驱动齿轮卡在飞轮齿环中不回位时，电磁开关的动铁芯依然能回复一定行程，保证触点能打开，切断起动机电源。     对驱动齿轮为何会卡在飞轮齿环中不回位，目前教材上的说法几乎都是错误的。     强制啮合的起动机其单向器与电枢轴之间是螺旋形花键动配合，可保证驱动齿轮与飞轮齿环全啮合，在强制啮合时，驱动齿轮与飞轮齿环只要啮合上一点点，驱动齿轮就被飞轮齿档住不转了，此时旋转的电枢轴在螺旋花键的作用下，把单向器往前推出，直至驱动齿轮碰到止推档圈，这时驱动齿轮才开始带动飞轮转动，也就是要在齿轮全啮合后才开始传递动力。     在此电枢轴的旋转有把单向器往前推的趋势，那么要使单向器后退的话，必须让单向器的转速超过电枢轴的转速，这就必须使发动机起动成功“着火”运转后，飞轮反带驱动齿轮，单向器才有了后退的条件。如果发动机没有起动成功，就不存在这个条件，驱动齿轮就卡在飞轮齿环中不回位。除非发动机已转的很灵活，靠惯性还能转一下。     驱动齿轮不回位后，将造成拨叉、电磁开关动铁芯不回位，从而造成触点打不开，起动机无法断电的现象。为了解决这个问题，在设计电磁开关时，就设置了断电间隙，有了断电间隙后，当驱动齿轮在啮合位置不回位时，电磁开关的动铁芯依然能回复一段距离而使触点打开，保证起动机能及时停下来。     断电间隙大都设置在动铁芯拉杆上，常见的是在拉杆上开长方形孔，拨叉端头插在孔中可来回移动一定距离，这个距离就是断电间隙，现在有不少动铁芯拉杆是圆杆两端大放拨叉的位置小，这个位置宽度一定大于拨叉宽度，其余量就是断电间隙，这种拨叉的上端呈丫状，有的起动机是把拨叉梢孔做成椭圆形的，作用相同。     起动发动机时，一旦起动失败，起动机又停不下来，原因不是开关触点烧结就是断电间隙没有了，断电间隙消失，一般都是维修下当、乱调整造成的。还有造成起动机不停机的原因，就是止推档圈坏了。     因此不要按目前教材上所谓调整起动机的方法去调整强制啮合的起动机，那些“砖家”、“教受”都在乱说。     下面就讲讲强制啮合起动机的调整方法。     调整的目的是保证拨叉防磨损间隙、断电间隙、驱动齿轮与飞轮齿环之间的轴向距离符合要求。        拨叉防磨损间隙，就是驱动齿轮被全部拨出后，驱动齿轮与止推档圈之间的距离，标准为1mm左右。不符者通过增减电磁开关与前端盖之间的垫片来解决。     具体方法是：给电磁开关线圈通电，让驱动齿轮移出来，用手推进驱动齿轮，此时驱动齿轮与止推挡圈之间应有1mm左右间隙。这个间隙大的话，可在电磁开关与前端盖之间加垫片，垫片厚度要小于该间隙，如果已没有间隙就要适当拿掉一些垫片，直至有间隙为止。     断电间隙是强制啮合起动机上一个非常重要的参数，常常被忽视、被人为破坏。把驱动齿轮拨出后，用工具卡住不让它回位，电磁开关线圈断电，此时电磁开关触点应该是打开的。如果触点还是接通的，就要检查动铁芯拉杆上的长方形孔是非被缩小，触点回位弹簧是否有问题，拨叉是否变形，电磁开关与前端盖之间的垫片是否太厚，止推挡圈卡簧是否掉落。     驱动齿轮与飞轮齿环之间的轴向距离（静止状态），是决定起动机是否铣齿的最主要参数，要求不大于3mm。对已发生铣齿故障，经测量该距离大于3mm的，就要想办法缩小它。如果飞轮齿环已严重损坏，那么在更换飞轮齿环时，先在飞轮上装铁丝环，再装上新飞轮齿环。如果飞轮齿环只是轻微磨损，对啮合弹簧在单向器上的，可用1--2mm厚的垫片把啮合弹簧压紧一点，对啮合弹簧不在单向器上的起动机，可把前端盖上车床，车去安装面1mm厚度即可，车的太多会影响强度。     强制啮合的起动机，不存在调整电磁开关闭合时间早晚的问题，这一点务必搞清楚。     需要调整开关闭合时间早晚的起动机，是用棘轮式单向器的。     接下来谈谈柔性啮合的起动机。     柔性啮合起动机的最大特点是当发生顶齿时，驱动齿轮会转动，从而能自动叉开顶齿，使齿轮始终处于顺利啮合状态，即始终让齿轮先啮合后，电磁开关触点才接通，起动机才真正开始工作。其优点是不会使齿轮磨损，更不会发生铣齿故障，因其啮合时比较柔和，故名柔性啮合。     目前使驱动齿轮在顶齿时转动的方法，有机械扭转与电动扭转二种。前者就是采用棘轮式单向器的起动机，后者就是可慢转的起动机。     采用棘轮式单向器的起动机，除了单向器外，其余与强制啮合的起动机相同。     对棘轮式单向器，许多人往往只知它的单向传动功能，而不一定知道其驱动齿轮扭转功能。这种单向器内有内外二个套筒，内套筒内壁上是直花键，与起动机电枢轴上的直花键动配合，内套筒外壁上是螺旋花键，与外套筒内壁上的螺旋花键动配合，外套筒前端通过棘轮齿与驱动齿轮结合。   当拨叉把单向器往前推出，发生顶齿时驱动齿轮被飞轮齿档住，不能继续前移，外套筒也不能继续前移，但内套筒压缩外套筒后面的弹簧后继续前移，这样内套筒外壁上的螺旋花键，作用于外套筒内壁上的螺旋花键，而使外套筒转过一个角度，让驱动齿轮叉开顶齿位置，而与飞轮齿环啮合，齿轮全啮合后，电磁开关触点才接通，起动机通电转动，带动发动机起动。     这种采用机械扭转驱动齿轮的方法，驱动齿轮转过的角度是固定不变的，在极端状态常常无法叉开顶齿而使起动失败，要重新起动，这是其最大缺点。     由于电枢轴与单向器的配合处是直花键，在发动机因故不点火而起动失败时，驱动齿轮也能退出啮合，因此断电间隙并不重要，这是它的优点之一。但驱动齿轮在与飞轮齿环开始啮合后，不能利用电枢轴的旋转，把驱动齿轮全部推出，而只能依靠拨叉把单向器全部推出后，驱动齿轮才能与飞轮齿环全啮合。因此这种起动机必须保证，驱动齿轮与飞轮齿环全啮合或接近全啮合后，电磁开关触点才能接通。否则会发生下列不良后果：     1.齿轮未啮合，开关触点接通，结果发生铣齿。     2.齿轮刚啮合，开关触点接通，结果齿被打断。     这都是开关触点接通时机太早造成的，因为这种起动机有个缺点，就是前述的在极端情况下，无法叉开顶齿，这种情况的发生率约在十分之一左右，而许多使用者也包括某些生产厂，以为起动机有故障，就把开关触点接通时机调前，确实开关触点越是早接通，似乎无法叉开顶齿的情况就越少，但却会带来齿被打断的问题。因为齿轮刚啮合开关触点就接通使起动机转起来后，驱动齿轮就不会再向前移动了，由于二齿相互啮合的长度很小，而起动力矩未变，齿轮承受不了大力矩而断裂。     而这种情况在强制啮合的起动机上是不会产生的，因其电枢轴与单向器之间是螺旋花键，齿轮只要啮合上，在螺旋花键的作用下，就一定会前移到全啮合状态后才开始传递转矩。     这也是强制啮合的起动机电枢轴前端有止推档圈，而用棘轮式单向器的起动机没有止推档圈之原因，因为后者不需要“止推”。     这种起动机一定要调整到使齿轮先啮合，而且要达到全啮合或接近全啮合后，电磁开关触点才能接通。     而强制啮合的起动机大多工作在开关触点先接通，齿轮后啮合状态。     目前不少人把调整这种起动机的方法用到了强制啮合的起动机上（是受目前的教材误导而把这二种起动机混为一谈了），从而走入误区，结果却又不知如何调整这种用棘轮式单向器的起动机了。     电动扭转驱动齿轮的起动机     这种起动机有二种转速，在驱动齿轮推出阶段以低速慢转，以便随时叉开顶齿，当齿轮啮合后才高速全功率运转，带动发动机起动，因此又称为可慢转的起动机，这类起动机一般都不用啮合弹簧。又因啮合过程是先慢转，啮合后才高速运转，分二步进行，故又叫二级啮合。     这类起动机中最典型的代表，是齿轮移动式起动机，这种起动机采用复励式直流电动机，其磁场由主绕组与副绕组（慢转绕组）组成。主绕组起串励作用，副绕组在齿轮啮合前起串励作用，齿轮啮合后起并励作用，以便限制空载转速。     当起动机的50接柱通上电源后，起动机内的起动继电器线圈与联动（推动）继电器的保持线圈通电，起动继电器的小触点分别接通副磁场绕组与联动继电器的吸引线圈电源，起动机开始慢转并把驱动齿轮推出，齿轮啮合后，联动继电器打开起动继电器的大触点锁止机构，使大触点闭合，接通主磁场绕组的电源，使起动机全功率运转，同时联动继电器的一对小触点动作，把副磁场绕组从串励状态转换到并励状态。     这种起动机结构非常复杂，体积大、成本高，又无法减速化，因此将逐渐被有柔性啮合功能的减速型起动机替代，齿轮移动式起动机被淘汰是必然趋势。     普通的减速型起动机是强制啮合的，在此要讲的是有柔性啮合功能，即可慢转的减速型起动机。这其中最有代表性的是三菱型大功率减速起动机。     这种起动机的最大特点是，电磁开关中吸引线圈与保持线圈匝数不等，吸引线圈减少了匝数增大了截面，以仿制三菱的2810系列为例：吸引线圈线径1.5mm，绕165匝，保持线圈绕190匝，从而使吸引线圈的工作电流增大，再配上一个大功率起动继电器。当电磁开关线圈通电，吸引线圈的电流通过起动机绕组，使起动机慢转，同时电磁开关的动铁芯拉动拨叉把驱动齿轮推出，齿轮啮合后，电磁开关触点接通，起动机全功率运转。     但由于吸引线圈的匝数不能无限减少，否则会带来电磁开关断电不释放的问题，而使起动机无法停止工作。所以吸引线圈减少的匝数是有限的，因此增大的电流也是有限的，只能达到起动机空载电流的1.4倍左右。当起动机使用日久，一方面转动部件润滑变差阻力会增大，另一方面线路老化电阻增大、电瓶容量下降内阻增大，使慢转电流减小，起动机就不能慢转了，起动时就会发生顶齿故障。因此有些企业要求连接起动继电器与电磁开关之间的导线截面不小于6平方，有些企业仿制这种起动机时依然采用啮合弹簧，当不能慢转时就进行强制啮合，这是其最大缺点，因为保留啮合弹簧的后果，就有可能引发铣齿故障。     目前国内生产的大功率减速型起动机，基本上都属于这一类型。严格来说这只能算准柔性啮合的起动机。     但三菱原厂的起动机同样不用啮合弹簧，却能做到不顶齿，这由严格的工艺要求决定，因国内制造工艺粗糙，原材料品质不同等因素影响，仿制的三菱起动机达不到三菱公司的性能要求，故而出现顶齿故障，不能保证百分之百啮合成功，解决方法只有增大慢转电流，以弥补制造工艺粗糙转动阻力大的不足。     博世新型大功率减速起动机     近年的潍柴发动机上，装用了博世新型减速起动机，这也是一种柔性啮合的起动机，其最大特点也在电磁开关上，电磁开关中除了一对常开型大触点外，还有一对常闭触点，常闭触点与常开触点共用动触点（接触桥），以及一个用康铜丝绕成的限流电阻，电阻值约0.1欧姆。同样也要配一个大功率起动继电器，当起动继电器工作后，电流一路通过电磁开关线圈，另一路通过常闭触点、限流电阻、起动机绕组，使起动机慢转，同时电磁开关动铁芯拉动拨叉把驱动齿轮推出，齿轮啮合后，常开触点接通，起动机全功率运转，同时常闭触点断开，切除限流电阻。     由于起动机的慢转电流由限流电阻提供，限流电阻可根据起动机对慢转电流的要求任意选择，不受其它因素限制，因此可使慢转电流增大。从而使起动机的慢转不应转动阻力增大时消失，保证柔性啮合成功。缺点是电磁开关中多了一对常闭触点与一个限流电阻，使成本增加。另外采用了单线圈方案，一个线圈兼有吸引与保持功能，从而造成释放电压很低，实际上没有这个必要，反而使线圈用铜量增加。     但实际使用中用户反映依然会有一些博世起动机发生铣齿故障，这与其保留啮合弹簧有关（它的啮合弹簧设置在电磁开关动铁芯的拉杆套筒内）。笔者通过大量的试验及多年的实际应用证明，柔性啮合的起动机如果保留啮合弹簧，当起动机齿轮与飞轮齿环的轴向距离达到标准的上限值时，就会发生铣齿故障，从而失去了柔性啮合的意义。博世这种起动机如要彻底解决铣齿问题，只有去掉啮合弹簧或限制它的压缩行程。     依斯克拉大功率减速起动机     依斯克拉配套重汽斯太尔的起动机，基本结构与三菱起动机相似，只是采用更大线径（1.9mm）的漆包线绕电磁开关的吸引线圈，且匝数减少近一半，只绕100匝。可提供空载电流2.8倍的慢转电流，保证了慢转不因转动阻力增大而消失。这样做虽然增大了慢转电流，但给保持线圈带来了麻烦，为了保证断电释放，保持线圈也只能绕100匝，如果采用较细线径的漆包线绕制保持线圈，100匝达不到释放电压的要求，只能采用较大一点的线径，但这样又带来线圈电流密度过高，容易过热烧坏的缺点，因此来了个折中方法，保持线圈先绕130匝后，再反绕30匝，使有效匝数依然是100匝，与吸引线圈相等。其缺点是电磁开关线圈用铜量大增，使成本上升。而且保持线圈的电流密度依然偏高，容易过热损坏。佩特莱起动机与此类似，例如M93R起动机的慢转电流也是空载电流的2.8倍，电磁开关吸引线圈用线径1.88mm漆包线绕130匝，保持线圈用线径0.59mm漆包线也绕130匝，保持线圈的电流密度达到了每平方毫米70安培，而一般的起动机，电磁开关保持线圈的电流密度在每平方毫米50安培以内。     最新发明的柔性啮合的起动机     新发明的起动机解决了电磁开关吸引线圈既要提供足够的慢转电流又能保证断电释放的难题。因此保持了结构简单的特点，又保证达到真正的柔性啮合，还收到了降低成本的效果。     三菱型起动机的慢转电流受电磁开关吸引线圈匝数的限制，只能达到空载电流的1.4倍左右，而要真正达到柔性啮合，以国内的制造工艺水平，慢转电流要达到空载电流的2.5倍以上，这是通过N次试验及多年的实际应用探索得出的结论。那么增大慢转电流后是否又会发生铣齿呢？经试验把慢转电流增大到空载电流的3倍也不会铣齿，因此这种担心是多余的。     在保持电磁开关吸力不变的情况下，要增大吸引线圈的工作电流，势必要减少其匝数，而通常吸引线圈的匝数又不能无限减少。如采用依斯克拉与佩特莱的方案，电磁开关用铜量增加，成本上升。     但当把吸引线圈与保持线圈的首端分开后，吸引线圈的匝数就可任意变化了。因此可以根据慢转电流的要求，来确定它的匝数，而不增加电磁开关的吸力。经计算试验并实际使用，起动机的慢转电流完全满足要求，吸引线圈只需绕60匝左右即可，这样每只电磁开关可降低成本5-10元。     电磁开关中的二个线圈分开后，控制它就需要二路线了，最简单的方法是采用双触点起动继电器，二个触点分别控制吸引线圈与保持线圈。     也可利用汽车上的起动继电器或钥匙开关的起动档来控制保持线圈，用起动机自带的大功率起动继电器来控制吸引线圈，具体接线是把电磁开关的保持线圈与大功率起动继电器的线圈并联，当钥匙开关转至起动档（ST），大功率起动继电器线圈与电磁开关保持线圈同时通电，继电器吸合触点接通，电磁开关吸引线圈通电，其工作电流使起动机慢转，同时使电磁开关吸合，齿轮啮合后，电磁开关触点接通，吸引线圈被短接，并使起动机全功率运转。     新发明起动机的主要特征，就是把电磁开关中的吸引线圈与保持线圈的首端分开，从而使吸引线圈可提供保证起动机慢转的大电流，又能保证断电释放。达到了结构简单、成本降低、能真正柔性啮合不顶齿、不铣齿的效果，可以说是目前的最先进水平。许多原来严重铣齿的车辆，采用该技术改造后都解决了问题，例如有一辆轻卡搭载的是490柴油机，因严重铣齿更换了飞轮齿环与减速起动机（24V4.5Kw），但使用不到3个月又发生铣齿故障，每次起动都要重复几次才能起动成功，测量驱动齿轮与飞轮齿环之间的轴向距离达8mm，不铣齿才怪呢。后经重绕电磁开关吸引线圈（取线经1mm漆包线绕60匝）、配上大功率起动继电器并去掉啮合弹簧后问题才解决，现已使用一年多没有铣齿。     柔性啮合的起动机，因可以避免铣齿，是中、大功率起动机的发展趋势，而强制啮合技术今后只会在小功率起动机上应用。     全文终于写完，其中之观点有些与众不同，如有不当之处敬请指正，有何问题也请提出，我们来共同探讨。     联系信箱wujiangang-wjg@163.com

常熟老吴

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江柳婷

太复杂了    脑子都给看迷糊去  还是看图好