西游记之盘丝洞童话村:电磁控制强制啮合式起动机的是与非()

  转载说明：这是我见到的起动机方面最高水平的文章，是2009全国技工教育和职业培训优秀教研成果评选活动参评论文。但不知作者是何方神圣？虽然作者的观点几乎都来自参考资料，但明显已消化吸收，不同于那些拼凑性文章。看得出作者阅读了大量资料，几乎把国内公开出版及网上发布的有关起动机方面的资料看了个遍，并亲自做了试验，因此这篇文章已是青出于蓝而胜于蓝。目前无论是大学、中专还是技校的汽车电器教材，一些极其基础的知识象起动机、发电机等的工作过程及控制原理都没有讲明白，理论脱离实际、闭门造车、以讹传讹。希望此文的出现能结束误导学生的历史。

摘要：介绍电磁控制强制啮合式起动机的结构和特点，详细分析驱动齿轮与飞轮齿圈啮合的过程，指出了现行部分教材对此内容阐述的不足之处。

    关键词：电磁开关；顶齿；强制啮合；教材问题

起动系统是现代汽车的重要组成部分，其核心部件是起动机，现行各版本汽车电气设备教材和书籍对此均有讲述。但笔者在教学中发现，大多数的教材对目前最常用的电磁控制强制啮合式起动机的工作过程讲述存在模糊不清甚至错误的地方，按这些教材的说法，起动机在实际应用中产生的某些故障现象难以作出合理的解释。为此，本文针对电磁控制强制啮合式起动机的结构和工作过程进行详细分析，指出现行教材在讲述中存在的具有共性的不足之处。

1         电磁控制强制啮合起动机的结构和工作过程

1．1        组成、结构特点和作用

常见的电磁控制强制啮合式起动机主要由直流电动机、传动啮合机构和电磁开关三部分组成。

电磁控制强制啮合式起动机的结构

1.电枢轴；2.限位挡圈；3.驱动小齿轮；4.单向离合器；5.拨叉；6.电磁开关；7.接线柱；8.换向器侧轴承；9.炭刷；10.换向器；11.电枢；12.永久磁铁；13.壳体；14.啮合弹簧

 电磁开关的内部结构

1.衔铁；2.吸拉线圈；3.保持线圈；4.电磁铁心；5.触头弹簧；6.固定触头；7.接线柱；8.活动触头；9.分开的开关轴；10.回位弹簧

为了确保起动机在启动发动机的过程中驱动齿轮与飞轮齿圈可靠地进入啮合和退出啮合，在起动机上设计了一套比较复杂的啮合机构以实现此目的。

（1）单向离合器与电枢轴通过螺旋花键连接。这种结构既能通过花键实现扭矩的传递，又具有螺纹副传动的作用，当电枢轴转动时使单向离合器作轴向运动。（2）驱动齿轮的齿形在转动方向的反向端面处铣有45°的倒角，相应的，在飞轮齿圈的齿上也有同样的倒角与之配合。（3）大多数的单向离合器在拨叉环处装有一个啮合弹簧，其作用主要有二：①减缓驱动齿轮与飞轮齿圈顶齿时的冲击；②在顶齿状态下压缩弹簧，使电磁开关的衔铁得以继续移动，接通主触点开关，同时保持驱动齿轮对飞轮齿圈有一定的压力。

由于电磁开关的衔铁在未工作时被回位弹簧推向线圈的一端，且衔铁的移动要克服啮合弹簧、衔铁回位弹簧、触头压簧、断电弹簧以及摩擦等阻力，因此在刚开始时要求向线圈通入较大的电流，以产生较强的电磁力，吸拉衔铁向线圈中央移动；但当衔铁已处于线圈中央位置时，由于线圈此处的磁通密度比两端大，只需要较小的电流就足以使衔铁保持原位不动。为此，大多数的电磁开关均采用两个线圈的结构，在刚开始通电时，两个线圈并联同时工作，以产生最大的电磁力；当衔铁吸拉到位后，吸拉线圈停止工作，只留保持线圈继续工作。这种结构较好地解决了最大电磁力与热负荷的问题，但同时也带来了一定的缺陷。关于这一点，本文在后面进一步分析。

1 . 2  工作过程分析

1．2．1  进入啮合过程

在起动机整个工作过程中，驱动小齿轮能否顺利地与飞轮齿圈进入啮合是问题的关键。当电磁开关通电，吸拉衔铁运动并通过拨叉推动驱动小齿轮与飞轮齿圈接合时，会出现以下三种情况。

齿轮啮合过程示意图

（1）驱动小齿轮的轮齿正好插入飞轮齿圈的齿槽。电磁开关的衔铁只克服回位弹簧、触头压簧、断电弹簧以及摩擦等阻力，在齿轮啮合到位后接通主开关，起动机进入工作状态。事实上这种情况不易实现，因为两齿啮合的齿侧间隙约为0.4mm，不冲击啮合的几率很小，据有关文献介绍，大概只有30%的工作过程能够实现这种理想啮合。

（2）驱动小齿轮的轮齿倒角与飞轮齿圈的倒角顶在一起。这个时候，由于拨叉保持对小齿轮施加推力，这个力作用到飞轮齿圈的倒角上，其反作用力的一个与轴向垂直的分力就迫使驱动小齿轮沿着单向离合器打滑的方向转过一定角度，从而使轮齿与齿槽对齐，在拨叉的推力作用下，完成齿轮与齿圈的啮合。笔者用EQ6100发动机做过试验，在断开30接线头不让电动机转动的情况下，平均约有70%－80%的概率实现齿轮啮合（包括前述的理想啮合），其余的则出现了如下文所说的完全顶齿的状态。

（3）驱动小齿轮的齿顶与飞轮齿圈的齿顶正好相抵。出现这种情况要求起动机必须能够转动起来，以避开顶齿状态；而且为了便于齿轮的啮合，应以慢转为宜。但目前最常用的强制啮合式起动机大都采用快转的方式，即在顶齿状态时，作用在电磁开关衔铁上的电磁力要大到足以克服啮合弹簧、回位弹簧等阻力，以使其能够吸合到位，并推动主开关闭合，从而使电动机通电转动。由于这个时候通入的电流大，电动机的转速较高，驱动轮齿越过齿圈齿槽的时间非常短，要想实现可靠的啮合，必然要求顶齿时齿间保持有足够大的压力。当驱动齿轮转过顶齿位置时，这个力就快速推动驱动齿轮顺着轮齿倒角切向飞轮齿槽。这个过程驱动齿轮有三种运动状态存在：①与电枢轴同向转动；②沿着轴向靠近齿圈运动；③在沿着轴向运动的同时，逆着电枢轴转动方向转动（由螺旋花键旋向决定）。由于①和③的运动方向相反，在顶齿压力足够大时，两个运动接近抵消或完全抵消，为驱动轮齿切入飞轮齿槽赢得时间。一旦轮齿成功切入齿槽，轮齿的转动就受到静止的飞轮限制；这时，电枢轴继续转动，通过螺旋花键的作用，驱动齿轮被推向飞轮齿槽，直至顶到限位挡圈，从而实现完全啮合。

  这里，啮合弹簧与螺旋花键起到关键的作用。啮合弹簧受拨叉压缩，从而提供顶齿时的压力。如果此力过小，一方面，齿端面间摩擦阻力小，起动机转速较高；另一方面，快速转动的驱动齿轮难以切入齿槽，导致铣齿故障发生。但此力又不能过大，过大就要求电磁线圈的匝数或线径增加，导致线圈重量和成本增加，而且过大的电磁吸力使顶齿时的冲击力过大，加剧齿轮端面磨损。螺旋花键此时的作用主要是利用螺纹副传动原理，在齿轮切入齿槽时通过电枢轴转动，强行把驱动齿轮推入飞轮齿槽啮合。

 为什么在顶齿状态时上述的电动机采用快转方式，而不是采用慢转方式？主要是因为电磁开关采用并联双线圈的结构。这种结构有如下特点：①满足衔铁动作所需要的电磁吸力根据其位置的不同而有所区别的要求；②较好地解决了最大电磁力和线圈发热的问题；③利用两个线圈绕向相反，在启动结束时，流过两个线圈的电流所产生的磁场相互抵消，从而使衔铁回位一定距离（断电行程），实现断电功能。

［博主语：③的解释有待商榷，两个线圈的绕向应该是相同的，启动结束时，两个线圈的电源端断电，但吸拉线圈的尾端从开关主触点上得电，电流从吸拉线圈的尾端流向首端，再从保持线圈的首端流向尾端，由于此时两个线圈成串联状态，两个线圈中的电流方向相反，从而磁场相互抵消。］

  要实现两个绕向相反线圈的磁场相互接近抵消的要求，必然要求两个线圈的匝数相差不多，因为在启动档开关断开时，两个线圈事实是串联的，因而流过的电流一样。大多数起动机电磁开关的线圈采用的线径为0.6－1.0mm（即截面积约为0.3-0.8mm?，保持线圈的线径一般比吸拉线圈的小），匝数200－300匝左右，吸拉线圈的阻值约0.3-0.8W，其通过的电流值一般不超过30A（为避免不允许的导线发热，电流密度S＜30A/mm?）。根据有关文献介绍，起动机的启动电流约为空载电流的1.5－2.5倍,对于轿车用的起动机，其值约为80－160A。由此可知，在电磁开关工作时，流过吸拉线圈的电流由于太小，根本不足于使电动机转动起来。

［博主语：这里的“起动机的启动电流”严格来说应该是能让起动机空载转动起来的电流，或称为慢转电流。］

 有个别车型的起动机，如日产蓝鸟SR20发动机装配的起动机，是三菱电机株式会社的产品，具有一定的慢转功能。原因是其吸拉线圈的匝数较少，线径较粗，从而提高流过的电流。但这种起动机的慢转功能不是很可靠。笔者做过试验，在最初几次试验时，起动机具有慢转功能，随着次数增加，电磁线圈发热，慢转现象逐渐消失。究其原因，是由于线圈发热后电阻显著增加，最终使流过吸拉线圈的电流过小所致。所以这种起动机一般还要保留快转能力，一旦慢转功能消失后起动机仍然能够转动，进而通过强制啮合来完成起动任务。

1．2．2  退出啮合过程

  起动机从啮合状态退出，分两种情况：

1）起动机在啮合后转动起来，发动机正常着火起动。这时，松开点火开关，由于存在断电间隙，电磁开关的主触点断开，电动机因失电而驱动力消失。此时的飞轮转速比驱动齿轮的转速高，单向离合器处于打滑状态。一方面，飞轮齿失去对驱动齿的限制作用，使其具备沿着螺旋花键回旋的条件；另一方面，单向离合器转动副间存在一定摩擦力，在此力作用下，单向离合器沿着螺旋花键有退出啮合趋势；第三，此时拨叉也在回位弹簧的作用下回拨。在这三者的共同作用下，驱动齿轮可以顺利地从啮合状态退出。

2）起动机齿轮啮合后，发动机没有正常起动。如果这种情况起动机带动曲轴转动起来，曲轴的惯性作用和拨叉的回拨力一般可以使驱动齿轮退出啮合状态；但如果仅是齿轮啮合而曲轴不转，由于静止的飞轮齿对驱动齿有限制作用，单靠拨叉的回拨力难以克服，所以，这种情况驱动齿轮大多数不能退出啮合状态。

［博主语：断电间隙对上述第2）项才起关键作用，对第1）项即使没有断电间隙也关系不大］

2         各版本汽车电气教材的问题

现行各版本汽车电气教材和书籍对起动机均有论述，但或多或少存在讲述模糊不清或错误的地方。本文在此指出一些具有共性的问题，希望能为各位同行提供参考。

2．1        对“强制啮合”的概念讲述不清

电磁控制强制啮合式起动机是目前应用最广泛的汽车起动机，各汽车电气教材和书籍也都以此作为介绍重点。但笔者在教学中查阅了多种版本的教材后发现，除了中国劳动出版社出版的由黄孟涛主编的《汽车电气设备》教材里明确提出“强制啮合”的概念外，其它几个版本的教材只在起动机分类里提到强制啮合式起动机，未对“强制啮合”的概念进一步说明和解释。从对强制啮合起动机工作原理分析可知，这些教材往往混淆强制啮合起动机与柔性啮合起动机的工作特点。大多数的教材把柔性啮合起动机通过慢转进行啮合的工作特点安在强制啮合起动机上，而对强制啮合起动机顶齿时先接通后啮合的工作特点只字未提。

根据黄孟涛主编的《汽车电气设备》里给出的定义：“所谓强制啮合，就是当拨叉将起动机驱动齿轮推出，啮入飞轮齿环时，即使发生两齿端面相顶状态，拨叉仍继续强行移动，压缩单向离合器啮合弹簧，使两齿端面压力增大。当主电路接通时，电动机电枢因驱动齿轮端面摩擦阻力大而缓慢转动，待转过一个角度后驱动齿轮滑入飞轮环齿中，达到完全啮合，从而带动飞轮转动，起动发动机。”这个描述是基本正确的。从这个定义可以总结出强制啮合式起动机在强制啮合状态时的四个特点：

1）强制啮合发生于顶齿状态；

2）主电路先于齿轮啮合接通；

3）电动机必须能够转动起来；

4）齿轮实现强行啮合（啮合弹簧和螺旋花键共同作用）。

2．2  对工作过程的讲述有误

   一般汽车电气教材对起动机的工作过程是如何讲述的？这里举两个比较典型的例子。

例1，2003年电子工业出版社出版的《汽车电气设备原理与检修》（于万海主编）教材第24页是这样讲述的：“……使齿轮移出与飞轮齿圈啮合。与此同时，由于吸引线圈中的电流通过电动机的磁场绕组，电枢开始转动，小齿轮在旋转中移出，减小在与飞轮啮合时的冲击。当铁心左移到接触盘将电动机接线柱10与蓄电池接线柱3接通时，起动机开始起动发动机。”

例2 ，2008年1月第6版的《汽车电气设备构造与维修》（人民交通出版社  周建平主编）第86页对控制装置基本工作过程的讲述：“……两线圈通电后产生较强的电磁力，克服复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50和端子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，由于经过吸拉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。”

在上述两个例子中，对起动机工作过程的讲述意思基本相同。虽然文中没有明确指出为何种类型的起动机，但从前后文的关系来看，所指应为电磁控制强制啮合式起动机无疑。从短短一百多个文字描述中，起码存在以下几个明显的不足和错误。

1)没有指出齿轮啮合是顺利啮合还是顶齿啮合。如果是顺利啮合，确实是齿轮先啮合，主触点开关后接通，似与上述两例所说相符；但即便是这种情况，通过吸拉线圈的电流由于太小，根本不可能使电动机转动起来。而如果是顶齿啮合，上述的说法完全是错误的，根本没有把强制啮合的工作特点予以指出。这也是现行电气教材对读者的最大的误导。

2）没有对啮合弹簧和螺旋花键在齿轮啮合中所起的重要作用予以阐述，简单地认为驱动齿轮与飞轮的啮合由拨叉推动实现。事实上，根据《汽车电气与电子》上的说法，驱动齿轮与飞轮啮合的过程中，包括滑动行程和螺旋行程两个啮合行程。其中滑动行程由拨叉和啮合弹簧完成，螺旋行程由螺旋花键完成，两个行程共同保证齿轮实现完全的可靠的啮合。

3）例1中“小齿轮在旋转中移出，减小在与飞轮啮合时的冲击”的说法也是错误的。首先，减小啮合时齿轮冲击的是啮合弹簧，因为减缓冲击的一般都是具有弹性的元件；其次，小齿轮的旋转是为了在动态中对准飞轮齿槽。但对于强制啮合式起动机，小齿轮移向飞轮直至顶齿时，电枢都是不转的，但单向离合器齿确实旋转，而且转向与电动机的转向相反，这个功能是由螺旋花键实现的。

上述类似的错误普遍存在国内所编的电气教材和书籍中。由黄孟涛主编的那本《汽车电气设备》教材也不例外；上文所举例2中第88页有关丰田AE系列起动机的工作过程分析也存在相同的错误；而且由鲁植雄等翻译，英国人汤姆.德恩顿著的《汽车电气与电子系统》里也有类似的说法。由此可见，对强制啮合式起动机的认识，存在非常普遍的误区，必须予以指出和更正，这也是本文的初衷和殷切希望。

2．3  有关调整的问题

    对于起动机的调整问题，有一部分教材述及。这些教材一般都不对起动机进行明确的分类，但大都所指也基本上是强制啮合式的起动机。主要的调整参数有三个：（1）电枢轴轴向间隙调整，标准值为0.1-1.0mm；（2）驱动齿轮前端面与端盖凸缘间距离的调整；（3）驱动齿轮与挡圈之间的间隙调整。教材存在的问题是没有说明调整的目的以及调整的方法有错。比如电子工业出版社出版的《汽车电气设备与维修》（辛长平主编）书里是这样介绍调整方法的：“（1）驱动齿轮与止推垫圈间隙的调整：①主触点接通时：4－5mm。②铁心顶到极限位置时：1.5-2.5mm。” 其中①所指的调整就是错误的。

    那么，对于强制啮合式起动机是如何进行调整的，其调整的目的为何? 除了上文提到的电枢轴轴向间隙调整外，还有以下三个间隙需要调整。

   （1）驱动齿轮与飞轮齿环之间的间隙，是指电磁开关未通电时两者间的距离，有的资料把这个间隙称作啮合间隙。它是保证起动机驱动齿轮与飞轮正常啮合的非常重要的配合尺寸，其标准值为3－5mm。如果该值过大，将导致顶齿时压力不足，因而易发生铣齿故障；反之过小，可能导致电磁开关的衔铁行程不够，造成主开关顶齿不通。该尺寸在设计时即予保证。如果使用中发现偏差，可在飞轮齿圈背后垫Φ2.0mm的铁丝环，或在车床上车去前端盖安装面1mm进行调整。

（2）驱动齿轮与挡圈之间的间隙，是指电磁开关通电吸合到位后，驱动齿轮与挡圈之间的距离，有人把这个间隙也称作拨叉防磨损间隙。因为它的作用是在电枢轴转动后，驱动齿轮能够通过螺旋行程继续行进到挡圈位置，从而使拨叉与拨叉环脱离接触，避免起动机运转时磨损拨叉。该值一般为1－2mm。如果过大，可能引起顶齿时齿间压力不足，从而导致铣齿现象发生。其调整一般采用增减电磁开关安装端面的垫片来实现。

（3）断电间隙也叫断电行程，是指起动机处于制动状态时，保持驱动齿轮处于极限啮合位置，断开电磁开关启动电源，衔铁应能在回位弹簧的作用下移动一定距离，使主触点开关立即断开。这个间隙确保起动机能可靠地停止工作。因为在电枢轴输出扭矩的情况下，由于螺旋副的作用，驱动齿轮是不可能从啮合位置退出的（有些人认为是由于齿间摩擦力过大引起，这是不对的），这样拨叉就会顶住衔铁，衔铁又压紧触点开关，导致起动机大电流电路无法中断。这个间隙是否合适，可以通过如下方法验证：①使驱动齿轮保持在极限啮合位置（顶靠在挡圈上）；②用万用表测量主触点开关两接线柱，应该不导通。如果导通，说明断电间隙已被破坏，一般是由拨叉变形引起，在维修中应该注意检查拨叉是否变形。

 事实上，上述的几个间隙在设计制造时就已确定，在修理使用中，只要用正规的合格的零件，一般不用调整。有一些电气设备的书籍说要调整电磁开关的接通时刻，对于强制啮合式起动机来说是完全错误的。也有一些资料说要调整驱动齿轮与飞轮之间的中心距，这是必要的，但要视具体车型而定。

2．4  关于闭合电压和释放电压的检验

由中国劳动社会保障出版社出版的《汽车电气设备构造与维修》（劳动和社会保障部教材办公室组织编写）教材是这样介绍电磁开关的闭合电压和释放电压的检验的：

“……测试检验方法……主要步骤如下：

（1）将万用表置R1档，两表笔接开关的两个接线柱。

（2）将可调电源调至最低电压。接通电源开关，并逐渐提高电压。当万用表电阻指示值为零时，电压表表示的电压为吸合电压（一般为6－7.6V）。                      

（3）再逐渐调低电压。

（4）观察万用表电阻表，若由0变为∞时，此时的电压表指示电压为电磁开关的释放电压（一般为3－3.5V）。

（5）如果吸合电压与释放电压不符合规定值时，应拆检、修复或更换。”

这里存在两个明显的错误：①对闭合电压和释放电压理解错误。②由于理解上的错误，所以检验方法和步骤也就有错。

闭合电压是指单向器齿轮处于顶齿状态时，给电磁开关S端子加上规定电压，其主触点开关应闭合导通。国家行业标准规定闭合电压≤8.4V(12V电系)。因此在检验闭合电压时，必须在单向离合器齿轮与挡圈之间放置挡块，模拟顶齿状态，然后加上规定电压，测量主开关是否导通。显然，不模拟顶齿状态检验而得到的结果是不对的。

释放电压是指电磁开关闭合后，中断吸拉线圈电流，在规定电压下，保持线圈应能独立使衔铁保持在闭合位置上。因此释放电压也称保持电压。国家行业标准规定释放电压≤4.8V。从上例对释放电压的检验方法来看，如果能正确理解释放电压的含义，可能就不会犯这种望文生义的错误了。