紅興隆北雁現代化農機
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第10章 發動機起動系統收藏
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第10章 發動機起動系統
內容提要
1. 起動系的作用、方式和基本組成
2. 電起動機的構和工作原理
3. 減速起動機與永磁起動機
4. 低溫起動預熱裝置 |
10.1 起動系作用、方式和基本組成
10.1.1 起動系的作用
發動機靠外力轉動使之著火燃燒，開始運轉的過程稱為起動。
要使發動機順利起動，必需克服運轉阻力，尤其是壓縮行程的壓縮氣體阻力和各運動件的摩擦阻力。克服這些阻力所需的轉矩稱為起動轉矩。柴油機壓縮比較汽油機大得多，起動更困難，需要的起動轉矩也更大。
起動發動機時，還要求有一定的曲軸轉速，稱之為起動轉速。汽油機要求不低于50-70r/min，柴油機要求不低于150-300 r/min。
起動性能是發動機的一個重要指標，衡量發動機起動性能好壞一般用起動時間。我國標準規定，不采用特殊的低溫起動措施，汽油機在-10℃、柴油機在-5℃以下的氣溫條件下起動，能在15s以內達到自行運轉。
起動系的作用就是按發動機要求，提供一定的轉矩，使發動機達到規定的轉速，順利完成起動過程。
10.1.2 發動機起動方式
有手起動、電起動、汽油機起動、壓縮空氣起動和拖動等幾種方式。
手起動是用手轉動發動機曲軸的起動方式。其結構簡單，但起動轉矩小，轉速低，增加勞動強度。一般只用于小功率發動機。
汽油機起動是利用小型汽油機帶動曲軸旋轉的起動方式。其結構復雜，起動麻煩，一般是先用手起動小型汽油機，再帶動主發動機起動。它一般用于大功率柴油機起動。
壓縮空氣起動是利用壓縮空氣按一定次序充入氣缸，強制發動機曲軸旋轉的起動方式。它結構龐大、復雜，一般用大型柴油機組（如船舶、電站等）。
電起動是利用電動機帶動發動機曲軸旋轉的起動方式。它具有起動快捷方便、省力等優點，但需要一套電起動系統。現代汽車用發動機，均采用電起動方式。
除上述外，還有拖動起動方式，即利用旋轉動力機構，拖動內燃機曲軸旋轉的起動方式。
10.1.3 電起動系的基本組成與工作過程
電起動系主要由蓄電池、起動機、起動繼電器、點火開關、安全開關(有的汽車采用)、低溫起動預熱裝置等組成（圖10-1）。圖中粗線表示起動機供電電路，細線表示起動機控制電路。
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圖10-1 電起動系統
1-蓄電池 2-起動機 3-起動繼電器 4-點火開關 5-電流表 |
10.2
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圖10-2 起動機結構
1-回位彈簧 2-保持線圈 3-吸引線圈 4-電磁開關殼體 5-主觸點 6-接線柱 7-接觸盤 8-后端蓋 9-電刷彈簧 10-換向器 11-電刷 12-磁極 13-磁極鐵芯 14-電樞 15-磁場繞組 16-移動襯套 17-緩沖彈簧 18-單向離合器 19-電樞軸花鍵 20-驅動齒輪 21-罩蓋 22-制動盤 23-傳動套筒 24-撥叉 |
起動機的作用是將蓄電池的電能轉換成機械能以起動發動機。它一般由直流電動機、控制裝置和傳動機構三部分組成（圖10-2）。
10.2 1 直流電動機
1.直流電動機基本工作原理
直流電動機是將電能轉變為機械能的設備，它是根據通電導體在磁場中將受到電磁力作用而產生運動的原理進行工作的。
以單匝電樞繞組的直流電動機為例說明其工作
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圖10-3 直流電動機工作原理
a）電流從A→B b）電流從B→A
1-電樞繞組 2-電刷B 3-換向器銅片 4-電刷A |
直流電動機的電磁轉矩M可用下式表示：
M=CmφIs
式中 Cm——電機結構常數，Cm=PN/2πα；
P——磁極對數；
N——電樞導線總根數；
α——電樞繞組的并聯支路對數；
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圖10-4 電樞總成
1-電樞疊片 2-電樞鐵芯 3-電樞軸 4-電樞繞組 5-電樞鐵芯總成 6-換向器 |
Is——電樞電流。
由上分析可知，直流電動機能通過增加磁極對數、增多電樞導線總根數和并聯支路對數、增大電樞和磁場電流來增大電磁轉矩。實際的直流電動機電樞都用多匝并聯繞成，電樞電流和磁場電流也很大（起動電流達600A以上），使起動機有足夠轉矩起動發動機。
2.直流電動機的構造 它一般由電樞總成、磁極、電刷與刷架及其它附件組成。
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圖10-5 磁場繞組的連接
a)串連連接 b)并聯連接
1-絕緣接線柱 2-換向器 3-搭鐵電刷 4 -絕緣電刷 5-磁場繞組 |
(2)磁極 磁極有永久磁鐵和電磁鐵兩類，永久磁鐵的電動機將在后介紹。電磁鐵磁極由鑄鋼鐵芯及勵磁繞組構成（圖10-5），固定在起動機殼體的內壁上。為了產生足夠強的磁場來使電樞產生足夠的起動轉矩，磁極的數量一般為兩對，功率較大的起動機也有采用三對的。勵磁繞組也采用大截面的銅導線制成。
4個磁場繞組的連接方法有串連和并聯兩種。無論采用何種連接，其產生的磁極須相互交錯。
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圖10-6 電動機的串勵、并勵與復勵
a) 串勵 b) 并勵 c)復勵
1-勵磁繞組 2-電樞繞組 3-蓄電池 |
(4)殼體及軸承 殼體主要起支承和保護作用。起動機軸承由于結構限制一般采用滑動軸承，用于支承電樞軸。
3.直流電動機電樞與勵磁繞組連接 勵磁繞組與電樞繞組的接法有三種：串聯、并聯及串、并聯均有的復式接法（圖10-6）。相應的電動機稱為串勵電動機、并勵電動機和復勵電動機。大多數電動機均采用串勵，大功率的起動機也有采用復勵。
串勵電動機的特點是電樞繞組和勵磁繞組串聯，電樞電流與勵磁電流相等。它具有以下特性：
(1)M=KIs2,式中K為結構常數。即電磁轉矩與勵磁電流Is的平方成正比，因此供給同樣的勵磁電流，串勵電動機可比并勵電動機獲得更大的電磁轉矩。
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圖10-7 滾柱式單向離合器的組成
a）結構 b）工作原理（起動中） c）工作原理（起動后）
1-驅動齒輪 2-單向離合器外殼 3-十字塊 4-滾柱 5-彈簧及活柱 6-護蓋 7-彈簧座 8-緩沖彈簧 9-移動襯套 10-傳動套筒 11-卡簧 12-墊圈 13-楔形槽 14-飛輪 |
10.2.2 傳動機構
普通起動機的傳動機構主要是單向離合器。其作用是將電動機的動力傳遞給發動機飛輪以起動發動機，而發動機起動后則斷開發動機對起動機的逆向驅動，以防止發動機帶動起動機高速旋轉而使起動機“飛散”。
起動機中常見的單向離合器有滾柱式、摩擦片式和扭簧式等。
1.滾柱式離合器 它是目前國內外汽車起動機中使用**多的一種傳動方式（圖10-7），其外殼2與驅動小齒輪2連為一體，十字塊3與傳動套筒經滑動花鍵與電樞軸相接，外殼與十字塊之間的間隙是寬窄不等的楔形槽結構。
起動時，電樞緩慢旋轉，電磁開關通過撥叉，推動襯套9、彈簧8等部件，使驅動齒輪1與發動機飛輪14相嚙合。
當起動機主電路接通，電樞快速旋轉時，轉矩由傳動套筒10傳到十字塊3，滾柱在外殼2摩擦和彈簧5作用下便滾入楔形槽13的窄處被卡死（圖10-7b），于是將轉矩傳給驅動齒輪，帶動飛輪使發動機起動。
當發動機起動后，曲軸轉速高于起動機，飛輪帶動驅動小齒輪旋轉，在外殼摩擦作用下，滾柱克服彈簧彈力，滾人楔形槽的寬處而打滑（圖10-7c），防止發動機的轉矩傳給小齒輪，從而避免電樞超速“飛散”的危險。起動后，由于撥叉回位彈簧的作用，使離合器退回，驅動輪退出飛輪齒環。緩沖彈簧8具有緩和驅動齒輪與飛輪間的沖擊，保護驅動齒輪的作用。
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圖10-8 摩擦式單向離合器
a) 結構 b) 壓緊 c) 放松
1-驅動齒輪 2-齒輪柄 3-減振彈簧 4-內接合鼓 5-小彈簧 6-從動片 7-主動片 8-壓環 9-彈性圈 10-外接合鼓 11-飛輪 |
2.摩擦片式離合器 離合器的外接合鼓10（圖10-8）固定在起動機軸上，內接合鼓4具有螺線孔，并旋在起動機驅動齒輪柄2的螺紋上，齒輪柄2則自由套在起動機軸上，用螺母鎖住防止脫落。兩個彈性圈9和壓環8依次裝進外接合鼓10中，青銅主動片7以其外凸齒裝入外接合鼓10的切槽中，鋼制從動片6依其內齒插入內接合鼓4的切槽中。內接合鼓上的兩個彈簧5輕壓摩擦片，使摩擦片具有傳力作用(力較小)。
起動時，經外接合鼓摩擦片帶動內接合鼓轉動，驅動小齒輪與飛輪嚙合后，由于內接合鼓和驅動小齒輪柄之間的螺旋結構，使得內接合鼓向右移動，壓緊摩擦片(力較大)，電樞的轉矩傳遞給飛輪（圖10-8b）。起動后，飛輪帶動驅動小齒輪，內接合鼓與驅動小齒輪的螺旋結構，使得內接合鼓向左移動，摩擦片松開，飛輪不能帶動電樞，避免了電樞超速“飛散”的危險（圖10-8c）。
摩擦片式離合器可以傳遞較大的轉矩，但結構復雜，摩擦片磨損后，需經常檢修調整，常用在電樞移動式起動機上。
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圖10-9 扭簧式單向離合器
1-驅動齒輪 2-擋圈 3-月形圈 4-扭力彈簧 5-護圈 6-連接套筒 7-墊圈
8-緩沖彈簧 9-撥環 19-卡簧 |
起動時，電磁開關鐵心經撥叉移動撥環9，由緩沖彈簧8推動離合器使驅動齒輪1與發動機飛輪嚙合。電樞旋轉時，通過花鍵帶動連接套筒6，在彈簧與驅動齒輪和主動套筒之間摩擦力作用下，將連接套筒和齒輪柄抱死，電樞轉矩便由此傳給飛輪，起動后，飛輪帶動驅動齒輪，扭力彈簧被放松而打滑，保護電樞不致被飛輪帶動而“飛散”，同時撥叉在回位彈簧作用下，經撥環使驅動小齒輪回位。
扭簧式離合器結構簡單，使用壽命長，但軸向尺寸較大，故在小型機上的應用受到限制。
10.2.3 控制裝置
起動機的控制裝置一般是電磁開關，有的還采用了一些中間繼電器。
1.電磁開關 它安裝于直流電動機殼體上方（圖10-10），用于控制起動機驅動齒輪與發動機飛輪的嚙合與分離及電動機電路的通斷。吸引線圈5與保持線圈4的匝數相同，繞向也相同，都繞在套筒外側。吸引線圈與電動機串聯，保持線圈與電動機并聯。
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圖10-10 電磁開關
1-起動開關 2-定觸點 3-動觸點 4-保持線圈 5-吸引線圈 6-動鐵芯 7-拉桿 8-撥叉 9-單向離合器 10-驅動齒輪 11-電樞 12-電刷 13-磁極 |
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圖10-11 起動繼電器控制的起動機電路
1-起動繼電器 2-起動機 3-蓄電池接線柱 4-動觸點 5-吸引線圈 6-保持線圈 7-鐵芯 8-撥叉 9-驅動齒輪 10-起動機接線柱 11-起動開關 12-起動繼電器觸點 13-起動繼電器線圈 |
發動機起動后，從起動開關到保持線圈的電流被切斷，但在斷開起動開關的瞬間，觸點仍在閉合位置，電流從觸點到吸引線圈，再經保持線圈搭鐵。這時，兩線圈產生的電磁力大小相同，方向相反，相互抵消。在回位彈簧的作用下，鐵芯返回原位，觸點斷開，起動機因斷電而停轉，同時驅動齒輪退回。
2.起動繼電器 為了產生足夠的吸力，起動機電磁開關的電流較大(一般為35～40A)，如此大的電流會影響起動開關的壽命，同時也不安全。為此，有些汽車在控制電路中裝有起動繼電器，由起動繼電器觸點的開閉控制電磁開關的通斷，而起動開關(或點火開關)只控制起動繼電器線圈電路的通斷，因而減小了起動開關(或點火開關)的通過的電流。控制電路如圖10-11所示。
起動時，接通起動開關，起動繼電器線圈13通電，觸點12閉合，起動機電磁開關被接通，起動機工作。
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圖10-12 CA1091汽車起動機保護電路
1-組合繼電器 2-發電機 3-起動機 4-點火開關 5-充電指示燈 |
不同的車型的起動保護電路可能不同，但大都采用汽車發電機中點電壓來進行控制。圖10-12為CA1091汽車的起動保護電路。起動組合繼電器1是由起動繼電器和充電指示控制繼電器組合而成。起動繼電器的線圈L1通過充電指示燈繼電器觸點K2搭鐵，使之具有驅動保護作用。K2同時是充電指示燈5的搭鐵通路，用于指示充電是否正常，其通斷由發電機中點電壓來控制。
起動時，點火開關置于起動檔時，充電指示燈亮，組合繼電器中的起動繼電器L1通電，其電路為：蓄電池正極→起動機電源接線柱→電流表→點火開關→“SW” →線圈L1→觸點K2→“E”搭鐵→蓄電池負極。起動機線圈L1通電，使觸點K1閉合，接通起動機電磁開關電路，起動機通電工作。
起動后，發電機正常發電，其中點電壓使L2無電，K2斷開，起動繼電器線圈L1斷電，其觸點K1斷開， 起動機電磁開關斷電，起動機停止工作。
發動機工作時，即使點火開關誤撥至起動檔，由于發電機中點電壓的作用而使充電指示燈繼電器觸點保持K2斷開，因此起動機也不會通電工作。
10.3 減速起動機與永磁起動機
10.3.1 減速起動機
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圖10-13 減速起動機的類型
a) 外嚙合式 b)內嚙合式 c)行星齒輪式
1-驅動齒輪 2-減速機構從動齒輪及單向離合器 3-惰輪 4-減速機構主動齒輪 5-電樞 6-電磁開關 7-單向離合器 8-撥叉 9-減速機構從動齒輪 10-行星齒輪減速機構 |
減速齒輪有外嚙合式、內嚙合式和行星齒輪式三種(圖10-13 )。
1.外嚙合式 外嚙合式減速起動機有的用惰輪作為過渡傳動，電磁開關鐵芯與驅動齒輪同軸，直接推動驅動齒輪進入嚙合，無須撥叉(圖10-14)。也有一些外嚙合式減速機構不設惰輪，驅動齒輪進入嚙合通過撥叉來撥動,圖10-15所示是豐田皇冠轎車用的外嚙合式起動機。
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圖10-14 外嚙合式減速起動機(有惰輪、無撥叉)
1-后端蓋 2-電刷架 3-定子總成 4-電樞總成 5-減速機構主動齒輪 6-惰輪 7-螺栓 8-驅動端蓋 9-驅動齒輪 10-減速機構從動齒輪及單向離合器 11-鋼球 12-回位彈簧 13-電磁開關 14-直流電動機 15-螺栓 16-氈圈 |
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圖10-15 外嚙合式減速起動機(無惰輪、有撥叉)
1-電磁開關 2-活動鐵芯 3-撥叉 4-驅動齒輪 5-單向離合器 6-從動齒輪軸 7-減速機構從動齒輪 8-外殼 9-電樞 10-勵磁繞組 11-磁場繞組 12-蓄電池接線柱 13-換向器 |
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圖10-17 DW-1型行星齒輪式減速起動機
1-電刷 2-滾珠軸承 3-換向器 4-導線插頭 5-電磁開關 6-永久磁鐵磁極 7-撥叉 8-行星減速齒輪 9-驅動齒輪 10-軸承 11-單向離合器 12-電樞總成 13-行星齒輪 14-主動齒輪(太陽輪) 15-齒圈 16-撥叉環 |
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圖10-16 內嚙合式減速起動機
1-起動開關 2-起動繼電器線圈 3-起動繼電器觸點 4-電磁開關主觸點 5-接觸盤 6-吸引線圈 7-保持線圈 8-活動鐵芯 9-撥叉 10-單向離合器 11-螺旋花鍵軸
12-內嚙合減速齒輪 13-主動齒輪 14-電樞 15-磁場繞組 |
3.行星齒輪式 行星齒輪傳動具有結構緊湊、傳動比大、效率高的特點。圖10-17所示為德國Bosch公司生產的DW-1型行星齒輪式減速起動機(永磁式)。
減速起動機除在電樞與驅動齒輪間增加一級減速齒輪，以起減速增扭作用外，其它工作原理與普通起動機類似。
10.3.2 永磁起動機
定子磁場采用永磁體的起動機稱永磁起動機。起動機的其他部分結構基本不變。永磁體材料主要有鍶鐵氧體和釹鐵硼材料。
永磁式起動機主要有如下性能特點：
因磁力來源于永磁材料做的磁瓦，磁場穩定，是一種他勵直流電動機。工作特性與并勵電動機相近，一般多用作小功率起動機。
因為這種電動機為他勵，所以空載轉速小，使用安全性較串勵電動機好。
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圖10-18 永磁減速起動機內部結構及電氣連接原理圖
1- 驅動齒輪 2-飛輪齒圈 3-單向離合器 4-傳動撥叉 5-行星齒輪減速器
6-永久磁鐵 7-電樞 8-換向器及炭刷 9-電磁開關 10-起動開關 11-蓄電池 |
現在轎車所用的永磁式起動機通常與減速器結合使用，永磁式減速起動機體積和重量指標都更好。
圖10-18為捷達轎車所用的永磁式減速起動機結構示意和電氣連接圖。
由圖可見，永磁起動機除用永久磁鐵6作為磁極外，其它結構特點與行星齒輪減速起動機類似。
10.4 低溫起動與預熱
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圖10-19 電熱塞
1-固定螺母 2-中心螺桿 3-膠合劑 4-絕緣體 5-墊圈 6-外殼 7-密封墊圈 8-填充劑 9-電阻絲 10-發熱體鋼套 |
10.4.1 預熱空氣
目前普遍使用的發動機預熱方法是采用預熱裝置，對進入發動機的空氣進行預熱。常見的預熱裝置有電熱塞、熱敏電阻預熱器和電火焰預熱器。
1.電熱塞 現代汽車發動機多采用封閉式電熱塞(圖10-19)，安裝于燃燒室內。螺旋形電阻絲9焊于中心螺桿2與發熱體鋼套10底部，電阻絲周圍充填有絕緣的氧化鋁填充劑8，中心螺桿與外殼絕緣，外殼帶密封圈裝于氣缸蓋上。
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圖10-20 熱敏電阻預熱器
1-陶瓷熱敏電阻加熱器 2-鋁合金散熱柱 3-密封圈 4-密封墊 5-進氣支管 |
2. 熱敏電阻預熱器 它安裝在進氣支管總入口處(圖10-20)，由安裝在發動機冷卻液出口處的預熱溫度開關控制。當起動溫度低于一定值時，預熱溫度開關控制接通電路，陶瓷熱敏電阻通電升溫，加熱進入器缸的空氣。
3. 電火焰預熱器 柴油機由于壓縮比大，起動更困難，常采用電火焰預熱器（圖10-21），其閥體2是用線脹系數較大的金屬材料制成。閥體的內部有空腔，其一端有進油孔1，另一端有內螺紋。在預熱器不工作時，閥芯3的錐形尖端將進油孔1阻死，閥的另一端有外螺紋旋在閥體2的內腔中。閥體2的外部繞有用鎳鉻絲制成的電阻絲4。
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圖10-21 電火焰預熱器
1-油孔 2-閥體 3-閥心 4-電阻絲 5-蓄電池 6-開關 |
10.4.2 預熱機油和冷卻水
可以采用外部加熱方法，將機油和冷卻水加熱到一定溫度，再加入發動機，可以有效改善起動性能。
也可以采用電熱絲等發熱元件，直接插入油底殼或散熱器，加熱機油和冷卻水。
一些重型汽車，還采用起動預熱鍋爐對冷卻水和機油進行加熱。
10.4.3 噴起動液
起動液由容易著火燃燒的燃料（乙醚、丙酮、石油醚等）組成，與壓縮氣體氮氣一起儲藏在專用噴射罐內（有商品出售）。使用時，取下空氣濾清器（有的發動機設有起動液噴嘴），將噴射罐出口對準進氣管，輕壓噴射罐單向閥，起動液噴出，隨空氣進入氣缸，迅速著火燃燒，起動發動機。
10.4.4 減壓起動
一些柴油機設有起動減壓裝置（一般是頂壓排氣門機構），使部分或全部氣缸在起動時先與大氣相通，不受壓縮，減少起動力矩。待發動機轉速高達一定值時，再撤除減壓，利用活塞連桿組和曲軸飛輪組的運動慣性，使發動機起動。
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本章小結
2. 起動系主要包括蓄電池、起動機、起動繼電器、點火開關、安全開關(有的汽車采用)、低溫起動預熱裝置等。
3. 發動機起動有手起動、電起動、汽油機起動、壓縮空氣起動和拖動等幾種方式。現代汽車用發動機，均采用電起動方式。
4. 電起動機的作用是將蓄電池的電能轉換成機械能以起動發動機。起動機一般由直流電動機、控制裝置和傳動機構組成。
5. 直流電動機是將電能轉變為機械能的設備，它是根據通電導體在磁場中將受到電磁力作用而產生運動的原理進行工作的，其由電樞總成、磁極、電刷與刷架及其它附件組成。根據勵磁繞組和電樞繞組聯接方式分有串勵、并勵和復勵三種方式。
6. 普通起動機的傳動機構主要組成部分是單向離合器。其作用是將電動機的動力傳遞給發動機飛輪以起動發動機，而發動機起動后則斷開發動機對起動機的逆向驅動。常見的單向離合器有滾柱式、摩擦片式及扭簧式。
7. 起動機的控制裝置一般是電磁開關，有的還采用了一些中間繼電器。其作用是控制起動機驅動齒輪與發動機飛輪的嚙合與分離以及電動機電路的通斷。為了防止誤操作而使起動機損壞，有些汽車的起動系統中采用了起動保護電路。
8. 減速起動機在電樞與驅動齒輪之間裝有一級減速齒輪，具有重量輕、體積小、便于安裝、起動機的起動轉矩提高而有利于發動機起動等優點。
9. 永磁起動機的定子磁場采用永磁體材料，具有磁場穩定，體積小，重量輕，使用安全性好等特點，適用于小功率的起動機。
10. 低溫嚴寒氣候，燃料汽化及燃燒困難，機油粘度加大，蓄電池能量下降，造成發動機起動困難。為了確保發動機順利起動，需要采取相應措施，常見的有預熱空氣、預熱機油、預熱冷卻水、噴起動液、減壓起動等。 |
【復習思考題】
1. 名詞解釋：起動轉矩、起動轉速、起動時間、串勵電動機、并勵電動機、復勵電動機。
2. 發動機起動有哪些方式？各有何特點？
3. 起動機由哪三大部分組成？各部分的作用是什么？
4. 電磁開關的作用是什么？吸拉線圈和保持線圈分別起什么作用？
5. 以CA1091汽車起動保護電路為例說明發動機起動后如何防止司機誤操作而使起動機以旋轉？
6. 單向離合器的作用是什么？滾柱式單向離合器是如何工作的？
7. 減速起動機有何優點？齒輪減速器有幾種類型？
8. 永磁起動機有何優點？
9. 改善低溫起動的措施有哪些？它們分別是如何工作的？
發表于 @ 2008年06月05日 10:54:00 |點擊數（）
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