汽车电气设备构造与维修

汽车电气设备构造与维修内容提要本书是根据中职汽车专业教学改革实践,为适应汽车电子技术的飞速发展,满足广大读者深入了解汽车电子控制设备的需要并结合多年教学经验编写而成。全书共分10章,主要内容包括:蓄电池、发电机和调节器、起动机的组成与分类、起动系的检修与故障诊断、传统点火系、电子点火系、照明与信号系统、仪表与报警指示系统、汽车辅助电气设备、全车电路等。本书可作为高职院校汽车专业课程教材,也可供相关工程技术人员参考。前言目前汽车电气设备教材由于过于偏重理论教学,且理论部分内容较深,实践内容和能力训练要求偏少,对现代汽车的新技术反映较少,已不能满足现代职业技术教育的需要。同时由于理论课教学时数的压缩已成为必然,如何在有限的学时内使学生掌握汽车电气设备的基本理论知识和基本技能,为后续就业、学习深造奠定良好的基础是许多同类学校都在积极探讨的问题。因此,编写能够反映现代汽车电气设备的使用与维修方面的教材已成当务之急。另外,优秀的职业教育教材,对我国的职业教育改革和与国外职业教育接轨,改变传统的职业教育观念也能起到促进作用。本书为适应中等职业教育蓬勃发展及教学改革不断深入的需要,针对汽车类及相近专业培养目标的要求,编写组围绕技术应用型人才培养目标而作了大量的调研并结合多年教学经验编写而成。本书可作为中职院校汽车电气设备课程教材,也可供相关工程技术人员参考,课内教学参考学时数为6080。本书的特点如下:1) 目标明确。本教材以培养学生对汽车电气设备中的基本设备的维修为主要目的, 也为学习汽车电气设备维修专门化课程奠定基础, 同时兼顾职业技能鉴定的要求, 满足职业技能鉴定的需要。在内容上以实用、够用为度, 加强基本技能训练, 缩短适应周期, 提高适应能力。2) 图文并茂、通俗易懂。本教材大量采用立体直观的结构图和符合国家标准的电路图, 在文字描述方面力求通俗易懂, 使学生能够自己读懂教材。3) 适用范围广。本教材的教学内容既考虑了汽车电气设备的基本内容, 同时也体现了汽车电气设备的新技术, 既适合在不发达地区使用, 也适合在发达地区使用。本书在编写过程中, 得到了多方的支持和热情帮助, 在此一并表示感谢。由于中等职业教育教学改革还将不断地深化进行, 加之我们的水平所限, 疏漏之处在所难免, 教材的完善尚需一个较长的过程, 恳请广大读者批评指正。 目 录项目一：电源系任务1：蓄电池的结构（6）任务2：蓄电池容量的因素（9）任务3：蓄电池的正确充电方法（10）任务4：蓄电池的正确使用与维护（14）项目二：交流发电机和调节器任务1：交流发电机的构造（19）任务2：交流发电机的工作原理（28）任务3：交流发电机电压调节器的原理及构造（34）任务4：交流发电机机调节器的使用维护（48）任务5：充电系统故障诊断与排除（49）项目三：起动机任务1：起动系统的组成与结构（54）任务2：减速时起动机（59）任务3：起动系的检修与故障诊断（62）任务4：起动机的故障诊断与排除（70）项目四：传统点火系任务1：传统点火系组成（75）任务2：传统点火系统的主要元件及检验（78）任务3：传统点火系统的故障诊断（93）项目五：电子点火系任务1：电子点火系简介（98）任务2：电容蓄电能式电子点火系（99）任务3：电感蓄能式电子点火系（100）任务4：微机控制点火系（106）任务5：电子点火系的技术使用 ( 108 )任务6：电子点火系故障诊断 （108）项目六：照明与信号系统任务1：照明系统的组成 （113）任务2：信号系统（125）项目七：仪表与报警指示系统任务1：仪表（131）任务2：报警（141）项目八：汽车辅助电气系统任务1：风窗刮水器和风窗洗涤器及除霜装置（146）任务2：电动汽油泵（155）任务3：电动座椅、电动车窗（159）任务4：汽车中控门锁与防盗系统（167）任务5：安全气囊（174）任务6：汽车空调系统（176）项目九：汽车电路组成及识读方法任务1：汽车电路的基本组成要素 （178）任务2：汽车电路的特点及其识图方法 （183）任务3：汽车电路检修常识及方法 （193） 项目一：电源系 任务一、蓄电池的结构教学目标:知识目标：知道蓄电池的结构组成及其影响因素能力目标：会检验蓄电池、会给蓄电池充电、正确使用蓄电池素质目标：5S培养2.1 蓄电池的用途蓄电池与交流发电机并联，同属于汽车的电源系，其用途有以下几方面：汽车发动机起动时，蓄电池向起动机及点火系等供电。交流发电机超载时，协助交流发电机向用电设备供电。发动机高速运转时，储存交流发电机的电能。2.2 蓄电池的构造现代汽车用的蓄电池多为铅酸蓄电池,它是在盛有稀硫酸的容器中插入两组极板而构成的电能储存器，它由极板、隔板、外壳、电解液等部分组成。容器分为3格或6格，每格里装有电解液, 正负极板组浸入电解液中成为单格电池。每个单格电池的标称电压为2 V, 3 个单格串联起来成为6 V蓄电池, 6 个单格串联起来成为12 V蓄电池。蓄电池的构造如图 1. 1 所 图 1. 1 蓄电池的构造( a) 整体结构 ( b) 单格结构1护板; 2封料; 3负极接线柱; 4加液孔螺塞; 5连接条; 6正极接线柱;7电池衬套; 8外壳; 9正极板;10负极板; 11肋条;12隔板( 1) 极板极板是蓄电池的基本部件, 由它接受充入的电能和向外释放电能。极板分正极板和负极板两种。正极板上的活性物质是二氧化铅, 呈棕红色; 负极板上的活性物质是海绵状纯铅, 呈青灰色。蓄电池在充电与放电过程中, 电能与化学能的相互转换是依靠极板上的活性物质和电解液中的硫酸发生化学反应来实现的。正、负极板上的活性物质分别填充在铅锑合金铸成的栅架上。铅锑合金中, 铅占 94% , 锑占 6% 。加入少量的锑是为了提高栅架的机械强度并改善浇注性能。但是铅锑合金耐电化学腐蚀性能较差, 在要求高倍率放电和提高比能而采用薄形极板时, 高锑含量板栅的使用寿命势必降低。因此采用低锑合金就十分必要了, 目前板栅含锑量为 2% 3% 。在板栅合金中加入 0. 1% 0. 2% 的砷, 可以减缓被腐蚀速度, 提高硬度与机械强度, 增强其抗变形能力, 延长蓄电池的使用寿命。目前国内外已使用铅锑砷合金作板栅。为了增大蓄电池的容量, 一般将多片正极板( 4 13 片) 和多片负极板( 5 14 片) 分别并联, 组成正极板组和负极板组。安装时, 将正负极板组相互嵌合, 中间插入隔板, 就形成了单格电池。在每个单格电池中, 负极板的数量总是比正极板多一片。正极板都是处在负极板之间, 最外面 2 片都是负极板。正极板活性物质较疏松, 机械强度较低, 这样将正极板夹在负极板之间, 可使其两侧放电均匀, 在工作时不易因活性物质膨胀而翘曲, 不易造成活性物质脱落。( 2) 隔板为了减少蓄电池内部尺寸, 降低蓄电池的内阻, 蓄电池内部正负极板尽可能靠近。但为了避免相互接触而短路, 正负极板之间要用绝缘的隔板隔开。隔板材料应具有多孔性结构, 以便电解液自由渗透, 而且化学性能应稳定, 应具有良好的耐酸性和抗氧化性。常见的隔板材料有木材、微孔塑料、玻璃纤维纸浆和玻璃丝棉等几类。隔板为一厚度小于1 mm的长方形的薄片, 其长和宽均比极板略大一点, 成形隔板的一面有特制的沟槽。安装时, 应将带沟槽的一面竖直朝向正极板。( 3) 电解液铅酸蓄电池的电解液由密度为1. 84 g/cm3 的纯硫酸和蒸馏水配制而成, 其密度一般为 1. 24 1. 31 g/cm3 , 使用时根据当地的最低气温或制造厂的要求进行选择。电解液的液面高度一般高于极板10 15 mm。电解液的纯度是影响蓄电池的性能和使用寿命的重要因素, 由于一般工业用硫酸和普通水中, 因含有铁、铜等有害杂质, 所以不能直接加入到蓄电池中去, 否则容易引起自行放电, 并且容易引起极板损坏。因此蓄电池的电解液要用规定的蓄电池专用硫酸和蒸馏水配制。( 4) 容器及其他蓄电池的容器材料为沥青橡胶或耐酸塑料。后者具有体积小、重量轻、耐腐蚀、可塑性高、透明、美观等优点, 它在现代小型汽车上得到广泛应用。蓄电池盖有分开式与整体式两种。前者为老式结构, 每一个单格由一个盖封盖, 结构复杂且容易渗漏; 后者由耐酸塑料采用注塑工艺制成, 加工方便, 组装容易, 减少了渗漏。各单格间的串联方式有连条式和无连条式两种。前者为老式结构, 缺点是降低了蓄电池的比容量, 结构复杂, 组装麻烦, 增大了蓄电池的内部压降, 增加了材料的消耗。后者避免了前者的缺点, 被现代汽车用蓄电池广泛采用。2.3 蓄电池的型号按照 GB 5008. 2 规定, 国产蓄电池的型号由 3 部分组成: 串联的单体电池数-电池的特征和类型-额定容量。例如: 6-QA-105 其各部分含义如下:6蓄电池由 6 个单格串联而成, 额定电压是 12 V;Q起动型;A干荷电蓄电池;10520 h 放电率额定容量是 105 Ah。 任务二、 蓄电池容量的影响因素2.4 影响蓄电池容量的因素分析表明, 蓄电池的容量不是一个固定不变的常数, 它与很多因素有关, 除了活性物质的数量、极板的厚薄、活性物质的孔率等与生产工艺及产品结构有关的因素以外, 主要的影响因素是使用条件, 如放电电流、电解液的温度和电解液的相对密度等。( 1) 放电电流放电电流越大, 蓄电池的容量就越低。因为放电电流越大, 单位时间所消耗的硫酸就越多, 极板孔隙内由于硫酸消耗较快造成孔隙内电解液密度下降越快。故大电流放电时, 极板表面活性物质的孔隙极易被生成的硫酸铅堵塞, 使孔隙内实际参加化学反应的活性物质的数量下降, 因此随着放电电流的增加, 蓄电池的容量会减小, 蓄电池放电电流对容量的影响如图1. 6 所示。图 1. 6 放电电流对蓄电池容量的影响由于发动机起动时属于大电流放电, 如长时间接通起动机就会使蓄电池的端电压急剧下降至终止电压, 输出容量减少, 且使蓄电池过早损坏。因此在起动时应注意, 一次起动时间不应超过5 s, 连续两次起动应间隔15 s以上, 以使电解液充分渗透到极板孔隙内层, 达到提高极板孔隙内活性物质的利用率和再次起动时的端电压以延长蓄电池的使用寿命的目的。( 2) 电解液的温度电解液的温度较低时, 电解液的黏度增大, 致使渗透能力下降, 造成容量降低。此外, 温度越低, 电解液的溶解度与电离度也越低, 加剧了容量的下降。由于温度对蓄电池的端电压和容量均有较大的影响, 所以在寒冷地区要特别注意蓄电池的保温。蓄电池的额定容量是指在25 时的容量, 不同温度下的容量可用下式换算成25 时的容量。Q25 = Qt 1 - 0. 01( t - 25) ( 1. 4)式中 Q25 换算成 25 时的容量;Qt电解液温度为 t 时的实测容量;0. 01容量的温度系数; t 电解液的温度。( 3) 电解液的密度适当增加电解液的密度, 可以减小内阻, 有利于提高电解液的渗透能力, 使蓄电池的容量增加。但密度过高时, 由于电解液的黏度增加使内阻增加, 引起渗透能力降低从而导致容量下降。此外电解液密度较高时, 易造成极板硫化而导致容量下降。实践证明, 电解液密度偏低, 有利于提高放电电流和电量以及延长蓄电池的使用寿命, 冬季在不致使电解液结冰的前提下, 也尽可能采用低密度的电解液。任务三 蓄电池的充电方法2.5 蓄电池的充电方法蓄电池的充电可分为定流充电、定压充电和脉冲快速充电三种不同的充电方法, 在实际使用时应根据具体情况正确选择充电方法。( 1) 定流充电法在充电过程中, 使充电电流保持恒定的充电方法, 就称为定流充电法。在充电过程中由于蓄电池的电动势随充电时间的增加而升高, 由欧姆定律知: 定流充电过程需逐步提高充电电压, 才能保持充电电流的恒定。当单格电压上升到2. 4 V, 电解液开始有较多的气泡冒出时, 应将充电电流减半, 直到完全充足电为止。采用这种充电方法, 不论 6 V 或 12 V 的铅蓄电池均可串联在一起, 如图 1. 7 所示。但必须指出, 串联的各个电池的容量应尽量相同, 否则充电电流应以小容量电池来计算。当小容量电池充足电后应随即摘除, 再继续给大容量的铅蓄电池充电。定流充电具有较大的适应性, 可以任意选择和调整充电电流的大小, 因此可以对不同情况及状态下的蓄电池充电。例如新蓄电池的初充电, 使用中蓄电池的补充充电, 去硫化充电等。但这种充电方法的不足之处在于充电时间长, 且需要经常调整充电电流的大小。( 2) 定压充电法蓄电池在充电过程中, 直流电源的电压保持恒定的充电方法称为定压充电法。被充电蓄电池的连接方式如图 1. 8 所示。汽车行驶过程中就是采用这种充电方法。定压充电时, 充电电流很大, 充电开始之后 4 5 h 内蓄电池就可以获得本身容量的 90% 95% , 因而可以大大缩短充电时间。采用定压充电时, 应注意选择充电电压, 如果充电电压选择过高会造成充电初期充电电流过大和发生过充电现象, 造成极板损坏; 电压选择过低则会使蓄电池充电不足。一般单格电池充电电压定为2. 5 V, 即蓄电池的 充电电压应为 ( 14. 80 0. 05) V( 6 格电池) 或( 7. 40 0. 05) V( 3 格电池) 。此外, 充电初期最大充电电流不应超过0. 3C20 , 否则应适当调低充电电压, 待蓄电池的电动势升高后再将充电电压调整到规定值。图 1. 7 定流充电时蓄电池的连接图 1. 8 定压充电时蓄电池的连接定压充电的充电时间短, 充电进行中不需要人照管, 所以适用于蓄电池的补充充电, 在汽车修理行业中被广泛采用。但定压充电不能调整充电电流的大小, 且不能将蓄电池完全充足, 加上它要求所有参与充电的蓄电池的电压必须完全相同, 所以适应性较小, 只适用于蓄电池的补充充电。( 3) 脉冲快速充电法脉冲快速充电法是铅蓄电池充电技术上的新发展。其充电特点是, 先采用 0. 8 1 倍额定容量的较大电流进行定流充电, 使蓄电池在较短的时间内充至额定容量的 50% 60% , 当单格电池电压升高到2. 4 V, 电解液开始冒气泡时, 由控制电路进行控制, 开始进行脉冲充电。脉冲电流的波形如图 1. 9 所示。先停止充电 25 40 ms, 接着采用放电或反充电, 使蓄电池通过一个与充电电流方向相反的较大的脉冲电流, 一般此电流为充电电流的 1. 5 3 倍, 时间为 150 1 000 s, 接着再停止放电 25 ms, 以后充电过程一直按正脉冲充电停充负脉冲放电停充再正脉冲充电的循环进行, 直到充足电为止。脉冲快速充电有以下优点:图 1. 9 脉冲充电电流波形充电时间大为缩短, 由于其去除了极化, 使充电速度加快。一般情况下, 初充电时间不超过5 h, 补充充电时间不超过1 h。可增加蓄电池的容量, 由于脉冲快速充电能够去除极化, 充电时的化学反应充分, 且加深了化学反应的深度, 因此使蓄电池的容量有所增加。所以新蓄电池初充电后, 不必放电即可使用。去硫化效果较好。脉冲快速充电去极板硫化一般只需要 4 5 h, 且效果良好。由于脉冲快速充电具有上述优点, 因此在电池集中、充电频繁的地方或应急部门使用, 其优点更为突出。但采用脉冲快速充电时, 蓄电池析出的气体总量虽然减少, 但出气率高, 它对极板活性物质的冲刷能力强, 使活性物质易于脱落, 对蓄电池的使用寿命有一定的影响。同时脉冲充电机控制电路复杂, 价格高于普通充电机, 在使用中还不够理想, 有待于进一步改进。3.2 蓄电池的充电类型根据蓄电池充电的目的不同, 蓄电池的充电可分为初充电、补充充电和去硫化充电等。国产蓄电池的充电规范如表 1. 1 所示。初充电和补充充电所选择的充电电流及所需要的充电时间一般按表中的规定值进行。( 1) 初充电新蓄电池或修复后的蓄电池在使用之前的首次充电称为初充电, 其目的在于恢复蓄电池存放期间极板上部分活性物质缓慢硫化而失去的电量。因此初充电对蓄电池的使用性能极为重要, 其特点是充电电流小, 充电时间长。初充电的程序如下:1）加注电解液表 1. 1 蓄电池的充电电流和充电时间型 号初 充 电补 充 充 电第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段电流 /A时间 /h电流/A时间 /h电流/A时间 /h电流/A时间/h3-Q-75525 35320 307. 510 1143 53-Q-9063953-Q-1057410. 553-Q-120841263-Q-1359513. 573-Q-1501051573-Q-19513719. 5106-Q-6042636-Q-75537. 546-Q-9063946-Q-1057410. 556-Q-12084126 由于新蓄电池在出厂时没有装电解液, 电解液是由使用者加注的, 所以要按制造厂的规定加注一定密度的电解液。液面应高出极板上沿15 mm左右。加注电解液后应静置 3 6 h, 待温度低于 35 时才能进行充电。2）初充电过程将蓄电池接入充电机, 按表 1. 1 所规定的电流值充电。第一阶段的充电电流约为额定容量的 1 /15, 充电至电解液中逸出气泡, 单格电压达到2. 4 V为止。第二阶段充电电流减半, 充电至电解液沸腾, 且密度和端电压连续 3 h 不变为止。整个初充电时间为 60 h 左右。3）注意事项在充电过程中应经常注意测量电解液的温度, 当上升到 40 时应将充电电流减半, 上升到 45 时应停止充电, 待冷却到35 以下时再充电。初充电接近完毕时应测量电解液的密度, 如不符合规定值, 应用蒸馏水或密度为1. 400 g/cm3 的电解液调整, 调整后再充电 2 h。新蓄电池充电完毕后, 要以 20 h 的放电率放电, 再进行补充充电至电流充足, 然后又以 20 h 的放电率再次放电, 如果第二次放电的蓄电池容量不小于额定容量的 90% 就可以使用了。( 2) 补充充电蓄电池在汽车上使用时经常有充电不足的现象, 城区公共汽车等短距离运营的车辆尤为突出。应根据需要进行补充充电, 一般每个月进行一次。如果电解液密度下降到1. 150 g/cm3 以下; 或单格电压下降到1. 75 V以下; 或冬季放电超过 25% , 夏季放电超过 50% ; 或前照灯灯光暗淡; 或起动无力时, 则应立即进行补充充电。补充充电可以采用定流充电, 也可以采用定压充电。若采用定流充电也要按表 1. 1 中规定的电流值分两阶段进行。充电过程与初充电相似, 但充电电流可以略大一些, 第一阶段的充电电流为额定容量的 1 /10, 充电至单格电池电压达到2. 4 V时电流减半, 直至充足。若采用定压充电, 则其充电的方法如下:将蓄电池与充电电源连接。将电压调至规定值, 观察充电电流, 如电流超过 0. 3 Q20 , 应适当降低电压, 待蓄电池电动势升高后再将电压调至规定值。充电电流在连续 2 h 内变化不大于 0. 1 A, 且电解液密度无明显变化, 则可以认为充电结束。( 3) 预防硫化充电为了预防硫化, 蓄电池每隔 3 个月应进行一次预防硫化过充电: 先用补充充电的电流值将电池充足, 然后间歇1 h, 将电流值减为补充充电电流值的一半继续充至沸腾。这样反复多次, 一直到蓄电池刚一接入直流电源就立即沸腾起来, 这时就可以结束充电了。( 4) 去硫化充电当极板硫化较严重时, 可以进行去硫化充电: 先倒出容器内的电解液, 用蒸馏水反复冲洗数次, 然后加入蒸馏水, 用初充电电流值进行充电, 并且随时测量电解液密度。当密度上升到 1. 15 g/cm3 时, 要用蒸馏水冲淡, 继续充至密度不再上升。然后进行放电, 反复进行到6 h内电解液密度不再变化为止。最后按初充电的方法充电, 调整电解液的密度至规定值, 如果容量达到额 容量的 80% 就可以使用了任务四 蓄电池的正确使用与维护1 蓄电池的使用与维护为了使蓄电池经常处于完好状态, 延长其使用寿命, 在对蓄电池的使用及维护上要做好以下工作:定期检查蓄电池的安装是否牢固, 线夹与极桩的连接是否牢固, 并及时清除线夹和极桩上的氧化物, 在其表面涂上凡士林或黄油可防止氧化。经常检查蓄电池表面是否清洁, 应及时清除灰尘、油污、电解液等脏物, 畅通加液孔盖通气小孔。定期检查电解液的液面高度, 液面一般应高出极板15 mm , 液面过低时应及时补充蒸馏水。除非确知液面降低是由于电解液溅出所致, 否则一般不允许加注硫酸溶液。检查蓄电池的放电程度, 如果放电程度冬季超过 25% , 夏季超过 50% 时, 就应对蓄电池立即进行补充充电。定期对蓄电池进行补充充电, 不考虑蓄电池放电程度强制性进行补充充电, 以保证蓄电池始终保持充足电状态, 避免极板硫化。定期补充充电一般为每月一次, 城市公共汽车可短些, 而长途运输车可更长一些。连接蓄电池时, 细心查明极性, 不要接错。脱开蓄电池时, 始终要先拆负极( 搭铁) 电缆。千万不要把工具放在蓄电池上, 它们可能会同时触及两个极桩, 使蓄电池短路而引起事故。532 蓄电池技术状况的检查( 1) 电解液液面的检查如图1. 14 所示, 可用玻璃管测量液面的高度。对于采用工程塑料容器的蓄电池,可以从蓄电池容器的侧面观察液面的高度。为了便于观察, 一些蓄电池容器侧面刻有液面高度指示线, 一般电解液液面应高出极板上沿15 mm, 或处于液面高度指示线规定的范围中。( 2) 蓄电池放电程度的检查1) 测量电解液密度通过测量电解液密度就可以知道蓄电池的放电程度。电解液的密度可用专用的密度计测量, 如图1. 15 所示。在测量密度时, 应同时测量电解液的温度, 并将测得的密度转换成25 时进行修正。根据实际经验, 密度每下降0. 01 g / cm3 , 就相当于蓄电池放电6% 。在测量密度时, 应同时测量电解液的温度, 并将测得的密度转换成 25 时进行修正。根据实际经验, 密度每下降0. 01 g/cm3 , 就相当于蓄电池放电 6% 。图 1. 15 测量电解液密度1吸嘴;2密度计; 3玻璃管; 4橡皮球图 1. 16 高率放电计1放电叉; 2电压表; 3放电电阻通过测量每个单格电池的密度就可以确定蓄电池是否失效。若单格电池密度的测量结果的最高值和最低值之间相差超过0. 050 g/cm3, 则说明蓄电池已失效。当所有的单格电池具有相同的密度值时, 即使密度值都偏低, 通常该蓄电池也可以通过补充充电后得到再生。1）用高率放电计测量放电电压如图 1. 16 所示, 高率放电计是一种利用接入与起动机相当的负荷电阻, 测量蓄电池大电流放电时的端电压来判断蓄电池的放电程度和起动能力的仪器。测量时将高率放电计的两个叉尖紧紧地压在单格电池的正、负极桩上, 保持 5 s, 电压表的读数就是大负荷放电情况下蓄电池所能保持的端电压。技术状况良好的蓄电池, 用高率放电计测量时, 单格电压应在 1. 5 V 以上, 并且在 5 s 内保持稳定。其中, 读数在 1. 75 V 以上说明单格电池完好, 读数在 1. 5 1. 75 V 表明放电较多, 应进行补充充电。如果在 5 s 内单格电池电压迅速下降到 1. 5 V 以下, 或者蓄电池中的一个单格电压比其余的单格电压低 0. 1 V 以上, 则说明该单格电池有故障, 应进行修理。表 1. 2 为 100 A 的高率放电计测得的单格电池电压与放电程度的对照表。表 1. 2 用高率放电计测量放电程度用高率放电计( 100 A) 测得的单格电压 /V蓄电池的放电程度/%1. 7 1. 801. 6 1. 7251. 5 1. 6501. 4 1. 5751. 3 1. 41003 蓄电池的常见故障及排除方法( 1) 自行放电 充足电的蓄电池, 放置不用, 会逐渐失去电量, 这种现象称为自行放电。2）故障现象蓄电池放置几天后, 在无负荷的情况下, 储电量自行明显下降, 甚至为全无电。3）主要原因电解液不纯, 有杂质。杂质与极板之间以及沉附于极板上的不同杂质之间形成电位差, 通过电解液产生局部放电。蓄电池表面脏污, 造成轻微短路。极板活性物质脱落, 下部沉积物过多使极板短路。蓄电池长期放置不用, 硫酸下沉, 从而造成下部密度比上部密度大, 极板上下部发生电位差引起自行放电等。3）排除方法先将蓄电池全部放电或过放电, 使极板上的杂质进入电解液; 倒出电解液, 清洗几次; 最后加入新配制的电解液( 配制电解液必须用蓄电池专用硫酸和蒸馏水) 。充足电后如仍有自放电现象, 则重复上述步骤, 直到故障排除。( 2) 极板硫化蓄电池长期处于放电状态或者充电不足, 会在极板上逐渐生成一层白色的粗晶粒的硫酸铅, 正常充电时它不能转化成 PbO2 和 Pb, 称为硫酸铅硬化, 简称硫化。这种粗晶粒的硫酸铅, 极易堵塞极板孔隙, 使电解液渗入困难, 电池容量下降, 又由于硫化层导电性能差, 内阻大, 所以蓄电池的起动性能和充电性能明显下降。1）故障现象蓄电池长期充电不足或放电后长期放置, 极板上生成一层白色的粗晶粒的硫酸铅, 这种物质很难在正常充电时溶解还原。充电时, 单格电池电压迅速上升到 2. 8 V 左右, 电解液密度上升不明显, 且过早出现“ 沸腾”现象。2）主要原因充电不足的蓄电池长期放置时, 当温度升高时, 极板上一部分硫酸铅溶于电解液中。在温度下降时, 溶解度随之减小, 部分硫酸铅再结晶成粗大颗粒的硫酸铅附在极板上, 使之硫化。蓄电池内电解液量不足, 使极板一部分外露在空气中而遭氧化, 生成粗晶粒的硫酸铅, 从而使极板硫化。电解液密度过大, 电解液不纯或气温变化大时都能使之硫化。3）排除方法当硫化不严重时, 可采用去硫化充电法进行排除。当硫化严重时, 应予以报废。( 3) 内部短路1）故障现象蓄电池开路时端电压过低, 起动机运转无力。充电时, 温度高、电压低、电解液密度低, 充电末期气泡较少或产生气泡太晚。2）主要原因隔板损坏而漏电或短路。电池底部沉淀太多而将极板短路。3）排除方法若是属于隔板损坏, 则应拆开蓄电池更换隔板。若是因电池底部沉淀太多而造成短路, 则可将蓄电池放电完全, 倒出电解液, 用蒸馏水反复清洗后, 注入新配制的电解液后再充电。( 4) 活性物质脱落1）故障现象充电时, 电解液沸腾并能见到褐色物质自底部上升到表面。2）主要原因经常长时间大电流放电, 如起动机使用过于频繁, 每次起动时间过长等从而引起过度放电。充电时电解液温度过高, 充电电压过高, 经常过充电等。电解液密度经常过大, 对极板栅架产生强腐蚀。3）排除方法将蓄电池解体, 反复清洗, 检查活性物质脱落情况。若脱落较少, 则可以继续充电使用; 若严重脱落, 则更换新极板, 重新组装使用。思考练习题1. 蓄电池由哪几部分组成? 为什么负极板比正极板多一片?2. 简述免维护蓄电池的特点。3. 何谓蓄电池的容量? 其影响因素有哪些?项目二、 交流发电机和电压调节器任务一 交流发电机的构造教学目标：知识目标：知道交流发电机的结构组成、功用及工作原理。能力目标：会拆装交流发电机。素质目标：5S培养。1 普通交流发电机的构造特点 目前在汽车上装备的交流发电机, 结构基本相同。主要由转子、定子、整流器及前后端盖等组成。图 2. 2 为 JF132 型交流发电机的组件图, 图 2. 3 为其结构剖视图。图 2. 2 JF132 型交流发电机的组件图1后端盖; 2电刷架; 3电刷;4电刷弹簧压盖;5硅二极管;6散热板;7转子; 8定子总成; 9前端盖;10风扇; 11皮带轮( 1) 转子交流发电机的转子是电机的磁场部分, 它主要是由两块爪极、磁场绕组、滑环及轴等组成。如图 2. 4 所示。两块爪极被压装在转轴上, 且内腔装有磁轭, 其上绕有磁场绕组。绕组两端的引线分别焊在与轴绝缘的两个滑环上。两个电刷装在与端盖绝缘的电刷架内, 通过弹簧力使其与滑环保持接触。当发电机工作时, 两电刷与直流电源连通, 可为磁场绕组提供定向电流并产生轴向磁通。使两块爪极被分别磁化为 N 极和 S 极, 从而形成犬牙交错的磁极对并沿圆周方向均匀分布。磁极对数可为 4 对、5 对和 6 对, 我国设计的交流发电机的磁极对数多为 6 对。由于爪极凸缘的外形极像鸟嘴, 故当发电机工作时, 可在定子铁心内部形成近似正弦变化的交变磁场。( 2) 定子定子又称电枢, 由定子铁心和定子绕组组成。定子铁心一般由一组相互绝缘且内圆带有嵌线槽的环状硅钢片或低碳钢板叠成, 定子槽内嵌有三相对称绕组。三相绕组的连接方法可分星形接法及三角形接法, 目前车用交流发电机多采用星形接法。为了在三相绕组中产生大小相同, 频率相同, 且相位相差 120的对称电动势, 在其绕法上应遵循以下原则:图 2. 3 JF132 型交流发电机的结构1后端盖; 2滑环;3电刷; 4电刷弹簧; 5电刷架; 6磁场绕组;7定子绕组;8定子铁心; 9前端盖; 10风扇; 11皮带轮1) 每相绕组的线圈个数及每个线圈的匝数必须完全相等以 JF11 交流发电机为例, 定子总槽数 Z 为 36, 每相绕组占用的槽数应为 12。因采用单层集中绕法, 即每个槽内放置 1 个有效边, 每 1 个线圈放置在 2 个槽中, 故每相绕组是由 6 组线圈串联而成, 若每个线圈有 13 匝, 则每相绕组共有 78 匝。图 2. 4 交流发电机的转子2) 每个线圈的节距必须相等节距 y1 和极距 yp 是两个重要的结构参数。y1 在数据上等于线圈的两个有效边之间的定子槽数, 而相邻异性磁极中心线之间的定子槽数则称为极距 yp 。要使线圈内能产生最大的感应电动势, 线圈的两个有效边应分别置于异性磁极下面, 若每个线圈的节距 y1 相等并等于极距 yp 时, 便可满足上述条件获得最大感应电动势。极距 yp 可通过公式计算, 即 ( 2. 1)式中 Z 定子铁心的总槽数;P 磁极对数。3) 三相绕级的首端 A, B, C 在定子槽内的排列必须间隔 120 电角度。转子旋转时, 磁场相对定子中的导体运动, 在定子绕组中产生感应电动势。且每转过一对磁极时, 线圈中的感应电动势就变化一个周期, 即 360 电角度, 由此计算( P = 6, Z = 36) 出每个槽的电角度( ) 为 60, 即 ( 2. 2)由此分析, 要使三相绕组的电动势相差 120相位角, 必须符合以下条件: 相邻两相绕组线圈的起端间隔距离应等于 2 + 3n 个槽( y1 = 3, n = 1, 2, 3, ) , 即 2, 5, 8, 11, 个槽均可。如图2. 5 所示, F11 系列型交流发电机定子绕组的三相绕组的 3 个首端 A, B, C, 被依次嵌入第 1, 9,17 三个槽中, 而末端 X, Y, Z 则相应嵌在 34, 6, 14 三个槽内, 正好与给定条件相符。图 2. 5 JF11 型交流发电机定子绕组的展开图( 3) 整流器交流发电机的整流器, 由 6 只硅整流二极管组成。其作用是: 将定子绕组产生的三相交流电转换为直流电; 其次, 阻止蓄电池电流向发电机倒流, 避免烧坏发电机。如图 2. 6 所示, 整流二极管通常直接压装在散热板上或发电机后端盖上。其中压装在散热板上的 3 只硅二极管, 引线为正极, 外壳为负极, 俗称“ 正极管子”, 管壳底部一般涂有红色标记; 压装在后端盖上的二极管, 与上述情况恰相反, 俗称“ 负极管子”, 为区别起见, 管壳底部一般涂有黑色标记。采用上述结构形式, 对维修多有不便, 故新型的交流发电机将 6 只硅二极管分别压装在不同的散热板上。散热板通常用铝合金制成以利于散热, 它与后端盖用尼龙或其他绝缘材料制成的垫片隔开且固定在后端盖上, 并用螺栓引至后端盖外部作为发电机 的电源输出端, 并标记为“ B”(“+ ”“、A”或“ 电枢”) 。二极管命名及其符号代表的含义如下:例如 ZQ10 表示汽车用整流二极管, 额定正向电流为 10 A。( 4) 端盖与电刷总成前、后端盖均由铝合金压铸或用砂模铸造而成。因为铝合金为非导磁材料, 可减少漏磁并具有轻便、散热性能良好等优点。为了提高轴承孔的机械强度, 增加其耐磨性, 在有的发电机端盖的轴承座内镶有钢套。后端盖上装有电刷架, 它由酚醛玻璃纤维塑料模压而成, 或用玻璃纤维增强尼龙制成。两个电刷分别装在电刷架的孔内, 借弹簧压力与滑环保持接触。目前国产交流发电机的电刷架有两种结构形式, 一种电刷架可直接从电机外部进行拆装( 图 2. 7( a) ) ; 另一种则不能直接从电机外部进行拆装( 图 2. 7( b) ) , 若需要换电刷, 必须将电机拆开, 故这种结构的电刷将逐渐被淘汰。图 2. 7 电刷架的结构图 2. 6 6 只二极管的安装示意 ( a) 能从外部拆除 ( b) 不能从外部拆除交流发电机有内、外搭铁之分, 故电刷引线的接法也有所不同。对于内搭铁的交流发电机, 磁场绕组直接通过交流发电机的外壳搭铁, 故其中一根引线接至后端盖上的磁场接线柱“ F”( 或“ 磁场”) , 另一根则直接与发电机外壳上的搭铁接线柱“ - ”( 或“ 搭铁”) 连接。而外搭铁交流发电机的磁场绕组必须通过调节器后( 外部) 再搭铁, 故电刷引线须分别与发电机后端盖“ F + ”( 或 DF + ) 和“ F - ”( 或 DF - ) 接线相连。发电机的前端装有皮带轮, 后面装有叶片式风扇, 前后端盖上分别有出风口和进风口。当发动机的曲轴驱动皮带轮旋转时, 可使空气高速流经发电机内部进行冷却。有些新型的发电机, 为了提高散热强度, 特别将风扇叶片直接做在转子上, 实现风扇转子一体化, 可有效提高发电机的比功率。根据中华人民共和国行业标准 QC/T 7393汽车电气设备产品型号编制方法的规定, 汽车交流发电机的型号如下:1 2 3 4 5产品代号: 交流发电机的产品代号有 JF, JFZ, JFB, JFW 四种, 分别表示交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机和无刷交流发电机。电压等级代号: 用 1 位阿拉伯数字表示:1 表示 12 V; 2 表示 24 V; 6 表示 6 V。电流等级代号: 用 1 位阿拉伯数字表示, 其含义见表 2. 1。设计序号: 按产品的先后顺序, 用阿拉伯数字表示。变型代号: 交流发电机是以调整臂的位置作为变型代号。从驱动端看, Y 表示右边; Z 表示左边; 无表示中间。表 2. 1 电流等级代号123456789电流 /A1920 2930 3940 4950 5960 6970 7980 89 90 例如: 桑塔纳、奥迪 100 型轿车所用代号为 JFZ1913Z 型交流发电机, 其含义为, 其电压等级为 12 V、输出电流大于等于 90 A、第 13 次设计, 调整臂位于左边的整体式交流发电机。2 无刷交流发电机的构造特点普通交流发电机因为具有电刷和滑环, 长期使用, 由于滑环与电刷的磨损、烧蚀等现象, 会造成励磁不稳定或不发电等故障。而采用无刷交流发电机, 由于转子上没有励磁线圈, 故省去了滑环和电刷, 使结构更简单, 减少了故障, 提高了工作可靠性, 并且无刷交流发电机可在潮湿和灰尘较多的特殊场合下使用, 对环境的适应性强。无刷交流发电机有多种形式, 通常可分为爪极式无刷交流发电机、带有励磁机的无刷交流发电机和永磁式无刷交流发电机 3 种类型。( 1) 爪极式无刷交流发电机爪极式无刷交流发电机在结构上与硅整流交流发电机大致相同, 其结构如图 2. 8 所示。与硅整流发电机不同的是磁场绕组 4 通过托架 3 固定在后端盖上。由于磁场绕组不随转轴旋转, 故可不通过电刷和滑环直接与外接电源相连。从图中还可看到, 只有爪极 S 固定在发电机的转轴上, 而爪极 N 则利用非导磁连接环 9 固定在爪极 S 上。当发电机工作时, 转轴可带动 2 个爪极同步旋转。其工作原理 与硅整 流交 流发电 机也 大致相同。当直流电通过磁场绕组时, 便会产生励磁过程, 爪极被同时磁化, 其磁路如下所示, 由磁极 N主气隙定子铁心主气隙磁极 S转子磁轭 2附加气隙磁轭托架 3附加气隙磁级 N 构成磁路回路。当转轴带动爪极旋转时, 在定子铁心中可产生交流磁场, 导致三相定子绕组中感应出交流电动势, 形成三相交流电, 经整流后变成直流电输出。图 2.8 爪极式无刷交流发电机1转子轴; 2磁轭;3托架; 4磁场绕组;5爪极; 6后端盖;7定子铁心;8定子绕组; 9非导磁连接环; 10爪极; 11前端盖爪极式无刷交流发电机的缺点是爪极连接处的制造工艺较困难。由于附加气隙的存在, 磁路的损失较大, 所以在输出功率相同的情况下, 必须增大磁场的励磁能力, 即通过增大励磁电流或增加磁场绕组匝数的方法来保证。北京切诺基汽车上装用的 JFW18 型交流发电机就属于这种类型。( 2) 带有励磁机的无刷交流发电机图 2. 9 为德国波许公司生产的 T4 型带有励磁机的无刷交流发电机, 它主要由爪极式无刷交流发电机和小型硅整流交流发电机组成。小型硅整流交流发电机又称为励磁机, 其结构不同于一般的 车用硅整流发电机。励磁机的 定子线圈为磁场绕组, 而三相电枢绕组被安装在转子上, 电枢旋转所产生的三相交流电由二极管整流变为直流电后, 单独用来为爪极式 无刷交流发电机励磁发电。图 2. 9 带有励磁机的无刷交流发电机1接线柱; 2抑制电容; 3晶体管调节器; 4转子部分; 5磁极; 6磁场绕组; 7定子铁心; 8定子绕组; 9驱动端盖; 10油封; 11风扇; 12油道;13油环; 14爪极式转子; 15磁场绕组; 16二极管; 17散热板; 18进风口较前者而 言, 带 有励磁机的无刷 交流子发电机的输出功率较大, 缺点 是结构比较复杂, 故仅在需要大功 率输出时采用。我国 生 产 的 交流 发 电 机 中, 目 前 尚 无 这 种( 3) 永磁式无刷交流发电机永磁式无刷交流发电机是利用永久磁铁代替磁场绕组产生旋转磁场, 故具有结构简单可靠、使用寿命长等特点。而除转子外的其他部分和交流发电机基本相同。转子的结构与永久磁铁的材料、加工工艺及最高使用转速有很大关系, 且对发电机的性能、外形尺寸、工作可靠性等均有影响。常用的永磁材料有铁氧体、铝镍钴、稀土钴和钕铁硼等。其中钕铁硼为第 4 代超强永磁材料, 具有较高的剩磁力矫顽力, 是一种比较理想的永磁材料。用于发电机后, 可有效提高发电机的磁负荷, 减小电机的体积及重量, 因此转子磁极可采用结构性能较好的瓦片式结构, 并用环氧树脂粘在导磁轭上, 磁极之间呈鸽尾型, 用胶填充。由于永磁式无刷交流发电机的磁场无法进行调节, 故不能采用普通交流发电机控制磁场电流的方法来调节发电机的输出电压, 但可采用如图 2. 11 所示的方法对发电机的输出电压进行调节。图2. 11 永磁式无刷交流发电机整流电路及电压控制电路与一般的硅整流发电机整流器不同的是, 在原有 6 只硅二极管的基础上, 又增加了 3 只可控硅。其中由二极管 VD1 VD6 组成三相桥式整流电路, 而可控硅 VT1 , VT2 , VT3 又与二极管 VD1 , VD2 , VD3 构成三相半控桥式整流电路, 电压调节器则通过可控硅来控制发电机的输出电压, 其工作原理如下:当发电机的转速较低时, 电压调节器的触点 K 闭合, 可控硅控制极因获得正向触发电压而导通。发电机的电动势随着发电机的转速升高而增加, 当其超过某一规定动作电压时, 电压调节器磁化线圈因电流增大使其产生的电磁力足以克服弹簧力使触点 K 断开。触点 K 断开后, 可控硅控制极因失去正向触发电压而截止, 其端电压随之迅速下降。当发电机电压下降至另一规定的动作电压时, 电压调节器的电磁线圈因电流减小又使触点 K 闭合, 可控硅又重新获得正向触发导通, 端电压又迅速回升。周而复始, 便可使发电机的输出电压控制在规定范围内。永磁交流发电机具有体积小, 重量轻、结构简单、工作可靠、维护方便、使用寿命长等优点, 且比功率大, 低速充电性好。任务二 交流发电机的工作原理1 交流电动势的产生图 2. 12 是交流发电机的工作原理图。如上所述, 发电机的三相定子绕组按一定的规律排列在发电机的定子槽中, 依次相差 120的电角度。当磁场绕组接通直流电源时即被激励, 转子的爪极被磁化为 N 极和 S 极。磁路如图 2. 13 所示, 其磁力线由 N 极出发, 穿过转子与定子之间很小的气隙进入定子铁心, 最后又通过气隙回到相邻的 S 极。当转子旋转时, 由于定子绕组与磁力线有相对的切割运动, 所以在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差 120的正弦电动势 eA , eB 和 eC。其波形如图 3. 14( b) 所示。三相绕组中所产生的感应电动势可用下列方程式表示:式中：E m 相电动势的最大值;E 相电动势的有效值; 电角速度( = 2f) 。发电机每相绕组所产生的电动势的有效值为:E = 4. 44KfN( 2. 6)式中 K 定子绕组系数, 一般小于 1;f 感应电动势的频率, Hz, f = Pn/60( P 为磁极对数, n 为转速 r/min) ;N 每相绕组的匝数; 磁极的磁通, Wb。图 2. 12 交流发电机工作原理图图 2.13 交流发电机的磁路2 整流过程如图 2. 14( a) 所示, 交流发电机的整流装置实际上是一个由 6 只硅整流二极管组成的三相桥式整流电路。图 2. 14 三相桥式整流电路中的电压、电流波形( a) 电路( b) 三相交流电动势( c) 整流后的交流发电机输出电压波形由硅二极管单向导电特性, 可推出以下两点结论:当二极管的外加电压为正向电压时, 管子呈低阻抗, 处于“ 导通”状态。当外 加电压为 反向电压 时, 管子 呈高 阻抗, 处于“ 截止”状态。由此得出, 在某一时刻, 总是正极电位最高和负极电位最低的一对管子导通。其整流过程如图 2. 14 所示。当t = 0 时, C 相电位最高, 而B 相电位最低, 所对应的二极管VD5 , VD4 均处于正向导通。电流从绕组C 出发, 经VD5