Действия стартера

ЛЕКЦИЯ 5. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП

ТЕМА 2. СИСТЕМА ПУСКА

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Система пуска представляет комплекс устройств, обеспечивающих принудительное вращение коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

Тип системы пуска определяется видом используемой энергии и конструкцией основного пускового устройства – стартера. В практике автомобилестроения встречаются инерционные стартеры, пневматические и гидропневматические системы пуска. Наибольшее распространение получила электростартерная система пуска. Эта система компактна, надежна в работе, удобна для автоматизации процесса пуска. Она состоит из аккумуляторной батареи, стартерной цепи (привода, коммутационной аппаратуры управления) стартера и средств облегчения пуска (рис. 5.1).

Аккумуляторная батарея в системе пуска разряжается в прерывистых режимах при токах (2 ÷ 5) С₂₀. Мощность, развиваемая батареей, соизмерима с мощностью стартера. Её параметры зависят от режима стартерного разряда (силы тока, температуры, продолжительности пуска) и влияют на характеристики самого стартера. Наиболее важными параметрами батареи, влияющими на процесс пуска двигателя, являются её ёмкость и число пластин в аккумуляторе, температура электролита t_э и степень разряженности батареи ∆С_р.

Батарея в процессе пуска двигателя должна дать определённый ток без уменьшения напряжения ниже заданной минимальной величины (6,0 ÷ 8,0 В для системы на 12 В). Эта величина определяется характеристиками стартера и требованиями системы зажигания к минимальному напряжению в цепи первичной катушки зажигания.

Тяговое реле, стартерный электродвигатель и приводной механизм конструктивно представляют один узел – стартер.

Тяговое реле обеспечивает ввод шестерни приводного механизма в зацепление с венцом маховика и подключает стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее.

В качестве стартерного электродвигателя применяется двигатель постоянного тока последовательного или, значительно реже, смешанного возбуждения. К его основным параметрам относятся номинальное напряжение U_н (6, 12, 24 В), номинальная полная мощность S_сн, номинальная частота вращения n_сн и момент М_сн, ток при максимальной мощности I_сн. Как электрическая машина, стартер характеризуется комплексом электромеханических характеристик – зависимостями момента, частоты вращения якоря, мощности, КПД и напряжения от потребляемого тока I_c.

Стартерный электородвигатель во время эксплуатации автомобиля работает со значительной нагрузкой. Средняя частота его включений на 100 км пробега составляет в условиях города для легковых автомобилей 28, а для грузовых – 22. Электродвигатель должен обеспечить минимальную пусковую частоту вращения коленчатого вала n_min в каждом включении. Минимальной называют частоту вращения коленчатого вала, при которой пуск двигателя в заданных условиях происходит за две попытки. Продолжительность попыток не должна превышать 10 с для бензиновых двигателей и 15 с для дизелей. Перерывы между попытками должны быть не менее 1 мин. Требуемые пусковые частоты для автомобильных бензиновых двигателей – 40 – 85 мин^-1, а для дизелей – 50 – 200 мин^-1.

Минимальные пусковые частоты определяются по зависимости времени пуска t_П от средней частоты вращения n коленчатого вала (рис. 5.2).

Минимальные пусковые частоты увеличиваются с понижением температуры, увеличением вязкости масла. При увеличения числа цилиндров двигателя и при использовании устройств облегчения пуска минимальные пусковые частоты снижаются.

Приводной механизм системы пуска представляет собой устройство, обеспечивающее ввод и удержание шестерни стартера в зацеплении с венцом маховика во время пуска, передачу необходимого вращающего момента коленчатому валу и предохранение якоря стартерного электродвигателя от разноса вращающимся маховиком работающего двигателя. Основными параметрами приводного механизма являются:

– Z_мах – число зубьев венца маховика,

– Z_с - число зубьев шестерни стартера,

– передаточное отношение ,

– m – модуль зуба,

– ŋ_z – КПД зубчатой передачи.

Редуктор приводного механизма целесообразно применять при мощности стартера 1 кВт и более. Применяются три основных типа редукторов: цилиндрический с внешним зацеплением, цилиндрический с внутренним зацеплением и планетарный.

Средства облегчения пуска представляют собой устройства, позволяющие увеличить частоту прокручивания коленчатого вала двигателя за счёт снижения момента сопротивления прокручиванию или повышения энергетических возможностей пусковой системы и системы зажигания. Как правило, эти устройства за время своей работы (около 30 мин) потребляют энергию от батареи. Таким образом, существует ещё одна разновидность стартерного разряда холодной аккумуляторной батареи: вначале – на устройства облегчения пуска двигателя сравнительно малым током – до 0,5 С₂₀, а затем – на стартер большим током – (2,0 ÷ 5,0) С₂₀.

2. СТАРТЕРНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

В стартерах применяются двигатели постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением. Из курса электротехники известны общие соотношения, определяющие частоту вращения ротора n и вращающего момента двигателей постоянного тока М_вр:

, (5.1)

, (5.2)

где , R_я – сопротивление обмотки якоря, I_я – ток якоря, р – число пар полюсов, N/2 – число витков обмотки якоря, а – число пластин коллектора якоря.

Для двигателя с последовательным возбуждением (рис. 5.3, а) I_я = I_в. Учитывая, что

Ф = I_я∙v_в / R_м (5.3)

и, подставляя это значение в (5.1) и (5.2), можно получить выражение для электромеханической n = f(I_я) характеристики двигателя (рис. 5.3, б)

, (5.4)

а также М = f(I_я)

, (5.5)

где R_м – магнитное сопротивление магнитопровода электродвигателя.

Выражения (5.4) и (5.5) показывают, что в диапазоне от 0 до I_{я ном} зависимость n = f(I_я) гиперболическая, а зависимость М = f(I_я) – параболическая. При достижении тока якоря значений (0,8 ÷ 0,9)· I_{я ном} магнитопровод электродвигателя приходит в насыщение и выражение (5.3) нарушается. Магнитный поток Ф растет медленнее, чем ток I_я. При больших нагрузках, когда I_я > I_{я ном}, магнитный поток Ф можно считать постоянным, а характеристики n = f(I_я) и М = f(I_я) – линейными.

Механическую характеристику двигателя с последовательным возбуждением n =f(М) (рис.5.3, в) получают из выражения (5.1).

Для формирования выражения n =f(М) представим (5.3) в виде

Ф = к_φ·I_я, (5.6)

а (5.5) в виде

. (5.7)

Подставляя (5.6) и (5.7) в (5.1), после преобразований получим

,

где R = R_я + R_в, – начальный пусковой момент при пусковом токе I_п = U/R_я.

Механическая характеристика такого двигателя «мягкая». При малых нагрузках характеристика гиперболическая, частота n резко возрастает и может превысить предельно допустимое значение, при котором двигатель идёт в разнос. При нагрузках, близких к номинальной, магнитная система насыщается и характеристика переходит в наклонную прямую.

Двигатели последовательного возбуждения широко применяют как тяговые на электротранспорте, в крановых установках и в электростартерных системах. В этих установках и системах при пуске двигателю необходим большой пусковой момент, чтобы преодолеть инерцию неподвижных масс. Кроме того, ток этих двигателей с нагрузкой изменяется в меньшей степени (I ~ ), чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки и развивают больший пусковой момент.

В электродвигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создаётся в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной. Такой двигатель обладает «мягкой» механической характеристикой, но может работать на холостом ходу, так как частота вращения ротора в режиме холостого хода имеет конечное значение.

Таким образом, в стартерах используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В отдельных случаях используются двигатели со смешанным возбуждением. В последние годы на стартерах стали применяться электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые имеют пониженное энергопотребление, так как отсутствует ток возбуждения.

3. КОНСТРУКЦИЯ СТАРТЕРОВ

Конструктивно электростартер объединяет в себе электродвигатель, механизм привода и электромагнитное тяговое реле. В стартер может быть встроен дополнительный редуктор. По принципу работы механизма привода выделяют стартеры с электромеханическим перемещением шестерни привода, с инерционным и с комбинированным приводом. Для предотвращения разноса якоря после пуска двигателя в автомобильные стартеры устанавливают роликовые, храповые и фрикционно-храповые муфты свободного хода.

Разрез стартера с электромеханическим включением шестерни приведен на рис. 5.4. Основными узлами и деталями стартера являются корпус 22 с полюсами 21 и катушками 20 обмотки возбуждения, якорь 24 с обмоткой и коллектором 16, механизм привода с муфтой свободного хода 2, шестерней 1 и буферной пружиной 4, электромагнитное тяговое реле с корпусом 8, обмоткой 9, контактными болтами 13 с контактами 12, крышка 6 со стороны привода, крышка 17 со стороны коллектора и щёточный узел с щёткодержателями 15, щётками 19 и щёточными пружинами 14.

Разрез корпуса электродвигателя стартера приведен на рис. 5.5. Корпус 2 является частью магнитной системы электродвигателя, служит несущей конструкцией для крышек, воспринимает вращающий момент и передаёт его элементам крепления стартера на двигателе. Корпус выполняют из цельнотянутой трубы или полосы с последующей сваркой стыка.

К корпусу 2 винтами 3 прикреплены четыре полюса. Полюса состоят из магнитопровода и полюсных наконечников. Для обеспечения постоянного воздушного зазора по окружности между полюсами и якорем полюса растачивают.

На полюсах располагаются катушки обмотки возбуждения (рис. 5.6). Число катушек равно числу полюсов. Для намотки последовательной обмотки возбуждения используют неизолированный медный провод 3 прямоугольного сечения марки ПММ. Между витками катушки прокладывают электроизоляционный картон 1 толщиной 0,2 ÷ 0,3 мм. Между собой катушки могут быть соединены последовательно, попарно- параллельно или параллельно.

В стартерах со смешанным возбуждением для намотки катушек параллельной обмотки возбуждения применяют круглый изолированный провод с эмалевой изоляцией. Внешняя изоляция представляет собой хлопчатобумажную ленту, пропитанную лаком.

Разрез якоря приведен на рис 5.7, а. Якорь имеет шихтованный сердечник в виде пакета стальных пластин толщиной 1 ÷ 1,2 мм. В шихтованном сердечнике меньше потери на вихревые токи. Крайние пластины пакета из электроизоляционного картона предохраняют от повреждения изоляцию лобовых частей обмотки якоря. Пакет якоря напрессован на вал 4, вращающийся в двух или трёх опорах с подшипниками из порошковых материалов или бронзографитными.

В электродвигателях стартеров применяют простые волновые и петлевые обмотки с одно и двухвитковыми секциями (рис. 5.7, б). Лобовые части обмотки якоря укрепляют бандажами из нескольких витков проволоки 2, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, пропитанного синтетическими смолами. Концы секций обмотки якоря укладывают в прорези коллекторных ламелей, чеканят и соединяют с коллекторными ламелями пайкой.

В стартерах большой мощности применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке (рис.5.8, а), средней и малой мощности – цилиндрические и торцовые с пластмассовым корпусом (рис.5.8, б и в соответственно).

Пластины в коллекторе закрепляются с помощью металлических нажимных колец 2 и изоляционных корпусов 4 по боковым опорным поверхностям. Металлическую втулку напрессовывают на вал якоря. Медные пластины изолируют цилиндрической втулкой из миниканита.

Цилиндрические коллекторы с пластмассовым корпусом (рис. 5.8, б) набирают в виде пакета медных пластин и в специальной форме запрессовывают в пластмассу. Пластмассовый корпус изолирует коллекторные ламели и воспринимает нагрузки.

Рабочая поверхность торцового коллектора (рис. 5.8, в) находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения якоря. При такой конструкции снижается расход меди, уменьшается длина стартера, упрощается процесс производства коллекторов.

В стартерах с цилиндрическими коллекторами (рис. 5.9, а) щётки 4 устанавливают в четырёх коробчатых щёткодержателях 5 радиального типа, закрепленных на крышке 6 со стороны коллектора.

Необходимое удельное давление щётки на коллектор (30 ÷ 120 кПа) обеспечивают спиральные пружины 10. Щёткодержатели отделены от крышки прокладками из текстолита или другого изоляционного материала. В стартерах большой мощности в каждом из радиальных щёткодержателей устанавливают по две щётки.

В стартерах с торцовыми коллекторами (рис. 5.9, б) щётки 4 размещают в пластмассовой или металлической траверсе и прижимают к рабочей поверхности коллектора витыми цилиндрическими пружинами.

В стартерах применяют меднографитные щётки с добавками свинца и олова. Содержание графита выше в щётках для мощных стартеров и стартеров для тяжелых условий эксплуатации. Щётки имеют канатики 3 и присоединяются к щёткодержателям 5 с помощью винтов 7. Обычно щётки устанавливают на геометрической нейтрали.

Обязательными элементами конструкции электростартера являются механизм привода и электромагнитное тяговое реле (рис. 5.10). Тяговые реле обеспечивают ввод шестерни привода 1 (рис. 5.4) в зацепление с венцом маховика и подключает стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее. Они отличаются по способу крепления на статоре, количеству обмоток, конструкции контактного устройства и форме стопа электромагнита.

На большинстве стартеров тяговое реле располагают на приливе крышки 6 (рис. 5.4) со стороны привода. С фланцем прилива крышки реле соединяют непосредственно или через дополнительные крепёжные элементы.

Реле может иметь одну или две обмотки, намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь 11 (рис. 5.10), воздействующий на шток 15 с подвижным контактным диском 4. Два неподвижных контакта в виде контактных болтов 21 закрепляют в пластмассовой крышке 2.

В двухобмоточном реле удерживающая обмотка 13, рассчитанная только на удержание якоря реле 11 в притянутом к сердечнику 16 состоянии, намотана проводом меньшего сечения и имеет прямой выход на «массу». Втягивающая обмотка 14 подключена параллельно контактам реле. При включении реле она действует совместно с удерживающей обмоткой и создаёт необходимую силу притяжения, когда зазор между якорем 11 и сердечником 16 максимален. Во время работы стартерного электродвигателя замкнутые контакты тягового реле шунтируют втягивающую обмотку и выключают её из работы.

Контактные системы могут быть разделённой или неразделённой конструкции. На рис. 5.10 показана неразделённая система. В такой системе подвижный контакт снабжён пружиной 7. Перемещение подвижного контактного диска в исходное нерабочее положение обеспечивает возвратная пружина 9. В разделённой конструкции контактной системы подвижный контактный диск не связан жёстко с якорем реле.

Тяговое реле рычагом связано с механизмом привода, расположенным на шлицевой части вала. Рычаг воздействует на привод через поводковую муфту. Его отливают из полимерного материала или выполняют составным из двух штампованных стальных частей, которые соединяют заклёпками или сваркой.

Для предотвращения разноса якоря после пуска двигателя в автомобильные стартеры устанавливают роликовые, храповые и фрикционно-храповые муфты свободного хода. Наибольшее распространение получили роликовые муфты свободного хода (рис. 5.11). Они бесшумны в работе, способны передавать большие крутящие моменты, малочувствительны к загрязнению, не требуют ухода и регулирования в эксплуатации.

При включении стартерного двигателя наружная ведущая обойма 12 муфты свободного хода вместе с якорем поворачивается относительно неподвижной ещё обоймы 17. Ролики 1 под действием прижимных пружин 3 и сил трения перемещаются в узкую часть клиновидного пространства, заклинивая муфту. Вращение от вала якоря ведущей обойме 12 передаётся шлицевой втулкой 10.

После пуска двигателя внутреннего сгорания частота вращения ведомой обоймы с шестерней 17 превышает частоту вращения ведущей обоймы 12. Действующая на ролики 1 центробежная сила возрастает и, преодолевая сопротивление прижимных пружин 3, перемещает их в широкую часть клиновидного пространства между обоймами. Вращение от венца маховика к якорю стартера не передаётся.

В зависимости от конструкции прижимного устройства роликовые муфты разделяются на плунжерные и бесплунжерные. Принцип работы плунжерных роликовых муфт рассмотрен выше. Их недостатком является возможная пробуксовка муфты при неустойчивом запуске ДВС.

Муфты с бесплунжерными устройствами оборудуются индивидуальными прижимными устройствами (толкателями) или групповыми (сепараторами). Сепараторная конструкция прижимного устройства обеспечивает надёжную фиксацию роликов, равномерное распределение нагрузки на них и увеличение прочности обоймы.

Общее взаимодействие элементов конструкции стартера при запуске двигателя рассмотрим по рис. 5.4. При повороте ключа зажигания в положение «Стартер» обмотка тягового реле подключается к аккумуляторной батарее. Якорь тягового реле, втягиваясь магнитным полем обмотки 9, перемещает рычаг включения привода 5 и связанную с ним муфту свободного хода 2. Шестерня привода 1 входит в зацепление с венцом маховика двигателя. Подвижная контактная пластина 11 замыкает контакты 12 цепи батарея – стартер, и якорь стартера начинает вращаться. Если шестерня не вошла в зацепление с венцом маховика (в случае «утыкания» шестерни стартера в зубцы венца маховика), то рычаг 5 будет продолжать перемещаться, сжимая буферную пружину 4. Как только якорь начнёт вращаться, шестерня повернётся и под действием пружины 4 её зубья войдут во впадины между зубьями венца маховика.

После пуска двигателя срабатывает муфта свободного хода 2 и вращение от двигателя не передаётся на якорь. При повороте ключа в положение «Зажигание» обмотка тягового реле отключается от батареи и приводной механизм под действием буферной пружины 4 и возвратной пружины 9 (рис.5.10) возвращает якорь реле в исходное состояние, размыкая цепь батарея - стартер.

В стартерах большой мощности (более 5 кВт) применяют приводной механизм с храповой муфтой свободного хода. Храповые муфты отличаются от роликовых высокой надёжностью, ремонтопригодностью и возможностью передачи большего вращающего момента. Такие механизмы применяют в стартерах СТ142 (двигатели КамАЗ, ЯМЗ-740). Разрез муфты приведён на рис. 5.12.

Детали привода расположены на направляющей втулке 12, имеющей внутренние шлицы и многозаходную ленточную наружную резьбу. Эта втулка может перемещаться вместе с приводом по шлицам вала стартера. На наружной резьбе втулки 12 расположена ведущая половина храповой муфты 8. Ведомая половина 6 выполнена как одно целое с шестерней и может свободно вращаться на втулке 12 в бронзографитовых подшипниках 1. Торцы половин храповой муфты снабжены зубцами и прижимаются один к другому пружиной 10. Ведомая половина 6 заперта в корпусе 11 замковым кольцом 5. Замковое кольцо 15 удерживает корпус 11 от перемещения вдоль втулки 12. Для амортизации ударов при включении стартера пружина 10 упирается в корпус 11 через стальную шайбу 13 и резиновое кольцо 14.

При подключении обмотки тягового реле к источнику питания якорь реле через рычаг привода и корпус 11 муфты перемещает направляющую втулку 12 вместе с храповиками 6 и 8 по шлицам вала и вводит шестерню 2 в зацепление с венцом маховика. В конце хода шестерни замыкаются силовые контакты тягового реле, вал якоря приводится во вращение. Вращающий момент через шлицевую втулку 12, ведущий 8 и ведомый 6 храповики передаются шестерни 2 и далее венцу маховика.

После пуска двигателя частота вращения шестерни и ведомого храповика становится больше частоты вращения вала якоря и направляющей втулки 12. Это приводит к перемещению ведущего храповика по винтовым шлицам втулки. Он отходит от ведомого храповика, и шестерня привода вращается вхолостую. Коническая втулка 7 отодвигается вместе с ведущим храповиком и освобождает текстолитовые сегменты (сухарики) 3. Под действием центробежных сил сегменты блокируют муфту в расцепленном состоянии, предохраняя зубья храповиков от повреждения. В этом состоянии храповой механизм будет находиться до тех пор, пока осевая составляющая от центробежных сил, действующих на сухарики, превышает усилие пружины.

Шестерня привода выходит из зацепления с венцом маховика только после выключения тягового реле стартера. Во время отдельных вспышек в цилиндрах шестерня остаётся в зацеплении, что позволяет стартеру вращать коленчатый вал до тех пор, пока двигатель не сможет работать самостоятельно.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. Приведите структурную схему системы электростартерного пуска. Поясните назначение функциональных узлов и требования к ним.

5.2. Перечислите условия, соблюдение которых обязательно при определении минимальных пусковых частот ДВС.

5.3. Почему в качестве стартерных чаще других применяют электродвигатели с последовательным возбуждением?

5.4. Какие преимущества дает мягкая характеристика электродвигателя с последовательным возбуждением?

5.5. Приведите назначение корпуса стартерного электродвигателя, пользуясь рис.5.5, поясните способ размещения и крепления полюсов и обмоток.

5.6. Почему сердечник якоря электродвигателя выполнен в виде пакета стальных пластин, а крайние пластины – из изоляционного картона?

5.7. По рис. 5.8, а поясните порядок сбора цилиндрического коллектора на металлической втулке.

5.8. Назовите четыре отличительных признака тяговых реле стартеров.

5.9. Какими достоинствами и недостатками обладают роликовые муфты свободного хода?

5.10. Почему храповые муфты не применяют в стартерах малой мощности?

Дата добавления: 2015-05-06