Применение стартеров с дополнительными редукторами и возбуждением от постоянных магнитов позволяет
Изучение устройства и принципа работы автомобильного электростартера.
2. Краткие сведения
Электростартер предназначен для осуществления пуска автомобильного двигателя.
Электростартер конструктивно объединяет в себе электродвигатель постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением, электромагнитное тяговое реле и механизм привода. Применение смешанного возбуждения позволяет снизить частоту вращения якоря поверхностей и облегчить работу механизма привода.
Наибольшее распространение на автомобилях получили электростартеры с принудительным электромеханическим включением и выключением шестерни, имеющие роликовые муфты свободного хода и управляемые дистанционно с помощью тягового электромагнитного реле, установленного на корпусе или на крышке со стороны привода.
Основными узлами и деталями электростартера являются корпус 1 (рис. 2.1) с полюсами 2 и катушками 4 обмотки возбуждения; якорь 3 с коллектором 36, механизм привода с муфтой свободного хода 12, электромагнитное тяговое реле 25, крышка 17 со стороны привода (передняя крышка), крышка 33 со стороны коллектора (задняя крышка) и щеточный узел с щеткодержателями 32.
Корпусы электростартеров изготавливают из трубы или стальной полосы с последующей сваркой стыка. К корпусу винтами крепятся полюсы 2, на которых располагаются катушки 4 обмотки возбуждения. Практически все стартерные электродвигатели выполняются четырехполюсными. В стартерных электродвигателях смешанного возбуждения катушки последовательной и параллельной обмоток возбуждения устанавливаются на отдельных полюсах.
Рис. 2.1. Стартер с принудительным электромеханическим перемещением шестерни привода с роликовой муфтой свободного хода.
1 – корпус; 2 — полюсный сердечник; 3 — якорь; 4 — обмотки возбуждения; 5 — фланец; 6 — запорное кольцо; 7— упорный фланец; 8 — поводковое кольцо; 9— поводковая муфта; 10 — буферная пружина; 11 — шлицевая втулка; 12 — муфта свободного хода; 13 — шестерня; 14 — упорное кольцо; 15 – замочное кольцо; 16— регулировочные шайбы; 17 и 33 — крышки; 18— рычаг; 19— резиновая заглушка; 20— палец поводка; 21 — поводок; 22 — возвратная пружина; 23 — якорек; 24 — шпилька крепления реле; 25— тяговое реле; 26 — обмотка; 27 — контактная пластина; 28— крышка реле; 29 — штекерный вывод обмотки реле; 30 — зажимы; 31 — защитная лента; 32— щеткодержатель; 34 — тормозной диск; 35 — конус; 36 — коллектор; 37 — шпилька; 38 — изоляционная трубка.
Катушки последовательной обмотки возбуждения имеют небольшое число витков неизолированного медного провода прямоугольного сечения марки ПММ. Между витками катушки прокладывают электроизоляционный картон толщиной 0,2. 0,3 мм. Катушки параллельной обмотки наматываются изолированным круглым проводом ПЭВ-2. Снаружи катушки изолируют хлобчатобумажной лентой, пропитываемой лаком.
Ток к обмотке возбуждения проводится через главные контакты тягового реле по многожильному проводу или медной шине, проходящим через изоляционные втулки в корпусе или задней крышке.
Сердечник якоря представляет собой пакет стальных пластин. Применение шихтованного сердечника уменьшает потери на вихревые токи. Пакет якоря напрессован на вал.
Полузакрытые или закрытые пазы якорей имеют прямоугольную или грушевидную форму. Прямоугольная форма обеспечивает лучшее заполнение паза прямоугольным проводом. Грушевидные пазы удобны для размещения двухвитковых секций.
Обмотка якоря укладывается в пазы сердечника. Применяются простые волновые и простые петлевые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями. Двухвитковые секции характерны для электродвигателей небольшой мощности. Одновитковые секции выполняются из неизолированного прямоугольного провода марки ПММ. Обмотки с двухвитковыми секциями наматываются круглым изолированным проводом. Одновитковые секции закладываются в пазы с торца пакета якоря. Проводники в пазах изолируются друг от друга и от пакета пластин электроизоляционным картоном. По схеме волновой обмотки число пазов якоря четырехполюсного электродвигателя должно быть нечетным и у отечественных электростартеров находится в пределах 23. 33.
На лобовые части обмотки якоря накладывают бандажи из нескольких витков стальной проволоки, намотанных на прокладку из электроизоляционного картона и скрепленных металлическими скобамии, хлобчатобумажного или капронового шнура.
Концы секций обмотки якоря припаиваются в прорезях петушков к пластинам коллектора. В электростартерах применяются сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке, цилиндрические и торцевые коллекторы на пластмассе.
Цилиндрические коллекторы набирают в виде пакета медных пластин, изолированных прокладками из миканита, слюдината или слюдопласта.
Замена цилиндрических коллекторов торцевыми снижает расход коллекторной меди и повышает срок службы щеточно-коллекторного узла. Якорь вращается в двух или трех опорных с бронзографитовыми или металлокерамическими подшипниками скольжения.
Задние крышки электростартеров с цилиндрическими коллекторами отливаются из цинкового, алюминиевого сплава или штампуются из стали. К крышке 33 крепятся четыре коробчатых щеткодержателя 32 радиального типа с щетками и спиральными пружинами. Щеткодержатели изолированных щеток отделены от крышки прокладками из текстолита или другого изоляционного материала. В стартерах с торцевыми коллекторами щетки размещаются в пластмассовой или металлической траверзе и прижимаются к рабочей поверхности коллектора цилиндрическими пружинами.
В 12-вольтовых стартерах используются меднографитные щетки марок МГСО и МГС20 с добавкой олова и свинца, которые улучшают коммутацию, уменьшают износ коллектора и падение напряжения под щетками. Щетки МГC5 и МГС51 устанавливаются в двадцатичетырехвольтовых стартерах. Плотности тока в стартерных щетках на рабочих режимах достигают 50. 120 А/см 2 . Щетки имеют канатики и присоединяются к щеткодержателям с помощью винтов. Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. На некоторых стартерах против направления вращения. Волновая обмотка якоря имеет две параллельных ветви и позволяет ограничиться установкой двух щеток, однако на стартерах с целью уменьшения плотности тока устанавливается полное число щеток, равное числу полюсов.
Алюминиевые или чугунные передние крышки 17 имеет установочные фланцы с двумя или большим числом отверстий под болты или шпильки крепления стартера к картеру маховика или сцепления и посадочные пояски. Фланцевое крепление обеспечивает необходимую точность взаимного расположения шестерни стартера относительно венца маховика при снятии и повторной установке стартера.
Передняя и задняя крышки крепятся к корпусу стяжными болтами.
Дистанционно управляемое тяговое реле 25 обеспечивает ввод шестерни 13 в зацепление с венцом маховика и подключает стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее. Реле имеет одну или две обмотки (вытягивающую и удерживающую), намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь с контактной пластиной 27. Два неподвижных контакта в виде контактных болтов 30 установлены в пластмассовой или металлической крышке реле. Втягивающая обмотка 26, подключенная параллельно контактом реле, при включении реле действует согласно с удерживающей обмоткой и создает достаточную притягивающую силу, когда зазор между якорем и сердечником максимален. При замыкании главных контактов втягивающая обмотка замыкается накоротко и выключается из работы. В двухобмоточном реле удерживающая обмотка, рассчитанная в основном на удержание якоря реле в притянутом состоянии, намотана проводом меньшего сечения, чем втягивающая обмотка.
Механизм привода стартера расположен на шлицевой части вала. Муфта свободного хода 12 привода обеспечивает передачу вращающего момента от вала якоря маховику в период пуска и препятствует вращению якоря маховиком после пуска двигателя.
Электростартеры с принудительным перемещением шестерни имеют роликовые, фрикционные и храповые муфты свободного хода. Наибольшее распространение получили роликовые муфты (рис. 2.2), бесшумные в работе и технологичные по конструкции, способные при небольших размерах передавать значительные вращающие моменты.
Рис. 2.2. Приводной механизм стартера с плунжерной муфтой свободного хода.
1 – ролик; 2 – плунжер; 3 – пружина прижимная; 4 – упоры пружины; 5 – обойма наружная ведущая; 6 – кольцо замковое; 7- чашка; 8 – вспомогательная пружина; 9 – втулка отвода; 11 – пружина буферная; 12 – втулка; 13 – кольцо центрирующее; 14 – обойма ведомая; 15 – пластина металлическая; 16 – кожух муфты; 17 – шестерня привода; 18 – вкладыш.
Рабочие поверхности ведущей звездочки 5 представляют собой логарифмическую спираль, спираль Архимеда или окружность со смещенным центром, что позволяет получить постоянный угол заклинивания в 4. 6°. При включении муфты в работу ведущая обойма 5 поворачивается относительно еще неподвижной ведомой 14, ролики 1 под действием прижимных пружин 3 и сил трения перемещаются в узкую часть клиновидного пространства и муфта заклинивается. После пуска двигателя частота вращения шестерни 17 привода и связанной с ней ведомой обоймы превышает частоту вращения ведущей обоймы, ролики переходят в широкую часть клиновидного пространства между обоймами, поэтому передача вращения от венца маховика к якорю исключается.
Воздействие центробежных сил на ролики и плунжеры 2 требует применения прижимных пружин с большими установочными усилиями. При неустойчивом пуске возникают значительные ускорения. Действующие на ролики и плунжеры центробежные силы могут превысить усилия прижимных пружин и привести к динамической пробуксовке муфты.
При резких динамических ударах роликов по плунжерам деформируются юбка и дно плунжера 2, упоры 4 в плунжерном отверстии обоймы и пружины. Результатом является неравномерное заклинивание роликов, перегрузка отдельных элементов, снижение надежности работы.
Шестерню 17 привода и обоймы муфт свободного хода для повышения механической прочности и износоустойчивости изготавливают из высоколегированной стали. Чтобы предотвратить смещение пружин 3 и обеспечить стабильность прижимного усилия, используют специальные упоры 4. Центрирующее кольцо 13 уменьшает радиальное биение обоймы, ограничивает перекос муфты при заклинивании роликов и улучшает работу привода в режиме обгона.
Электромагнитное тяговое реле воздействует на механизм привода с помощью рычага включения через разрезную поводковую муфту, состоящую из двух половин. Со стороны втулки отвода 9 расположена вспомогательная пружина 8, упирающаяся в чашку 7. Такое устройство позволяет разомкнуть главные контакты тягового реле путем сжатия вспомогательной пружины при перемещении втулки отвода возвратной пружиной в тех случаях, когда шестерню привода заедает в зубчатом венце маховика после отключения стартера.
Схема дистанционного управления стартером приведена на рис. 2.3. При переводе включателя зажигания S1 в положение стартования, контакты KV1:1 дополнительного реле KV1 подключают втягивающую КА2:1 и удерживающую КV2 обмотки тягового реле к аккумуляторной батарее GB. Под действием намагничивающей силы двух обмоток якорь тягового реле перемещается и с помощью рычага включения вводит шестерню стартера в зацепление с венцом маховика. В конце хода якоря реле замыкаются основные контакты КА2:1 тягового реле и GB оказывается соединенной со стартерным электродвигателем М.
Контакты КА2:1замыкаются раньше, чем шестерни полностью войдет в зацепление с венцом маховика. Дальнейшее перемещение шестерни до упорного кольца на валу происходит за счет осевого усилия в винтовых шлицах вала якоря и направляющей муфты втулки свободного хода.
Рис. 2.3. Электрическая схема дистанционного управления стартером.
S1 – выключатель зажигания; KV1 – обмотка дополнительного реле; KV1:1 – контакты дополнительного реле; КА2 – втягивающая обмотка тягового реле стартера; KV2 – удерживающая обмотка тягового реле стартера; КА2:1 – контакты тягового реле стартера; GB – аккумуляторная батарея; М – якорь стартера.
Если при запуске шестерня стартера упирается в венец маховика, якорь реле все равно продолжает двигаться, сжимая буферную пружину, и замыкает контакты КА2:1. Якорь стартера вместе с приводом начинают вращаться, и как только зуб шестерни устанавливается напротив впадины зубчатого венца маховика, шестерня под действием буферной пружины и осевого усилия в шлицах входит в зацепление с маховиком.
Шестерня остается в зацеплении до тех пор, пока водитель не отключить питание дополнительного реле стартера. После размыкания контактов КV1:1 дополнительного реле втягивающая КА2 и удерживающая KV2обмотки тягового реле оказываются включенными последовательно, получая питание через контакты КА2:1. Число витков обеих обмоток одинаково и по ним проходит один и тот же ток. Так как направление тока во втягивающей обмотке в этом случае изменяется, обмотки действуют встречи и создает два равных, но противоположно направленных магнитных потока. Сердечник электромагнита размагничивается и возвратная пружина, перемещая якорь реле в исходное положение, размыкает главные контакты и выводит шестерню из зацепления с венцом маховика.
3. Учебные пособия, приспособления и инструменты
3.1. Стартеры в сборе, разрезанные образцы, щиты с деталями и плакаты.
3.2. Приспособления и инструменты, необходимые для разборки и сборки электростартера.
4. Порядок выполнения работы
4.1. Разобрать стартер.
4.2. Нарисовать схему внутренних соединений катушек обмотки возбуждения и обмотки якоря.
4.3. Нарисовать эскиз магнитной системы стартерного электродвигателя.
4.4. Определить число пазов, число витков в секциях обмотки якоря, число коллекторных пластин.
4.5. Нарисовать схему обмотки якоря и рассчитать её шаги.
4.6. Привести частичную разборку тягового реле.
4.7. Нарисовать магнитную систему тягового реле.
4.8. Нарисовать схему соединения обмоток реле.
4.9. Собрать тяговое реле в порядке, обратном разборке.
4.10. Собрать стартер в порядке, обратном разборке.
5. Содержание отчета
5.1. Тип изучаемого стартера и его техническая характеристика.
5.2. Краткое описание особенностей устройства и принципа работы стартера.
5.3. Схема внутренних соединений катушек обмотки возбуждения и обмотки якоря.
5.4. Эскиз магнитной системы стартерного электродвигателя.
5.5. Эскиз магнитной системы тягового электромагнитного реле.
5.6. Схема соединений обмоток тягового реле.
5.7. Схема управления электростартером.
6. Контрольные вопросы
6.1. Из каких основных реле узлов и деталей состоит электростартер?
6.2. Какие возможны схемы внутренних соединений обмоток возбуждения и якоря в электростартерах?
6.3. Почему пакет якоря набирается из стальных пластин?
6.4. Почему пакеты якорей четырехполюсных стартерных электродвигателей с волновой обмоткой имеют нечетное число пластин?
6.5. Какой тип щеткодержателей пршленяется в электростартерах?
6.6. Какие типы коллекторов применяются в электростартерах?
6.7. Почему удерживающая и втягивающая обмотки тягового реле имеют одинаковое число витков, но намотаны проводами разного сечения?
6.8. Каково назначение пружин привода?
6.9. Можно ли в четырехполюсном электродвигателе с волновой обмоткой ограничиться установкой двух щеток?
Стартеры с постоянными магнитами начали появляться на транспортных средствах с конца 80-х. Два главных преимущества этих двигателей по сравнению с обычными типами — меньший вес и меньший размер. Это делает стартер с постоянными магнитами популярным выбором для изготовителей транспортного средства, так как из-за компактности современных автомобилей меньше места остается для электрических систем двигателя. Сокращение веса вносит вклад и в сокращение потребления топлива.
Доступные в настоящее время стандартные стартеры с постоянными магнитами подходят для использования на двигателях внутреннего сгорания с рабочим объемом примерно до 2 литров. Они имеют номинальную мощность порядка 1 кВт. Типичный пример — стартер компании Lucas модели M78R/M80R, показанный на рисунке.
Рис. Стартер M78R/M80R (Lucas): 1 — соленоид; 2 — узел щеткодержателя; 3 — набор сменных щеток; 4 — якорь; 5 — стопорное кольцо; 6 — ярмо и резиновая прокладка; 7 — вал привода и набор крепления подшипника; 8 — узел приводного механизма; 9 — набор втулок; 10 — узел мотора и набор деталей планетарного механизма
Принцип действия данного стартера похож на обычный для мотора стартера с предустановкой зацепления. Главное же различие состоит в замене обмоток возбуждения и полюсных башмаков высококачественными постоянными магнитами. Сокращение веса составляет до 15%, и диаметр корпуса может быть настолько же уменьшен.
Постоянные магниты обеспечивают постоянное возбуждение, и было бы логичным ожидать, что скорость и крутящий момент будут постоянными.
Однако из-за падения напряжения батареи под нагрузкой и низкого сопротивления отмоток якоря характеристики стартера сопоставимы с электродвигателями сериесного типа. В некоторых случаях между главными магнитами устанавливают концентраторы магнитного потока. Из-за эффекта деформирования магнитного поля характеристика стартера подобна мотору сериесного типа.
Разработки некоторых изготовителей коснулись и конструкции щеток. Используется обычная смесь меди и графита, но щетки делаются из двух половинок, имеющих более высокое содержание меди в зоне передачи мощности и более высокое содержание графита в зоне коммутации.
Это увеличивает срок службы и снижает падение напряжения, увеличивая мощность стартера.
Для более мощных применений были разработаны стартеры с постоянными магнитами, имеющие промежуточную передачу. Это позволяет якорю вращаться с более высокой скоростью (что увеличивает эффективность), а крутящий момент обеспечивается за счет редуктора. Существуют стартеры с постоянными магнитами и промежуточной передачей мощностью около 1,7 кВт, подходящие для двигателей внутреннего сгорания с объемом цилиндров до 3 литров или дизельных двигателей до 1,6 литра. Этот тип стартера с постоянными магнитами может дать экономию веса до 40%. Принцип действия такого стартера подобен обычному стартеру с предварительной установкой зацепления. Промежуточная передача выполняется планетарной.
Ведущая шестерня планетарного механизма находится на валу якоря, а поводок, связывающей шестерни-сателлиты, является приводом стартера. Кольцевое зубчатое колесо остается неподвижным и, кроме того, действует как промежуточная опора якоря. Такое устройство шестерен дает отношение редукции приблизительно 5:1. Оно может быть рассчитано по формуле:
отношение редукции = A/S,
где А — число зубцов на кольцевом венце, S — число зубцов на ведущей шестерне.
Кольцевое зубчатое колесо в некоторых типах стартеров изготавливается из полиамидного компаунда с минеральными добавками, чтобы повысить его прочность и износостойкость. Шестерни якоря и сателлиты — из обычной стали. Такая комбинация материалов обеспечивает тихую и эффективную работу редуктора.
Электрические стартеры отличаются способами возбуждения электродвигателя, крепления на двигателе, видами механизма привода, степени герметичности.
По способу возбуждения различают стартеры с последовательным, смешанным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов. Смешанное возбуждение применяют для ограничения частоты вращения вала якоря nя в режиме холостого хода. В диапазоне рабочих токов характеристики стартеров смешанного и последовательного возбуждения отличаются незначительно. Характеристики электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов аналогичны характеристикам электродвигателей с независимым возбуждением. Возбуждение от постоянных магнитов применяется на стартерах малой мощности. Для мощных стартеров налаживают выпуск небольших магнитов с высокой энергией, например, на основе элементов неодим-железо-бор.
Электростартер должен иметь надежное соединение с коленчатым валом двигателя на период пуска и автоматически отключаться от него после выхода двигателя на режим самостоятельной работы. От передаточного числа привода от стартера к маховику зависит согласование характеристик стартерного- электродвигателя с пусковыми характеристиками двигателя. Повышение передаточного числа позволяет применять более быстроходные и меньшие по габаритным размерам электродвигатели. С целью увеличения передаточного числа в стартере используют дополнительный понижающий редуктор.
Шестерню привода стартера располагает между опорами под крышкой привода или консольно за пределами крышки. Стартеры с шестерней между опорами могут быть двух- и трехопорными. Двухопорными выполняются стартеры мощностью до 1,5 кВт. В трехопорных стартерах привод с шестерней расположен на валу якоря между подшипниковыми втулками крышки привода и промежуточной опоры.
Консольное расположение шестерни характерно для стартеров с инерционным приводом, перемешающимся якорем, а также для стартеров с тяговыми реле, встроенными в крышку привода соосно с приводом или размещенными в крышке коллектора.
Разработаны конструкции стартеров с одной опорой в крышке коллектора (стартер 29.3708 автомобиля ВАЗ-2108) при расположении второй опоры вала якоря со стороны привода в картере маховика. В этом случае отпадает необходимость в крышке привода, снижаются нагрузки на детали крепления стартера и уменьшается его масса.
Рис. Стартер с принудительным электромеханическим включением шестерни и роликовой МСХ: 1 — вал якоря с винтовыми шлицами; 2 — шестерня привода; 3 — кольцо упорное; 4 — ведущая обойма МСХ; 5 — крышка со стороны привода; 6 — буферная пружина; 7 — рычаг включения привода; 8 — возвратная пружина тягового реле; 9 — удерживающая обмотка тягового реле; 10 — втягивающая обмотка тягового реле; 11 — тяговое реле; 12 — неподвижный контакт; 13 — контактный болт; 14 — подвижный контакт; 15 — крышка коллектора; 16 — щеткодержатель; 17 — щеточная пружина; 18 — коллектор; 19 — щетка; 20 — корпус стартера; 21 — полюс; 22 — якорь; 23 — полюсный винт; 24 — катушка обмотки возбуждения; 25 — обмотка якоря; 26 — роликовая МСХ.
На отечественных автомобилях и тракторах применяют стартеры с принудительным электромеханическим включением шестерни, имеющие роликовые, храповые или фрикционные муфты свободного хода (МСХ) и управляемые дистанционно с помощью тяговых электромагнитных реле, устанавливаемых на крышке привода.
Основными деталями и узлами электростартера являются корпус 20 с полюсами и катушками обмотки возбуждения, якорь 22 с коллектором 18 и обмоткой якоря 25, механизм привода с МСХ 26, электромагнитное тяговое реле 11, крышка привода 5, крышка коллектора 15, щеточный узел с щеткодержателями, щетками и щеточными пружинами.
Изменения в конструкции корпусов электростартеров и якорей электродвигателей связаны с применением в качестве катушечной и пазовой изоляции полимерных материалов, а также коллекторов из пластмассы.
Использование пластмассы в коллекторах позволяет увеличить их механическую прочность, дает возможность автоматизировать формирование пакета коллектора. Особый интерес представляют торцовые и свертные коллекторы. Замена цилиндрических коллекторов торцовыми и свертными снижает расход коллекторной меди и повышает срок службы щеточно-коллекторного узла. Свертной коллектор получают из медной ленты, которая подвергается расчеканке на требуемое количество пластин. После свертывания ленты в цилиндр и опрессовки пластмассой цилиндрическую часть коллектора обтачивают, в результате перемычки между пластинами срезаются и они оказываются изолированными.
Механизм привода стартера располагается на шлицевой части вала якоря. МСХ привода обеспечивает передачу вращающего момента от вала якоря маховику во время пуска двигателя и препятствует вращению якоря маховиком после пуска. Применение МСХ в приводных механизмах стартеров повышает их надежность и исключает преждевременный выход шестерни их зацепления с венцом маховика при пуске холодного двигателя в условиях низких температур.
Наибольшее распространение получили роликовые МСХ. Они просты по конструкции, мало чувствительны к загрязнению, надежны, не требуют регулировки и ухода в эксплуатации. На автотракторных стартерах устанавливают роликовые МСХ с бесплунжерными прижимными устройствами. Прижимное устройство в виде Г-образного толкателя 2 расположено между роликом У и специальным упором, закрепленным на наружной ведущей обойме 12. При включении МСХ в работу наружная ведущая обойма 12 поворачивается относительно ведомой обоймы 17 с шестерней, ролики под действием прижимных пружин и сил трения между обоймами и роликами перемещаются в узкую часть клиновидного пространства и МСХ заклинивается. После пуска двигателя частота вращения ведомой обоймы 17 с шестерней превышает частоту вращения наружной ведущей обоймы 12, ролики перемещаются в широкую часть клиновидного пространства и МСХ проскальзывает.
На стартерах мощностью 6-10 кВт в настоящее время применяется привод с храповой МСХ. Преимуществом храповой МСХ по сравнению с роликовыми является высокая прочность и возможность передачи большого вращающего момента при сравнительно небольших ее размерах.
Рис. Бесплунжерная роликовая МСХ: 1 — ролик; 2 — толкатель; 3 — прижимная пружина; 4 и 8 — замковые кольца; 5 — опорная чашка; 6 — пружина; 7 — поводковая муфта: 9 — буферная пружина; 10 — направляющая шлкцевая втулка; 11 — центрирующее кольцо; 12 — наружная ведущая обойма; 13 — фиксатор пружины (пластина с отогнутыми лепестками); 14 — шайба; 15 — войлочный уплотнитель; 16 — кожух МСХ: 17 — ведомая обойма с шестерней; 18 — втулка.
При срабатывании тягового реле рычаг привода через корпус 2 МСХ перемещает направляющую шлицевую втулку 1 вместе с ведущим 5 и ведомым 6 храповиками по шлицам вала и вводит шестерню в зацепление с венцом маховика. Вращающий момент к венцу маховика передается через шлицевую втулку 1, ведущий 5 и ведомый 6 храповики и шестерню 8. Осевое усилие, возникающее в винтовых шлицах втулки 1 и храповика 5, воспринимается резиновым кольцом 11.
Рис. Приводной механизм с храповой МСХ: 1 — шлицевая втулка: 2 — корпус привода: 3 — шайба: 4 — пружина; 5 — ведущий храповик: 6 — ведомый храповик; 7 — штифт направляющий; 8 — шестерня; 9 — сегмент; 10 — коническое кольцо; 11 — резиновое кольцо; 12 — запорное кольцо.
В случае, когда шестерня упирается в венец маховика, сжимается пружина 4, и ведущий храповик 5, перемещаясь по винтовым шлицам втулки 1, своими торцовыми зубьями поворачивает ведомый храповик 6 с шестерней 8 на угол, достаточный для ввода шестерни в зацепление.
Если частота вращения шестерни и ведомого храповика больше частоты вращения направляющей втулки 1, ведущий храповик, перемещаясь по винтовым шлицам втулки 1, отходит от ведомого храповика и шестерня вращается вхолостую. Вместе с ведущим храповиком отходит и коническое кольцо 10, при этом сегменты получают свободу перемещения в радиальном направлении вдоль штифтов 7 ведомого храповика и фиксируют МСХ в расцепленном состоянии. Во время отдельных вспышек воспламенения в цилиндрах двигателя шестерня остается в зацеплении с венцом маховика и может снова передавать вращающий момент от электродвигателя после выравнивания частот вращения ведущего и ведомого храповиков. Шестерня выходит из зацепления только после выключения тягового реле электростартера.
Фрикционные дисковые муфты применяют на мощных стартерах автомобилей БелАЗ. МСХ состоит из ведущий и ведомой полумуфт и заклинивается после ввода шестерни в зацепление. Фрикционные диски прижимаются друг к другу в результате усилия в резьбовом соединении ведомой втулки муфты и корпуса шестерни. После пуска двигателя усилие в резьбовом соединении меняет направление, прижатие дисков ослабевает и муфта пробуксовывает. Недостатком фрикционных МСХ является изменение передаваемого вращающего момента в процессе эксплуатации вследствие износа фрикционных дисков.
Рис. Схема управления электростартером
Электростартеры конструктивно выполнены в герметичном исполнении. Степень защиты стартера от проникновения посторонних тел и воды оговаривается в стандартах на отдельные виды изделий. Стартеры, предназначенные для тяжелых условий работы (на большегрузных автомобилях и на тракторах), отличаются большей степенью герметизации. Герметизация обеспечивается установкой в местах разъема резиновых колец, применением пластмассовых втулок и уплотнительных прокладок из мягких пластических материалов.
Конструктивное исполнение стартера зависит от способа крепления его на двигателе. Обычно стартер располагают сбоку картера двигателя, при этом крышка привода обращена в сторону маховика и входит в отверстие картера сцепления. Крепление стартера на двигателе обеспечивает сохранение постоянного расстояния между центрами шестерни привода и зубчатого венца маховика при снятии стартера и его установке после технического обслуживания и ремонта. Такому условию удовлетворяет фланцевое крепление. Конфигурация и размеры присоединительного фланца на крышке со стороны привода стандартизованы. При фланцевом креплении крепежный фланец несет нагрузку как от усилий, возникающих при передаче вращающего момента от стартера к двигателю, так и от массы стартера. Поэтому для стартеров большой мощности осуществляют крепление на постели двигателя посредством натяжной ленты. Установка стартера на постели упрощает конструкцию крышки со стороны привода, но повышает требования к качеству изготовления корпуса стартера. Для предотвращения проворачивания стартера в канавке на его корпусе и в постели двигателя установлены специальные шпонки.
Типовая схема дистанционного управления стартером с дополнительным реле включения приведена на рисунке. При замыкании контактов выключателя S зажигания контакты К1 дополнительного реле подключают втягивающую КА2 и удерживающую KV2 обмотки тягового реле к аккумуляторной батарее GB. Под действием МДС двух обмоток якорь реле перемещается и с помощью рычага привода вводит шестерню в зацепление с венцом маховика. В конце хода якоря реле замыкаются силовые контакты К2 тягового реле и аккумуляторная батарея соединяется со стартерным электродвигателем М.
Шестерня остается в зацеплении с венцом маховика до тех пор, пока водитель не отключит питание дополнительного реле. После размыкания контактов К1 дополнительного реле втягивающая КА2 и удерживающая KV2 обмотки тягового реле оказываются включенными последовательно, получая питание через контакты К2. Число. витков обеих обмоток одинаково, и по ним проходит ток одной и той же силы. Так как направление тока во втягивающей обмотке в этом случае изменяется, обмотки действуют встречно и создают два равных, но противоположно направленных магнитных потока. Сердечник электромагнита размагничивается и возвратная пружина, перемещая якорь реле в исходное положение, размыкает силовые контакты К2 и выводит шестерню из зацепления с венцом маховика.
Что такое стартер?
Стартер — устройство пусковой системы автомобиля, раскручивающее коленчатый вал двигателя до частоты вращения, необходимой для запуска.
Работы в области совершенствования электродвигателей позволили создать простую и достаточно легкую конструкцию стартера с возбуждением постоянными магнитами и с понижающей передачей.
На рисунке показан якорь и понижающая передача стартера Вosсh DW. Понижающая передача представляет собой планетарный ряд, солнечная (центральная) шестерня которого закреплена на валу якоря, а выходная мощность снимается с водила, на осях которого установлены свободно вращающиеся сателлиты. Шестерни планетарной передачи с наружными зубьями изготовлены из стали, а эпициклическая шестерня (с внутренними зубьями) — полиамидного компаунда с минеральными добавками или методом порошковой металлургии для повышения износостойкости.
Рис. Стартерный электродвигатель с понижающей передачей:
1 – вал водила планетарной передачи с косыми шлицами; 2 – эпицикл планетарной передачи; 3 – сателлиты; 4 – солнечная шестерня, закрепленная на валу; 5 – якорь; 6 – коллектор
На рисунке показано схематичное исполнение стартера.
Рис. Схема стартера Вosсh DW с постоянными магнитами и понижающей передачей:
1 – шестерня; 2 – венец маховика; 3 – обгонная муфта; 4 – управляющий рычаг; 5 – планетарная передача; 6 – постоянный магнит; 7 – якорь; 8 – коллектор с графитовыми щетками; 9 – электромагнитный привод с втягивающей и удерживающими обмотками; 10 – включатель стартера; 11 – аккумулятор
Сателлиты, прессованные из порошка, вращаются на осях в подшипниках скольжения или игольчатых подшипниках. Последние предпочтительнее, так как обеспечивают больший КПД редуктора. Ось сателлита одновременно является внутренней обоймой игольчатого подшипника. Это предъявляет высокие требования к материалу и точности осей. Центральное зубчатое колесо выполняется как одно целое с валом якоря или может быть съемным. Для получения минимальных механических потерь и обеспечения высокого срока службы предъявляются повышенные требования к точности изготовления зубчатых колес и других деталей редуктора. С той же целью применяют высококачественные смазочные материалы. Передаточное отношение редуктора обычно составляет 3…5.
Якорь стартера с редуктором имеет конструктивные особенности. Обмотка якоря пропитана компаундом, уменьшающим вероятность его разноса. В связи с повышенной частотой вращения якорь обязательно подвергается динамической балансировке. Для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи пакет якоря собирают из пластин тонколистовой (толщина 0,5 мм) электротехнической стали.
В связи с уменьшенной металлоемкостью и повышенной удельной мощностью стартеры с редуктором обладают большей тепловой напряженностью по сравнению со стартерами без редуктора.
Наиболее ответственным в стартерах с редуктором является щеточно-коллекторный узел. Плотность тока под щетками в режиме максимальной мощности в 1,5…2,5 раза превышает плотность тока у обычных стартеров. В таких условиях требуется применение специальных щеток, имеющих на сбегающем крае повышенное содержание графита. Это увеличивает сопротивление коммутируемой цепи, улучшает коммутацию. Кроме того, применяется сдвиг щеток против направления вращения на 0,3…0,5 коллекторного деления. В итоге обеспечивается снижение интенсивности изнашивания щеток и коллектора до уровня стартеров без редукторов.
В качестве магнитов используются постоянные магниты из феррита стронция, которые имеют повышенную коэрцитивную силу по сравнению с магнитами из феррита бария. Повышенная коэрцитивная сила увеличивает стойкость магнитов против размагничивания реакцией якоря в момент включения стартера, когда действует ток короткого замыкания. Для повышения стойкости к размагничиванию применяют специальную обработку сбегающего участка магнита, приводящую к дополнительному местному повышению коэрцитивной силы, а также увеличивают число полюсов.
Такой стартер на 40% легче стартера обычного исполнения и рассчитан на применение с двигателями объемом до 5 литров.
Свойства электродвигателей оценивают по рабочим и механическим характеристикам. Рабочие характеристики - совокупность зависимостей напряжения на выводах стартера Uct; полезной мощности Р2; полезного момента на валу стартера М2; частоты вращения n; угловой скорости w; КПД n от тока якоря Iя. Эти характеристики строятся на одном графике. Механические характеристики - n =f(М2);
Скоростная, моментная и механическая характеристики зависят от магнитного потока и его изменения с изменением режима работы электродвигателя, то есть от способа возбуждения электродвигателя.
Магнитный поток в рабочем воздушном зазоре зависит от МДС на пару полюсов, т.е. от силы тока возбуждения IВ и числа витков в обмотке возбуждения.
 |
26. Особенности конструкции и преимущества стартеров с постоянными магнитами и встроенным редуктором
При использовании постоянных магнитов исключается сопротивление обмотки возбуждения, которое составляет 0.3..0.5 суммарного сопротивления стартера. Как выше отмечалось мощность стартера определяется величиной суммарного сопротивления всех элементов цепи пусковой системы. Исключение обмотки возбуждения позволяет применить АКБ с большим внутренним сопротивлением и соответственно меньшей емкости при сохранении той же мощности. В результате можно сделать вывод, что применение постоянных магнитов в стартере позволяет снизить потребную емкость аккумуляторной батареи.
Еще одним положительным свойством стартеров с постоянными магнитами является меньшее проявление действия реакции якоря. Как выше отмечалось за счет анизотропных свойств магнита поток реакции якоря замыкается через корпус и поэтому получается значительно меньшим по величине по сравнению с аналогичной конструкцией с электромагнитным возбуждением. В стартерах с постоянными магнитами этот поток может быть еще больше ослаблен за счет выполнения прорезей вдоль корпуса по центру магнита, что еще больше увеличит магнитное сопротивление потоку поперечной реакции якоря. Уменьшение потока реакции якоря благотворно сказывается на коммутации.
Преимуществом стартеров с редуктором является возможность сделать электродвигатель стартера более высокооборотным, а следовательно и меньших габаритов, чем стартер той же мощности без редуктора. При этом резко снижается расход дефицитной и дорогостоящей меди. Еще большая экономия меди возможна благодаря применению постоянных магнитов вместо обмоток возбуждения.
Повышение быстроходности электродвигателя и применение редуктора требует для обеспечения надежной работы стартера:
· более высокого уровня технологии изготовления деталей стартера;
· применения новых конструктивных решений в конструкции стартера;
· применения новых материалов и новых технологий их получения.
Все это делает изготовление узлов стартера более дорогостоящим. Однако, затраты на производства окупаются за счет снижения металлоемкости и улучшения эксплуатационных качеств стартера. Стартер меньших габаритов и меньшей массы более удобен при компоновке его на ДВС. Решение задач связанных с производством стартеров с редуктором требует больших капитальных затрат, но несмотря на это производство стартеров со встроенным редуктором экономически выгодно.
Анализ конструкции и технологии стартеров с редукторами показывают, что для зарубежных фирм, решивших указанные выше конструкторские, материаловедческие и технологические проблемы, их производство не только дает экономию металла, но и является более выгодным, чем современное производство стартеров классической конструкции.
При одинаковой мощности масса стартера со встроенным редуктором на 25 40 % ниже массы стартера классической конструкции.
Стартеры с редуктором использовались на автомобиле уже давно, но до последнего времени встречались очень редко. Повышение мощностей двигателей, устанавливаемых на автомобилях, требовало использовать более мощные стартеры, а повышение компактности ДВС требует и более компактные стартеры. Дополнительно возникли проблемы с материальными ресурсами, в частности дефицит меди. В то же время возросший уровень технологии производства сделал возможным реализовать в массовом производстве конструкции стартеров с редукторами. Все эти причины привели к широкому использованию в настоящее время стартеров с редуктором.
Передаточное отношение редуктора, как правило, лежит в пределах 2,5. 4, в среднем 3,3.
Для стартеров с возбуждением от постоянных магнитов передаточное отношение выполняют более высоким (5 – 6).
В ряде случаев применение встроенного в стартер редуктора позволяет применить приводную шестерню с увеличенным числом зубьев до z=12, против обычного для стартеров без редуктора z =9. 10. Это улучшает условия зацепления шестерни стартера с зубчатым венцом маховика ДВС за счет увеличения степени перекрытия передачи и, в некоторой степени, КПД этой передачи.
Основные схемы редукторов стартера
Разработаны и серийно выпускаются стартеры с редукторами следующих типов:
Тип I цилиндрический редуктор с внешним зацеплением;
Тип II цилиндрический редуктор с внутренним зацеплением;
Тип III планетарный редуктор;
Тип IV Цилиндрический редуктор с паразитной шестерней.
Все редукторы этих типов выполняются одноступенчатыми, с прямозубыми шестернями. Схематическое изображение редукторов различных типов и их кинематические схемы показано на Рис. Помимо этого встречаются конструкции стартеров с двухступенчатыми редукторами.
За счет большого смещения шестерен стартер с редуктором типа I имеет значительный поперечный габарит, который возрастает с увеличением передаточного отношения. Преимуществом редуктора такого типа является технологичность изготовления его шестерен.
К недостаткам относится:
· значительное увеличение поперечного габарита по сравнению со стартерами без редуктора;
· радиальная нагрузка на якорь стартерного электродвигателя, что требует обязательного применения подшипников качения.
Стартер с редуктором типа II цилиндрический с внутренним зацеплением имеет несколько меньший поперечный габарит, чем стартер с редуктором типа I. Редуктор типа II несколько сложнее в изготовлении за счет наличия шестерни с внутренним зубом.
Стартер с планетарным редуктором (тип III) не имеет смещения оси корпуса относительно крышки со стороны привода, что позволяет наиболее просто компоновать стартер на двигателе и исключает сложности в его применении взамен стартеров без редуктора.
Внешне стартер с планетарным редуктором практически идентичен стартеру без редуктора. Габариты и масса стартера с планетарным редуктором значительно меньше стартеров без редуктора при тех же характеристиках. Планетарный редуктор имеет более высокий коэффициент полезного действия, чем редукторы типа I и II. Кроме того, он значительно снижает радиальные нагрузки на вал якоря стартерного электродвигателя, что улучшает условия работы подшипников якоря и дает возможность применить для вала подшипники скольжения. Технологически этот редуктор несколько сложнее редукторов типа I и II, однако, его сборка несколько проще по сравнению с ними за счет соосности основных деталей стартера. Коронная шестерня выполняется как правило из пластмассы.
Стартеры в редуктором типа IV цилиндрический с паразитной шестерней имеют продольный габарит близкий к габариту стартера без редуктора. Это достигается тем, что реле стартера расположено соосно приводной шестерне. КПД редуктора несколько ниже, чем у редукторов типа I и II. Отличительной особенностью редуктора является применение паразитной шестерни, расположенной между ведущей шестерней, закрепленной на наружной обойме роликовой муфты свободного хода. Все шестерни выполняются прямозубыми, с наружными зубьями. Паразитная шестерня установлена на роликовом подшипнике на оси, закрепленной в корпусе редуктора, в котором также размещен привод.
Типовая конструкции планетарного редуктора.
Основной конструктивной особенностью стартеров является их компоновка, отличающаяся от классической конструкции соосным расположением привода тягового реле стартера. При этом оси стартерного электродвигателя и привода не совпадают. Кинематически вал стартерного электродвигателя связан с выходным валом стартера посредством цилиндрического прямозубого редуктора с внешним зацеплением. По компоновочной необходимости в редуктор введена промежуточная паразитная шестерня. Ведущая шестерня редуктора выполнена заодно целое с валом стартерного электродвигателя. Ведомая шестерня расположена на приводе и выполнена заодно целое с наружной обоймой муфты свободного хода. Промежуточная шестерня вращается на роликовом подшипнике состоящем из пяти роликов установленных в пластмассовом сепараторе. Ось промежуточной шестерни запрессована в крышку редуктора.
С целью повышения компактности, ось промежуточной шестерни не лежит в плоскости осей электродвигателя и привода.
Ведущая шестерня редуктора съемная, соединяется с валом электродвигателя с помощью прямых накатных шлицев.
Подавляющие большинство современных стартеров с редуктором, разработанных и выпускаемых или подготавливаемых к выпуску зарубежными фирмами, имеют ПЛАНЕТАРНЫЙ РЕДУКТОР, что может быть объяснено хорошими компоновочными свойствами и достаточной надежностью и долговечностью стартеров с таким типом редуктора.
Читайте также: