Электромеханические характеристики стартера

Система пуска состоит из стартера, аккумуляторной батареи, цепи стартера и средств облегчения пуска.

Особенностью системы пуска автомобильных двигателей явля­ется то, что мощности аккумуляторной батареи и стартера близки между собой. Поэтому при пуске двигателя напряжение аккумуля­торной батареи значительно изменяется в зависимости от тока, потребляемого стартером. В таких условиях на пуск двигателя большое влияние оказывают состояние аккумуляторной батареи (ее температура, степень заряженности, износ), состояние цепи стар­тера и применяемые средства облегчения пуска двигателя.

В качестве стартера применяют электродвигатели постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения. На рис.147 изображены электромеханические харак­теристики стартера. С ростом тока, потребляемого стартером, его крутящий момент растет, а частота вращения якоря уменьшается. Кривая мощности стартера имеет вид параболы. Якорь стартера при холостом ходе будет иметь максимальную частоту вращения. Кру­тящий момент стартера в этот момент будет равен нулю. При снижении напряжения аккумуляторной батареи снижается частота вращения якоря стартера и его мощность (штриховые линии на рис.147).

В момент пуска стартер связан с двигателем зубчатой передачей, основными параметрами которой являются передаточное число привода i_дс=z_max/z_c — число зубьев венца маховика, z_c — число зубьев шестерни стартера, а также модуль зуба и коэффициент полезного действия зубчатой передачи (равен 0,85—0,9). Переда­точное число i_дс в зависимости от типа двигателя находится в пределах 10—16.

Чтобы пустить двигатель, стартер должен преодолеть его момент сопротивления, который представляет собой сумму моментов сил трения, сжатия, привода вспомогательных механизмов, установлен­ных на двигателе (воздушный компрессор, масляный насос, топливный насос на дизелях и т.д.), а также преодоления сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя.

Минимальной пусковой частотой вращения коленчатого вала (рис.148) называют частоту, при которой обеспечивается пуск двигателя за две попытки с продолжительностью попыток 10 с для карбюра­торных двигателей и интервалом между попытками в одну минуту.

Для всех двигателей характерно увеличение минимальной пус­ковой частоты вращения с понижением температуры пуска. Чем больше число цилиндров, тем ниже пусковая частота вращения двигателя. У дизельных двигателей пусковая частота вращения значительно выше, чем у карбюраторных двигателей.

Применение средств облегчения пуска двигателя (см. §19.3) значительно снижает минимальную пусковую частоту вращения и облегчает пуск холодных двигателей. Для пуска двигателя необ­ходимо не только сообщить коленчатому валу скорость, превыша­ющую минимальную пусковую, но и повернуть вал определенное число раз (2—3), чтобы в цилиндрах двигателя образовалась рабочая смесь, которую может воспламенить искра.

Стартер во время эксплуатации автомобиля работает со значительной нагрузкой. Так, средняя частота его включений на 100 км пробега составляет для легковых автомобилей в условиях города 28, а для грузовых — 22 (город и пригороды). С увеличением суточного пробега автомобиля частота включений снижается. Сред­няя продолжительность горячих пусков 0,7—1,5 с, а холодных— 3—10 с.

Если совместить механи­ческую характеристику дви­гателя (зависимость момента сопротивления от частоты прокручивания) и механичес­кую характеристику стартера, то точка их пересечения опре­делит частоту, с которой будет прокручиваться вал двигателя при пуске (рис.149). Чем ниже температура двигателя, тем больше мо­мент сопротивления двигате­ля прокручиванию и хуже механическая характери­стика стартера за счет сниже­ния температуры аккумуляторной батареи, а следовательно, и мень­ше частота прокручивания вала двигателя при его пуске.

Повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя при его холодном пуске может быть достигнуто снижением момента сопротивления и повышением температуры аккумуляторной батареи. Момент сопротивления двигателя снижают применением зимних марок моторных масел и подогревом двигателя, а повы­шение пусковых качеств батареи — хранением ее в теплом поме­щении в период стоянки автомобиля на улице при низких температурах.

Устройство стартера.

Стартер (рис.150) состоит из корпуса 15, якоря 16, крышек 9 (со стороны привода) и 19 (со стороны коллектора), привода стартера, включающего муфту свободного хода 12, шестерню 11 и поводковую муфту 14. На корпусе стартера укреплено тяговое реле.

Корпус стартера изготовляют из стали 10. Он может быть сварным или выполненным из цельнотянутой трубы. Полюса 21 получают горячей штамповкой из стали 10. Крышка 9 отливается из чугуна или алюминиевого сплава. Крышка 19 отливается из алюминиевого сплава. На задней крышке укреплены щеткодержа­тели 23 коробчатого типа. На стартерах большой мощности приме­няют щеткодержатели, в которых устанавливают по две щетки в один ряд.

Обмотка возбуждения 20 изготовляется из медной шины с небольшим числом витков. В небольших стартерах обмотки воз­буждения включаются последовательно, в стартерах средней и большой мощности — параллельно-последовательно. В этом слу­чае сопротивление четырех катушек (на четырех полюсах) будет равно сопротивлению одной катушки. Якорь стартера набран из пластин электротехнической стали с целью снижения его нагрева вихревыми токами.

При пуске двигателя якорь 4 тягового реле, втягиваясь магнитным полем обмоток 3, перемещает рычаг 7 и связанную с ним муфту 14 привода. При этом шестерня 11 стартера входит в зацепление с венцом маховика двигателя. Подвижный контакт 2 тягового реле замыкает цепь аккумуляторная батарея — стартер, и якорь стартера начинает вращаться. Если шестерня II не вошла в зацепление с венцом маховика (так называемое «утыкание» шес­терни стартера в зубцы венца маховика), то рычаг 7 все равно будет перемещаться, сжимая пружину 13. Как только якорь начнет вра­щаться, шестерня 11 повернется и под действием пружины 13 ее зубья войдут во впадины между зубьями венца.

Если двигатель завелся, а шестерня привода не вышла из зацепления с венцом маховика, срабатывает муфта свободного хода 12 и вращение от маховика двигателя не передается на якорь, что предохраняет его от «разноса».

Муфта свободного хода (рис.151, а, г) роликового типа может перемещаться по спиральным шлицам вала стартера. На втулке 1, имеющей внутренние шлицы, укреплена обойма 8. В ней имеются четыре клиновидных паза, в которых установлены ролики 10, ролики отжимаются в сторону узкой части паза плунжером 13 с пружиной 14. Шестерня 12 выполнена заодно со ступицей 11.

При включении стартера крутящий момент от втулки 7 переда­ется роликами 10 на ступицу шестерни. В этом случае ролики заклинены (рис.151, б) между ступицей шестерни и обоймой 8. Как только двигатель будет запущен, ступица шестерни станет ведомой (ведущим будет зубчатый венец маховика), ролики 10 расклиниваются и муфта начинает пробуксовывать (рис.151, в). На рис.151, г показана конструкция бесплунжерной муфты сво­бодного хода, применяемой на новых типах стартеров (СТ-230 и др.). Бесплунжерная конструкция обеспечивает более надежную работу муфты. В стартерах большой мощности муфты свободного хода не применяются, так как в этих условиях они работают ненадежно.

На рис.152 изображены механизмы привода стартеров дизель­ных двигателей. На стартере СТ-142 применен храповой механизм привода (рис.152, а, в). Детали привода расположены на направ­ляющей втулке 1, имеющей прямые внутренние шлицы и многозаходную ленточную наружную резьбу. Втулка вместе с приводом может перемещаться по шлицам вала стартера. На наружной резьбе втулки 7 расположена ведущая полумуфта 8. Ведомая полумуфта 13 выполнена за одно целое с шестерней и может свободно вращаться на втулке 7 в бронзовых графитированных подшипниках. Торцы полумуфт снабжены зубцами и прижимаются один к другому пружиной 7. Ведомая полумуф­та 13 заперта в корпусе 5 замко­вым кольцом 10. Замковое кольцо 2 удерживает корпус 5 от перемещения на втулке 7. Для амортизации ударов при включении стартера под пру­жиной 7 размещены стальная шайба 6 и кольцо 4.

Для предотвращения изна­шивания зубьев храповой муф­ты и снижения шума в момент, когда двигатель пущен и стар­тер еще не выключен, предус­мотрен механизм блокировки. Внутри ведомой полумуфты 13 находятся три пластмассовых сухаря 12 с радиальными отвер­стиями, в которые входят на­правляющие штифты 11. На­ружная поверхность сухарей имеет коническую фаску, при­легающую к выточке стального кольца 9, установленного в ве­дущей полумуфте 8. Кольцо 9 прижимает сухари 12 к направля­ющей втулке 7.

При передаче крутящего момента к венцу маховика двигателя возникает осевое усилие, прижимающее ведущую полумуфту к ведомой. Как только двигатель будет пущен, произойдет пробук­совка храповой муфты. Во время пробуксовки ведущая полумуфта 8 отодвигается от ведомой полумуфты 13, сжимая пружину 7. Вместе с ведущей полумуфтой 8 отодвигается кольцо 9, освобождая сухари 12, которые под действием центробежных сил перемещаются вдоль штифтов 11 и блокируют муфту в расцепленном состоянии. После выключения стартера ведущая полумуфты 8 под действием пружины 7 прижимается к ведомой полумуфте 13 и кольцо 9 устанавливает сухари 12 в исходное положение.

При упоре шестерни стартера в зубья венца маховика корпус 5 привода вместе с направляющей втулкой 7 продолжает перемещать­ся вдоль шлицев вала стартера, сжимая пружину 7. При этом ленточная резьба втулки 7 заставляет поворачиваться ведущую полумуфту 8 и шестерню стартера (до 30°), что обеспечивает ее зацепление с венцом маховика. Храповичный привод допускает до 5% упоров шестерни стартера в венец маховика от общего числа включений.

Достоинством описанного привода является то, что при отдельных вспышках в цилиндрах двигателя муфта не выходит из зацепления, тем самым обеспечивая надежность пуска холодного двигателя.

Стартер СТ-103 для дизельных двигателей ЯМЗ имеет принудительно-инерционную конструкцию приводного механизма, изображенную на рис.152, в. На спиральных шлицах вала 14 якоря стартера установлены гайка 18 и шестерня 19. Между гайкой и хвостовиком шестерни помещена пружина 7. На вал якоря свободно надет стакан, имеющий спиральный паз 21. На опорной втулке стакана размещены буферная пружина 17 и шайба 6.

Ход шестерни на валу ограничивает упорное кольцо 20. При включении стартера тяговое реле, действуя на рычаг, перемещает ведущую гайку 18 вместе с шестерней до упорного кольца 20. Если происходит упор зубьев шестерни в венец маховика, то ведущая гайка 18 сжимает пружину 7 и поворачивает шестерню 19, так как шлицевые пазы в шестерне шире шлицев вала.

В первый момент пуска двигателя стакан 15 повертывается благодаря трению и по спиральному пазу 21 отводится назад в исходное положение, освобождая место для отхода шестерни. Как только двигатель будет пущен, венец маховика начнет вращать шестерню стартера и она по спиральным шлицам отойдет в перво­начальное положение.

При наличии на стартере тягового реле стартер включается подключением обмоток тягового реле к аккумуляторной батарее. Это подключение на автомобилях с дизельными двигателями осу­ществляется с помощью выключателя стартера, контакты которого рассчитаны на ток, потребляемый тяговым реле. На автомобилях с карбюраторными двигателями, у которых мощность стартера значительно ниже, тяговое реле включается через выключатель зажигания. Однако контакты выключателя зажигания не рассчитаны на силу тока, потребляемую тяговым реле в момент включения (30—40 А), поэтому приходится ставить реле стартера, контакты которого включают обмотки тягового реле, а обмотки реле стартера включаются через выключатель зажигания.

На рис.153, а, б приведены электрические схемы включения стартера СТ-130 на автомобиле ЗИЛ-130, когда система электроо­борудования имеет генератор постоянного и переменного тока. Если система электрооборудования имеет генератор постоянного тока, то обмотка реле стартера (PC) включается в цепь, через якорь генератора (см. стрелки на рис.150, а). В этом случае обмотка реле стартера находится под разностью напряжений батареи и ЭДС генератора. Такое включение обмотки реле стартера обеспечивает автоматическое отключение стартера, как только двигатель завелся, и невозможность его включения при работающем двигателе.

В системах электрооборудования с генератором переменного тока (рис.153, б) такую схему включения реле стартера осуществить нельзя, поэтому блокировка в этой, схеме отсутствует. Блокировка стартера в этом случае может быть осуществлена с помощью специального реле блокировки (автомобиль «Запорожец») или применением сложной электронной схемы (автомобиль КамАЗ).

При повороте вправо ключа в выключателе S появляется ток в обмотке реле стартера и замыкается его контакт PC, включая ток в обмотке тягового реле ТР. Сердечник тягового реле перемещается и замыкает его главные контакты, включая стартер. Одновременно замыкаются дополнительные контакты тягового реле, шунти­рующие добавочное сопротивление R катушки зажигания.

Главные контакты тягового реле, замыкаясь, шунтируют втягивающую обмотку ВО реле, чем значительно снижается ток, потребляемый тяговым реле, так как якорь реле удерживается только удерживающей обмоткой УО. Если в схеме с генератором переменного тока отсутствует блокировка стартера, необходимо сразу после запуска двигателя отпустить ключ выключателя зажигания, чтобы быстрее вывести шестерню стартера из зацеп­ления с венцом маховика. Дальнейшее развитие конструкции стар­теров с целью повышения их электротехнических характеристик, экономии меди и снижения массы идет в следующих направлениях:

ü применяют торцовые коллекторы с целью улучшения комму­тации и повышения срока службы щеток, снижения расхода меди и сокращения осевой длины стартера;

ü заменяют обмотки возбуждения постоянными магнитами, что улучшает электрические характеристики стартера, значительно сок­ращает расход меди, снижает диаметр корпуса при той же мощности стартера, снижает частоту вращения стартера в режиме холостого хода;

ü применяют стартеры с встроенным в его корпус редуктором, что позволяет снизить массу стартера и увеличить передаточное число от стартера к двигателю и, следовательно, улучшить характеристики системы пуска двигателя.