Большинство систем пуска двигателей внутреннего сгорания содержат электродвигатель постоянного тока (двигатель стартера) с питанием от аккумуляторной батареи автомобиля, механизм включения, устройство управления и соответствующую электропроводку. Так как частота вращения коленчатого вала двигателя, необходимая для его пуска (для бензиновых двигателей около 60-100 мин-1, для дизельных двигателей около 80-200 мин-1, намного ниже, чем частота вращения двигателя стартера, привод от стартера к двигателю осуществляется посредством пары шестерен (шестерня на валу стартера и зубчатый венец маховика двигателя) с передаточным отношением от 10:1 до 20:1.
Влияющие переменные
Величина крутящего момента на коленчатом валу двигателя и минимальная частота его вращения, необходимые для пуска двигателя, зависят от типа двигателя, его рабочего объема, числа цилиндров, степени сжатия, потерь на трение, дополнительных нагрузок, создаваемых при работе двигателя, системы управления подачей топлива, сорта используемого масла и температуры двигателя.
Потребные значения крутящего момента и частоты вращения для пуска двигателя возрастают при снижении температуры, что ведет к необходимости повышения мощности стартера. Минимальная температура, при которой обеспечивается пуск двигателя, является основным фактором, определяющим потребную мощность при пуске.
Стартеры
Стартер состоит из электродвигателя, шестеренчатого привода, обгонной муфты (муфты свободного хода).
1 — соленоид и пусковое реле; 2 — рычаг включения стартера; 3 — обгонная муфта с ведущей шестерней; 4 — шестеренчатый редуктор (планетарная передача); 5 — якорь; 6 — постоянные магниты
Шестерня на валу электродвигателя стартера сначала начинает взаимодействовать с зубчатым венцом маховика двигателя. После пуска двигателя частота вращения шестерни стартера становится выше частоты вращения вала электродвигателя стартера, что может привести к выходу стартера из строя из-за возникающего центробежного усилия. Для предотвращения этого нежелательного явления между шестерней стартера и его якорем устанавливается обгонная муфта, которая отключает стартер от двигателя, как только частота вращения коленчатого вала начинает превышать частоту вращения вала стартера.
Электродвигатель стартера
В большинстве случаев в стартере применяется электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, характеризуемый высокой частотой вращения без нагрузки, что поддерживает необходимую частоту вращения коленчатого вала двигателя во время его пуска. Прогресс, достигнутый в сфере технологии производства ферритов, позволяет использовать в стартерах электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, стойких к размагничиванию. Стартеры с якорями, вращающимися с более высокими скоростями, но развивающими меньший крутящий момент, имеют меньшие размер и массу. Для них становится возможным увеличение передаточного отношения между двигателем и якорем стартера. Диаметр зубчатого венца маховика не может быть увеличен и поэтому увеличение этого передаточного отношения осуществляется путем использования дополнительной передаточной ступени (стартеры с шестеренчатым редуктором).
Виды стартерных приводов
Стартер с инерционным приводом: 1 — выключатель стартера: 2 — пусковое реле; 3 — обмотка возбуждения; 4 — зубчатый венец маховика двигателя; 5 — шестерня стартера с обгонной муфтой; 6 — спиральные шлицы; 7 — якорь; 8 — аккумуляторная батарея
Инерционный привод, применяемый, например, в газонокосилках, является самой простой формой шестеренчатого привода. Обгонная муфта перемещается на валу якоря на спиральных шлицах при вращении этого якоря. При включении стартера ненагруженный якорь начинает свободно вращаться. При этом шестерня стартера и обгонная муфта еще не вращаются из-за своей инерции и выталкиваются вперед по шлицам. Как только шестерня входит в зацепление с зубчатым венцом маховика, она удерживается от вращения и проталкивается вперед еще дальше до контакта со стопорным кольцом. В это время крутящий момент от якоря электродвигателя стартера передается на двигатель через обгонную муфту, шестерню стартера и зубчатый венец маховика.
Как только коленчатый вал начинает вращать шестерню стартера со скоростью, превышающей скорость вращения якоря стартера, обгонная муфта прерывает передачу усилия от двигателя на эту шестерню и препятствует ускорению вращения якоря. При этом обгонная муфта и шестерня стартера перемещаются по спиральным шлицам вала назад. Этот процесс разъединения шестерни стартера и зубчатого венца маховика усиливается посредством возвратной пружины, которая обеспечивает удержание шестерни в положение разъединения от двигателя при неработающем стартере.
Стартер с приводом предварительного включения:
1 — выключатель стартера; 2 — пусковое реле; 3 — обмотка возбуждения; 4 — возвратная пружина; 5 — рычаг включения; 6 — зубчатый венец маховика двигателя; 7 — шестерня стартера с обгонной муфтой; 8 — буферная пружина; 9 — спиральные шлицы; 10 — якорь; 11 — аккумуляторная батарея; Е, Н — обмотки
В стартерах такого типа зацепление шестерни стартера с зубчатым венцом маховика двигателя обеспечивает соленоид, имеющий контакты включения стартерного тока. При замыкании выключателя стартера ток поступает в обмотку Н (см. рис. внизу), течет по цепи с последовательно включенными в нее втягивающей обмоткой Е и электродвигателем стартера. Соленоид захватывает обгонную муфту и шестерню и перемещает их вперед посредством рычага включения и буферной пружины.
Если зубья шестерни оптимально входят во впадины между зубьями венца маховика, контактный мостик пускового реле замыкает контакты и на электродвигатель стартера начинает поступать полное напряжение. Если зубья шестерни не сразу входят во впадины между зубьями венца маховика, рычаг включения сжимает буферную пружину, контакты реле замыкаются и электродвигатель проворачивает шестерню до тех пор, пока ее зубья не войдут в зацепление с зубьями венца маховика и буферная пружина не сместит шестерню и обгонную муфту вперед.
При прекращении подачи тока к обмотке соленоида возвратная пружина перемещает сердечник соленоида и шестерню вместе с обгонной муфтой в их первоначальное положение.
Стартер со скользящей шестерней:
1 — выключатель стартера; 2 — управляющее реле: 3 — разобщающий рычаг; 4 — шестерня; 5 — зубчатый венец маховика; 6 — переключающий контакт; 7 — соленоид; 8 — сериесная обмотка; 9 — шунтовая обмотка; 10 — аккумуляторная батарея; Н, Е — обмотки
При замыкании контактов выключателя стартера напряжение аккумуляторной батареи поступает в цепь удерживающей обмотки Н (см. рис.) соленоида и управляющего реле. Реле начинает работать, но удерживается в первом контактном положении (первая стадия) посредством разобщающего рычага и фиксатора. Напряжение аккумуляторной батареи прикладывается к втягивающей обмотке Е соленоида и шунтовой обмотке электродвигателя, которые соединены между собой параллельно и последовательно с якорем. Стартер начинает вращаться, но развивает только небольшой крутящий момент из-за высоких сопротивлений в обмотках, соединенных последовательно с обмоткой якоря. Соленоид одновременно с этим смещает шестерню стартера в направлении зубчатого венца маховика и вскоре после окончания зацепления освобождается заблокированное управляющее реле, которое сразу же перемещается во второе контактное положение (вторая стадия). Пусковой ток начинает проходить через сериесную обмотку и якорь. Переключающий контакт на соленоиде соединяет шунтовую обмотку параллельно якорю и сериесной обмотке.
Виды обгонных муфт
Обгонная муфта роликового типа
Стартеры небольшого и среднего размеров обычно снабжаются обгонными муфтами, в которых ролики с помощью пружин отжимаются в клинообразные выемки между наружной обоймой муфты и ее внутренней обоймой (валом шестерни). Когда стартер начинает работать, крутящий момент усиливает эффект заклинивания роликов и это-момент передается от наружной обоймы на вал шестерни.
Когда крутящий момент меняет свой знак на противоположный, ролики выходят из клинообразных выемок, и шестерня начинает вращаться свободно.
Многодисковая обгонная муфта
1 — ведущий вал (соединен с шестерней стартера): 2 — нажимная пружина: 3 — ведущий элемент с наружными дисками; 4 — внутренняя муфта с внутренними дисками: 5 — спиральные шлицы; 6 — ведущий фланец (связан с якорем электродвигателя стартера)
Используется в стартерах грузовых автомобилей. Ведущий элемент с наружными дисками соединен с якорем стартера, вал и шестерня стартера принудительно соединены друг с другом. Внутренне диски размещены в направляющей внутренней муфты, которая может перемещаться в радиальном направлении п спиральным шлицам ведущего вала. В условиях отсутствия нагрузки диски ежи маются пружиной с небольшой силой, что позволяет передавать через муфту толь ко незначительный крутящий момент При увеличении нагрузки внутренняя муфта перемещается спиральными шлицами в направлении нажимной пружинь сжимая ее и обеспечивая одновременно этим более сильное сжатие дисков. Многодисковая обгонная муфта может пере давать повышенный крутящий момент при увеличении нагрузки стартера.
1 — шестерня стартера; 2 — сухарь; 3 — радиальные зубья; 4 — разъединяющее кольцо; 5 — гайка полумуфты; 6 — пружина; 7 — спиральные шлицы; 8 — резиновый буфер; 9 — втулка; 10 — шлицы
Применяется в стартерах грузовых автомобилей. Муфта соединена с валом якоря, перемещаясь в осевом направлении (операция зацепления) за счет взаимодействия шлицев вала и втулки. Наружная поверхность втулки выполнена со спиральными шлицами и обеспечивает передачу крутящего момента к гайке полумуфты, которая затем передает этот момент к шестерне стартера через зубья пилообразной формы. После начала работы двигателя шестерня стартера завинчивает гайку полумуфты в обратном направлении через мелкопрофильные зубья и прерывает передачу усилий. Разъединяющее кольцо при этом также сдвигается назад и удерживается в разъединяющем положении сухарями. Центробежное усилие, создаваемое сухарями при малых скоростях вращения шестерни стартера, недостаточно для удержания обгонной муфты в положении разъединения, и пружина снова обеспечивает введение полумуфты в зацепление.
Защита стартера
После продолжительной работы стартера, например, при пуске двигателя в условиях низких температур, он должен выключаться для охлаждения. В стартерах больших размеров используются термовыключатели (встраиваемые в угольные щетки электродвигателя). В стартерных системах с дистанционным управлением (на автобусах с задним расположением двигателя, электрогенераторах, используемых в аварийных ситуациях, дизельных двигателях тепловозов и т.п.) процесс пуска не может всегда контролироваться водителем автомобиля.
Ошибки при управлении такими операциями могут привести к повреждению стартера или зубчатого венца маховика двигателя.
Реле блокировки включения стартера. Это реле блокирует случайное включение стартера при уже работающем двигателе и предотвращает слишком продолжительное действие стартера после запуска двигателя. В качестве индикатора пуска двигателя используется напряжение генератора, которое при этом возрастает. После выключения зажигания генератор больше не создает нужного напряжения; в этом случае таймер, встроенный в реле, блокирует любые попытки повторного включения стартера в течение нескольких секунд.
Реле повторного включения. Это реле предотвращает выполнение операций по запуску двигателя, если шестерня все еще не вошла в зацепление с зубчатым венцом маховика, но стартер остается включенным. Реле прерывает поступление тока в обмотки.