Принцип действия

Наверное, уже не многие из нас помнят кривые ручки, с помощью которых заводили раньше автомобили. Да, это были времена не для слабых, так как завести автомобиль было дело не из легких. Шофера иногда проклинали свою работу, особенно когда случалось, машина не заводилась даже после нескольких попыток. В современных автомобилях уже не осталось возможности заводить двигатели подобным образом. Теперь запуск осуществляется очень даже просто, фактически, достаточно поворота ключа зажигания. Весь процесс запуска двигателя внутреннего сгорания возложен на специализированный электрический двигатель постоянного тока, называемый электростартером, который получает электрическое напряжение от аккумуляторной батареи. Аккумулятор стал вечным спутником автомобиля, так же как и электростартер. Современный человек избалован радостями технического прогресса, но что еще будет! Давайте же вместе рассмотрим принцип действия автомобильных электростартеров и их особенности.

Электростартер получает питание от аккумуляторной батареи - автономного источника электроэнергии ограниченной мощности. Вследствие внутреннего падения напряжения в батарее напряжение на выводах электростартера не остается постоянным, а уменьшается с увеличением нагрузки и силы потребляемого тока.

Сила тока электростартеров может составлять несколько сот и даже тысяч ампер. При такой силе тока на характеристики стартерного электродвигателя большое влияние оказывает падение напряжения в стартерной сети, т.е. в стартерном проводе и «массе».

Характеристики стартерных электродвигателей зависят от емкости и технического состояния аккумуляторной батареи. «Семейству» вольтамперных характеристик батареи соответствует «семейство» рабочих и механических характеристик стартерного электродвигателя.

Для стартерного электропривода двигателя характерна значительная неравномерность нагрузки, обусловленная резким изменением момента сопротивления от сил давления газов в цилиндрах и сложной кинематикой кривошипно-шатунного механизма. При переменной нагрузке снижается мощность и КПД системы пуска, что необходимо учитывать при выборе мощности стартерного электродвигателя и емкости аккумуляторной батареи.

Режим работы электростартеров - кратковременный с длительностью включения до 10с при температуре 20°С. При отрицательных температурах допускается длительность работы до 15с для стартеров бензиновых двигателей и до 20с для стартеров дизелей.

Длительное время по отношению к периоду прокручивания коленчатого вала двигателя стартер может работать в режимах полного торможения и холостого хода. Якорь стартера должен без повреждений в течение 20с выдерживать нагрузки, возникающие при частоте вращения коленчатого вала, на 20% превышающей частоту его вращения в режиме холостого хода.

Якорь стартера должен иметь надежный привод к коленчатому валу при пуске двигателя и автоматически отключаться от него после осуществления пуска.

Конструкция стартера и зубчатая передача должны обеспечивать надежный ввод шестерни в зацепление и передачу коленчатому валу двигателя вращающего момента. Шестерня привода стартера не должна самопроизвольно входить взацепление с венцом маховика. Муфта свободного хода привода должна защищать якорь от механических повреждений.

Тяговое реле стартера должно обеспечивать ввод шестерни в зацепление и включение стартера при снижении напряжения до 9 В для UH=12B и до 18 В для UH=24 В при температуре окружающей среды (20±5)°С. Контакты тягового реле должны оставаться замкнутыми при снижении напряжения на выводах стартера до 5,4 и 10,8 В при номинальных напряжениях соответственно 12 и 24 В.

Автомобильные электростартеры имеют степень защиты не ниже IRX4 (по ГОСТ 14254-80), кроме полости механизма привода.

Пусковой цикл (попытка пуска) на двигателе (на стенде) не должен превышать 15с при температуре окружающей среды (20±5)°С. Допускается не более трех пусковых циклов подряд с перерывами между ними не менее 30 с. После охлаждения стартера до температуры окружающей среды допускается еще один пусковой цикл.

Не допускается нагружать стартер более чем на номинальную мощность. Повышение температуры стартера во время пусковых циклов не должно приводить к изменениям, отрицательно влияющим на его работоспособность.

Рациональному использованию аккумуляторной батареи, имеющей в системе пуска относительно большую массу и в наибольшей степени подверженной влиянию эксплуатационных факторов, способствуют правильное согласование характеристик элементов системы пуска и обоснованный выбор ее схемы и параметров, при которых расходуется минимальное количество энергии источника тока.

Для уменьшения длины стартерных проводов, габаритных размеров и массы стартера и батареи, а также для удобства их установки и технического обслуживания важно предусмотреть рациональное размещение элементов системы пуска двигателя на автомобиле.

Параметром, определяющим рациональное согласование мощностной характеристики пускового устройства с пусковыми характеристиками двигателя, является передаточное число привода. При изменении передаточного числа привода меняется наклон механической характеристики стартерного электродвигателя, приведенной к коленчатому валу двигателя. С повышением передаточного числа приведенный вращающий момент увеличивается, а приведенная частота

вращения вала уменьшается. Максимальное значение мощности электростартера смещается в сторону меньшей частоты вращения коленчатого вала.

Для каждого типа двигателя и заданных условий пуска существуют наивыгоднейшие передаточные числа, при которых наилучшим образом используются мощностные характеристики стартерного электродвигателя.

Автомобильные электростартеры должны обеспечивать номинальные параметры при нормальных климатических условиях: температура окружающего воздуха (25±10)°С; относительная влажность (45-80)%; атмосферное давление (84 -106) кПа.

Автомобильные электростартеры отличаются по способу управления и возбуждения, типу механизма привода, способу крепления на двигателе и степени защиты от проникновения пыли и воды.

По типу и принципу работы приводных механизмов выделяют стартеры с электромеханическим перемещением шестерни привода, которые получили наибольшее распространение, и стартеры с инерционным или комбинированным приводом.

Для предотвращения разноса якоря после пуска двигателя в автомобильные электростартеры устанавливают роликовые, храповые и фрикционно-храповые муфты свободного хода.

Стартер состоит из электродвигателя постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением, электромагнитного тягового реле и механизма привода. В стартер может быть встроен дополнительный редуктор.

Узлами и деталями электростартера с электромеханическим включением

шестерни являются корпус 22 (рис. 1) с полюсами 21 и катушками 20 обмотки возбуждения, якорь 24 с обмоткой и коллектором 16, механизм при вода 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 щеточный узел с щеткодержателями 15, щетками 19 и щеточными пружинами 14.

Корпусы (рис. 2) электростартеров изготавливают из трубы или стальной полосы (сталь 10 или Ст2) с последующей сваркой стыка.

С целью улучшения герметизации корпус не имеет окон для доступа к щеткам. Длина корпуса в 1,6-2 раза больше длины пакета якоря. Толщина корпуса зависит от диаметра D корпуса и составляет (0,05-0,08) D. В корпусе 2 предусмотрено отверстие для выводного болта 8 обмотки возбуждения. Корпус может иметь установочные прорези на торцах и конусообразные проточки для установки уплотнительных колец.

К корпусу 2 винтами 3 крепят полюсы 12 с катушками 1 обмотки возбуждения. Все автомобильные стартеры выполняют четырехполюсными. Катушки последовательных и параллельных обмоток возбуждения устанавливают на отдельных полюсах, поэтому число катушек равно числу полюсов.

Горячекатаные или штампованные полюсы (рис . 3) стартера состоят из магнитопровода, полюсных наконечников и изготавливаются из профильной стали 10.

Катушки (рис. 4) последовательной обмотки имеют небольшое число витков неизолированного медного провода 3 прямоугольного сечения марки ПММ. Между витками катушки прокладывают электроизоляционный картон толщиной 0,2÷0,4 мм. Катушки параллельной обмотки возбуждения наматывают изолированным круглым проводом марок ПЭВ-2 и ПЭТВ.

Снаружи катушки изолируют лентой из изоляционного материала (хлопчатобумажная тафтяная лента, батистовая лента Б-13). Внешняя изоляция после пропитывания лаком и просушивания имеет толщину 1÷1,5 мм. Перспективно применение полимерных материалов при изолировании катушек, с помощью которых можно получить покрытия, равномерные по толщине, стойкие к воздействию агрессивной среды и повышенной температуры.

Пакет якоря набран из стальных пластин (сталь 0,8кп или сталь 10) толщиной 1÷1,2 мм (рис. 6). Крайние пластины пакета из электроизоляционного картона ЭВ толщиной 2,5 мм предохраняют от повреждения изоляционный материал лобовых частей обмотки якоря.

В стартерных электродвигателях применяют простые волновые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями (см. рис. 5, б). Одновитковые секции выполняют из неизолированного прямоугольного провода марки ПММ.

Обмотки с двухвитковыми секциями наматывают круглыми изолированными проводами ПЭВ-2 и ПЭТВ. Полузакрытые или закрытые пазы якорей могут иметь прямоугольную или грушевидную форму (рис. 7). При прямоугольной форме пазов обеспечивается лучшее их заполнение прямоугольным проводом. В этом случае проводники в пазы укладывают в два слоя и изолируют друг от друга и от пакета якоря гильзами S-образной формы из электрокартона толщиной 0,2÷0,4 мм или полимерной пленки.

Пазы грушевидной формы с постоянным или переменным сечением зубца применяют в стартерах малой мощности с двухвитковыми секциями. Концы секций обмотки якоря укладывают в прорези «петушков» коллекторных пластин. Конец одной секции и начало следующей по ходу обмотки присоединяют к одной коллекторной пластине.

На лобовые части обмотки якоря накладывают бандажи, состоящие из нескольких витков проволоки, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, намотанных на прокладку из электроизоляционного картона.

Бандаж из стекловолокна менее дорогостоящий, для него можно не применять крепежные скобы. Бандаж может быть изготовлен в виде алюминиевого кольца с изоляционной кольцевой прокладкой из гетинакса или текстолита.

Лобовые части секций изолируют друг от друга электроизоляционным картоном.

В электростартерах применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке, а также цилиндрические и торцовые коллекторы с пластмассовым корпусом.

Сборные цилиндрические коллекторы (рис. 8, а), применяемые на стартерах большой мощности, составляют из медных пластин и изолирующих прокладок из миканита, слюдинита или слюдопласта.

Пластины в коллекторе закрепляются с помощью металлических нажимных колец 2 и изоляционных корпусов 4 по боковым опорным поверхностям. От металлической втулки 1, которую напрессовывают на вал якоря, медные пластины изолируют цилиндрической втулкой из миканита.

Рабочая поверхность коллектора должна иметь строго цилиндрическую форму. Монолитность конструкции и биение рабочей поверхности сборных цилиндрических коллекторов зависят от точности изготовления сопрягаемых деталей.

Вследствие податливости изоляционных прокладок между пластинами первоначальная форма сборного цилиндрического коллектора в процессе эксплуатации может измениться, что приводит к усилению искрения под щетками.

В цилиндрических коллекторах с пластмассовым корпусом (рис. 8, б) пластмасса является формирующим элементом коллектора. Она плотно охватывает сопрягаемые поверхности независимо от конфигурации и точности изготовления коллекторных пластин, изолирует коллекторные пластины от вала и воспринимает нагрузки.

В качестве пресс-материала чаще всего используется пластмасса АГ-4С. ДЛЯ повышения прочности коллектора применяют армировочные кольца из металла и пресс-материала. При небольших размерах коллектор может быть изготовлен из цельной цилиндрической заготовки, разрезаемой после опрессовки пластмассой на отдельные ламели.

Торцовые коллекторы (рис. 8, в) по сравнению с цилиндрическими имеют меньшие размеры и металлоемкость. Рабочая поверхность торцового коллектора находится в плоскости, перпендикулярной к оси вращения якоря. При изготовлении торцового коллектора из медной втулки формируется пластина в виде диска с отверстием, прямоугольными пазами по числу требуемых коллекторных пластин и кольцевыми выступами. Диск со стороны выступов опрессовывается пластмассой. В пластмассовом корпусе прошивают внутреннее отверстие для напрессовки коллектора на вал. Для разделения пластин производится обсечка коллектора по наружному диаметру.

В стартерах с цилиндрическими коллекторами щетки 4 (рис. 9, а) устанавливают в четырех коробчатых щеткодержателях 5 радиального типа, закрепленных на крышке 6 со стороны коллектора. Необходимое удельное давление (30-120 кПа) щетки на коллектор обеспечивают спиральные пружины 10.

Щеткодержатели изолированных щеток отделены от крышки прокладками из текстолита или другого изоляционного материала. В стартерах большой мощности в каждом из радиальных щеткодержателей устанавливают по две щетки.

В электростартерах с торцовыми коллекторами щетки 4 (рис. 9, б) размещают в пластмассовой или металлической траверсе и прижимают к рабочей поверхности коллектора витыми цилиндрическими пружинами. Щетки имеют канатики 3 и присоединяются к щеткодержателям 5 с помощью винтов 7. Обычно щетки устанавливают на геометрической нейтрали. На некоторых стартерах для улучшения коммутации щетки смещают с геометрической нейтрали на небольшой угол против направления вращения.

Щетки в щеткодержателях должны перемещаться свободно, но без сильного бокового люфта.

В электростартерах применяют меднографитные щетки с добавками свинца и олова. Содержание графита выше в щетках для мощных стартеров и стартеров для тяжелых условий эксплуатации. Плотность тока jщ в щетках электростартеров находится в пределах 40÷100 А/см2.

От допустимой плотности тока зависят размеры щеток и падение напряжения под щетками UЩ.

Крышки со стороны коллектора изготавливают методом литья из чугуна, стали, алюминиевого или цинкового сплава, а также штампуют из стали. Крышки могут иметь дисковую или колоколообразную форму. В крышках колоколообразной формы предусмотрены окна для доступа к щеткам.

Крышки со стороны привода изготавливают методом литья из алюминиевого сплава или чугуна. Конструкция крышки зависит от материала, из которого она изготовлена, типа механизма привода, способа крепления стартера на двигателе и тягового реле на стартере.

Установочные фланцы крышки имеют два или большее число отверстий, под болты крепления стартера. Фланцевое крепление стартера к картеру сцепления дает возможность сохранить постоянство межосевого расстояния в зубчатом зацеплении при снятии и повторной установке стартера. В крышке предусмотрено отверстие, которое позволяет шестерне привода входить в зацепление с венцом маховика.

В крышках и промежуточной опоре устанавливают подшипники скольжения. Промежуточную опору предусматривают в стартерах с диаметром корпуса 115 мм и более. Подшипники смазывают в процессе производства и при необходимости во время технического обслуживания в эксплуатации. В стартерах большой мощности для грузовых автомобилей бобышки подшипников имеют масленки с резервуарами для смазочного материала и смазочными фильцами.

На автомобилях ВАЗ моделей 2108 и 2109 установлен стартер 29.3708, имеющий только одну опору в крышке 23 со стороны коллектора (рис. 10). Вторая опора со стороны привода предусмотрена в картере сцепления.

Управляемые дистанционно тяговые реле обеспечивают ввод шестерни в зацепление с венцом маховика и подключают стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее. Они отличаются по способу крепления на стартере, количеству обмоток, конструкции контактного устройства и форме стопа электромагнита.

На большинстве стартеров тяговое реле располагают на приливе крышки 27 (см. рис. 10) со стороны привода. С фланцем прилива крышки реле соединяют непосредственно или через дополнительные крепежные элементы.

Реле может иметь одну или две обмотки, намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь 11 (рис. 11), 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 1З, 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 согласно с удерживающей обмоткой и создает 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 ее из работы.

Контактные системы могут быть разделенной или неразделенной конструкции. При неразделенной контактной системе (см. рис. 11) подвижный контакт снабжен пружиной 7. Перемещение подвижного контактного диска в исходное нерабочее положение обеспечивает возвратная пружина 9.

В разделенной контактной системе (рис. 12) подвижный контактный диск 10 не связан жестко с якорем 13 реле. Контактный диск круглой, фасонной или прямоугольной формы устанавливают между изоляционной втулкой и шайбой на штоке. Это обеспечивает надежное соединение контактов реле при возможном перекосе и перемещении диска вдоль оси штока за счет сжатия пружин контактной системы.

Наибольшее распространение в электростартерах получили бесшумные в работе и технологичные роликовые муфты свободного хода, способные при небольших размерах передавать большие крутящие моменты.

Роликовые муфты малочувствительны к загрязнению, не требуют ухода и регулирования в эксплуатации. При включении стартерного электродвигателя наружная ведущая обойма 12 (рис. 13) муфты свободного хода вместе с якорем поворачивается относительно неподвижной еще ведомой обоймы 17. Ролики 1 под действием прижимных пружин 3 и сил трения между обоймами и роликами перемещаются в узкую часть клиновидного пространства, и муфта заклинивается. Вращение от вала якоря ведущей обойме 12 муфты передается шлицевой втулкой 10.

После пуска двигателя частота вращения ведомой обоймы 17 с шестерней превышает частоту вращения ведущей обоймы 12, ролики переходят в широкую часть клиновидного пространства между обоймами, поэтому вращение от венца маховика к якорю стартера не передается (муфта проскальзывает).

Для обеспечения надежного заклинивания муфты свободного хода применяют индивидуальные и групповые прижимные устройства для роликов.

К индивидуальным относятся прижимные устройства с пружинами 3, осуществляющими нажатие на ролики 1 непосредственно через индивидуальные плунжеры или толкатели 2 Г-образной формы.

В муфтах свободного хода с групповыми прижимными устройствами число прижимных пружин меньше числа роликов, а заклинивание роликов между обоймами осуществляется при помощи сепараторов. Заклинивание роликов в муфтах свободного хода с бесплунжерными прижимными устройствами происходит за счет перемещения толкателей или сепаратора с пазами, в которых размещены ролики.

В муфтах с индивидуальными прижимными устройствами витые цилиндрические пружины 3 одним концом упираются в выступы толкателей 2, а другим в отогнутые лепестки держателя пружин 13, соединенного с ведущей обоймой 12.

Сепараторное прижимное устройство сложнее по конструкции, однако позволяет увеличить число роликов, способствует равномерному распределению нагрузки на ролики и тем самым повышает нагрузочную способность муфты свободного хода. Благодаря отсутствию отверстий под плунжеры в бесплунжерных муфтах свободного хода повышается прочность обоймы.

Механизм привода стартера с храповой муфтой свободного хода обеспечивает более полное разъединение вала электродвигателя и коленчатого вала двигателя при значительно меньших нагрузках на силовые элементы муфты.

Храповая муфта (рис. 14) состоит из корпуса 11, ведущего 8 и ведомого 6 храповиков, шестерни 2 привода, пружины 10, шлицевой направляющей втулки 12 и центробежного механизма с конической втулкой 7, текстолитовыми сегментами (сухариками) 3 и направляющими штифтами 4 для разъединения ведущего и ведомого храповиков.

При подключении обмотки тягового реле к источнику питания, якорь реле через рычаг при вода 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 до упора в шайбу на валу якоря. В конце хода шестерни замыкаются силовые контакты тягового реле, вал якоря приводится во вращение, а вращающий момент через шлицевую втулку 12, ведущий 8 и ведомый 6 храповики передается шестерне 2 и далее венцу маховика.

При передаче вращающего момента в винтовых шлицах втулки 12 и ведущего храповика 8 возникает осевое усилие, которое воспринимаетсябуферным резиновым кольцом 14.

Если шестерня привода упирается в венец маховика, сжимается пружина 10 и ведущий храповик 8, перемещаясь по винтовым шлицам втулки 12, своими торцовыми зубьями поворачивает ведомый храповик и шестерню на угол, обеспечивающий ввод шестерни в зацепление и замыкание контактов тягового реле.

После пуска двигателя частота вращения шестерни и ведомого храповика становится больше частоты вращения вала якоря и направляющей втулки 12, поэтому ведущий храповик перемещается по винтовым шлицам втулки, отходит от ведомого храповика и шестерня привода вращается вхолостую. Коническая втулка 7 отодвигается вместе с ведущим храповиком и освобождает текстолитовые сегменты (сухарики) З, соединенные с быстровращающимся ведомым храповиком 6 направляющими штифтами 4. Под действием центробежных сил сегменты перемещаются в радиальном направлении вдоль штифтов и блокируют муфту в расцепленном состоянии, предохраняя зубья храповиков от повреждения и изнашивания. 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 остается в зацеплении, что позволяет стартеру вращать коленчатый вал до тех пор, пока двигатель не сможет работать самостоятельно.

Преимуществом храповой муфты свободного хода по сравнению с роликовыми муфтами является высокая надежность, ремонтопригодность и возможность передачи большего вращающего момента при сравнительно небольших габаритных размерах.

Обычно стартер располагают сбоку картера двигателя, при этом крышка со стороны привода обращена в сторону маховика и входит в отверстие картера сцепления.

Стартеры мощностью свыше 4,4 кВт с диаметром корпуса 130-180 мм устанавливают в углублениях специальных приливов двигателя. К посадочной поверхности прилива двигателя корпус стартера прижимается стальными лентами или литыми скобами. От проворота стартер фиксируют шпонками или штифтами.

Шестерня механизма привода стартера может быть установлена между опорами под крышкой или консольно за ее пределами.

В эксплуатации стартеры подвержены воздействию влаги, масла, грязи. Конструкция стартера предусматривает защиту от них. Лучше защищены стартеры грузовых автомобилей. Герметизация обеспечивается установкой в местах разъема резиновых колец, применением втулок и уплотнительных прокладок из мягких пластических материалов.

Герметизация стартера в местах вывода обмоток тягового реле и стартера обеспечивается установкой резиновых шайб. Попадание в стартер и тяговое реле грязи, влаги и посторонних тел исключается благодаря установке резинового сильфона 19 (рис. 15) и резиновой армированной манжеты 27 в промежуточной опоре 26. Герметизирующий сильфон 19 не должен препятствовать регулированию механизма привода.

Стартеры для тяжелых грузовых автомобилей

Стартер, приведенный на рис. 16, снабжен храповой муфтой свободного хода.

Тяговое реле 5 закреплено на корпусе 4. Якорь вращается в трех опорах. Цилиндрический коллектор 2 собран на металлической втулке. В каждом радиальном коробчатом щеткодержателе 3 установлены по две щетки 15.

Приведенный на рис. 17 стартер номинальным напряжением 24 В и номинальной мощностью 12 кВт имеет фрикционно-храповой привод 16. Шестерня 19 привода расположена консольно за пределами крышки 15 со

В подшипнике качения 17 вращается втулка шестерни 19. В подшипнике качения, установленном в крышке со стороны коллектора, установлен вал якоря. В стартере применен сборный цилиндрический коллектор 2. В каждом коробчатом щеткодержателе установлено по две щетки 3.

Стартер имеет смешанное возбуждение. Две катушки последовательной обмотки соединены между собой последовательно, а две катушки параллельной обмотки - параллельно. Ток к последовательной обмотке и к якорю при включении стартера подводится от аккумуляторной батареи через контакты выключателя стартера и втягивающую обмотку тягового реле.

После замыкания контактов тягового реле силовые контакты контактора КТ130 подключают последовательную обмотку возбуждения и обмотку якоря непосредственно к аккумуляторной батарее, одновременно шунтируя втягивающую обмотку тягового реле. Параллельная обмотка электродвигателя стартера и удерживающая обмотка тягового реле в течение работы стартера соединены с аккумуляторной батареей через контакты выключателя стартера.

Стартеры с дополнительными встроенными редукторами и постоянными магнитами

Редукторы, встраиваемые в стартеры, разделяются на три основных типа: цилиндрический с внешним зацеплением, цилиндрический с внутренним зацеплением и планетарный.

Редукторы выполняются одноступенчатыми с прямозубыми шестернями. Конструкция стартеров с цилиндрическим редуктором с внешним зацеплением представлена на рис. 18. Редуктор расположен в корпусе 2З (рис . 18).

Преимуществом цилиндрического редуктора с внешним зацеплением является технологичность изготовления его зубчатых колес. К недостаткам относится увеличение высоты стартера по сравнению со стартерами без редуктора из-за смещения осей стартерного электродвигателя и привода на 30÷50 мм. Появление радиальной нагрузки на вал якоря электродвигателя требует применения подшипников качения.

В стартерах с цилиндрическими редукторами, имеющими внутреннее зацепление, меньше смещение осей электродвигателя и привода, что облегчает компоновку стартера на двигателе. Недостатки - повышенная сложность изготовления зубчатых колес, присутствие радиальной нагрузки на вал электродвигателя.

Планетарный редуктор между приводом и валом электродвигателя (рис. 19) состоит из внешнего зубчатого колеса, закрепленного в корпусе 9 редуктора, в котором в подшипнике вращается водило 10 с зубчатыми колесами (сателлитами) 11.

Планетарный редуктор обеспечивает соосность осей электродвигателя и привода, чем упрощается компоновка стартера на двигателе взамен стартеров без дополнительного редуктора. Планетарный редуктор не создает радиальную нагрузку на вал электродвигателя, что дает возможность применять для вала якоря подшипники скольжения. Технология изготовления деталей таких, редукторов сложнее, однако сборка проще благодаря соосности основных узлов стартера.

Внешнее зубчатое колесо изготавливается из пластмассы типа Полиамид-66, иногда с добавками графита или методом порошковой металлургии. Сателлиты, прессованные из порошкового материала, вращаются на осях в подшипникахскольжения или в игольчатых подшипниках. Последние предпочтительнее, так как обеспечивают больший КПД редуктора.

Ось сателита одновременно является внутренней обоймой игольчатого подшипника. Это предъявляет высокие требования с материалу и точности изготовления 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. 8 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 на щетках из-за увеличения быстроходности и уменьшенной длины якоря 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 уменьшение изнашивания щеток и коллектора до уровня стартеров без редукторов.

Стартер на рис. 19 имеет электромагнитное возбуждение, а некоторые современные стартеры мощностью 1-2 кВт - возбуждение от постоянных 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 сила тока короткого замыкания. Для повышения стойкости к размагничиванию применяют специальную обработку сбегающего участка магнита, приводящую к дополнительному местному повышению коэрцитивной силы, увеличивают число полюсов до шести или применяют экранирование сбегающей части полюса магнитным шунтом, замыкающим часть магнитного потока якоря.

Стартер имеет массу на 30÷50% меньшую, чем стартеры обычной конструкции, за счет повышения частоты вращения вала электродвигателя в 3÷5 раз. Однако встраиваемый редуктор несколько увеличивает длину по оси стартера. Для ограничения длины применяют укороченный привод, в котором функцию буферной пружины выполняет пружинный рычаг, или располагают буферную пружину в тяговом реле стартера. Кроме того, длину стартеров мощностью 2÷2,5 кВт уменьшают за счет углубления ступицы крышки со стороны коллектора и размещения вкладыша вала в цилиндрической выемке в торце коллектора.

Стартер с редуктором, особенно планетарным, более сложен. Он имеет большее количество деталей и более трудоемок в изготовлении. Снижение трудоемкости достигается автоматизацией изготовления ряда деталей, сборки узлов и всего стартера.

При мощности до 1 кВт редуктор в стартер встраивают редко, так как усложнение конструкции не компенсируется малым снижением металлоемкости. Стартеры такой мощности выполняются с возбуждением от постоянных ферростронциевых магнитов.

Появились стартеры с возбуждением от постоянных магнитов высокой энергии, изготовленных из сплава железо-неодим-бор. Такие магниты называются «Магнаквенч». Стартер без редуктора с магнитами железо-неодим-бор существенно меньше по массе и объему стартера с электромагнитным возбуждением. Энергия магнитов «Магнаквенч» лежит в пределах 100÷290 кДж/м^З, тогда как у магнитов из феррита стронция - 22-30 кДж/м^З.

Сплав железо-неодим-бордорог, кроме того, он окисляется на воздухе и восприимчив к воздействию температуры. Для предотвращения окисления изготавливают эпоксидно-клееные магниты, в которых зерна сплава обволакиваются компаундом, герметически изолирующим их от воздействия окружающей среды.

Свойства электростартеров оценивают по рабочим и механическим характеристикам.

Рабочие характеристики представляют в виде зависимостей напряжения на зажимах стартера UCT, полезной мощности Р2 на валу, полезного вращающего момента М2, частоты вращения якоря nа и КПД стартерного электродвигателя от силы тока якоря Iа (рис. 20).

При вращении якоря в его обмотке индуцируется ЭДС:

cе - постоянная электрической машины, не зависящая от режима ее

Ф - магнитный поток, проходящий через воздушный зазор и якорь электродвигателя.

При питании стартера от аккумуляторной батареи ЭДС:

где ΔUщ- падение напряжения в контактах щетки-коллектор;

Rc - сопротивление последовательной обмотки возбуждения.

с уменьшением нагрузки электродвигателя с последовательным возбуждением магнитный поток Ф падает, а nа быстро возрастает до значения nаО при силе тока холостого хода Iao. В стартерах смешанного возбуждения частота вращения в режиме холостого хода ограничивается магнитным потоком параллельной обмотки возбуждения. При уменьшении нагрузки магнитный поток, создаваемый последовательной обмоткой, стремится к нулю, тогда как намагничивающая сила параллельной обмотки и создаваемый ею магнитный поток даже немного увеличиваются.

В электродвигателях с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения проходит весь ток якоря Ia, поэтому магнитный поток возрастает с увеличением нагрузки стартера. При одинаковых номинальных параметрах электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением последние развивают большие полезные моменты М2К в режиме полного торможения. Это улучшает их тяговые свойства, облегчает трогание системы стартер-двигатель с места и раскручивание коленчатого вала при пуске двигателя при низких температурах.

Подводимая к стартеру мощность за вычетом электрических потерь преобразуется в электромагнитную мощность:

Зависимость электромагнитной мощности от силы тока представляет собой симметричную параболу с максимальным значением при силе тока Iм равной половине тока IK полного торможения.

Полезная мощность Р2 на валу электродвигателя меньше электромагнитной на величину суммы ΔPM механических потерь в подшипниках, в щеточно-коллекторном узле и магнитных потерь в пакете якоря.

Полезный вращающий момент на валу электродвигателя

Сила тока, потребляемого электродвигателем со смешанным возбуждением

где Is=Ucт/Rs - сила тока в параллельной обмотке возбуждения;

Rs - сопротивление параллельной обмотки возбуждения.

Подводимая к стартерному электродвигателю мощность

Механические характеристики электростартеров обычно представляют в виде зависимости вращающего момента М₂от частоты вращения якоря n_а (рис. 21).

При снижении напряжения на выводах аккумуляторной батареи и стартера, в связи с понижением температуры или увеличением сопротивления стартерной сети при той же силе тока Iа=ЭДС Еа, частота вращения nа и мощность Р2 электродвигателя уменьшаются (рис. 22, а). При той же частоте вращения nа уменьшается вращающий момент М2 (рис. 22, б).

Влияние электросопротивления источника электроснабжения и стартерной сети на рабочие и механические характеристики стартерных электродвигателей требует однозначного указания условий, при которых определяется номинальная мощность стартера. Номинальной считают наибольшую полезную мощность Рн в кратковременном режиме работы при электроснабжении от аккумуляторной батареи максимально допустимой емкости, установленной в технических условиях на стартер, при степени заряженности батареи 100%, температуре электролита +20°С , при первой попытке пуска двигателя, без учета падения напряжения в стартерной сети. Номинальной мощности соответствуют сила тока IH, частота вращения nн и вращающий момент Мн.

Пусковая мощность РП определяется как наибольшая полезная мощность в кратковременном режиме работы при электропитании от батареи, заряженной на 75%, при температура -20°С в конце третьей попытки пуска двигателя с учетом падения напряжения в проводке.

Напряжение на выводах стартерного электродвигателя при определении номинальной мощности рассчитывается по формуле:

где аб- коэффициент, принимаемый равным 0,05 для батарей емкостью С20<100 А·Ч, а также 0,038 и 0,046 соответственно для батарей 6СТ-5ЭМ и 6СТ-190ТР.

Частоту вращения коленчатого вала двигателя электростартером n* в различных условиях пуска определяют по точкам пересечения зависимостей момента сопротивления двигателя МС и приведенного к коленчатому валу вращающего момента стартера М* от частоты ращения коленчатого вала n (рис. 23, а). Минимальную температуру пуска Тminопределяют при совмещении на одном графике зависимостей частоты вращения коленчатого вала электростартером n*, минимальной пусковой частоты вращения nmiп от температуры Т окружающей среды (рис. 23, б).

Схемы внутренних соединений электростартеров с последовательным и смешанным возбуждением с использованием одно- и двухобмоточных тяговых реле приведены на рис. 24.

Однообмоточное тяговое реле подключается к аккумуляторной батарее GB (рис. 25, а) переводом ключа выключателя зажигания 2 с контактами S1в нефиксированное положение «стартер». Якорь тягового реле втягивается в электромагнит, с помощью рычажного механизма вводит шестерню привода в зацепление с венцом маховика и в конце хода замыкает силовые контакты реле К1 в цепи электродвигателя М.

Силовые контакты замыкаются до полного ввода шестерни в зацепление. Если шестерня упирается в венец маховика, якорь реле продолжает перемещаться вследствие сжатия буферной пружины привода и замыкает силовые контакты. Якорь с шестерней начинают вращаться, и шестерня под действием буферной пружины входит в зацепление, когда зуб шестерни устанавливается против впадины зубчатого венца маховика. Использование дополнительного усилия в шлицевом соединении вала и направляющей втулки ведущей обоймы роликовой муфты свободного хода для перемещения шестерни позволяет уменьшить тяговое усилие и ход якоря электромагнита, размеры и массу тягового реле.

Для отключения стартера необходимо снять усилие с ключа выключателя зажигания. Ключ автоматически займет положение «Зажигание». При этом якорь отключенного от источника тока тягового реле и приводной механизм под действием пружины возвращаются в исходное положение.

В стартерах с двухобмоточными реле (рис. 25, б и в) при замыкании контактов S1 выключателя зажигания 2 ток от батареи проходит через втягивающую и удерживающую обмотки. При замыкании контактов реле К1 втягивающая обмотка замыкается накоротко.

Обмотки тягового реле К1 могут подключаться к источнику тока через контакты вспомогательного реле К2 (рис. 25, в, г и д). Дополнительный контакт 17 в тяговом реле или во вспомогательном реле замыкает накоротко добавочный резистор катушки зажигания.

В рассмотренных схемах управления после пуска двигателя следует немедленно выключить стартер, так как при длительном вращении ведомой обоймы с шестерней привода возможно заклинивание роликовой муфты свободного хода и повреждение якоря. Включение стартера при работе двигателя может привести к повреждению зубьев шестерни и венца маховика или выходу из строя муфты свободного хода.

Надежность системы пуска и срок службы стартера можно повысить за счет автоматизации отключения стартера после пуска двигателя и блокировки его включения при работе двигателя.

Электронное устройство 2612.3747 (рис. 26) автоматического отключения и блокировки включения стартера содержит блок управления и датчик частоты вращения коленчатого вала. Блок управления настроен на частоту вращения, при которой стартер должен отключаться. Частота эта должна быть больше максимально возможной пусковой частоты вращения коленчатого вала электростартером и меньше минимальной частоты вращения коленвала в режиме прогрева двигателя после пуска.

При пуске двигателя выключатель приборов и стартера переводится в положение «стартер», транзистор VT5 открывается (первое устойчивое состояние триггера на транзисторах VT4 и VT5) и подключает к аккумуляторной батарее вспомогательное реле, которое включает стартер. При вращении коленчатого вала двигателя через вход 4 штекерного разъема на электронное устройство подается синусоидальное напряжение от фазы генератора, которое транзистором VT1 преобразуется в прямоугольные импульсы нормированной амплитуды. С помощью резисторов R1, R2, R3 и конденсатора С1 ограничивается входное напряжение и отфильтровываются импульсные помехи во входных цепях.

Прямоугольные импульсы заряжают конденсатор С3 преобразователя частота-напряжение. Чем больше частота входного сигнала (частота вращения коленчатого вала двигателя), тем меньше промежутки времени между импульсами и разряд конденсатора С2. При определенной частоте вращения коленчатого вала напряжение на конденсаторе С3 превышает опорное напряжение на резисторе R10÷R15, транзисторы VT2 и VT3 открываются и триггер переводится во второе устойчивое состояние, когда транзистор VT4 открыт, а транзистор VT5 закрыт. Вспомогательное реле обесточивается и отключает стартер. Диоды VD10, VD13 и конденсаторы С5, С6 обеспечивают надежное закрытие транзисторов VT5 и VT4.

Терморезистор R11 изменяет частоту вращения вала двигателя, при которой стартер должен отключаться, в соответствии с изменением температуры окружающего воздуха. Повторное включение стартера после первой неудачной попытки пуска возможно только после предварительного перевода ключа выключателя зажигания в положение «Выключено».

Система стоп-старта выполняет функции автоматического управления остановкой и пуском двигателя, обеспечивая дополнительную экономию топлива за счет сокращения длительности работы двигателя в режиме холостого хода при остановке автомобиля и при медленном его движении с установленным в нейтральном положении рычагом коробки передач. Система начинает автоматически функционировать в том случае, если первоначальный пуск был осуществлен пусковой системой с электростартером и двигатель прогрет до температуры охлаждающей жидкости 65÷100°С.

Система стоп-старта (рис. 27) выключает зажигание и отключает подачу топлива, останавливая двигатель при скорости движения автомобиля менее 5 км/ч на нейтральной передаче и выключенном сцеплении. Для продолжения движения водитель нажимает на педаль дроссельной заслонки; при этом автоматически осуществляется пуск двигателя.

Стартер и цепь зажигания включаются системой стоп-старта, если двигатель остановлен, с момента остановки двигателя прошло не менее 0,6 с и педаль сцепления выжата, а также при скорости движения автомобиля менее 10 км/ч.

Функционирование системы обеспечивают датчики температуры охлаждающей жидкости, скорости движения автомобиля, положения педали сцепления, дроссельной заслонки и рычага переключения передач.

К недостаткам системы стоп-старта относятся увеличение количества включений стартера и повышенное потребление энергии от аккумуляторной батареи.