3. Конструкция стартеров

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

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

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

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

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

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

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

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

5.8. Назовите четыре отличительных признака тяговых реле стартеров.

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

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