0. 1.4. Стартеры современных автомобилей

Электростартер состоит из электродвигателя постоянного тока, механизма привода с электромагнитным тяговом реле, муфтой свободного хода и шестерней понижающего редуктора. При необходимости в стартер может быть встроен дополнительный редуктор.

Электростартеры классифицируются по способу возбуждения электродвигателя (последовательного, смешанного, с возбуждением от постоянного магнита), типу привода, способу применения на двигателе и степени защиты от окружающей среды.

Электродвигатель стартера состоит из:

- корпуса с полюсами и катушками обмотки возбуждения;

- якоря с коллектором, пакетом пластин и обмоткой якоря;

- щеточного узла со щеткодержателями, щетками и щеточными пружинами.

Корпус стартера является частью магнитной системы электродвигателя и изготавливаются из цельнонатянутой трубы или стальной полосы с последующей сваркой стыка. К внутренней поверхности корпуса винтами прикреплены четыре полюса. На полюсах располагают катушки обмотки возбуждения, число катушек равно числу полюсов. Для катушки последовательной обмотки возбуждения используют неизолированный медный провод прямоугольного сечения, между витками которых укладывают электроизолирующий картон толщиной 0,2…0,4 мм. Внешняя изоляция - хлопчатобумажная лента пропитанная лаком. Для экономии меди и уменьшении массы стартеров иногда применяются алюминиевые провода.

Якорь имеет сердечник в виде пакета стальных пластин толщиной 1,0…1,2 мм. В электродвигателе стартеров применяются простые волновые и петлевые обмотки с одно – и двухвитковыми секциям. Большое распространение получим волновые обмотки (как более технологичные и компактные). Концы секций обмотки якоря укладываются в прорезь петушков коллекторных ламелей, с последующей пайкой (иногда, сваркой).

Коллектор составленный из медных ламелей является наиболее ответственным узлом электродвигателя и он подвергается значительным электрическим, тепловым и механическим нагрузкам. В стартерах применяются сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке (для стартеров большой мощности), а также цилиндрические и торцовые, с пластмассовым корпусом.

По типу и принципу работы механизмы привода делятся на следующие группы:

- с принудительным электромеханическим вводом шестерни в зацепление с маховиком и выводом из зацепления;

- с принудительным электромеханическим вводом шестерни в зацепление с маховиком и самопроизвольным выводом шестерни из зацепления с маховиком после пуска ДВС.

- электромагнитным вводом шестерни в зацепление за счет перемещения якоря.

В автомобилях наибольшее распространение получили приводные механизмы с принудительным вводом шестерни в зацепление. Для предотвращения разноса якоря после пуска ДВС в стартеры устанавливают роликовые, фрикционные и храповые муфты свободного хода (МСХ). Роликовые МСХ применяются в стартерах мощностью до 5 кВт. В стартерах большой мощности (более 5 кВт) роликовые муфты работает ненадежно поэтому для них разработаны специальные конструкции приводов, например храповая муфта свободного хода.

Х раповая муфта свободного хода (рис.1.9) состоит из корпуса 11, ведущего 8 и ведомого 6 храповиков, шестерни привода 2, пружины 10, шлицевой направляющей втулки 12 и центробежного механизма с конической втулкой 7, тексто-литовыми сухариками 3 направляющими штифтами 4 для разъединения ведущего и ведомого храповиков.

При включении стартера рычаг привода и корпус муфты 11 перемещает направляющую втулку 12 вместе с храповиками 6 и 8 по шлицам вала и вводит шестерню 2 в зацепление с маховиком. Если шестерня привода упирается в венец маховика, сжимается пружина 10 и ведущий храповик 8 перемещаясь по винтовым шлицам втулки 12 поворачивает ведомый храповик 6 и шестерню на угол (до 30⁰) обеспечивающий ввод шестерни в зацепление.

После пуске ДВС, произойдет пробуксовка храповой муфты, т.к. изменяется направление, передаваемого усилия на шестерни стартера (при пуске – от шестерни к валу, а при работающем двигателе- от венца к шестерне). Во время пробуксовки ведущая половины храповика 8 отодвигается от ведомой 6, сжимая пружину 10. Вместе с ведущим храповиком отодвигается втулка 7, освобождая сухари 3, которые под воздействием центробежных сил перемещается вдоль штифтов и блокируют муфту в расчлененном состоянии. После выключения стартера ведущая половина 8 под действием пружины 10 прижимается к ведомой половине 6 и втулка 7 установит сухари 3 в исходное положение.

Тяговое электромагнитное реле. Управляемое дистанционно, тяговое реле обеспечивает ввод шестерни в зацепление с маховиком и подключает стартерный электродвигатель к АКБ. Реле может иметь одну или одну обмотки, намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь, воздействующий на шток с подвижным контактом. Два неподвижных контакта в виде контактных болтов закрепляют в пластмассовой крышке.

Двухобмоточное тяговое реле имеет две обмотки: втягивающую и удерживающую. Удерживающая обмотка рассчитана только на удержание якоря в притянутом состоянии. Втягивающая подключена параллельно силовым контактом. При включении реле она совместно с удерживающей обмоткой создает необходимую силу притяжения. При замыкании силовых контактов втягивающая обмотка отключается. Тяговое реле связано рычагом с приводным механизмом, т.е. нижняя часть рычага связана с поводковой муфтой. На стартерах малой мощности могут применяться однообмоточное тяговое реле (например, Ст. 221)

Стартеры с внутренним редуктором. Параметром, определяющим рациональное согласование мощностной характеристики электропускового устройства с пусковыми характеристи­ками ДВС, является передаточное число i_дс привода от стартера к двигате­лю. Этот параметр оказывает влияние на угол наклона механической характеристики стартерного электродвигателя, приведенной к коленчато­му валу ДВС. Для каждого двигателя и заданных условий пуска существуют оптимальные передаточные числа, при которых наилучшим образом ис­пользуются мощностные характеристики пускового устройства. Однако при безредукторной передаче передаточное число i_дс может быть не более 16, что ограничивается условиями механической прочности ведущей шес­терни стартера. G другой стороны, увеличение передаточного числа позволяет умень­шить размеры и соответственно массу электродвигателя стартера, так как эти параметры изменяются обратно пропорционально частоте вращения вала. Последние годы одним из главных направлений совершенствования систем пуска является уменьшение массы активных материалов, стоимость которых составляет около 50% себестоимости стартера. При этом, помимо использования таких известных методов, как замена медных проводов обмоток на более легкие алюминиевые и уменьшение габаритов за счет применения изоляции более высокого класса нагревостойкости, все более широко стали применяться высокооборотные малогабаритные стартерные электродвигатели с встроенным редуктором.

В конструкциях стартеров с редуктором между ротором электро­двигателя и шестерней, сидящей на выходном валу стартера, встраи­вается редуктор, понижающий частоту вращения в 3 ... 4 раза. При этом частота вращения вала электродвигателя может быть повышена до 15 000 ... 20 000 мин^-1 в режиме холостого хода. Блок электродвигателя представляет собой механизм с малыми размерами, высокой частотой вра­щения и низким моментом. Конструктивно редукторы могут быть выполнены простыми рядными с внешним (рис.1.10) или внутренним зацеплением (рис.1-11), а также планетарными(Рис.1.12).

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.

Наиболее перспективным является так называемый планетарный редуктор Джемса (рис. 1.12), применяемый для передачи движения с небольшими замедлениями (5... 7). Его достоинствами является симметричность переда­ваемых усилий, компактность и высокий КПД.

П ланетарный редуктор между приводом и валом электродвигателя состоит из внешнего зубчатого колеса, закрепленного в корпусе редуктора, в котором в подшипнике вращается водило с зубчатыми колесами (сателлита­ми). 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 подшипниках скольжения или в игольчатых подшипниках. Последние предпочтительнее, так как обеспечивают больший КПД редуктора. Ось сателлита 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, а это значить передаточное число i_дс привода от стартера к двигате­лю может составить 80 единиц!

Я корь 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.

Особенностями конструкций стартеров с редукторами являются: малые размеры и масса электродвигателя; уменьшение нагрузки на аккумулятор­ную батарею при пуске ДВС в связи с применением электродвигателя с малым моментом (малые разрядные токи); повышение возможностей пуска двигателя при низких температурах; снижение выходной мощности при малых нагрузках; более тяжелые условия работы муфты свободного хода, повышенный шум из-за высокой частоты вращения вала электродвигателя и наличия редуктора; тяжелые условия работы щеточно-коллекторного узла электродвигателя в связи с большой скоростью коммутации. Применение стартеров с редукторами потребовало в значительной сте­пени изменить технологию их изготовления. В частности, для увеличения механической прочности быстровращающихся частей стали применять более прочную изоляцию обмоток якоря, заменять пайку соединений в главных цепях сваркой, точно балансировать вращающиеся части. Главную шестерня планетарного редуктора начали изготавливать из пластмассы армированную бронзой, что делает ее прочной, износостойкой, технологичной и дешевой. Планетарный редуктор с пластмассовой шестерней работает значительно бесшумно. Изготовление щеток из более жесткого графита и удаление из её состава меди значительно уменьшило их износ. Уменьшена также силы прижатия щеток к коллектору.

Стартеры с возбуждением от постоянных магнитов. В автомобильных стартерах нового поколения электродвигатель не имеет обмоток возбуждения, которые замены на постоянные магниты (Рис.1.12.). Такие стартеры имеют следующие преимущества:

• магнитное поле электродвигателя с возбуждением от постоянных магниты не зависит от тока якоря и от падения напряжения АКБ при пуске ДВС

• многополюсная магнитная система позволяет получить малогабаритный стартер, но с большим КПД.

• изготовление постоянных магнитов не из сплавов из дорогостоящих металла, а из спекаемых порошков феррита бария делает магниты легкими, прочными, технологичными и как следствие дешевыми.

• эти стартеры потребляют от АКБ значительно меньший ток. КПД АКБ и надежность пуска ДВС возрастает.

Первые стартеры с возбуждением от постоянных магнитов обладали рядом недостатков: они были значительно дороже классических за счет высокой стоимости постоянных магнитовиз феррита бария. Современная технология изготовления стартеров исключает эти недостатки. Постоянные магниты начали изготавливать 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. 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/м³, тогда как у магнитов из феррита стронция - 22-30 кДж/м³. Однако, сплав же­лезо-неодим-бор дорог, 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.