máy khởi động

- Máy khởi động loại giảm tốc làm tăng moment xoắn bằng cách giảm tốc độ quay của phần ứng lõi motor nhờ bộ truyền giảm tốc.. Máy khởi động loại đồng trục - Bánh răng bendix được đặt tr

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG

2.1 Nhiệm vụ và sơ đồ hệ thống khởi động tiêu biểu

Động cơ đốt trong cần có một hệ thống khởi động riêng biệt truyền cho trục khuỷu động cơ một moment với một số vòng quay nhất định nào đó để khởi động được động cơ Cơ cấu khởi động chủ yếu trên ôtô hiện nay là khởi động bằng động cơ điện một chiều Tốc độ khởi động của động cơ xăng phải trên 50 v/p, đối với động

cơ diesel phải trên 100 v/p

Accu

Hình 2.1: Sơ đồ mạch khởi động tổng quát

Trên sơ đồ hình 2.1, máy khởi động bao gồm: relay các khớp với cuộn hút Wh,

cuộn giữ Wg, và động cơ điện một chiều với cuộn stator Ws và cuộn rotor Wr

2.2 Máy khởi động

2.2.1 Yêu cầu, phân loại theo cấu trúc

A Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống khởi động

 Máy khởi động phải quay được trục khuỷu động cơ với tốc độ thấp nhất mà động cơ có thể nổ được

 Nhiệt độ làm việc không được quá giới hạn cho phép

 Phải bảo đảm khởi động lại được nhiều lần

 Tỷ số truyền từ bánh răng của máy khởi động và bánh răng của bánh đà nằm trong giới hạn (từ 9 đến 18)

 Chiều dài, điện trở của dây dẫn nối từ accu đến máy khởi động phải nằm trong giới hạn quy định (< 1m)

Công tắc an toàn(gắn trên hộp số hoặc bàn đạp ly hợp)

Công tắc máy

Máykhởiđộng

Cầuchì tổng

ST1

5030

Motor điện trong máy khởi động là loại mắc nối tiếp và mắc hỗn hợp.

 Theo kiểu đấu dây: Tùy thuộc theo kiểu đấu dây mà ta phân ra các

loại sau:

Hình 2.2: Các kiểu đấu dây của máy khởi động

- Loại mắc nối tiếp: Moment phát ra lớn nhất khi bắt đầu quay, được dùng chủ yếu

trong máy khởi động

- Loại mắc song song: Ít dao động về tốc độ, giống như loại dùng nam châm vình

cửu

- Loại mắc hỗn hợp: Có cả đặc điểm của hai loại trên, thường dùng để khởi động

động cơ lớn

Phân loại theo cách truyền động: có hai cách truyền động

Truyền động trực tiếp với bánh đà: loại này thường dùng trên xe đời cũ và

những động cơ có công suất lớn, được chia ra làm 3 loại:

* Truyền động quán tính: bánh răng ở khớp truyền động tự động văng theo

quán tính để ăn khớp với bánh đà Sau khi động cơ nổ, bánh răng tự động trở

về vị trí cũ

* Truyền động cưỡng bức: khớp

truyền động của bánh răng khi ăn

khớp vào vòng răng của bánh đà,

chịu sự điều khiển cưỡng bức của

một cơ cấu các khớp

* Truyền động tổ hợp: bánh răng ăn

khớp với bánh đà cưỡng bức nhưng

việc ra khớp tự động như kiểu ra

khớp của truyền động quán tính

Hình 2.3 Máy khởi động loại giảm tốc

Truyền động qua hộp giảm tốc:

Loại giảm tốc

- Máy khởi động loại giảm tốc dùng motor tốc độ cao

- Máy khởi động loại giảm tốc làm tăng moment xoắn bằng cách giảm tốc độ quay của phần ứng lõi motor nhờ

bộ truyền giảm tốc

- Piston của công tắc từ đẩy trực

tiếp bánh răng chủ động đặt trên

cùng một trục với nó vào ăn khớp

với vành răng

Máy khởi động loại đồng trục

- Bánh răng bendix được đặt trên

cùng một trục với lõi motor (phần

ứng) và quay cùng tốc độ với lõi

- Cần dẫn động được nối với thanh

đẩy của công tắc từ đẩy bánh

răng chủ động và làm cho nó

ăn khớp với vành răng

Máy khởi động loại bánh răng

hành tinh

- Máy khởi động loại bánh răng

hành tinh dùng bộ truyền hành

tinh để giảm tốc độ quay của

lõi (phần ứng) của motor

Bánh răng bendix ăn khớp với vành

răng thông qua cần dẫn động giống

như trường hợp máy khởi động đồng

trục

Máy khởi động PS (Motor giảm tốc hành tinh-rotor thanh dẫn)

- Máy khởi động này sử dụng các nam châm vĩnh cửu đặt trong cuộn cảm

- Cơ cấu đóng ngắt hoạt động giống như máy khởi động loại bánh răng hành tinh

Hình 2.4 Máy khởi động loại đồng trục

Hình 2.5 Máy khởi động loại bánh răng hành

tinh

Hình 2.6 Máy khởi động loại PS

Cấu tạo máy khởi động

Hình 2.7 Các bộ phận của máy khởi động

4 Chổi than và giá đỡ chổi than

5 Bộ truyền bánh răng giảm tốc

6 Li hợp khởi động

7 Bánh răng bendix và then xoắn

Hình 2.8 Công tắc từ

2.2.4 Chổi than và giá đỡ chổi than

Chổi than được tì vào cổ góp của phần ứng bởi các lò xo để cho dòng điện đi

từ cuộn dây tới phần ứng theo một chiều nhất định Chổi than được làm từ hỗn hợp đồng-cácbon nên nó có tính dẫn điện tốt và khả năng chịu mài mòn lớn Các lò xo chổi than nén vào cổ góp phần ứng và làm cho phần ứng dừng lại ngay sau khi máy khởi động bị ngắt

Nếu các lò xo chổi than bị yếu đi hoặc các chổi than bị mòn có thể làm cho tiếp điểm điện giữa chổi than và cổ góp không đủ để dẫn điện Điều này làm cho điện trở ở chỗ tiếp xúc tăng lên làm giảm dòng điện cung cấp cho motor và dẫn đến

giảm moment

Hình 2.11 Chổi than và giá đỡ chổi

Bánh răng khởi động chủ động và then xoắn

Bánh răng bendix và vành răng truyền lực quay từ máy khởi động tới động

cơ nhờ sự ăn khớp an toàn giữa chúng Bánh răng bendix được vát mép để ăn khớp được dễ dàng Then xoắn chuyển lực quay vòng của motor thành lực đẩy bánh răng bendix, trợ giúp cho việc ăn khớp và ngắt sự ăn khớp của bánh răng bendix với vành răng

Nguyên lí hoạt động

Kéo (Hút vào)

Khi bật khoá điện lên vị trí START, dòng điện của accu đi vào cuộn giữ và cuộn hút Sau đó dòng điện đi từ cuộn hút tới phần ứng qua cuộn cảm xuống mát Việc tạo ra lực điện từ trong các cuộn giữ và cuộn hút sẽ làm từ hoá các lõi cực và do vậy piston của công tắc từ bị hút vào lõi cực của nam châm điện Nhờ sự hút này mà bánh răng bendix bị đẩy ra và ăn khớp với vành răng bánh đà đồng thời đĩa tiếp xúc

Khi công tắc chính được bật lên, thì không có dòng điện chạy qua cuộn hút

vì hai đầu cuộn hút bị đẳng áp, cuộn cảm và cuộn ứng nhận trực tiếp dòng điện từ accu Cuộn dây phần ứng sau đó bắt đầu quay với vận tốc cao và động cơ được khởi động Ở thời điểm này piston được giữ nguyên tại vị trí chỉ nhờ lực điện từ của cuộn giữ vì không có dòng điện chạy qua cuộn hút

Nhả (hồi về)

Khi khoá điện được xoay từ vị trí START sang vị trí ON, tại thời điểm này, tiếp điểm chính vẫn còn đóng, dòng điện đi từ phía công tắc chính tới cuộn hút rồi qua cuộn giữ Đặc điểm cấu tạo của cuộn hút và cuộn giữ là có cùng số vòng dây quấn và quấn cùng chiều Ở thời điểm này, dòng điện qua cuộn hút bị đảo chiều, lực điện từ được tạo ra bởi cuộn hút và cuộn giữ triệt tiêu lẫn nhau nên không giữ được piston Do đó piston bị đẩy trở lại nhờ lò xo hồi về và công tắc chính bị ngắt làm cho máy khởi động dừng lại

Hình 2.21 Hoạt động của ly hợp khởi động

(Khi khởi động)

Sau khi khởi động động cơ

Khi trục then (bên trong) quay nhanh hơn bánh răng li hợp (bên ngoài), thì con lăn li hợp bị đẩy ra chỗ rộng của rãnh làm cho bánh răng li hợp quay không tải

3.2.2 Cơ cấu ăn khớp và nhả

3.2.2.1 Công dụng

Cơ cấu ăn khớp / nhả có hai chức năng

- Ăn khớp bánh răng bendix với vành răng bánh đà

- Ngắt sự ăn khớp giữa bánh răng bendix với vành răng bánh đà

3.2.2.2 Cơ cấu ăn khớp

Hình 2.22 Hoạt động của ly hợp khởi động

(Sau khi khởi động)

Hình 2.23 Hoạt động ăn khớp Hình 2.24 Hoạt động nhả khớp

Các mặt đầu của bánh răng bendix và vành răng đi vào ăn khớp với nhau nhờ tác động hút của công tắc từ và ép lò xo dẫn động lại Sau đó tiếp điểm chính được bật lên và lực quay của phần ứng tăng lên Một phần lực quay được chuyển thành lực đẩy bánh răng bendix nhờ then xoắn Nói cách khác bánh răng bendix được đưa vào ăn khớp với vành răng bánh đà nhờ lực hút của công tắc từ, lực quay của phần ứng và lực đẩy của then xoắn

Bánh răng bendix và vành răng được vát mép để việc ăn khớp được dễ dàng

3.2.2.3 Cơ cấu nhả khớp

Khi bánh răng bendix làm quay vành răng thì xuất hiện áp lực cao trên bề mặt răng của hai bánh răng Khi tốc độ quay của động cơ (vành răng) trở nên cao hơn so với bánh răng bendix khi khởi động động cơ, nên vành răng làm quay bánh răng bendix Một phần của lực quay này được chuyển thành lực đẩy dọc trục nhờ then xoắn để ngắt sự ăn khớp giữa bánh răng bendix và vành răng

Cơ cấu ly hợp máy khởi động ngăn không cho lực quay của động cơ truyền tới bánh răng bendix từ vành răng bánh đà Kết quả là áp lực giữa các bề mặt răng của hai bánh răng giảm xuống và bánh răng bendix được kéo ra khỏi sự ăn khớp một cách dễ dàng Vì lực hút của công tắc từ bị mất đi nên lò xo hồi về đang bị nén

sẽ đẩy bánh răng bendix về vị trí cũ và hai bánh răng sẽ không còn ăn khớp nữa

4 MỘT SỐ LOẠI MÁY KHỞI ĐỘNG KHÁC

4.1 Máy khởi động đồng trục

4.1.3 Cần đẩy dẫn động

Cần đẩy bendix truyền chuyển động của công tắc từ tới bánh răng bendix Nhờ chuyển động này bánh răng bendix được đưa vào ăn khớp và nhả khớp với vành răng

4.1.4 Lò xo dẫn động

Lò xo dẫn động được đặt trong cần đẩy dẫn động hoặc trong công tắc từ Lò xo dẫn động của máy khởi động loại đồng trục hoạt động giống như lò xo hồi về của máy khởi động loại giảm tốc

4.1.5 Cơ cấu giảm tốc

Vì máy khởi động loại đồng trục có thể tạo ra moment đủ lớn để có thể khởi động động cơ nhờ phần ứng lớn, nên loại này không cần cơ cấu giảm tốc Vì lí do này nên phần ứng được nối trực tiếp với bánh răng bendix

4.1.6 Cơ cấu phanh

Một số máy khởi động loại

đồng trục được trang bị một cơ cấu

phanh để dừng motor lại nếu động

cơ không khởi động được Cơ cấu

phanh cũng được dùng để điều

khiển tốc độ cao của motor ngay

sau khi động cơ khởi động

Một số máy khởi động loại

- Lực ép của chổi than lớn

- Bộ truyền giảm tốc tạo ra lực ma sát

Hoạt động:

Lò xo phanh và và đĩa phanh hãm đẩy phần ứng tỳ vào khung ở đầu cổ góp

để tạo ra lực hãm

4.2 Máy khởi động loại hành tinh:

4.2.1 Sự ăn khớp / nhả khớp của bánh răng chủ động

Lò xo dẫn động được đặt trong công tắc từ Lò xo dẫn động hoạt động giống như lò xo dẫn động của máy khởi động loại giảm tốc và máy khởi động loại đồng trục

Công tắc từ và cần đẩy dẫn động hoạt động giống như công tắc từ và cần đẩy dẫn động của máy khởi động loại đồng trục

Cơ cấu giảm tốc

Hình 2.27 Máy khởi động loại hành tinh

Tỉ số truyền giảm của bộ truyền hành tinh là 1:5, phần ứng nhỏ hơn và tốc độ của

nó nhanh hơn so với máy khởi động loại giảm tốc Để bộ truyền hoạt động êm ười ta thường chế tạo bánh răng bao bằng chất dẻo Máy khởi động loại hành tinh

ng-có thiết bị hấp thụ moment thừa để tránh cho bánh răng bao bị hỏng

Khi bánh răng mặt trời được phần ứng dẫn động, bánh răng hành tinh quay xung quanh bánh răng bao và làm cho cần dẫn quay Kết quả là tốc độ của cần dẫn cùng với các bánh răng hành tinh giảm xuống làm cho moment xoắn truyền tới bánh răng bendix tăng lên

Thiết bị hấp thụ moment:

Bằng cách làm quay bánh răng bao, đĩa ly hợp ăn khớp với bánh răng bao bị trượt và do đó hấp thụ moment thừa

Hình 44 Thiết bị hấp thụ moment

Hình 45 Cuộn cảm - Máy khởi động PS

PS được rút ngắn

Hình 3-8: Sơ đồ tính toán máy khởi động Đặc tuyến và đánh giá hư hỏng thông qua các đặc tuyến

Đặc tuyến tốc độ máy khởi động n = f (I)

Sức điện động ngược Eng sinh ra trong cuộn dây phần ứng khi máy khởi động quay:

30

30

60

n P e

n P l B e

D n l B e

v l B e

Trong đó:

B : cường độ từ trường của nam châm

l : chiều dài khung dây

v : vận tốc dài khung dây

r

Ua

Ra

60.

.2

2

n C E

n a

NP e a

N E P D

e ng ng

πτ

a: số đôi mạch mắc song song trong rotor

C e: hằng số

Ce= pn/a.60 N: số dây dẫn trong rotor

Φ

=

e

ng C

E n

U IR

IR IR E

E

ch ng

ch kd

d aq ng

=

−

0 0

Trong đó:

R d: điện trở dây cáp accu

R kđ: điện trở các cuộn dây rotor và stator

U ch : độ sụt áp trên chổi than

U ch = 1,3V đối với máy khởi động 12V

U ch = 2,5V đối với máy khởi động 24V

E ng được xác định:

e

ch o

e ng ch

kd d aq ch o

ng

C

R I U E C

E n

r I U

IR IR IR U E E

∆

−

=

Hình 2.: Đặc tuyến máy khởi động

Ở chế độ tải nhỏ, dòng điện qua máy khởi động nhỏ và từ thông của cuộn kích phụ thuộc tuyến tính vào cường độ dòng điện φ≅ KφI

2 1

0

a I

a n

I K C

R I U E n

e ch

R a

K C

U E a

e

e ch

2

0 1

Ở chế độ tải lớn, dòng qua máy khởi động lớn và mạch từ bị bão hòa Lúc này

đặc tuyến n = f(I) trở nên tuyến tính:

φ = const

n = b 1 –b 2 I

Dòng điện trong máy khởi động lớn nhất khi bánh răng máy khởi động ăn khớp với

bánh đà Lúc đó E ng = 0 và I = I nm

Đặc tuyến moment kéo M = f (I)

Moment kéo được tạo nên do lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường của các cuộn kích và dòng điện trong các dây dẫn phần ứng (rotor)

M = FD/2

Trong đó: F: tổng lực tác dụng lên các khung dây

D: đường kính của rotor

F = N.f

với f : lực tác dụng lên một khung

N: số khung có trong rotor

a

I l B i l B f

2

=

=

a

I i

2

= : dòng điện chạy trong một khung

P

D x a

P I l B N M

D x a

I l B N M

2

2

22

ππ

=

=

I C

M

I l B a

N P M

M

2.Φ

Đặc tuyến công suất P = (I)

Tích số moment kéo và vận tốc góc của rotor sẽ là công suất điện từ P, tức

là công suất do các lực điện từ làm quay rotor tạo nên

a PN

E I

a

PN P

C

E I

C P

n

M P

ng e

ng M

.60

.30

.2

.30 60

.2

Φ

×Φ

=

Φ

×

×Φ

=

=

=

ππ

πω

ω

với: = e.Φ

ng C

E n

I P

R I U E I P

E I P

ch ch ng

0

Lấy đạo hàm phương trình P để tìm giá trị cực đại:

22

02

0 max

0

nm ch p

ch

I R

U E I

R I U E dI dP

R

U E I

R I U E

ch nm

nm ch

0

0 0

Inm là dòng điện cực đại mà máy khởi động tiêu thụ khi nó bị hãm chặt Thay giá trị Ipmax vào phương trình P, ta được công suất điện từ cực đại

kd r

s d

r s ng

r s ng kd

ch

ch ch

P P P P

R I R R I P

P P P

I R R I E I I R R E I U P

R

U E P

R R

U E R

U E P

∆+

∆+

=

=+

=

∆

∆+

=

++

=+

1

2 1

2 0

max

0

2 0

max

.)(

4

4

42

Trong đó:

P1 : công suất accu đưa đến máy khởi động

Pđ : mất mát công suất về điện do nhiệt sinh ra trên dây

P2 : công suất hữu ích

Pck : công suất mất mát do cơ khí (ổ bi, chổi than)

Pt : công suất mất mát về từ, chủ yếu là dòng Fucô

P 1 = P 2 + P đ + P ck + P t

P 1 = P 2 + P

Hiệu suất của máy khởi động

7,0

1

1 1

=

P

P P P

P

η

Đánh giá hư hỏng qua các đặc tính

Căn cứ vào các đặc tuyến, ta chia hoạt động của máy khởi động ra làm 3 chế độ:

Chế độ không tải ứng với máy khởi động quay ở tốc độ không tải n 0, lúc đó công sinh ra đủ thắng Pđ , Pck , Pt

Chế độ công suất cực đại ứng với cường độ dòng điện gần bằng I nm /2.

Chế độ hãm chặt ứng với I = I nm , khi n = 0 và M= M max

Trên thực tế, ta có thể ứng dụng các chế độ làm việc thứ nhất và thứ ba để chẩn đoán hư hỏng của máy khởi động

Ở chế độ thứ nhất, nếu tốc độ không tải đo được của máy khởi động nhỏ hơn giá trị

cho phép của nhà chế tạo n 0 và cường độ dòng điện không tải lớn hơn bình thường thì hư hỏng xảy ra chủ yếu ở phần cơ: xem xét các ổ đỡ và chổi than

Ở chế độ thứ ba, nếu dòng ngắn mạch lớn hơn giá trị cho phép trong khi moment kéo nhỏ hơn thì hư hỏng chủ yếu xảy ra ở phần điện: chập mạch các vòng dây hoặc chạm mass

Các cơ cấu điều khiển trung gian trong hệ thống khởi động

Relay khởi động trung gian

Relay khởi động là thiết bị dùng để đóng mạch điện cung cấp điện cho máy khởi động Thiết bị này có tác dụng làm giảm dòng qua công tắc máy

Hình 3.10: Relay khởi động Relay gài khớp

Relay gài khớp dùng để đẩy bánh răng máy khởi động vào ăn khớp với vòng răng bánh đà và đóng tiếp điểm đưa dòng điện đến motor điện, giữ yên tiếp điểm cho đến hết thời gian khởi động

Relay bảo vệ khởi động

Công dụng

Relay bảo vệ khởi động là thiết dùng để bảo vệ máy khởi động trong những trường hợp sau:

Khi tài xế không thể nghe được tiếng động cơ nổ

Khởi động bằng điều khiển từ xa

Khởi động lại nhiều lần

Thiết bị dùng bảo vệ khởi động còn gọi là relay khóa khởi động Relay khóa khởi động hoạt động tùy thuộc vào tốc độ quay của động cơ Ta có thể lấy tín hiệu này từ máy phát (dây L của đèn báo sạc và diode phụ)

Khi khởi động, điện thế ở đầu L của máy phát tăng Khi động cơ đạt tốc độ đủ lớn (động cơ đã nổ), relay khóa khởi động sẽ ngắt dòng điện đưa đến relay của máy khởi động, cho dù tài xế vẫn còn bật công tắc khởi động Ngoài ra, relay khóa khởi động không cho phép khởi động khi động cơ đang hoạt động

Cấu tạo nguyên lý làm việc của relay khóa khởi động

Relay khóa khởi động dùng tiếp điểm cơ khí

K

STARTING RELAY

BATL(ALT)ST(IG/SW)

Hình 3-11: Relay bảo vệ khởi động