Tính toán thiết kế hệ thống khởi động

Dòngđiện qua các cuộn dây tạo ra từ trường, từ hoá lõi thép và sinh ra lực điện từ hút lõithép sang trái, đồng thời làm quay cần gạt 5, dịch chuyển khớp truyền động 4,đưa vành răng vào ă

LỜI NÓI ĐẦU

Trên ôtô hiện nay, để động cơ có thể hoạt động được cần phải có một hệthống khởi động để làm quay trục khuỷu động cơ đến số vòng quay có thể tự làmviệc được Do đó, hệ thống khởi động là một hệ thống rất quan trọng, không thểthiếu trên những chiếc ôtô ngày nay

Sau khi học xong môn Trang Bị Điện và Điện Tử Động Lực Chúng emđược giao đồ án môn học ‘‘Trang bị điện tử động lực’’ nhằm củng cố kiến thức đãhọc và hiểu hơn các hệ thống khởi động thường sử dụng hiện nay, kết cấu vànguyên lý làm việc của chúng Trong quá trình làm đồ án, em đã được sự hướng dẫn

tận tình của thầy TS Lê Văn Tụy để em hoàn thành đồ án Trang Bị Điện và Điện

Tử Động Lực này

Cuộc sống càng ngày càng hiện đại hơn, đầy dủ hơn nên yêu cầu về hệ thốngkhởi động ngày càng nhỏ gọn, hiệu suất cao…đảm bảo khởi động nhanh, an toàntrong bất kỳ điều kiện hoạt động của động cơ

Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp và kiến thức còn nhiều hạnchế nên không thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận được những lời đóng góp củaquý thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng ngày 01 tháng 12 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Lê Quốc Khánh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG TRÊN ÔTÔ 1.1 Công dụng của hệ thống khởi động

- Hệ thống khởi động đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống điện củaôtô Hệ thống khởi động sử dụng năng lượng từ bình ắc quy và chuyển năng lượngnày thành cơ năng quay máy khởi động Máy khởi động truyền cơ năng này chobánh đà trên trục khuỷu động cơ thông qua việc gài khớp Chuyển động của bánh đàlàm hỗn hợp khí-nhiên liệu được hút vào bên trong xylanh, được nén và đốt cháy đểquay động cơ Hầu hết các động cơ phải quay đến một tốc độ tối thiểu nào đó đểđảm bảo nhiên liệu đưa vào động cơ có thể đốt cháy được và sau đó động cơ có thể

tự làm việc được Tốc độ tối thiểu đó được gọi là tốc độ khởi động của động cơ nkđ

- Có hai hệ thống khởi động khác nhau được dùng trên xe ôtô Cả hai hệthống này đều có mạch điện riêng, một mạch điều khiển và một mạch motor Một

hệ thống có motor khởi động riêng Hệ thống này được dùng trên hầu hết các dòng

xe đời cũ Loại còn lại có motor khởi động giảm tốc Hệ thống này được dùng trênhầu hết các dòng xe hiện nay Một công tắc từ công suất lớn hay solenoid sẽ đóng

mở motor, nó là thành phần của cả hai mạch điều khiển và mạch motor

- Trên một số dòng xe, một rơle khởi động được dùng để khởi động mạchđiều khiển Trên xe hộp số tự động có một công tắc khởi động trung gian ngăntrường hợp khởi động xe khi đang cài số Trên xe hộp số thường có công tắc ly hợpngăn trường hợp khởi động xe mà không đạp ly hợp Trên các dòng xe đặc biệt cócông tắc an toàn cho phép xe khởi động trên đường đồi dốc mà không cần đạp lyhợp

1.2 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 màđộng cơ có thể nổ được nkđ

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

- Phải đảm bảo khởi động lại được nhiều lần

- Tỷ số truyền từ bánh răng của máy khởi động và vành răng của bánh đànằm trong giới hạn (từ 9 đến 18)

- Momen khởi động Mkđ phải đủ lớn để đảm bảo khởi động được.

- Chiều dài và điện trở của dây dẫn nối từ ắc quy đến máy khởi động phảinằm trong giới hạn quy định ( l < 1m)

1.3 Phân loại hệ thống khởi động

1.3.1 Hệ thống khởi động bằng tay

Hình 1.1- Sơ đồ hệ thống khởi động bằng tay quay1- Vành răng bánh đà; 2- Bánh răng khởi động; 3- Cần gạt ly hợp; 4-Ly hợp;

5, 7- Cơ cấu hành tinh; 6- Bánh đà cân bằng; 8- Tay quay

Hình 1.2- Sơ đồ hệ thống khởi động bằng dây kéo

1- Vành răng bánh đà; 2- Bánh răng khởi động; 3- Cần gạt ly hợp; 4- Ly hợp;

- Dùng tay quay, dây kéo hoặc động cơ xăng phụ để quay trục khuỷu động

cơ Phương pháp này đơn giản và tiện lợi, nó ứng dụng trong các động cơ xăng haydiesel cỡ nhỏ vì động cơ lớn, tỉ số nén cao, công suất lớn, sức người khó quay nổi

để đạt đến tốc độ khởi động

- Để khởi động được nhẹ, người ta trang bị thêm cơ cấu giảm áp có nghĩa làdùng cơ cấu cam để điều khiển xupáp nạp hay thải mở Nếu ta quay trục khuỷuđộng cơ đến một tốc độ nhất định, khi đóng xupáp lại thì năng lượng tích ở bánh đà

sẽ thực hiện việc khởi động cho động cơ

Hình 1.3- Hệ thống khởi động bằng động cơ xăng phụ

1- Động cơ diesel; 2- Khớp truyền động; 3- Bánh răng ăn khớp; 4- Động cơ xăng hai kỳ khởi động; 5- Máy khởi động; 6- Cơ cấu tự động nhả khớp;7- Mặt bích bánh đà; 8- Khớp ly hợp của hành trình tự do

- Phương pháp khởi động bằng động cơ xăng phụ thường được dùng cho cácđộng cơ diesel có công suất lớn

- Trục khuỷu của động cơ diesel (1) quay được nhờ động cơ xăng hai kỳ khởiđộng (4) Đông cơ được đưa vào làm việc nhờ bộ khởi động điện (5) Momen xoắn

từ động cơ khởi động truyền đến động cơ diesel qua bánh răng (3), khớp (2) và cơcấu tự động nhả khớp (6) đến mặt bích (7) của bánh đà Khớp hành rình tự do (8)cũng đưa vào dẫn động, khớp này bảo vệ động cơ khỏi bị hỏng khi số vòng quaytăng quá lớn

1.3.2 Hệ thống khởi động bằng điện

Hình 1.4 - Sơ đồ hệ thống khởi động điện [3]

1- Ắc quy; 2- Rơle nguồn; 3- Mạch nối cầu chì;

7- Vành răng bánh đà; 8- Bánh răng khởi động; 9- Motor đề

- Hệ thống khởi động điện được dùng đa số trên các dòng xe ôtô hiện nay vìtính hiệu quả và an toàn của nó

- Hệ thống khởi động điện nói chung có ba bộ phận chính sau : Động cơ điệnmột chiều, khớp truyền động và cơ cấu điều khiển

1.3.3 Hệ thống khởi động bằng động cơ thủy lực

- Phương pháp khởi động này được sử dụng chủ yếu cho máy tĩnh tại

Hình 1.5 - Sơ đồ khởi động bằng động cơ thủy lực.

1- Vành răng bánh đà; 2- Động cơ thủy lực; 3- Van phân phối; 4- Van tiết lưu;

5- Van an toàn; 6- Đồng hồ áp suất; 7- Van một chiều; 8- Bơm thủy lực;

9- Lọc dầu; 10- Bình chứa dầu

Nguyên lý làm việc :

- Khi khởi động động cơ, dầu thủy lực từ bình chứa (10) sẽ được đưa đến vanphân phối (3) bằng bơm thủy lực (8) qua lọc dầu (9) và van tiết lưu (4) Van phânphối (3) được điều khiển bằng điện từ sẽ đóng mở các cửa lưu thông cho dầu chảyvào và làm quay động cơ thủy lực, bánh đà được nối trục với động cơ thủy lực cũng

sẽ quay theo

- Khi ngừng khởi động động cơ thì dầu sẽ từ động cơ thủy lực về van phânphối qua van một chiều (7) và về lại bình chứa (10)

1.3.4 Hệ thống khởi động bằng khí nén

Hình 1.6 - Sơ đồ hệ thống khởi động bằng khí nén

1- Xylanh lực; 2- Van phân phối; 3- Lọc khí có van xả; 4- Van an toàn;

5- Đồng hồ áp suất; 6- Máy nén khí; 7- Van một chiều.Nguyên lý làm việc :

- Khi khởi động động cơ, khí nén sẽ được đưa từ máy nén khí (6) đến vanphân phối (2) sau khi qua lọc khí (3) Van phân phối (2) được dẫn động từ trục camcủa động cơ có nhiệm vụ phân phối khí nén đến các xylanh đúng thời điểm và đúngthứ tự làm việc

- Khi khí nén được đưa vào xylanh (1) tương ứng với hành trình giãn nở sinhcông sẽ làm đẩy piston đi xuống và làm quay trục khuỷu để khởi động động cơ

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG

2.1 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống khởi động bằng điện

Hình 2.1 - Sơ đồ nguyên lí của hệ thống khởi động điện [3]

1- Ắc quy; 2- Máy khởi động; 3- Lò xo hồi vị; 4- Khớp truyền động; 5- Cần gạt;6- Lõi thép; 7- Cuộn hút; 8- Cuộn giữ; 9- Đĩa tiếp điểm; 10- Tiếp điểm;

11- Cầu chì; 12- Rơle khởi động; 13- Công tắc khởi động

Nguyên lý làm việc :

-Khi bật công tắc khởi động ở vị trí Start (13) → dòng điện từ (+) Ăcquy →Cầu chì (11) → Rơle (12) → vào đồng thời cuộn kéo (7) và cuộn giữ (8) Dòngđiện qua các cuộn dây tạo ra từ trường, từ hoá lõi thép và sinh ra lực điện từ hút lõithép sang trái, đồng thời làm quay cần gạt (5), dịch chuyển khớp truyền động (4),đưa vành răng vào ăn khớp với bánh đà Khi vành răng của khớp truyền động vào

ăn khớp với bánh đà thì đĩa tiếp (9) đóng cặp tiếp điểm (10), đưa dòng điện từ ắcquy vào máy khởi động, quá trình khởi động bắt đầu, kéo trục khuỷu động cơ quay

-Khi động cơ đã nổ, người lái xe nhả công tắc (13), dòng điện và từ trường biến mất, các chi tiết trở về vị trí ban đầu dưới tác dụng của lò xo hồi vị

- Hệ thống khởi động bằng động cơ điện nói chung có ba bộ phận chính sau:Động cơ điện, khớp truyền động và cơ cấu điều khiển

2.2 Động cơ điện khởi động

- Động cơ điện dùng để biến điện năng của ắc quy thành cơ năng quay trụckhuỷu động cơ

- Động cơ điện dùng trong hệ thống khởi động là động cơ điện một chiềukích từ nối tiếp hoặc hỗn hợp

cơ điện một chiều không khác gì cấu tạo của máy phát điện một chiều, chỉ khác ởchỗ : Các cuộn dây phần ứng và kích thích của nó thường có tiết diện chũ nhật, cókích thước lớn hơn khá nhiều và số vòng dây ít hơn so với các cuộn dây của máyphát bởi vì khi khởi động động cơ, động cơ điện khởi động tiêu thụ một dòng rấtlớn 600 - 800 [A]

Hình 2.2- Các kiểu đấu dây của máy khởi động [2]

Hình 2.3 - Cấu tạo máy phát điện trên ôtô [3].

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có momen khởi động lớn song cónhược điểm là tốc độ không tải quá lớn, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ làm việccủa động cơ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp tuy momen khởi động khônglớn bằng so với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp nhưng trị số tốc độ khôngtải bé

- Để đảm bảo momen khởi động lớn, hầu hết các máy khởi động đều có cuộnkích thích mắc nối tiếp

k veHình 2.4 - Sơ đồ mạch điện máy khởi động [5]

- Tuy vậy sơ đồ này có nhược điểm là: Khi mô men cản giảm thì n tăng Do

đó, sau khi động cơ đốt trong đã được khởi động (nổ), máy khởi động được giảm tảihoàn toàn thì tốc độ quay của nó sẽ tăng rất lớn, có thể vượt giới hạn cho phép, làmcác ổ trục mau mòn và các thanh dây dẫn có thể văng ra khỏi rãnh của rotor

Cấu tạo của động cơ điện một chiều bao gồm :

- Phần cảm (Stator): có chức năng tạo ra từ trường, bao gồm: vỏ máy và cácbản cực trên được quấn cuộn kích từ

- Phần ứng (Rotor): Bao gồm lõi thép và cuộn dây được đặt trong rãnh của

nó Cuộn dây thường có dạng hình chữ nhật, số vòng dây ít và có tiết diện lớn đểchịu được dòng điện rất lớn (Ikđ hơn 600A) đi qua Các đầu cuộn dây được hàn vàocác phiến của cổ góp Rotor của máy khởi động được đặt trên hai ổ bi lắp ở hai nắpmáy

- Chổi than và giá đỡ chổi than: Chổi than được tỳ vào cổ góp của phần ứngbởi các lò xo và cho phép dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng theo một chiều nhấtđịnh Chổi điện được chế tạo từ hỗn hợp đồng và cacbon nên có tính dẫn điện tốt vàkhả năng chịu mài mòn lớn

2.3 Khớp truyền động

- Khớp truyền động là cơ cấu truyền momen từ động cơ điện của máy khởiđộng đến vành răng bánh đà của động cơ ôtô Khi hoạt động, tốc độ của rotor động

cơ điện đạt trị số trong khoảng 2000 - 3000 [v/ph] sẽ kéo theo trục khuỷu của động

cơ ôtô quay khoảng 200 [v/ph] đủ cho ôtô khởi động được

Khớp truyền động trong máy khởi động có nhiệm vụ sau :

- Nối trục của máy khởi động với vành răng bánh đà khi khởi động

- Truyền momen của máy khởi động làm quay vành răng bánh đà động cơ

- Bảo vệ máy khởi động bằng cách tách rotor của động cơ điện khởi động rakhỏi vành răng bánh khi động cơ ôtô đã nổ được

Cơ cấu truyền động được thiết kế theo hai kiểu :

- Kiểu văng ra:

+ Khi khởi động, bánh răng của khớp truyền động sẽ văng từ trong rotor rangoài để ăn khớp với vành răng bánh đà của động cơ ôtô

Hình 2.5 - Cấu tạo máy khởi động dùng khớp truyền động kiểu văng ra [1].1- Nắp đậy; 2- Cổ góp của động cơ; 3- Rotor; 4- Khối cực từ và cuộn dây kích từ;5- Dây quấn của rotor; 6- Nắp đậy bánh răng; 7- Bánh răng của khớp truyền động;

8- Lò xo; 9- Vỏ máy khởi động; 10- Chổi than; 11- Trục rotor

- Kiểu văng vào : Ngược với kiểu văng ra, khi khởi động bánh răng văng từ ngoàivào trong ăn khớp với trục rotor của động cơ khởi động

Hình 2.6 - Cấu tạo máy khởi động dùng khớp truyền động kiểu văng vào [1].

1- Rơle kéo; 2- Trục rotor; 3- Bánh răng; 4- Khớp truyền động;

5- Vỏ máy khởi động; 6- Cầu nối điện; 7- Đai che cửa sổ chổi than

- Tùy thuộc vào cấu tạo của khớp ly hợp người ta phân ra hai loại khớptruyền động chính:

+ Khớp truyền động quán tính

+ Khớp truyền động cưỡng bức (một chiều)

2.3.1 Khớp truyền động quán tính

Cấu tạo:

Hình 2.7 - Cơ cấu khớp truyền động quán tính [5]

a) Vị trí ban đầu b) Vị trí ăn khớp1- Vòng tỳ; 2- Ống lót có ren; 3- Khớp nối; 4- Lò xo xoắn; 5- Bánh răng;

6- Vành răng bánh đà

-Trên đầu trục máy khởi động có khớp (3) lắp then với trục máy khởi động.Trên khớp (3) bắt chặt một đầu của lò xo xoắn (4), đầu thứ hai của lò xo bắt trênống lót (2) mặt ngoài có ren và đặt tự do trên trục Bánh răng (5) (với đối trọng) ănkhớp ren với ống lót 2.

- Khi máy khởi động quay: Qua lò xo (4), nó làm quay ống lót (2) Bánh răng(5) đặt trên ống lót, do quán tính sẽ không kịp quay theo, nên sẽ dịch chuyển theođường ren trên ống lót vào ăn khớp với vành răng bánh đà (6) và tỳ vào vòng tỳ (1).Các va đập xảy ra khi các vành răng vào ăn khớp được giảm chấn nhờ lò xo (4)

- Sau khi động cơ đã được khởi động: Tốc độ vòng của vành răng bánh đà sẽlớn hơn của bánh răng (5), làm bánh răng tự động chuyển động theo đường ren tách

ra khỏi bánh đà

- Phương pháp truyền động này có nhược điểm là xảy ra va đập mạnh khi các

bánh răng vào ăn khớp nên không được sử dụng đối với những máy khởi động công

suất lớn Nhược điểm thứ hai là bánh răng của máy khởi động tự động tách ra khỏibánh đà ngay khi động cơ bắt đầu nổ những tiếng đầu tiên Nhưng không phải baogiờ động cơ cũng khởi động được ngay sau những tiếng nổ đầu tiên, nhất là trongđiều kiện mùa đông Vì thế quá trình khởi động nhiều khi phải lặp đi lặp lại vài lầnvới những va đập mạnh

2.3.2 Khớp truyền động cưỡng bức

- Trong trường hợp này, bánh răng của trục máy khởi động vào khớp cũngnhư ra khớp dưới tác dụng của những cơ cấu điều khiển bởi người lái hay lực củarơle điện từ

Hình 2.8 - Kết cấu máy khởi động với cơ cấu truyền động cơ khí cưỡng bức [5].1- Bánh răng; 2- Khớp một chiều; 3- Cần gạt; 4- Vít tỳ; 5- Hộp tiếp điểm;

6- Ống lót; 7- Lò xo

- Để tránh khả năng không kịp tách bánh răng ra khi động cơ đã nổ, người talàm kiểu truyền động một chiều bằng khớp hành trình tự do loại bi hay cơ cấu cóchoặc ma sát

- Khi khởi động, dưới tác dụng của người lái hay lực của rơle điện từ, nạnggạt sẽ gạt ống gài (2) và qua lò xo (3) đẩy cả khối ống lót, khớp một chiều và bánhrăng (7) vào ăn khớp với vành răng bánh đà Nếu răng của bánh răng (7) chưa ănkhớp được với răng của vành răng bánh đà thì bánh răng bị giữ lại, nạng gạt tiếp tục

ép lò xo (3) lại, đồng thời đóng tiếp điểm nối mạch điện của máy khởi động làmphần ứng quay và dưới tác dụng của lò xo bánh răng sẽ vào ăn khớp với vành răngbánh đà

- Sau khi động cơ đã nổ, dưới tác dụng của lò xo trả, nạng gạt cùng các chitiết khác được đưa trở lại vị trí ban đầu Nếu như người lái chưa thả bàn đạp thìkhớp một chiều sẽ đảm bảo không cho động cơ kéo trục máy khởi động quay theovới tốc độ lớn, vì khi tốc độ gốc phần ngoài (nối với bánh đà) lớn hơn tốc độ gócphần trong (nối với trục máy khởi động) thì khớp không truyền chuyển động nữa

Hình 2.9 - Khớp truyền động một chiều của bi đũa [1].

a)Cấu tạo khớp truyền động; b)Bi đũa bị nêm chặt, khớp truyền động truyền momen

c) Bi đũa quay tự do, khớp truyền động trượt ra

1-Ống lót; 2,6-Vòng khóa; 3-Vòng chặn; 4-Lò xo; 5-Khớp chặn; 7-Lò xo giảm chấn8- Vòng của bi đũa (ca-bi); 9- Vỏ; 10- Bi đũa; 11- May-ơ của bánh răng;12- Bánh răng khởi động; 13- Con đội; 14- Lò xo của con đội

- Khớp truyền động một chiều có thể di chuyển theo rãnh xoắn của trục máykhởi động Vòng (8) được lắp trên ống lót (1) có rãnh xoắn bên trong Vòng (8) cóbốn rãnh hình nêm, trong các rãnh đó có bi đũa (10), các bi đũa bị ép vào phần hẹpcủa rãnh bằng con đội (13) và lò xo (14) Bánh răng khởi động (12) được lắp đồngtâm với may-ơ (11)

- Khi đóng nguồn cấp cho máy khởi động, momen được truyền từ ống lót (1)đến may-ơ của bánh răng truyền động (11) bằng các bi đũa (10) Khi đó các bi đũa