Trong khuôn khổ môn học Hệ thống điện và điện tử ô tô, tài liệu này chỉ trình bày các vấn đề liên quan đến phƣơng pháp khởi động động cơ bằng động cơ điện.
3.2.1. Yêu cầu, phân loại theo cấu trúc.
* Yêu cầu kỹ thuật:
+ Kết cấu gọn nhẹ nhƣng chắc chắn. + Có sự làm việc ổn định và tin cậy cao
+ Lực kéo tải sinh ra trên trục của máy phải bảo đảm đủ lớn, tốc độ quay cũng phải đạt tới phạm vi làm cho trục khuỷu có tốc độ quay nhất định.
+ Khi động cơ đã làm việc, phải cắt đƣợc đƣợc sự truyền động từ máy khởi động tới trục khuỷu.
+ Có thiết bị điều khiển (nút bấm hoặc khoá) thuận tiện cho ngƣời sử dụng. + Động cơ điêzen có tỷ số nén cao hơn động cơ xăng vì vậy muốn cho nhiên liệu tự cháy đƣợc thì động cơ điêzen có lực hay mô men lớn hơn để quay trục khuỷu động cơ.
+ Trong một số động cơ để giảm áp suất lúc đầu của hòa khí hoặc không khí nén khi khởi động, dùng cơ cấu giảm áp nối thông xy lanh với khí trời.
* Phân loại máy khởi động:
- Dựa theo nguyên lý truyền động
+ Truyền động quán tính: bánh răng truyền động tự động văng ra theo quán tính để ăn khớp với vành răng bánh đà. Khi động cơ đã nổ thì bánh răng bị hất về vị trí cũ một cách tự động.
+ Truyền động cƣỡng bức: bánh răng truyền động vào ăn khớp với vành răng bánh đà cũng nhƣ ra khỏi vị trí ăn khớp đều chịu sự điều khiển cƣỡng bức, loại này thƣờng sử dụng kiểu truyền động một chiều.
+ Truyền động tổng hợp: bánh răng truyền động vào ăn khớp với vành răng bánh đà chịu sự cƣỡng bức còn ra khỏi vị trí ăn khớp một cách tự động.
+ Điều khiển trực tiếp: ngƣời điều khiển trực tiếp phải tác động vào nạng gài. + Điều khiển gián tiếp: ngƣời điều khiển tác động thông qua công tắc hoặc rơ le.
3.2.2. Cấu tạo máy khởi động.
* Mô tơ khởi động.
Mô tơ điện dùng trong hệ thống khởi động là nơi biến điện năng của ắc quy thành mô men cơ học. Trong đó: sta to gồm vỏ máy, các má cực (thƣờng là bốn má) và các cuộn dây kích từ; rô to gồm khối thép từ, trục, cuộn dây phần ứng và vành đổi điện; giá đở chổi than và chổi than; các ổ trƣợt v.v...
Các mô tơ khởi động điện phần lớn đƣợc kích từ nối tiếp; trong đó có thể tất cả các cuộn dây kích từ đều nối nối tiếp nhau và nối tiếp với rô to; hoặc nối tiếp song song từng đôi một. Cách kích từ nối tiếp cho mô men khởi động lớn song có nhƣợc điểm là tốc độ không tải quá lớn, ảnh hƣởng đến độ bền và tuổi thọ làm việc của mô tơ. Do vậy ở một số mô tơ khởi động điện ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp kích từ hỗn hợp tuy có mô men khởi động không lớn song có tốc độ không tải bé hơn.
Cấu tạo cơ bản của mô tơ khởi động bao gồm: vỏ, sta to, rô to và cụm chổi than. Vỏ là một ống thép gia công mặt trong, có gắn các khối cực để giữ các cuộn dây điện cảm. Vỏ còn là nơi gắn các giá đỡ chổi than và lò xo. Lò xo ấn chổi than luôn tỳ vào cổ góp điện đúng áp suất cần thiết để tiếp điện cho máy khởi động.
Rô to của máy khởi động đƣợc cấu tạo bằng cách ép chặt nhiều lá thép kỹ thuật dày từ 0,5 – 1 mm trên trục tạo thành lõi. Trên lõi có nhiều rãnh dọc để quấn dây. Rô to gối lên hai bạc thau và quay giữa các khối cực với khoảng cách ít nhất để giảm bớt hao mất từ trƣờng. Dây quấn trong rô to máy khởi động là các thanh đồng tiết diện dẹt chữ nhật. Mỗi rãnh có hai dây quấn và đƣợc quấn song song, hai nhánh của vòng dây đƣợc đặt cách nhau 900. Hai đầu mối khung dây hàn vào hai phiến đồng cách nhau 900, sau khi quấn song mỗi phiến đồng cổ góp điện có hai cuộn dây hàn vào.
Trên sta to, các cuộn dây cảm điện có nhiệm vụ tạo từ trƣờng chính cho các khối cực, quấn bằng dây dẹt tiết diện lớn quanh các khối cực từ 4-10 vòng. Dây
Hình 3.3: Các kiểu đấu dây của mô tơ khởi động
Mắc nối tiếp Mắc hỗn hợp Ắc quy Ắc quy Công tắc Công tắc Cuộn kích Cuộn kích Cuộn kích Phần ứng Phần ứng
phải lớn vì mỗi lần hoạt động máy khởi động tiêu thụ trên 200A. Các cuộn kề nhau đƣợc quấn ngƣợc chiều để tuần tự tạo cực bắc nam khác tên.
Chổi than máy khởi động đƣợc làm bằng bột than và bột đồng hoặc thiếc, đồng với graphit, đƣợc ép đúc thành khối dƣới áp suất cao. Mỗi chổi than dính liền với dây nối điện. Máy khởi động thƣờng có bốn chổi than, hai chổi than âm và hai chổi than dƣơng.
* Rơ le gài khớp (công tắc từ).
Hai cuộn giữ và hút đƣợc quấn quanh lõi thép. Cuộn dây hút lớn hơn cuộn dây giữ, dòng điện chạy trong cuộn dây hút khoảng (30-40) A còn dòng chạy trong cuộn giữ khoảng (3-4) A. Cuộn hút đƣợc quấn nối tiếp giữa ắc quy và máy khởi động, cuộn giữ đƣợc nối rẽ giữa ắcquy về mát. Đầu lõi thép có dính đĩa tiếp điện đối diện với hai cọc bắt dây nối giữa ắc quy và máy khởi động, đầu kia của lõi thép từ đƣợc nối dài để điều khiển cần gạt cài và tách khớp truyền động với vành răng bánh đà. Khi ấn nút khởi động, dòng điện từ ắc quy chạy qua cuộn giữ về mát trực tiếp, đồng thời cũng chạy qua cuộn kéo về mát trong máy khởi động. Cả hai cuộn
Hình 3.5: Rơ le gài khớp Pít tông Lò xo hồi vị Công tắc chính Lò xo dẫn động Cuộn hút Trục pít tông Cuộn giữ
Hình 45.Hình 3.4: Sơ đồ đấu dây của sta to Cuộn cảm - Máy khởi động PS
Mạch từ phụ Mạch từ chính
Từ thông do mạch từ tạo ra
cùng tạo từ trƣờng mạnh để hút lõi thép qua phía phải áp đĩa tiếp điện vào hai cọc bắt dây, dòng điện ắc quy sẽ truyền qua đĩa tiếp điện cho máy khởi động quay. Khi đĩa tiếp điện đã áp vào hai cọc bắt dây thì cuộn kéo bị nối tắt, dòng điện không chạy qua nó nữa, lúc này lực để giữ lõi thép từ chỉ do lực từ hoá của cuộn giữ. Khi ngắt khóa điện thì cuộn giữ cũng mất từ trƣờng không còn lực giữ lõi thép nữa nên lõi thép và đĩa tiếp điện trở về vị trí cũ nhờ lực của lò xo, máy khởi động ngừng làm việc.
Công dụng của cuộn hút là tạo lực từ trƣờng đủ mạnh vào lúc đầu khi mà lõi thép nằm cách xa mặt ống của lõi thép từ, cho nên muốn hút đƣợc lõi thép vào các cuộn dây phải sinh ra một lực từ hoá rất lớn, lực này chủ yếu do cuộn hút sinh ra còn cuộn giữ chỉ phụ thêm thôi. Song khi lõi thép đã bị hút sâu vào trong (ứng với vị trí ăn khớp an toàn và tiếp điểm đã đóng) thì chỉ cần một lực từ hoá tƣơng đối nhỏ cũng đủ lõi thép nằm ở vị trí này, nên cuộn hút trở lên bị thừa. Vì vậy nó bị nối tắt để giảm công suất tiêu tốn cho nó.
* Khớp truyền động.
Khớp truyền động là cơ cấu truyền mô men từ mô tơ điện của máy khởi động đến vành bánh răng bánh đà của động cơ ô tô. Tỷ số truyền của cặp bánh răng: bánh răng khởi động và vành răng của bánh đà thƣờng chọn từ 9÷18. Để tránh hiện tƣợng cắt chân răng ở bánh răng khởi động, số răng của bánh răng này thƣờng chọn từ 9÷11 răng. Để hạn chế ảnh hƣởng về kích thƣớc của vành bánh răng bánh đà, đối với một số máy khởi động công suất lớn thƣờng có thêm bộ truyền bánh răng trung gian. Bộ truyền này có thể là một cặp bánh răng trụ hoặc bộ truyền bánh răng hành tinh.
Khớp truyền động trong máy khởi động có các nhiệm vụ sau:
- Truyền mô men từ mô tơ điện của máy khởi động làm quay vành bánh răng bánh đà của động cơ ô tô.
- Bảo vệ máy khởi động bằng cách tách rô to của mô tơ điện khởi động ra khỏi vành bánh răng bánh đà khi động cơ ô tô đã nổ đƣợc.
Cơ cấu truyền động đƣợc thiết kế theo hai kiểu. Kiểu văng ra: khi khởi động, bánh răng của khớp truyền động sẽ văng từ trong rô to ra ngoài để ăn khớp với
Hình 3.6: Sơ đồ đấu dâyrơ le gài khớp.
Đến biến áp đánh lửa
Cuộn giữ
vành bánh răng bánh đà của động cơ ô tô. Kiểu văng vào: khi khởi động, bánh răng của khớp truyền động sẽ đi theo chiều từ ngoài vào trong rô to.
Tùy thuộc vào cấu tạo của khớp ly hợp mà ngƣời ta phân ra thành hai loại khớp truyền động:
- Khớp truyền động quán tính. - Khớp truyền động một chiều. + Khớp truyền động quán tính.
Cấu tạo của Khớp truyền động quán tính đƣợc trình bày trên hình.
Ống bị động có ren xoắn (4) lắp trên trục (9) và liên kết cơ khí với đầu chủ động (1) nhờ lò xo (2) và hai ốc hãm (3,5). Ốc hãm (3) bắt chặt ống chủ động (1) và trục của rô to (9).
Khi đóng công tắc khởi động, rô to của mô tơ khởi động quay, do quán tính của đối trọng (10) không cho bánh răng (7) quay theo nên nó phải tiến theo rãnh xoắn để tiến vào ăn khớp với vành bánh răng bánh đà, khi bánh răng (7) tiến sát đến ống chặn (6) thì dừng lại và bắt đầu truyền mô men kéo vành bánh răng bánh đà quay.
Sau khi động cơ ô tô đã khởi động đƣợc, tốc độ vòng quay của trục khuỷu cùng với vành bánh răng bánh đà tăng vọt, lúc này vành bánh răng bánh đà trở thành chủ động kéo bánh răng (7) của khớp truyền động quay theo. Do tỷ số truyền nên bánh răng (7) quay nhanh hơn ống bị động (4) cho nên nó sẽ chuyển động theo đƣờng ren trở về vị trí cũ và dừng lại nhờ chốt hãm và lò xo (8).
Lò xo (2) làm việc ở chế độ xoắn để truyền mô men rất lớn kéo vành bánh răng bánh đà quay, ngoài ra nó còn có nhiệm vụ làm giảm chấn động va đập khi các bánh răng bắt đầu vào ăn khớp với nhau.
Hình 3.7: Cấu tạo khớp truyền động loại quán tính
1- Đầu chủ động; 4- Ống bị động; 8- Chốt hãm và lò xo;
2- Lò xo; 6- Ốc hãm; 9- Trục rô to;
3,5- Vít hãm; 7- Bánh răng; 10- Đối trọng. 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10
Ƣu điểm của khớp truyền động quán tính là có kết cầu đơn giản, giá thành hạ nhƣng các bánh răng phải chịu một lực va đập lớn khi vào ăn khớp với nhau, cho nên loại này chỉ dùng cho những máy khởi động công suất không quá 1,2HP.
+ Khớp truyền động một chiều:
Cấu tạo của khớp truyền động một chiều (hành trình tự do) kiểu bi đũa đƣợc trình bày trên hình.
Khớp truyền động một chiều có thể di chuyển theo rãnh xoắn của trục máy khởi động. May ơ (8) đƣợc lắp trên ống lót (1) có rãnh xoắn bên trong. May ơ (8) có bốn rãnh hình nêm, trong các rãnh có bi đũa (10), các thỏi bi đũa bị ép vào phần hẹp của rãnh bằng con đội (13) và lò xo (14). Bánh răng khởi động (12) đƣợc lắp đồng tâm với may ơ (11).
Khi đóng nguồn cấp cho máy khởi động, mô men đƣợc truyền từ ống lót (1) đến may ơ của bánh răng truyền động (11) bằng các bi đũa (10). Khi đó các thỏi bi đũa bị ép chặt giữa may ơ (11) và vòng bi (8). Khi động cơ ô tô đã khởi động đƣợc, may ơ của bánh răng khởi động trở thành bị động các thỏi bi đũa không bị ép chặt nữa (quay tự do) và khớp truyền động trƣợt ra cắt ly hợp.
3.2.3. Sơ đồ tính toán và các đặc tính cơ bản của máy khởi động.
- Sơ đồ tính toán.
Trong hệ thống khởi động điện ô tô, mô tơ điện một chiều kích từ nối tiếp đƣợc sử dụng phổ biến, còn mô tơ điện kích từ hỗn hợp sử dụng ít hơn. Với mô tơ điện một chiều kích từ nối tiếp, ta có công thức tính sức điện động, mô men và công suất điện từ nhƣ sau:
Eƣ = ke. n
Hình 3.8: Cấu tạo khớp truyền động một chiều.
1- Ống lót; 5- Khớp chặn; 10- Bi dũa;
2,6- Vòng khóa; 7- Lò xo giảm chấn; 11- May ơ bánh răng; 3- Vòng chặn; 8- Vòng bi đũa (ca bi); 12- bánh răng khởi động;
4- lò xo; 9- Vỏ; 13- Con đội;
14- Lò xo con đội. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8 9 11 10 13 14
Mdt = k. .Ikđ
Pđt = Mđt. = Eƣ . Ikđ
Trong đó: Eƣ – sức điện động phần ứng của mô tơ, V. Mđt – Mô men điện từ của mô tơ, N.m. Pđt – Công suất điện từ của mô tơ, W.
ke = p.N/60.a – Hệ số sức điện động của mô tơ. k = p.N/2a – Hệ số cấu tạo của mô tơ.
p – Số đôi cực từ chính của mô tơ.
N – Tổng số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. a – Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
- Từ thông kích từ dƣới một cực, Wb. n – Tốc độ quay của mô tơ, vòng/phút.
– Tốc độ quay của mô tơ, rad/s. Ikđ – Dòng điện khởi động, A.
Sơ đồ tính toán mạch khởi động khi dùng mô tơ điện một chiều kích từ nối tiếp trong hệ thống khởi động đƣợc trình bày trên hình 3.9.
Viết phƣơng trình Kiếckhốp II cho mạch khởi động trên ta có: Eaq - Eƣ = Ikđ.(Raq + Rdd + Rkt + Rƣ) + U
Suy ra:
Eƣ = Eaq - Ikđ.(Raq + Rdd + Rkt + Rƣ) - U Hay:
Eƣ = Uaq - Ikđ.(Raq + Rdd + Rkt + Rƣ) - U Thay giá trị Eƣ vào biểu thức tính Pđt, ta có
Pđt = (Uaq - U).Ikđ - Ikđ2.(Rdd + Rkt + Rƣ)
Trong đó: Raq, Rdd, Rkt và Rƣ là điện trở trong của ắc quy, điện trở của dây dẫn nối từ ắc quy đến động cơ khởi động, điện trở cuộn dây kích từ của mô tơ khởi động và điện trở cuộn dây phần ứng của mô tơ khởi động.
U – Độ sụt áp ở chỗ tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp của mô tơ khởi động. - Đặc tính và đánh giá hƣ hỏng thông qua các đặc tính.
Hình 3.9: Sơ đồ tính toán máy khởi động
Rdd Uaq Eaq Raq E u Ru Rkd Ukd Ikd
Khi máy khởi động bắt đầu làm việc, điện áp ở cực của ắc quy giảm xuống do cƣờng độ dòng điện trong mạch tăng lên. Khi cƣờng độ dòng điện trong mạch lớn thì không thể bỏ qua rơi áp ở điện trở trong của ắc quy. Theo định luật Ohm sụt áp tăng lên khi giá trị dòng điện trong mạch tăng lên. Sụt áp giảm xuống khi giá trị dòng điện trong mạch giảm xuống và điện áp ắc quy lại trở về giá trị bình thƣờng.
Từ đây có thể thấy rằng, khi các cuộn dây trong mô tơ điện và cụm chổi than có giá trị điện trở tăng lên thì mô men và tốc độ sinh ra ở máy khởi động giảm. Đặc biệt khi xảy ra hiện tƣợng ngắn mạch, máy khởi động không hoạt động đƣợc.