Тип системы пуска определяет используемая энергия и конструкция основного пускового устройства — стартера. Для пуска тракторных дизелей используют системы электростартерного пуска и пусковые бензиновые двигатели, пуск которых также может осуществляться электростартерами.
Система электростартерного пуска надежна в работе, обеспечивает дистанционное управление и возможность автоматизации процесса пуска двигателя с помощью электротехнических устройств.
Источником энергии в системах электростартерного пуска является стартерная свинцовая аккумуляторная батарея. В электростартерах используют электродвигатели постоянного тока. Характеристики стартерного электропривода с электродвигателями постоянного тока последовательного, смешанного возбуждения и с возбуждением от постоянных магнитов хорошо согласуются со сложным характером нагрузки, создаваемой поршневым двигателем при пуске.
Типовая схема системы электростартерного пуска с дистанционным управлением приведена на рис. 1.
Рис. 1. Типовая схема управления электростартером: 1 — аккумуляторная батарея; 2 — контактный болт; 3 — контактный подвижный диск; 4 — выключатель стартера; 5 — втягивающая обмотка тягового реле; 6 — удерживающая обмотка тягового реле; 7 — якорь тягового реле; 8 — шток; 9 — рычаг привода; 10 — поводковая муфта; 11 — муфта свободного хода; 12 — шестерня привода; 13 — зубчатый венец маховика; 14 — стартерный электродвигатель; 15 — якорь стартерного электродвигателя; 16 — последовательная обмотка возбуждения; 17- параллельная обмотка возбуждения
Стартерный электродвигатель 14 получает питание от аккумуляторной батареи 1 через замкнутые контакты тягового электромагнитного реле. Тяговое реле, дополнительное реле и реле блокировки обеспечивают дистанционное включение, автоматическое отключение стартера от аккумуляторной батареи после пуска двигателя и предотвращают включение стартера при работающем двигателе.
При замыкании контактов выключателя 4 стартера, дополнительного реле или реле блокировки втягивающая 5 и удерживающая 6 обмотки тяговою реле подключаются к аккумуляторной батарее 1. Якорь 7 тягового реле притягивается к сердечнику электромагнита и с помощью штока 8 и рычага 9 механизма привода вводит шестерню 12 в зацепление зубчатым венцом 13 маховика двигателя.
В конце хода якоря 7 контактный диск 3 замыкает силовые контактные болты 2 и стартерный электродвигатель 14, получая питание от аккумуляторной батареи, приводит во вращение коленчатый вал двигателя.
После пуска двигателя муфта свободного хода 11 предотвращает передачу вращающею момент от маховика к валу якоря электродвигателя. Шестерня привода из зацепления с венцом маховика не выходит до тех пор, пока замкнуты контакты выключателя 4. При размыкании контактов выключателя 4 втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле подключается к аккумуляторной батарее последовательно через силовые контакты 2. Так как число витков у обеих обмоток одинаковое и по ним при последовательном соединении проходит один и тот же ток, обмотки при разомкнутых контактах выключателя 4 создают два равных, по противоположно направленных магнитных потока. Сердечник электромагнита размагничивается и возвратная пружина перемещает якорь 7 реле в исходное нерабочее положение и выводит шестерню из зацепления с венцом маховика. При этом размыкаются и силовые контакты. При непосредственном управлении стартер включается трактористом с помощью рычага.
Конструкция стартера. Основными узлами и деталями электростартера (рис. 2.) являются якорь 39 с обмоткой 43 и коллектором 2, механизм привода с муфтой свободного хода 27 и шестерней 31, тяговое электромагнитное реле 15, корпус 42 с полюсами 41 и ка¬тушками 40, щеточный узел с щеткодержателями 45, щетками 47 и щеточными пружинами 46.
Рис. 2. Электростартер: 1 — крышка со стороны коллектора; 2 — коллектор на пластмассе; 3 — защитный кожух; 4 — изоляционная втулка; 5 — вывод стартерного электродвигателя; 6 — соединительная пластина; 7 — контактный болт; 6 и 20 — возвратные пружины; 9 — крышка тягового реле; 10 — изоляционная шайба; 11 — контактный подвижный диск; 12 — изоляционная втулка; 13 — пружина; 14 — шток; 15 — тяговое реле; 16 — удерживающая обмотка; 17 — втягивающая обмотка; 18 — якорь реле; 19 — латунная втулка; 21 — упорная шайба; 22 — тяга; 23 — основание реле; 24 — рычаг привода; 25 — ось рычага; 26 — крышка со стороны привода; 27 — муфта свободного хода; 28 — обойма ведущая; 29 — обойма ведомая; 30 — ролик; 31 — шестерня привода; 32 — упорное кольцо; 33 — вкладыш подшипника; 54 — направляющая шлицевая втулка ведущей обоймы; 35 — буферная пружина; 36 — поводковая муфта; 37 — запорное кольцо; 38 — промежуточная опора; 39 — якорь; 40 — катушка возбуждения; 41 — полюс; 42 — корпус; 43 — обмотка якоря; 44 — бандаж; 45 — щеткодержатель; 46 — пружина щеткодержателя: 47 щетка; 48 — вал якоря
Якорь стартерного электродвигателя представляет собой пакет стальных пластин (шихтованный сердечник) с пазами для размещения обмотки. Применение шихтованного сердечника позволяет уменьшить потери на вихревые токи. Пакет якоря напрессован на участок вала с продольной накаткой. Вал вращается в двух или трех бронзографитовых подшипниках или подшипниках из порошкового материала. Подшипники скольжения размещены в крышках со стороны привода, коллектора и в промежуточной опоре.
В стартерных электродвигателях применяют простые волновые обмотки, которые выполняют в виде одно- и двухвитковых секций. Секция представляет собой часть обмотки, расположенную между следующими друг за другом по ходу обмотки коллекторными пластинами (ламелями). Концы одной секции и начало следующей присоединяются к одной коллекторной пластине.
Концы секций укладывают в прорези петушков коллекторных пластин и для лучшего крепления чеканят и пропаивают. Число коллекторных пластин равно числу пазов. В четырех полюсных электрических машинах с волновой обмоткой якоря число пазов должно быть нечетным и в тракторных стартерах находится в пределах от 19 до 29.
Одновитковые секции волновых обмоток выполняют из прямоугольного неизолированного медного провода. Для изоляции проводников в полузакрытых прямоугольных пазах друг от друга и от пакета якоря применяют электроизоляционный картон. Преимуществом прямоугольного паза является высокий коэффициент заполнения его прямоугольным проводом. Однако зубцы пакета якоря при такой форме паза имеют сложную конфигурацию и неравномерное распределение магнитной индукции по высоте. В полузакрытые пазы секции закладывают с торца пакета якоря.
Двухвитковые секции имеют стартеры малой мощности, устанавливаемые на пусковых бензиновых двигателях. Обмотки с двухвитковыми секциями наматывают круглым изолированным проводом.
На лобовые части обмотки якоря накладывают бандажи. Бандаж состоит из картонной прокладки, на которую намотана проволока или хлопчатобумажный шнур. Витки бандажа скрепляют пайкой или скобами, укладываемыми на прокладку перед намоткой проволоки или шнура. Лобовые части секции одна от другой изолируют пластмассовыми трубками или электроизоляционным картоном.
На тракторных стартерах применяют коллекторы: цилиндрические сборные, цилиндрические с пластмассовым корпусом и торцовые на пластмассе.
Сборный цилиндрический коллектор набирают из отдельных медных пластин (ламелей) и изолирующих прокладок и закрепляют металлическими и миканитовыми конусными кольцами по боковым опорным поверхностям при помощи гайки. От стальной втулки медные пластины изолирует миканитовая цилиндрическая втулка.
Цилиндрические коллекторы с пластмассовым корпусом также набирают в виде пакета медных пластин и в специальной форме запрессовывают в пластмассу. Пластмассовый корпус плотно охватывает сопряженные поверхности пакета коллекторных пластин, обеспечивая высокую прочность конструкции.
Рабочая поверхность торцового коллектора находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения якоря. При использовании торцового коллектора уменьшается расход меди и осевая длина стартера.
Коллекторы так же, как и пакеты якорей напрессовываются на участок вала с продольной накаткой или насечкой.
Корпуса электростартеров изготовляют из трубы или стальной полосы, которую сворачивают в трубу с последующей сваркой в месте стыка. Корпус является частью магнитной системы электродвигателя. К корпусу одним или двумя винтами крепят четыре полюса. Накаждом полюсе располагают одну (параллельную или последовательную) катушку возбуждения.
Стартеры смешанного возбуждения имеют по три катушки в последовательной обмотке и по одной — в параллельной обмотке (рис. 3. а-в). Катушки последовательной обмотки соединены между со¬бой последовательно. В более мощных стартерах (рис. 3. г и д) с последовательным возбуждением катушки соединены попарно — параллельно.
Рис. 3. Схемы внутренних соединений в тракторных стартерах: а, б и в — смешанного возбуждения; г и д — последовательного возбуждения
Катушки последовательной обмотки возбуждения имеют несколько витков. Витки катушки разделены электроизоляционным картоном толщиной 0,2…0,4 мм. Для намотки катушек параллельной обмотки возбуждения в стартерах смешанного возбуждения используют круглый изолированный провод с эмалевой изоляцией. Внешняя изоляция может быть выполнена из хлопчатобумажной ленты с последующей пропиткой лаком или из полимерных материалов.
Корпус стартера служит несущей конструкцией для крышек, воспринимает крутящий момент и передает его элементам крепления стартера на двигателе. Крепление крышек к корпусу стартера осуществляется с помощью стяжных болтов. Для ввинчивания стяжных болтов в крышке со стороны привода предусмотрены приливы.
Алюминиевые или чугунные крышки со стороны привода имеют установочные фланцы с двумя или тремя отверстиями под болты крепления стартера на двигателе. В полости крышки располагают механизм привода с муфтой свободного хода. Отверстие в крышке позволяет шестерне привода входить в зацепление с венцом маховика.
В стартерах большой мощности крышка со стороны привода не имеет крепежного фланца и крепится к промежуточной опоре. Стартер закрепляют на специальном приливе двигателя с углублением под наружный диаметр.
Промежуточную опору обычно устанавливают в стартерах с диаметром корпуса 112 мм и более, что позволяет уменьшить прогиб вала и степень изнашивания подшипников.
В стартерах с цилиндрическими коллекторами на крышках со стороны коллектора закреплены четыре коробчатых щеткодержателя радиального типа с щетками и спиральными пружинами. В щеткодержателях щетки должны перемещаться свободно, но без значительных боковых колебаний. Щетки торцовых коллекторов размещают в пластмассовых или металлических траверсах и прижимают к рабочей поверхности коллектора витыми цилиндрическими пружинами.
В тракторных стартерах применяют меднографитовые щетки марок МГС01 (трапецеидальные) и МГСОЛ при номинальном напряжении 12 В.
Волновая обмотка якоря имеет две параллельных ветви независимо от числа полюсов и позволяет иметь только две щетки. Для уменьшения плотности тока в щетке в стартерах устанавливают число щеток, равное числу полюсов. С этой же целью в мощных стартерах устанавливают в каждом щеткодержателе по две щетки (всего восемь щеток).
Приводные механизмы имеют роликовые (3-5 роликов) бесплунжерные или храповые муфты свободного хода. Они обеспечивают ввод и удержание шестерни стартера в зацеплении с венцом маховика во время пуска двигателя, передачу необходимого вращающего момента коленчатому валу и предохранение якоря стартерного электродвигателя от разноса вращающимся маховиком работающего двигателя.
При передаче крутящего момента от стартера к двигателю ведущая обойма 12 (рис. 4.) роликовой муфты поворачивается относительно неподвижной ведомой обоймы 77 с шестерней, ролики 1 под действием прижимных пружин 3 и сил трения между обоймами и роликами перемещаются в узкую часть клиновидного пространства и муфта заклинивается. Надежный контакт роликов с рабочими поверхностями обойм в бесплунжерных муфтах свободного хода обеспечивается подпружиненными индивидуальными Г-образными толкателями 2.
Силовые контакты тягового реле замыкаются раньше, чем шестерня полностью войдет в зацепление с венцом маховика. Дальнейшее перемещение шестерни до упорного кольца на валу происходит под действием осевого усилия в винтовых шлицах вала якоря и направляющей втулки ведущей обоймы муфты свободного хода.
Рис. 4. Бесплунжерная четырехроликовая муфта свободного хода и детали приводного механизма: 1 — ролик; 2 — толкатель Г-образный; 3 — прижимная пружина; 4 и 7 — замковые кольца; 5 и 10 — опорные чашки; 6 пружина; 8 — поводковая муфта; 9 — буферная пружина; 11 — центрирующее кольцо; 12 — ведущая наружная обойма со шлицевой втулкой; 13 — держатель пружин; 14 — специальная шайба; 15 — войлочный уплотнитель; 16 — кожух муфты; 17 — ведомая обойма с шестерней; 18 — втулки
В случае, если зубья шестерни упираются в венец маховика, якорь тягового реле продолжает движение, сжимая буферную пружину, и замыкает силовые контакты. Якорь стартера вместе с приводом начинает вращаться и, как только зуб шестерни установится против впадины зубчатого венца маховика, шестерня под действием сжатой буферной пружины и осевого усилия в шлицах входит в зацепление с венцом маховика.
После пуска двигателя частота вращения ведомой обоймы с шестерней привода превышает частоту вращения ведущей обоймы. Ролики перемещаются в широкую часть клиновидного пространства между обоймами и муфта расклинивается.
Храповая муфта свободного хода (рис. 5.) обеспечивает более полное разъединение стартера и двигателя при меньших нагрузках на силовые элементы привода.
Рис. 5. Приводной механизм с храповой муфтой свободного хода: 1 — вкладыш; 2 — шестерня; 3 — сегмент (сухарик); 4 — направляющий штифт; 5 и 15 — замковые кольца; 6 — ведомый храповик; 7 — коническая втулка; 8 — ведущий храповик; 9 и 13 — шайбы; 10 — пружина; 11 — корпус; 12 — шлицевая направляющая втулка; 14 — буферное резиновое кольцо; 15 — замковое кольцо
При включении стартера рычаг привода через корпус 11 перемещает шлицевую направляющую втулку 12 вместе с ведущим 8 и ведомым 6 храповиками по шлицам вала и вводит шестерню в зацепление с венцом маховика. Во время работы стартера крутящий момент к венцу маховика передается через шлицевую втулку 12, ведущий 8 и ведомый 6 храповики и шестерню 2. Осевое усилие, возникающее в винтовых шлицах направляющей втулки 12 и ведущего храповика 8, воспринимается буферным резиновым кольцом 14.
Перемещение ведущего храповика 8 по винтовым птицам за счет сжатия пружины 10 обеспечивает поворот ведомого храповика 6 с шестерней на 15…30° и ввод шестерни в зацепление с венцом маховика двигателя.
Если частота вращения шестерни, ведомого и ведущего храповиков превышает частоту вращения направляющей втулки 12, ведущий храповик 8 за счет усилия в винтовых шлицах отходит от ведомого храповика 6 и шестерня вращается вхолостую. Одновременно пластмассовые сегменты 3 под действием центробежных сил перемещаются по направляющим штифтам 4 в радиальном направлении и удерживают храповой механизм в разомкнутом состоянии до тех пор, пока осевое усилие в клиновом соединении конических поверхностей сегментов и втулки 7, создаваемое центробежными силами, будет превышать усилие пружины 10.
Во время отдельных циклов сгорания топлива в цилиндрах двигателя шестерня остается в зацеплении с венцом маховика и может снова передавать крутящий момент от электродвигателя после выравнивая частот вращения ведущего и ведомого храповиков. Шестерня 2 выходит из зацепления только после выключения тягового реле стартера.
В стартерах с дополнительным встроенным редуктором (рис. 6) последний размещают между приводом и валом электродвигателя. Редуктор состоит из пластмассовой эпициклической шестерни, закрепленной в корпусе редуктора 9, в котором на подшипнике вращается водило 10 с шестерня мисателлитам и 11. Через шестерни-сателлиты и солнечную шестерню якоря электродвигателя момент от стартера передастся валу привода, а через него на маховик двигателя.
Электромагнитные тяговые реле крепятся на корпусе или приводной крышке непосредственно или с использованием дополнительных крепежных элементов. В двухобмоточных реле втягивающая обмотка вместе с удерживающей обмоткой обеспечивает необходимую притягивающую силу, когда зазор между якорем и сердечником реле максимальный. Втягивающая обмотка подключена параллельно силовым контактам. При замыкании контактных болтов подвижным диском втягивающая обмотка замыкается накоротко и выключается из работы. Удерживающая обмотка, рассчитанная лишь на удержание контактов реле в замкнутом состоянии, намотана проводом меньшего сечения и имеет непосредственный вывод на массу. Обмотки расположены на латунной втулке, в которой свободно перемещается якорь реле.
При разделенной контактной системе тягового реле стартера (см. рис. 2) шток 14, на котором установлен контактный диск 11, не соединен с якорем 18 реле. В контактной системе установлена пружина 13 прижатия подвижного диска 11 к контактам и возвратная пружина 8. Якорь реле перемещается в исходное нерабочее положение при отключении стартера возвратной пружиной 20 привода. С приводным механизмом тяговое реле связано рычагом 24. Два пальца нижней разветвленной части рычага соединены с поводковой муфтой 36.
Рис. 6. Электростартер с дополнительным встроенным редуктором: 1 — крышка со стороны коллектора; 2 — коллектор; 3 — щеткодержатель; 4 — корпус стартера; 5 — тяговое реле; 6 — рычаг включения привода; 7 — муфта свободного хода; 8 — крышка со стороны привода; 9 — корпус редуктора с эпициклической шестерней; 10 — водило; 11 — шестерни-сателлиты.
[Тракторы. Конструкция. Под общ. ред. И. П. Ксеневича, В. М. Шарипова.2001г.]