Стартер-генератор
Поскольку стартер-генераторы постоянно подключены к двигателю внутреннего сгорания, отсутствует громкий шум, характерный для обычных стартеров, который возникает при включении шестерни стартера и при повороте шестерни в маховике двигателя внутреннего сгорания.
оглавление
Исторические стартер-генераторы
Стартер-генераторы постоянного тока Dynastart
Современные стартер-генераторы
Стартер-генераторы с ременным приводом
Ниже представлены 48-вольтные RSG, доступные на рынке в 2018 году.
| поставщик | Макс. Мощность (электрическая, с рекуперацией) | Макс. Мощность (механическая, наддув) |
|---|---|---|
| Роберт Бош GMBH | 11,5 кВт | 9,7 кВт |
| Continental AG | 16 кВт | 14 кВт |
| Валео | 12 кВт | — |
Встроенные стартер-генераторы
Если двигатель внутреннего сгорания отключается через дополнительную муфту, потерь из-за тормозящего момента двигателя не возникает. Таким образом, встроенный стартер-генератор может рекуперировать более высокую электрическую мощность, чем стартер-генератор с ременным приводом. Также возможно вождение на электричестве.
Первым автомобилем с 48-вольтовым двигателем ISG в 2017 году стал Mercedes-Benz S-Class (максимальная мощность механического наддува: 16 кВт).
Преимущества стартер-генераторов
Процесс запуска
Прочие преимущества
Помимо запуска двигателя стартер-генераторы также предлагают следующие возможности:
Стартер-генераторы, особенно 48-вольтовые системы, могут с минимальными затратами сократить разрыв между простыми системами старт-стоп и полными гибридами.
Интегрированный стартер-генератор. Принцип работы
Компания Ford создала новый интегрированный стартер-генератор (integrated starter-generator — ISG) и электрическую систему с рабочим напряжением 42 В, которая будет использоваться в автомобиле Explorer в последующие несколько лет. Автомобиль обещает достичь потрясающего уровня экономии топлива и предоставит больше комфорта на основе высоких технологий и разработок. На нем предполагается использовать новую электрическую систему с повышенным напряжением, которая позволяет реализовать несколько сберегающих топливо функций, в том числе способность отключать двигатель, когда транспортное средство останавливается, и мгновенно запускать по малейшему требованию.
Интегрированный стартер-генератор, как подразумевается в названии, совмещает обычный стартер и генератор переменного тока в одном электрическом устройстве. Транспортное средство, оборудованное системой ISG, могло бы считаться умеренным гибридом, потому что способно осуществлять большинство функций гибридного электрического транспортного средства.
Рис. Двигатель, оборудованный интегрированным стартер-генератором (источник: Ford)
Помимо трех функций, общих и для полногибридного электрического автомобиля (HEV), и для умеренного гибрида (ISG), есть еще четыре функции, характерные только для полного HEV:
Рис. Сравнение систем HEV и ISG (источник: Ford)
Рис. Интегрированный стартер-генератор (ISG) на 42 В (источник: Ford)
Рис. Энергетическая установка ISG с напряжением 42 В в автомобиле с универсальным приводом (источник: Ford)
Помимо 42-вольтовой батареи и интегрированного стартер-генератора, машина снабжена еще тремя главными компонентами:
При возобновлении движении энергия постоянного тока от батареи преобразуется контроллером в энергию переменного тока регулируемой частоты и подается на ISG. Управление частотой мощного источника переменного тока позволяет запустить двигатель за доли секунды.
Рекуперативное торможение сохраняет энергию, обычно теряемую во время торможения в виде тепла. ISG во время замедления транспортного средства поглощает энергию, преобразуя ее в постоянный ток, и подзаряжает батарею. Электро-гидравлические тормоза заменяют тормоза с вакуумным гидроусилителем, а микропроцессоры управляют действием передних и задних тормозов так, чтобы сохранять устойчивость транспортного средства при торможении. Механические тормоза автомобиля действуют совместно с ISG, так что разница между механическим и рекуперативным торможением будет незаметна водителю.
ISG также обеспечивает дополнительную мощность и улучшенное качество работы, помогая двигателю при старте автомобиля. ISG иногда упоминается как интегрированный стартер-генератор-демпфер (integrated starter alternator damper — ISAD.
Стартеры: как они устроены и как их ремонтировать
Стартер – самая «женская» деталь автомобиля! Ведь считается, что именно электрический запуск двигателя позволил прекрасному полу всерьез сесть за руль, ибо до его изобретения машину заводили ручной рукояткой, что было под силу не каждому мужику… При этом как механизм стартер не по-женски надежен и предсказуем, благодаря неженской же грубости и простоте конструкции, а поэтому редко доставляет проблемы владельцу новой машины в течение 3-5 лет её службы. Хотя немолодой стартер, конечно же, имеет право покапризничать, поскольку жизнь его нелегка! Узнаем, как он устроен, а после теоретической подготовки исследуем и отремонтируем захандривший «пускач».
История появления стартера
И значально автомобиль был рожден без стартера — двигатели запускались заводной рукояткой, и это считалось нормой. Собственно, у машин зари автомобилизации хватало других, более насущных проблем, на фоне которых вращение ручки перед поездкой было не самой существенной. Однако тяжелый и небезопасный запуск мотора вручную был все же очевидным узким местом первых самобеглых повозок, и в 1911 году американский инженер-механик Чарльз Кеттеринг предложил конструкцию электрического стартера. А уже в 1912 году был выпущен первый автомобиль, заводящийся изобретением Кеттеринга – Cadillac Model 30.
Впрочем, несмотря на это, технической революции не произошло – что можно проследить хотя бы по знаменитому Ford T, который, выпускаясь миллионными тиражами, заводился ручкой вплоть до 1919 года… Собственно, причина заключалась в немалой степени в том, что Чарльз Кеттеринг, коронованный как изобретатель стартера, предложил компании Cadillac совсем не ту конструкцию, что применяется повсеместно в наши дни!
На фото: Чарльз Кеттеринг
Его конструкция была сложна и ненадежна, поскольку стартер после запуска мотора не отсоединялся от коленвала, а переключался в режим генератора, и ведущие американские автоконцерны той эпохи отнеслись к идее прохладно. Причина же поддержки изобретения Кеттеринга Кадиллаком крылась в личности основателя фирмы Генри Лиланда, чей близкий друг в 1910 году был серьезно травмирован обратным рывком заводной рукоятки при слишком раннем зажигании и в результате скончался.
Лиланд поклялся, что альтернатива ручному запуску будет найдена, и с распростертыми объятиями встретил Кеттеринга, чей стартер в рекламном проспекте «Model 30» пафосно назвал «World Wonder» – «мировым чудом»!
Техническая же мини-революция в автопроме благодаря стартеру все же случилась – но четырьмя годами позже, в 1916-ом. А именно, когда еще один американский инженер Винсент Гуго Бендикс предложил разделить генератор и стартер на два отдельных узла, и подключать последний к двигателю лишь кратковременно – с помощью обгонной муфты, известной и по сей день как «бендикс».
Конструкция стартера
Все автомобильные стартеры очень похожи друг на друга. Разобрался в устройстве любого – считай, разберешься во всех. Хоть Матиза, хоть Камаза…
Основа любого стартера – простейший электромотор. Подача тока на ротор (он же – «якорь») осуществляется мощными медно-графитовыми щетками, а магнитная сила статора обеспечивается либо электромагнитами, либо постоянными магнитами. Электрические схемы большинства современных стартеров не имеют принципиальных отличий – все стартеры к электросистеме автомобиля подсоединяются в трех точках – силовой плюс от аккумулятора, масса через корпус, и управляющий плюс от замка зажигания. Различается, по сути, только мощность, выраженная в габаритах.
На цилиндрическом корпусе стартера выделяется «бочонок» меньшего размера – это так называемое «втягивающее реле». Оно выполняет две функции – собственно, подает питание на стартер, имея мощнейшие контакты, выдерживающие токи в сотни ампер, а также осуществляет сцепление вала стартера с валом двигателя через рычаг-«коромысло» и обгонную муфту- «бендикс».
Муфта эта работает по принципу классической велосипедной втулки – то есть стартер может крутить мотор, а вот уже запустившийся мотор не будет «тащить за собой» стартер, раскручиваясь на губительных для него высоких оборотах.
Наглядная 3D-анимация конструкции стартера
Более заметные отличия одной модели стартера от другой заключаются в конструкции передней опоры ротора. Классическое устройство – это когда ось ротора установлена в стартере на двух подшипниках – опорных втулках из бронзо-графитного сплава. Втулки эти находятся, соответственно, в передней и задней крышках стартера.
В принципе, эта «двухопорная» конструкция – наиболее надежная и правильная. Но нередко встречаются «одноопорные» стартеры (на гаражном жаргоне их частенько не слишком корректно именуют БЕЗопорными), в которых задняя опора вала ротора находится, как и положено, в задней же крышке стартера, а вот передняя крышка отсутствует вовсе.
В этом случае передней опорой становится картер сцепления двигателя или картер КПП, куда запрессована опорная втулка. Стартер устанавливается на свое место в машине – и вал опирается на две втулки, как и дóлжно. Как правило, такое решение применяют с целью уменьшения габаритов узлов, и в принципе, пока все исправно, оно ничуть не хуже классического. Но если передняя опорная втулка в картере КПП разбивается, её замену произвести уже гораздо сложнее – делается это на машине и порой в весьма неудобных условиях. Тогда как в двухопорном стартере втулки меняются на верстаке, где все на виду и легкодоступно.
Еще один принципиальный конструктивный момент, отличающий модели стартеров друг от друга – редуктор. Вернее, его отсутствие или наличие, а в случае наличия – тип. Дело в том, что передача крутящего момента с ротора стартера на маховик мотора может осуществляться напрямую или через редуктор, встроенный в стартер.
Вариант «напрямую» – это когда шестерня «бендикса», вращающая венец маховика двигателя, находится прямо на оси ротора стартера. Такая конструкция достаточно архаична, характерна избыточными габаритами и весом, а также огромным потребляемым током, но еще встречается. Гораздо эффективнее, легче и компактнее редукторные стартеры. В них момент передается на венец маховика либо через одну промежуточную шестерню, либо через планетарную передачу с еще большим замедлением.
«Планетарные» стартеры встречаются сегодня наиболее часто. С ними для запуска двигателя достаточно аккумулятора, чуть ли не в два раза меньшей емкости и пускового тока, нежели требовалось для того же мотора при стартере, работающем напрямую.
Пример ремонта стартера
От теории перейдем к реальному агрегату, требующему ремонта. В нашем случае симптомы неисправности были такими – стартер стал вращать мотор очень вяло, вне зависимости от степени заряженности батареи. При этом, будучи демонтированным с двигателя и подключенным пусковыми проводами к батарее, вращался бодро. Отлаженный мотор худо-бедно умудрялся запускаться даже при столь вялом вращении, но в какой-то момент стартер встал окончательно и испустил дымок.
После снятия задней крышки из корпуса стартера высыпалось с пару столовых ложек черной пыли. Стало быть, первый диагноз – щетки. Извлекаем щеточный узел, снимаем корпус с магнитами (который автоэлектрики между собой называют «колбой»), и вынимаем ротор.
После продувки всех деталей сжатым воздухом и промывки в бензине стало видно, что щетки изношены практически полностью, а их останки почти закорочены графитовым порошком. Сила пружин, прижимающих остатки щеток, ослабла, сопротивление контакта возросло, произошел разогрев щеткодержателей и пружин до посинения, оплавления, смыкания витков и зависания щеток.
Берем в руки щеточный узел, как образец, и отправляемся в ближайшую контору по ремонту стартеров и генераторов, где просим подобрать аналогичную деталь. Обходится нам щеточный узел в сборе в 400 рублей, что при стоимости нового стартера от 4 до 5 тысяч совсем недорого!
Очищаем ротор и оцениваем состояние коллектора – контактного кольца, по которому работают щетки. Износ заметен невооруженным глазом (на фото показан стрелками), но коллектор способен еще поработать после замены щеток. Обходимся без проточки, зачищая его мелкой наждачной бумагой – этого достаточно.
Вообще же, износ коллектора ротора – серьезная проблема. В принципе, при нормальных условиях коллектор любого стартера способен сменить пару комплектов щеток, но если его контактные ламели сильно истончились – ротор идет в утиль. Деталь эта дорогая, приобрести её отдельно непросто, да и менять рационально разве что на халяву – если подвернется аналогичный стартер с живым ротором из старых запасов автохлама у себя или у друзей… Ибо при напрочь убитом коллекторе на стартере обычно уже живого места нет.
Осматриваем обгонную муфту, иначе – «бендикс» (название, кстати, пошло от фирмы-производителя Bendix). Вращаем его шестерню вручную. В одну сторону крутится, в другую – нет. Двигаем вперед-назад по оси вала – ходит легко, без заеданий. В нашем случае с «бендиксом» все окей, так и должно быть.
Между тем выход из строя обгонной муфты – тоже серьезная неисправность, поскольку купить нужную модификацию легко только для стартеров распространенных моделей – с поиском «бендикса» могут возникнуть проблемы… Главная же типичная причина неисправности муфты – это износ пружин и роликов внутри неё, из-за чего она проскальзывает, не блокируясь при вращении в рабочем направлении. В итоге стартер жужжит и вертится, а коленвал стоит. Эта неисправность диагностируется легко – «бендикс» проворачивается вручную в обе стороны, тогда как должен вращаться лишь в одном направлении. По-хорошему, обгонная муфта в таком случае подлежит замене, поскольку имеет неразборную конструкцию. Хотя некоторые энтузиасты развальцовывают её корпус, растягивают «стоптавшиеся» пружинки, нарезают новые ролики из каленых прутков, но результат этой возни чаще всего недолговечен.
Поскольку ротор извлечен, попутно оцениваем состояние планетарного редуктора. Вынимаем шестерни, промываем бензином, осматриваем. Все в порядке, претензий к редуктору нет. Наносим на шестерни и их подшипники легкий слой смазки ШРУС.
Отметим, что редуктор – достаточно надежный узел стартера. Бывает, что срезаются оси шестерней-саттелитов или лопается внешнее зубчатое кольцо – но происходит это редко и чаще всего из-за изначальных дефектов металла или его обработки, а не из-за нагрузок при повседневной работе. К примеру, в планетарных редукторах стартеров внешнее зубчатое кольцо, называемое «короной», часто бывает сделано из пластика и вполне долговечно (в нашем случае, как видно на фото ниже, «корона» металлическая).
В качестве же смазки редуктора в идеале требуются специальные составы для планетарных передач или особые консистентные низкотемпературные составы, но они недешевы и редки – их нерационально покупать для разовой работы, где из всей дорогущей тубы вам понадобится один грамм. Поэтому вполне допустимо применить распространенную смазку для ШРУСов или хорошую импортную смазку для подшипников ступиц. Главное, наносить её в очень небольшом количестве – набивать редуктор не нужно! Обилие сильно густеющего на морозе литола, продавливаясь между зубами шестерен, вызывает избыточный скачок тока и даже грозит разорвать пластиковую «корону»…
Теперь предстоит работа похитрее. Неразумно будет не оценить состояние контактов втягивающего реле, раз стартер снят и распотрошен. Но если для разборки стартера нам потребовались лишь ключи на 8, на 10, и крестовая отвертка, то открыть тяговое реле удастся лишь 100-ваттным паяльником. Из реле выходят провода, проходят насквозь через контактные пистоны в крышке, и пропаиваются снаружи. Поэтому после отворачивания двух крестовых винтиков крышки, поднять её удастся, только разогрев поочередно припой на двух контактах, показанных на фото стрелками. На самом деле это несложная процедура, и её можно проделывать при необходимости многократно.
Нам повезло – контакты в порядке. Слегка освежаем их, пошуровав комочком наждачной бумаги, зажатым в «утконосах». После этого поочередно разогреваем паяльником проходные пистоны на крышке, и резко хлопаем крышкой по столу – по инерции из пистонов вылетают остатки расплавленного припоя, отверстия освобождаются, и теперь крышку можно снова надеть на торчащие провода и запаять обратно.
Кстати, серьезной ошибкой автовладельцев, проводящих ремонт и профилактику стартера своими руками, является смазка сердечника втягивающего реле. В этом узле смазка не нужна совсем – максимум, можно слегка мазануть сердечник и его гнездо моторным маслом и протереть почти насухо – чисто ради уменьшения вероятности коррозии. А любые консистентные смазки в этом узле противопоказаны – на морозе даже самые лучшие и холодостойкие из них способны заклинить сердечник. В зазоре втягивающего реле должно быть чисто и сухо!
Собираем стартер в обратном порядке, не забыв смазать (тоже без фанатизма!) заднюю втулку ротора. Можно устанавливать агрегат на машину? Можно, но сперва проделаем еще одну штуку!
Дело в том, что в новоприобретенном щеточном узле щетки – ровные параллелепипеды. А коллектор – цилиндрический, да еще и приобретший от износа форму не совсем правильного цилиндра. И, по-хорошему, рабочие грани щеток должны иметь полукруглые выборки для увеличения площади контакта, плюс должны притереться к реальному профилю коллектора.
Поэтому чтобы первые включения стартера на двигателе не породили избыточный разогрев коллектора и щеток из-за прохождения большого тока через уменьшенное пятно контакта, мы проведем легкую притирку. Возьмем провода для «прикуривания», и с их помощью подключим стартер, лежащий на столе, к аккумулятору, и покрутим минутку-другую вхолостую с перерывами.
Вот теперь – все. Ставим стартер на двигатель и наслаждаемся быстрым и уверенным запуском.
Немного полезной информации о стартерах и генераторах
В общих чертах всем известно, что такое автомобиль, насколько он сложен изнутри и в эксплуатации. Любое авто не может быть постоянно в движении, а как только оно останавливается, его мотор глохнет. По этой причине у создателей автомобиля остро стоял вопрос, как же постоянно заводить машину, ведь для этого необходимо изобрести специальное устройство. Со временем этот вопрос был решен и появились стартеры – устройства, необходимые для запуска двигателя внутреннего сгорания. Принцип их действия довольно прост, ключ зажигания поворачивается в положение «пуск», в следствии чего ток от аккумуляторной батареи через реле подаётся на обмотки стартера. И лишь затем происходит запуск двигателя внутреннего сгорания автомобиля.
Надо сказать, что в авто используют и другое замечательное устройство – генератор. Он преобразует механическую энергию в электрическую, благодаря чему можно подзаряжать аккумулятор, снабжать электроэнергией различные приборы и механизмы. Хорошие генераторы, так же как и стартеры, совершенствовались долгие годы. Они были востребованы даже на заре автомобилестроения и постепенно без них уже не могли обойтись. В результате любой современный автомобиль имеет подобные высококачественные и надежные устройства с особой конструкцией. Действительно, от их долговечности, мощности и возможностей зависит многое, ведь если одно из этих устройств сломается, то это будет огромная проблема для автомобилиста, требующая незамедлительного решения.
А решение может быть только одно, это замена или ремонт стартеров и генераторов. Такое действие должен производить опытный механик, также знающий толк в автомобильной электрике. Все-таки эти устройства являются электромеханическими, что и приводит к определенным трудностям для простых механиков, не разбирающихся в сложной конструкции некоторых моделей подобных устройств. Они состоят из нескольких элементов, каждый из которых может сломаться или прийти в негодность. Простая конструкция стартера включает в себя как минимум двенадцать компонентов, и при определенных условиях любой из них может повредиться, даже корпус. Не говоря уже про такие «хрупкие» части как якорь, шестерни и пр.
Современный генератор также является достаточно сложным и подверженным поломкам устройством, если его неправильно использовать или подвергать длительным перегрузкам. Итог тому – ремонт стартеров и генераторов, необходимый при плохой эксплуатации. Так как генератор тесно связан с системой зажигания, он является для нее источником тока, то выход его из строя парализует работу автомобиля. Причина тому довольно проста – машина не заведется без электрического тока. Сегодня большинство автолюбителей предпочитает отвезти свое авто в мастерскую после поломки, но некоторые желают сделать все своими руками. Однако для этого необходимо не только знать, по какому принципу работает автомобиль и из каких устройств состоит, но и каковы причины выхода из строя того или иного механизма. К тому же очень важно иметь представление, из чего состоит и как работает само устройство.
Стартеры-генераторы
На ряде гусеничных машин (ГМ-569, МТ-Т и др.) применяются стартеры-генераторы. Они работают либо в генераторном, либо в стартерном режиме (ГМ-569), а иногда только в генераторном (МТ-Т).
Стартер-генератор представляет собой электрическую машину постоянного тока с параллельным соединением обмоток возбуждения в генераторном режиме и смешанным (параллельно-последовательным) возбуждением при работе в стартерном режиме.
Привод якоря стартера-генератора в ГМ-569 осуществляется через специальную гидромуфту (генераторный режим) и двухскоростной планетарный редуктор. При неработающем двигателе
машины производится его стартерный пуск. После стартерного пуска двигателя машины он начинает работать в генераторном режиме.
Привод стартера-генератора обеспечивает передачу вращающего момента от него на коленчатый вал двигателя машины (стартерный режим) и, наоборот, от двигателя на стартер-генератор (генераторный режим). Привод состоит из планетарного редуктора 4 и зубчатой муфты 3.
Рис. Кинематическая схема привода стартера-генератора:
1 — резьба вала; 2 — гидромуфта; 3 — зубчатая муфта; 4 — планетарный редуктор; 5 — стартер- генератор; А — полость
При стартерном режиме под действием пружины зубчатая муфта выведена из зацепления с зубьями водила планетарного редуктора. При нажатии на кнопку включения стартера за счет давления рабочей жидкости, подаваемой в полость А от специального насоса, производится перемещение зубчатой муфты по резьбе 1 полого вала. При этом зубчатая муфта входит в зацепление с зубьями водила планетарного редуктора. В начале включения муфты 3 стартер-генератор 5 работает на первой ступени с замедленным поворотом якоря, поскольку напряжение на его входе равно 24 В. При полностью включенной муфте 3 упомянутый насос отключается с помощью специального датчика, и стартер переводится на вторую ступень работы с напряжением 48 В.
После пуска двигателя машины зубчатая муфта, находящаяся в зацеплении с водилом планетарного редуктора, становится ведущим элементом по отношению к этому водилу. При этом изменяется направление действия вращающего момента (момент, как известно, передается от ведущего звена к ведомому). Поэтому муфта 3 начинает скручиваться с резьбы 1 (из-за разных частот вращения водила и полого вала) и выходит из зацепления с зубьями водила редуктора 4. Стартер-генератор начинает работать в генераторном режиме.
Стартер-генератор типа СГ-10-1С, используемый на транспортере-тягаче МТ-Т, работает только в генераторном режиме и поэтому именуется генератором. Он представляет собой электрическую машину постоянного тока с шунтовым возбуждением и воздушным охлаждением. Номинальное напряжение генератора 28,5 В, а развиваемая мощность 10 кВт. Он приводится в действие также от гидромуфты цилиндрического редуктора и работает в паре с реле-регулятором напряжения Р-10ТМу, обеспечивающим напряжение бортовой сети тягача в диапазоне 26,5…28,5 В. Для управления реле-регулятором предусмотрена специальная электронная система.
Разновидностью применяемых в многоцелевых гусеничных машинах генераторов является генератор ЩСВ2-25/4000 (шасси ГМ-352). Он используется в качестве источника питания постоянным током с номинальным напряжением 28,5 и 57 В. Генератор состоит из двух одинаковых электрических машин, каждая из которых представляет собой индукторный генератор. Обе машины объединены в единую конструкцию, имеют ротор, статор и подшипниковые щиты. Пакеты каждого статора набраны из электротехнической стали и запрессованы в станину, имеющую вентиляционные каналы. В пазы пакетов уложены трехфазная силовая обмотка и такая же дополнительная обмотка. Между пакетами статора расположена обмотка возбуждения, выполненная в виде кольцевой катушки.
Ротор генератора ГИСВ2-25/4000, состоящий из двух пакетов листовой электротехнической стали, установлен в подшипниковых щитах с окнами для прохода воздуха. Генератор снабжен встроенным выпрямителем и работает с регулятором напряжения РН-24.
При вращении ротора генератора переменного тока в каждой фазе индуцируется переменное напряжение. После выпрямления кривые фазного напряжения принимают практически спрямленный вид, причем частота пульсаций выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты в фазных обмотках.
Свойство вентилей (диодов) пропускать ток только в одном направлении (от генератора к аккумуляторной батарее) не требует наличия РОТ. Кроме того, у генератора переменного тока при большой частоте вращения ротора не возникает опасности перегрузки, так как сила тока ограничена повышенным индуктивным сопротивлением фазных обмоток, т. е. подобный генератор не нуждается в ОТ. Все это упрощает конструкцию, уменьшает размеры, массу и стоимость реле-регулятора.
