Виды, устройство и принцип работы стартера автомобиля

Для успешного запуска двигателя внутреннего сгорания необходимо устройство, которое придаст кривошипно-шатунному механизму начальный импульс, то есть провернет маховик до нужных оборотов. Таким устройством является стартер и именно он отвечает за пуск двигателя. В статье подробно рассмотрим устройство и принцип работы стартера автомобиля, а также его возможные неисправности.

Устройство стартера

Стартер автомобиля представляет собой электродвигатель. Он преобразует электрическую энергию от аккумулятора в механическую работу, которая приводит в движение маховик и коленчатый вал, для начала процесса движения поршней. Стартером оборудованы все двигатели.

Стартер автомобиля

Принцип работы устройства основан на законах физики, которые известны со школьной скамьи. Если между двумя полюсами магнита поместить проволочную рамку с двумя концами, а потом пустить через нее ток, то она начнет вращаться. Это и есть самый простой электродвигатель.

Простой автомобильный стартер представляет собой металлический корпус, в котором находятся четыре магнитных сердечника (башмаки). Эти магниты в корпусе и представляют собой статор электродвигателя. Раньше на башмаках наматывалась обмотка возбуждения, на которую подавался электрический ток от аккумулятора. То есть это был классический электромагнит. На современных же устройствах применяются обычные магниты.

Другой важной деталью устройства является якорь. Он представляет собой вал с напрессованным сердечником из электротехнической стали. В пазах сердечника находятся те самые рамки, которые будут вращаться вокруг полюсов магнита. Концы рамок соединены с коллектором, к которому подходят четыре щетки – две положительные от АКБ и две отрицательные, которые будут идти к массе.

В закрывающей задней крышке находятся щеткодержатели с пружинками, которые постоянно поддавливают щетки к коллектору для обеспечения контакта. Также в задней крышке установлена опорная втулка якоря или подшипник.

Устройство обычного стартера

На металлическом корпусе находится входной контакт. К этому контакту подключается плюсовая клемма аккумулятора (+). Ток проходит по рамкам якоря и выходит на отрицательные щетки массы. Масса соединяется с отрицательной клеммой аккумулятора. Таким образом, создается магнитное поле вокруг рамок якоря и он вращается.

Плюсовой провод АКБ, который подходит к стартеру, значительно толще остальных. По этому проводу подается пусковой ток, равный примерно 400А.

Ток от аккумулятора на стартер не может подаваться постоянно. Он нужен только в момент запуска двигателя. Поэтому между плюсовым проводом аккумулятора и контактом стартера есть так называемый медный пятак, который замыкает контакты.

На валу якоря также выполнено шлицевое соединение, на котором находится направляющая втулка и бендикс с шестерней с возможностью осевого перемещения. Это движение обеспечивает контакт шестерни непосредственно с зубчатым венцом маховика. Простыми словами можно сказать, что бендикс подходит к маховику, проворачивает его, сколько это необходимо, а потом отходит обратно.

Стартер в разрезе

Но бендикс не перемещается по валу самостоятельно. Это делает другой электромагнит меньшего размера – втягивающее реле. От реле к шестерне подходит вилка, которая и толкает бендикс. К катушке втягивающего подается управляющий ток от аккумулятора через замок зажигания. При включении зажигания катушка намагничивается и втягивает сердечник. Этот сердечник, с одной стороны, связан с вилкой бендикса, с другой – с пятаками, замыкающими контакты электродвигателя. Когда напряжение с катушки втягивающего реле снимается, то вилка вновь втягивается обратно на место, а электродвигатель прекращает свою работу.

Якорь начинает вращение только тогда, когда шестерня уже вошла в зацепление с маховиком.

Основные компоненты

Таким образом, основными составляющими стартера можно назвать:

• магнитный статор;
• вал с якорем;
• втягивающее реле с компонентами (электромагнит, сердечник, контакты);
• щеткодержатель с щетками;
• бендикс с шестерней;
• вилка;
• элементы корпуса.

Принцип работы

Учитывая устройство стартера, рассмотрим его работу пошагово:

1. Водитель включает зажигание и на втягивающее реле подается управляющее напряжение. Катушка реле намагничивается и перемещает сердечник.
2. Сердечник подводит бендикс и шестерню к маховику при помощи вилки и в конце своего хода замыкает контактные пятаки на электродвигатель.
3. Пусковой ток подается на обмотку якоря, который начинает вращаться в магнитном поле статора. Стартер начал работать.
4. Двигатель запустился, водитель повернул ключ из положения пуска. Управляющий ток перестал подаваться на втягивающее реле, пятаки разомкнулись, а бендикс с шестерней вернулся в исходное положение под действием возвратной пружины. Стартер прекратил свою работу.

Устройство бендикса

Бендикс представляет собой довольно интересное устройство. Иногда его называют муфтой свободного хода или обгонной муфтой.

Для запуска двигателя нужно, чтобы маховик вращался не медленнее, чем 100 об/мин. Так как шестерня стартера намного меньше зубчатого венца маховика, ей нужно вращаться в 10 раз быстрее, чтобы придать маховику необходимое ускорение. Это 1000 об/мин.

Когда двигатель заводится, маховик начинает вращаться очень быстро. Он передает это быстрое вращение на шестерню. Нетрудно посчитать, что скорость вращения шестерни при этом будет уже 10 000 об/мин. Если на вал стартера передалось такое ускорение, то он бы не выдержал. Именно для этого и нужен бендикс. Он передает вращение от шестерни на маховик, но не передает его обратно от маховика на шестерню.

Бендикс в разборе

Сам бендикс состоит из двух частей: шестерни и корпуса. Внутренняя обойма шестерни входит в корпус с внешней обоймой. Внутри этой обоймы находятся четыре ролика с пружинками. Корпус бендикса вращается через вал стартера. При вращении внутренняя обойма шестерни как бы заклинивает в корпусе и вращается, а при вращении шестерни от маховика эти ролики расходятся и не передают вращение на вал. Сам вал стартера при этом вращается с прежней скоростью.

Виды стартеров

Как было описано выше в современных стартерах применяются не башмаки с обмоткой возбуждения, а магниты. Магниты в качестве статора позволяют значительно уменьшить габариты устройства. При этом частота вращения якоря повышается. Поэтому иногда применяется редуктор.

Исходя из этого, стартеры делятся на:

• редукторные;
• простые (безредукторные).

С устройством и работой простого стартера мы уже познакомились. Работа редукторного основана на тех же принципах, что и простого, но имеет немного другое устройство. Крутящий момент от якоря вначале поступает в планетарный редуктор, который его преобразует, и далее на вал бендикса. Вращение от якоря на шестерню передается через водило планетарного механизма.

Этот вид стартера имеет следующие преимущества:

• более высокий КПД;
• меньшее потребления тока;
• небольшие размеры;
• запуск двигателя даже при низком заряде аккумулятора.

Но такая конструкция сказывается на сложности ремонта.

Основные неисправности

Все возможные виды неисправностей стартера можно разделить на механические и электрические.

С механическими узлами может быть связано:

1. Залипание контактных пятаков.
2. Износ подшипников и удерживающих втулок.
3. Износ роликов бендикса.
4. Заклинивание вилки или сердечника втягивающего реле.

Проблемы с электрикой:

1. Выработка щеток и пластин коллектора.
2. Обрыв цепи в обмотке башмаков (статора) или втягивающего реле.
3. Замыкание и перегорание обмоток.

Щетки и втягивающее реле не ремонтируются. Эти детали меняются на новые. Ремонт обмотки лучше доверить квалифицированному автоэлектрику.

Стартер – это довольно сложный механизм, который требует внимания от водителя. Любые шумы и скрежет лучше оперативно устранять. Но несмотря на общую сложностью устройства, принцип его работы очень простой. Поняв его, можно самостоятельно устранить многие неисправности.

Устройство автомобилей

Стартер автомобиля

Назначение и общее устройство стартера

В подавляющем большинстве современных автомобилей применяется способ пуска двигателя от электродвигателя, который в совокупности с дополнительными устройствами называется стартером. В момент пуска двигателя стартер потребляет энергию от аккумуляторной батареи автомобиля.

Стартер обеспечивает пусковую частоту вращения коленчатого вала, которая для карбюраторных двигателей составляет 40…80 об/мин, а для дизелей – 250 об/мин.

Стартер состоит из электродвигателя постоянного тока, механизмов привода и управления. На автомобильных стартерах применяют четырехполюсные электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Недостатком таких двигателей является высокая частота вращения якоря в режиме холостого хода, что приводит к возрастанию центробежных сил, действующих на якорь, и иногда может произойти его разрушение «вразнос».
Для уменьшения частоты вращения в режиме холостого хода применяют электродвигатели смешанного возбуждения, имеющие еще и параллельную обмотку возбуждения.

Привод коленчатого вала от стартера осуществляется посредством шестерни (бендикса), входящей в зацепление с венцом маховика только во время пуска двигателя. Управление приводом стартеров на современных автомобилях осуществляется электромагнитным реле, подвижный сердечник которого через рычаг передает на шестерню осевое усилие, одновременно замыкая контакты цепи питания электродвигателя стартера.
В конструкции привода некоторых стартеров (например, стартер 57.3708 автомобилей ВАЗ-2110, -2112) предусматривается дополнительная зубчатая передача планетарного типа, повышающая передаваемый коленчатому валу крутящий момент. Такая конструкция позволяет уменьшить общие габариты стартера за счет использования электродвигателя меньших размеров.

Включение электромагнитного реле производится либо непосредственно выключателем зажигания или выключателем приборов и стартера, либо теми же выключателями через дополнительное (вынесенное) реле стартера.

Общее устройство автомобильного стартера с планетарным редуктором приведено на рис. 1.

Требования, предъявляемые к стартеру

Как и к другим механизмам и устройствам автомобилей, к стартеру предъявляются общие требования — минимальные габариты и масса, длительная и надежная работа в режиме штатных нагрузок, а также удобство технического обслуживания и ремонта.

К специфическим требованиям, обусловленным назначением и условиями работы стартера можно отнести следующее:

Стартер должен развивать мощность, достаточную для преодоления моментов сил сопротивления в интервале температур окружающей среды, на который рассчитана эксплуатация машины и ее двигателя. Повышение температуры стартера во время пусковых циклов не должно приводить к изменениям, отрицательно влияющим на его работоспособность. Для различных типов транспортных средств используются стартеры различной мощности. Так, на легковых автомобилях мощность стартера может составлять 1…2.2 кВт; на грузовых – 4…8 кВт; на тракторах – 1,6…4 кВт; на тяжелой дизельной спецтехнике – до 9 кВт и даже более.

Частота вращения якоря электродвигателя стартера должна обеспечивать пусковую частоту коленчатого вала и уверенный пуск двигателя в интервале эксплуатационных температур.

Якорь стартера должен иметь надежный привод к коленчатому валу при пуске двигателя и автоматически отключаться от него после осуществления пуска. Конструкция стартера и зубчатая передача должны обеспечивать надежный ввод шестерни в зацепление и передачу коленчатому валу двигателя вращающего момента.
Шестерня привода стартера не должна самопроизвольно входить в зацепление с венцом маховика. Муфта свободного хода привода должна защищать якорь от механических повреждений после пуска двигателя.

Тяговое реле стартера должно обеспечивать ввод шестерни в зацепление и включение стартера при снижении напряжения на клеммах аккумуляторной батареи до 75% номинального (для 12-вольтовой батареи стартер должен быть работоспособен при напряжении 9 В, для 24-вольтовой — при 18 В) при температуре окружающей среды 20±5 °С.
Контакты тягового реле должны оставаться замкнутыми при снижении напряжения на выводах стартера до 5,4 и 10,8 В при номинальных напряжениях соответственно 12 и 24 В.

Контактные узлы электродвигателя стартера должны выдерживать существенное повышение температуры в момент пуска.

Поскольку стартер обычно располагается вблизи маховика и крепится сбоку на картере двигателя, возможно попадание загрязнений, воды и смазочного материала в корпус стартера, что крайне неблагоприятно отразится на его работе и может привести к отказу. Поэтому стартеры обычно выполняют в защищенном исполнении, а для транспортных средств, рассчитанных на эксплуатацию в сложных дорожных условиях — в герметичном исполнении.

Работа стартера

Включение стартера производится поворотом ключа в выключателе зажигания 1 (рис. 2) по часовой стрелке в положение, при котором замыкаются контакты «50» и «30». При этом по обмотке 1 вспомогательного реле 4 включения начинает протекать ток.
Сердечник 3 реле намагничивается и притягивает якорь 5, замыкая контакты 6 и 7, через которые ток идет к обмоткам 10 (удерживающая) и 11 (втягивающая) втягивающего реле 12. При прохождении тока по обмоткам 10 и 11 сердечник 9 намагничивается и втягивает якорь 13.
Соединенный с якорем рычаг 14 поворачивается на оси 15 и вильчатым концом перемещает муфту свободного хода по шлицам вала якоря, вводя размещенную на муфте шестерню в зацепление с зубчатым венцом маховика.

В конце хода якорь с помощью контактного диска 8 замыкает через контакты 19 цепь рабочего тока обмоток стартера. При этом втягивающая обмотка 11 реле закорачивается и сердечник 13 будет удерживаться в рабочем положении только обмоткой 10, а якорь стартера начнет вращаться, обеспечивая пуск двигателя.
Отключение одной из обмоток втягивающего реле позволяет снизить потребляемую этим реле энергию от аккумуляторной батареи, и обеспечить эффективное вращение якоря электродвигателя стартера даже при не полностью заряженной аккумуляторной батарее.

При выключении стартера поворотом ключа в выключателе 21 зажигания против часовой стрелки размыкаются контакты «50» и «30», после чего под действием пружины 2 контакты 6 и 7 размыкаются, и ток перестает поступать на обмотки втягивающего реле. Под действием возвратной пружины якорь втягивающего реле вернется в исходное положение и рычагом 14 выведет муфту 16 с шестерней привода из зацепления с зубчатым венцом маховика.

На легковых автомобилях устанавливают унифицированные стартеры. Так, например, на автомобилях АЗЛК-2141 и ВАЗ-2105 применяют стартеры 35.3708 или СТ221. На автомобилях АЗЛК-21412 и ИЖ-21251 устанавливают унифицированный стартер 421.3708.

В корпусе стартера укреплены винтами четыре стальных полюса, на которые надеты обмотки возбуждения. Три катушки сериесные, соединены последовательно с обмоткой якоря, а четвертая (шунтовая) включена параллельно обмотке якоря.
В остальных стартерах применяют по две сериесные и по две шунтовые катушки. Эти стартеры, как правило, имеют четырехполюсный четырехщеточный электродвигатель постоянного тока со смешанным соединением обмоток возбуждения.

Поскольку через сериесные обмотки при пуске двигателя протекает ток большой силы (до 5000 А), они, как и обмотки якоря, выполнены из медной ленты с большой площадью поперечного сечения. Одна катушка (шунтовая) включается параллельно обмотке якоря. Ее тонкая обмотка рассчитана на ток сравнительно небольшой силы.
Применение смешанного соединения обмоток возбуждения стартера позволяет получить бόльший крутящий момент на валу якоря в начале вращения коленчатого вала и более низкую частоту вращения самого якоря на холостом ходу. Это улучшает условия работы муфты свободного хода привода, уменьшает износ втулок вала якоря и предотвращает его «разнос».

Крепление стартера на двигателе

Обычно стартер располагают сбоку картера двигателя, при этом крышка со стороны привода обращена в сторону маховика и входит в специальное отверстие, выполненное на картере сцепления.
Крепление стартера к картеру сцепления осуществляется консольно болтами или шпильками посредством фланца, выполненного на головке со стороны привода. В зависимости от массы стартера крепление может осуществляться двумя или тремя резьбовыми элементами.

Тяжелые стартеры мощностью более 4,4 кВт с диаметром корпуса 130…180 мм устанавливают в углублениях специальных приливов, выполняемых на картере двигателя. К посадочной поверхности прилива двигателя корпус стартера прижимается хомутами из стальных лент или литыми скобами.

Шестерня механизма привода может быть установлена между опорами под крышкой, или консольно за ее пределами. В этом случае в картере сцепления выполняется специальное гнездо с медно-графитовой втулкой, служащей опорой для свободного конца вала якоря стартера.

Устройство и работа стартера автомобиля ВАЗ-2109

Стартер 29.3708 автомобиля ВАЗ-2109, устройство которого показано на рис. 3, работает следующим образом.
При пуске двигателя вращение якоря через винтовые шлицы вала 1 и ступицу 35 передается наружному кольцу 34 роликовой обгонной муфты 5.
Три ролика 4 муфты пружинами через плунжеры 38 смещаются в узкую сторону пазов наружного кольца 34 и всегда заклинены, а внутреннее кольцо 37 вращается как одно целое с наружным. При работающем стартере эффект заклинивания усиливается.

Ступица 35 муфты и шестерня 2, перемещаясь рычагом 8 по винтовым шлицам, входят в зацепление с зубчатым венцом маховика, и от вала 1 якоря через шестерню и маховик будет передаваться крутящий момент на коленчатый вал двигателя.

После пуска двигателя, когда электрическая цепь управления отключается, все подвижные части реле и механизмы привода стартера займут исходное положение под действием пружины втягивающего реле и буферной пружины 33.

Если двигатель начнет работать, а стартер не будет выключен, зубчатый венец маховика заставит шестерню вращаться с более высокой частотой, чем вращается наружная муфта 34 со ступицей 35. При этом ролики 4 с помощью пружин сдвинутся по наклонной поверхности пазов в широкую часть и позволят наружному кольцу вращаться свободно, не передавая усилие на вал якоря, что предупреждает поломку стартера.

Если при перемещении привода зуб шестерни стартера совпадает с зубом венца маховика, буферная пружина 33 привода сожмется больше, позволяя рычагу 8 перемещаться дальше и замкнуть электрическую цепь стартера. Когда якорь повернется на некоторый угол, шестерня под действием буферной пружины сразу же войдет в зацепление с венцом маховика.

Учитывая, что при пуске (особенно холодного двигателя) стартер потребляет ток большой силы, продолжительность его включения не должна превышать 5…10 с, а промежуток между включениями должен быть не менее 20…30 с.

Устройство отдельных элементов конструкции стартера рассмотрим на примере стартера 29.9708, применяемого на автомобилях ВАЗ-2109.

Щетки стартера

В электродвигателе стартера используются четыре медно-графитовые щетки 19, установленные в щеткодержателях, прикрепленных к крышке 24. К двум щеткодержателям положительных щеток, изолированным от крышки пластмассовыми пластинами, присоединяются выводы сериесных катушек.
Другие два щеткодержателя, к одному из которых присоединен вывод шунтовой катушки, приклепаны к крышке 24, т. е. соединены с «массой», и в них вставляются отрицательные щетки. Все щетки прижимаются к коллектору специальными спиральными пружинами.
Форма щеток может быть разнообразной (рис. 4), в соответствии с конструктивными особенностями щеточного и коллекторного узла стартера.

Якорь стартера

Якорь состоит из вала 1 и напрессованных на него сердечника 25 с обмоткой 25 и коллектора 18. Обмотка уложена в пазы сердечника, набранного из тонких пластин электротехнической стали. Концы обмотки выведены на изолированные друг от друга пластины коллектора.
Коллекторы могут выполняться торцовыми (ВАЗ-2109, ЗАЗ-1102, АЗЛК-2141, ВАЗ-2105 и др.), или цилиндрическими (преимущественно, стартеры грузовых автомобилей).
Торцовой коллектор выполняется в виде пластмассового диска с залитыми в него медными пластинами; такая конструкция позволяет уменьшить длину стартера.
Цилиндрические коллекторы выполняются на пластмассовом трубчатом основании. Такая конструкция обеспечивает равномерный износ щеток по длине рабочей поверхности, а также бόльшую поверхность контакта щеток и коллектора.

Вал якоря вращается в двух пористых металлокерамических втулках 21, пропитанных маслом и запрессованных в крышки стартера. Втулки могут быть и медно-графитовыми. В некоторых стартерах (например, ВАЗ-2109) вал якоря стартера имеет только одну опорную втулку в крышке стартера, а вторая опора предусмотрена в картере сцепления.
В стартерах грузовых автомобилей обычно используется три опорных втулки для поддержания якоря – в крышках и промежуточной опоре.

Втягивающее реле

Втягивающее реле 10 устанавливается сверху на корпусе стартера и состоит из корпуса со втягивающей 11 и удерживающей 12 обмотками, крышки 15 с контактными болтами 17 и якоря 9 со штоком 13, сердечником 14 и контактными пластинами.

Крышки стартера

Передняя крышка стартера (иногда ее называют головкой стартера) имеет фланец, которым стартер крепится к картеру сцепления. В этой крышке на валу якоря смонтирован привод стартера. Если крышка является опорой якоря, в ней запрессовывается опорная втулка. Опорная втулка передней крышки изнашивается быстрее, чем втулка задней крышки, поскольку она испытывает бόльшую нагрузку во время работы стартера.

Задняя крышка служит опорой для одного из концов якоря, а также для крепления щеточного узла. Для предотвращения попадания грязи и влаги в стартер задняя крышка закрывается металлическим чехлом с уплотнительной прокладкой.

Принцип работы стартера проще понять, просмотрев видеоролик, представленный ниже.