TỔNG QUAN HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG
Công dụng, sơ đồ của hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động đóng vai trò quan trọng trong việc khởi động động cơ ô tô, hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng từ bình ắc quy để chuyển đổi thành cơ năng cho máy khởi động Máy khởi động truyền cơ năng này đến bánh đà trên trục khuỷu động cơ thông qua khớp gài Chuyển động của bánh đà giúp hút hỗn hợp khí nhiên liệu vào xy lanh, nơi nó được nén và đốt cháy để quay động cơ, với hầu hết các động cơ yêu cầu đạt tốc độ khoảng 200 rpm để hoạt động hiệu quả.
Khi khởi động động cơ, nó không thể tự quay với công suất tối đa ngay lập tức Trước khi xuất hiện tia lửa điện, cần có lực từ bên ngoài để quay động cơ, và máy khởi động sẽ thực hiện nhiệm vụ này Máy khởi động sẽ ngừng hoạt động khi động cơ đã nổ.
Hình 1 1 Vị trí bố trí của máy khởi động
Trên xe ô tô, có hai hệ thống khởi động khác nhau, mỗi hệ thống đều có mạch điện riêng, bao gồm mạch điều khiển và mạch motor Hệ thống khởi động đầu tiên, thường thấy trên các dòng xe đời cũ, sử dụng một motor khởi động riêng biệt Trong khi đó, hệ thống khởi động hiện đại trang bị motor khởi động giảm tốc Một công tắc từ có công suất lớn, hay còn gọi là Solenoid, đóng vai trò quan trọng trong việc đóng mở motor, là thành phần thiết yếu của cả hai mạch điều khiển và mạch motor.
Cả 2 hệ thống này đều được điều khiển từ công tắc máy và được bảo vệ qua cầu chì Trên một vài dòng xe, một rơle khởi động được dùng để khởi động mạch điều khiển Ở xe hộp số tự động, có một công tắc khởi động trung gian ngăn cho trường hợp khởi động xe khi xe vẫn đang cài số Ở xe hộp số sàn, có công tắc ly hợp ngăn cho trường hợp khởi động xe mà không đạp bàn đạp côn Hiện nay trên các dòng xe đặc biệt có trang bị tính năng công tắc an toàn cho phép xe khởi động trên đường đồi dốc mà không cần đạp ly hợp [1]
1.1.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống khởi động
Hình 1 2 Sơ đồ tổng quan hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động của xe bao gồm máy khởi động (động cơ điện), ắc quy, và mạch khởi động với các cáp nối từ ắc quy đến máy khởi động Ngoài ra, hệ thống còn có rơle kéo để đóng máy khởi động và công tắc khởi động (khoá).
Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động điện có những yêu cầu kỹ thuật cơ bản do các tính chất, đặc điểm và chức năng của nó Những yêu cầu này đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống khởi động trong quá trình hoạt động.
- Máy khởi động có thể quay được trục khuỷu của động cơ với tốc độ tối thiểu mà động cơ có thể nổ được
- Nhiệt độ làm việc của hệ thống không được quá giới hạn cho phép
- Có thể đảm bảo khởi động lại được nhiều lần
- Tỉ số nén nằm trong khoảng giới hạn từ (9 – 18) của bánh răng máy khởi động và bánh răng của bánh đà
Để giảm thiểu độ sụt áp trên đường dây dẫn, chiều dài và điện trở của dây dẫn từ ắc quy đến máy khởi động cần được duy trì trong giới hạn quy định, tối đa là 1 mét.
- Momem truyền động phải đủ để khởi động động cơ.
Phân loại
1.3.1 Phân loại theo máy khởi động
1.3.1.1 Máy khởi động loại giảm tốc
Máy khởi động giảm tốc sử dụng mô tơ tốc độ cao, nhưng thường có mô men không lớn Để tăng mô men khởi động, một bánh răng giảm tốc được lắp đặt giữa bánh răng mô tơ và bánh răng bendix.
Hình 1 3 Máy khởi động loại giảm tốc
Khi được cấp điện, mô tơ tốc độ cao quay và công tắc từ đẩy bánh răng bendix lên khớp với vành răng trên bánh đà, khởi động động cơ Sau khi động cơ hoạt động, công tắc từ và mô tơ sẽ ngắt điện, khiến công tắc từ trở về vị trí ban đầu và tách bánh răng bendix ra khỏi vành răng của bánh đà.
- Đặc điểm: Động cơ điện nhỏ gọn với tốc độ cao được sử dụng để quay hộp số giảm tốc, như vậy sẽ làm tăng momen khởi động
- Ứng dụng: Máy khởi động loại giảm tốc được sử dụng rộng rãi trên xe nhỏ gọn và nhẹ
1.3.1.2 Máy khởi động loại bánh răng hành tinh
Máy khởi động bánh răng hành tinh sử dụng bộ truyền hành tinh để giảm tốc độ quay của lõi mô tơ Khi được cấp điện, công tắc từ hút xuống kéo theo cần dẫn động, khiến bánh răng khởi động nâng lên khớp với vành răng trên bánh đà Đồng thời, mô tơ quay kéo theo bánh đà, khởi động động cơ.
Khi ngừng cấp điện cho máy khởi động, công tắc từ sẽ trở về vị trí ban đầu, tách bánh răng bendix ra khỏi bánh đà, đồng thời mô tơ sẽ ngừng hoạt động.
Hình 1 4 Máy khởi động loại bánh răng hành tinh 1.3.1.3 Máy khởi động loại đồng trục
Máy khởi động loại đồng trục, như thể hiện trong hình 1.5, bao gồm các thành phần chính như bánh răng chủ động trên trục phần ứng động cơ, quay cùng tốc độ Lõi hút trong công tắc từ (solenoid) được kết nối với nạng gài, và khi nam châm điện được kích hoạt, nạng gài sẽ đẩy bánh răng chủ động khớp với vành răng của bánh đà.
Hình 1 5 Máy khởi động loại đồng trục
Khi động cơ bắt đầu khởi động khớp ly hợp một chiều ngắt nối bánh răng chủ động ngăn cản mô men động cơ làm hỏng motor khởi động
Công suất đầu ra của máy khởi động thường dao động từ 0,8 đến 1KW Trong nhiều trường hợp, bộ khởi động cho motor cũ được thay thế bằng motor mới có bánh răng giảm tốc để nâng cao hiệu suất hoạt động.
- Ứng dụng: Máy khởi động loại đồng trục được sử dụng chủ yếu trên xe nhỏ
1.3.1.4 Máy khởi động loại PS (Mô tơ giảm tốc hành tinh – rô to thanh dẫn)
Máy khởi động này sử dụng nam châm vĩnh cửu trong cuộn cảm, với cơ cấu đóng ngắt tương tự như máy khởi động bánh răng hành tinh.
Hình 1 6 Máy khởi động loại PS 1.3.2 Phân loại theo kiểu đấu dây
Máy khởi động được phân loại thành hai phần chính: phần motor điện và phần truyền động Phần motor điện được chia thành nhiều loại dựa trên các kiểu đấu dây, trong khi phần truyền động được phân loại theo cách truyền động của máy khởi động với động cơ Tùy thuộc vào kiểu đấu dây, các loại máy khởi động cũng được phân loại cụ thể.
- Loại mắc nối tiếp: Mô mem phát ra lớn nhất khi bắt đầu quay, được dùng chủ yếu trong máy khởi động
- Loại mắc song song: Ít dao động về tốc độ, giống như loại nam châm vĩnh cửu
- Loại mắc hỗn hợp: Có cả đặc điểm của hai loại trên, thường dùng để khởi động động cơ lớn
Hình 1 7 Các kiểu đấu dây của máy khởi động 1.3.3 Phân loại theo cách truyền động
1.3.3.1 Truyền động trực tiếp với bánh đà:
Loại này thường được sử dụng trên các xe đời cũ và những động cơ có công suất lớn, được chia thành 3 loại như sau [3]:
Truyền động quán tính là quá trình mà bánh răng khớp truyền động tự động văng ra theo quán tính để ăn khớp với bánh đà Khi động cơ khởi động, bánh răng này sẽ trở về vị trí ban đầu một cách tự động.
Truyền động cưỡng bức là quá trình mà khớp truyền động của bánh răng, khi đã ăn khớp vào vòng răng của bánh đà, sẽ bị điều khiển bởi một cơ cấu khác.
- Truyền động tổ hợp: Bánh răng ăn khớp với bánh đà cưỡng bức nhưng khi việc ra khớp tự động như kiểu ra khớp của truyền động quá tính
1.3.3.2 Truyền động phải qua hộp giảm tốc
1 Trục thứ cấp 2 Vòng răng 3 Bánh răng hành tinh
4 Bánh răng mặt trời 5 Phần ứng 6 Cổ góp
Hình 1 8 Cấu tạo hộp giảm tốc kiểu bánh răng hành tinh
Loại motor điện một chiều này thường được sử dụng trên các xe ô tô đời mới nhờ vào thiết kế nhỏ gọn và tốc độ vòng quay cao Motor được trang bị một bánh răng nhỏ ở đầu trục, giúp truyền động hiệu quả qua bánh răng trung gian xuống hộp truyền động (hộp giảm tốc).
Khớp truyền động được cấu tạo từ một khớp bi một chiều với 3 rãnh, mỗi rãnh chứa hai bi đũa xếp kế tiếp Bánh răng ở đầu trục của khớp truyền động được kết nối với bánh răng bánh đà khi khởi động thông qua một relay gài khớp Relay này có một ty đẩy, giúp viên bi đẩy bánh răng vào vị trí ăn khớp với bánh đà.
Các bộ phận trong hệ thống khởi động
Máy khởi động là thiết bị tạo mô men quay và truyền động cho bánh đà của động cơ Tùy thuộc vào từng loại động cơ, máy khởi động điện có cấu trúc và đặc tính khác nhau Các bộ phận chính của máy khởi động bao gồm nhiều thành phần quan trọng.
1.4.1 Động cơ điện (Motor khởi động)
Động cơ điện cần một lực từ trường mạnh để đạt được tốc độ và mô men xoắn cần thiết cho việc khởi động Nó chuyển đổi điện năng từ ắc quy thành cơ năng để quay trục khuỷu Cấu tạo của động cơ bao gồm stator với vỏ, má cực và cuộn dây, cùng với rotor bao gồm trục, khối thép từ, cuộn dây phần ứng, cổ góp điện, và các nắp với giá đỡ chổi than Động cơ điện được sử dụng trong hệ thống khởi động thường là loại một chiều, có thể là kích từ nối tiếp hoặc hỗn hợp.
Động cơ điện một chiều có cấu tạo tương tự như máy phát điện một chiều, với điểm khác biệt là cuộn dây phần ứng và kích thích có tiết diện chữ nhật, kích thước lớn hơn và số vòng dây ít hơn Khi khởi động, động cơ tiêu thụ dòng điện lớn từ 600 - 800 A Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có momen khởi động lớn nhưng tốc độ không tải cao, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ Trong khi đó, động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp có momen khởi động thấp hơn nhưng tốc độ không tải lại nhỏ hơn Để đảm bảo momen khởi động lớn, hầu hết các máy khởi động đều sử dụng cuộn kích thích mắc nối tiếp.
Hình 1 9 Sơ đồ mạch điện máy khởi động
Tuy vậy sơ đồ này có nhược điểm là: khi mô men cản giảm thì n tăng
Sau khi động cơ đốt trong khởi động, máy khởi động sẽ được giảm tải hoàn toàn, dẫn đến tốc độ quay của nó tăng nhanh chóng Tốc độ này có thể vượt quá giới hạn cho phép, gây mòn nhanh các ổ trục và có nguy cơ làm các thanh dây dẫn bị văng ra khỏi rãnh của rotor.
1.4.2 Chổi than và giá đỡ chổi than
Chổi than được gắn vào cổ góp của phần ứng bằng các lò xo, cho phép dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng theo một chiều nhất định Chúng được chế tạo từ hợp kim đồng và cacbon (60 ÷ 70% đồng), mang lại khả năng dẫn điện tốt và độ bền cao trước mài mòn.
Các lò xo chổi than nén vào cổ góp phần ứng và làm cho phần ứng dừng lại ngay sau khi máy khởi động bị ngắt
Khi lò xo chổi than yếu hoặc chổi than bị mòn, tiếp điểm điện giữa chổi than và cổ góp sẽ không đủ để dẫn điện Điều này làm tăng điện trở tại điểm tiếp xúc, dẫn đến giảm dòng điện cung cấp cho motor và giảm mômen.
- Cơ cấu điều khiển có nhiệm vụ:
+ Đưa khớp truyền động vào ăn khớp với bánh đà
+ Đóng mạch điện máy khởi động khi bánh răng của nó đã vào ăn khớp với vành răng bánh đà và ngắt mạch sau khi đã nổ
Cơ cấu điều khiển có thể được phân loại thành hai loại chính: cơ khí, điều khiển trực tiếp thông qua bàn đạp chân hoặc cần gạt, và điện từ, điều khiển gián tiếp từ xa bằng cách kích hoạt khóa điện để rơle hoạt động.
1.4.3.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp
Mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng nó không hiệu quả khi máy khởi động và ắc quy ở xa người lái Điều này là do đường dây dẫn dài có thể gây ra độ sụt thế lớn và làm tăng chi phí cho việc lắp đặt dây dẫn.
1.4.3.2 Phương pháp điều khiển gián tiếp bằng Rơle điện từ
Phương pháp này cho phép giảm chiều dài đường dây chịu tải và tăng độ tin cậy làm việc của hệ thống
Hình 1 10 Sơ đồ máy khởi động với cơ cấu điều khiển điện từ
1 Khóa điện 5 Vành tiếp điểm
2 Rơ le điện từ 6 Tiếp điểm
3 Cần gạt 7 Máy khởi động
4 Khớp truyền động 8 Ắc quy
Cụm Rô to (cuộn dây phần ứng) dùng để tạo ra momem làm quay bánh răng dẫn động
Cấu tạo của rô to gồm: bao gồm trục rôto, khớp nối từ, cuộn dây của phần ứng và cổ góp
Cụm Stato, hay phần cảm, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường cần thiết cho động cơ điện Nó không chỉ là nơi bố trí cuộn dây kích từ mà còn là lõi cực, đồng thời dẫn đường sức từ qua các cực và lõi được chế tạo từ lõi sắt, giúp dễ dàng dẫn từ.
Có 3 kiểu đấu dây cuộn kích: nối tiếp, song song và hỗn hợp
Khớp truyền động chuyển động từ pít tông tới bánh răng dẫn động, giúp bánh răng này ăn khớp và nhả khớp với vành răng bánh đà.
Cơ cấu khớp truyền động được thiết kế theo hai kiểu:
Khi khởi động, bánh răng của khớp truyền động sẽ văng ra từ rotor để khớp với vành răng bánh đà của động cơ ô tô.
- Kiểu văng vào: ngược với kiểu văng ra, khi khởi động bánh răng văng từ ngoài vào trong ăn khớp với trục roto của động cơ khởi động
Tùy thuộc vào cấu tạo khớp ly hợp người ta phân ra 2 loại khớp truyền động chính:
+ Khớp truyền động quán tính
+ Khớp truyền động cưỡng bức (một chiều).
Đặc tính và mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp ảnh hưởng tới hệ thống khởi động
1.5.1 Đặc tính của mô tơ khởi động một chiều
- Mối quan hệ giữa tốc độ, mô mem và cường độ dòng điện
Mạch điện của mô tơ chủ yếu gồm các cuộn dây với giá trị điện trở rất nhỏ, chỉ do các cuộn dây tạo ra Theo định luật Ohm, khi điện áp ắc quy 12V không đổi và điện trở mạch thấp, dòng điện sẽ tăng mạnh Điều này dẫn đến việc phần lớn dòng điện được cung cấp cho máy khởi động, tạo ra mô men xoắn cực đại ngay khi máy khởi động hoạt động.
Mô tơ và máy phát điện có cấu tạo tương tự, do đó khi mô tơ quay, nó tạo ra điện áp ngược chiều, gây nhiễu dòng điện một chiều.
Khi tốc độ máy khởi động tăng, sức điện động cảm ứng cũng tăng theo, dẫn đến việc dòng điện chạy qua mô tơ giảm Điều này làm giảm mô men xoắn và dòng điện một chiều.
Hình 1 11 Đặc tính và mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp
+ Tỷ số truyền giữa bánh răng dẫn động và rành vành răng xấp xỉ từ 1:10 tới 1:15
Công suất đầu ra của máy khởi động bắt đầu ở mức thấp do mô men xoắn lớn và tốc độ thấp Tuy nhiên, công suất này tăng lên đạt giá trị cực đại khi mô men xoắn và tốc độ của máy khởi động thay đổi, sau đó sẽ giảm dần Đường cong biểu diễn công suất máy khởi động cho thấy sự biến đổi này theo mô men xoắn và tốc độ.
1.5.2 Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp
Khi máy khởi động hoạt động, điện áp tại cực của ắc quy giảm do cường độ dòng điện trong mạch giảm Nếu cường độ dòng điện trong mạch lớn, dòng điện từ ắc quy không thể bị bỏ qua.
Theo định luật Ôm, sụt áp trong mạch sẽ tăng khi dòng điện tăng và giảm khi dòng điện giảm, dẫn đến điện áp của ắc quy trở về giá trị bình thường.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG XE TOYOTA COROLLA ALTIS 2018
Cấu tạo hệ thống khởi động
Hình 2 1 Kết cấu các bộ phận máy khởi động xe Toyota Corolla Altis 2018
Hệ thống khởi động của xe Toyota Corolla Altis 2018 sử dụng máy khởi động bánh răng đồng trục, với các chi tiết tháo rời bao gồm cụm công tắc từ, vỏ máy khởi động, cần dẫn động, phanh hãm, ly hợp từ, bộ giảm chấn, cụm rôto, cụm stato, cụm giá đỡ chối than và khung đầu cổ góp.
Sơ đồ cấu tạo của cụm công tắc từ:
Hình 2 2 Cấu tạo cụm công tắc từ
1 Cuộn hút 5 Các đầu dây nối
2 Cuộn giữ 6 Các đầu dây nối
3 Đĩa đồng tiếp điện 7 Lò xo hồi vị
4 Đầu tiếp xúc 8 Trục điều khiển đĩa đồng
Cụm công tắc từ hoạt động như một công tắc chính của dòng điện chạy tới mô tơ và điều khiển bánh răng dẫn động khởi động (Hình 2.2)
Cụm công tắc từ của máy khởi động bao gồm các thành phần chính như công tắc chính, pít tông, lò xo hồi vị, trục pít tông, cuộn kéo, cuộn giữ và lò xo dẫn động Đặc điểm nổi bật của cuộn hút là được quấn bằng cuộn dây có đường kính lớn hơn cuộn giữ, tạo ra lực điện từ mạnh hơn so với lực điện từ của cuộn giữ.
Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý của cụm công tắc từ
Bài viết mô tả hai cuộn dây từ hóa, bao gồm cuộn Wh và Wg, như thể hiện trong sơ đồ (Hình 2.3) Cuộn WKT là cuộn dây kích từ, có nhiệm vụ cung cấp điện cho máy khởi động.
K1, K2 lần lượt là hai tiếp điểm của rơ le
Nguyên lý làm việc của cụm công tắc từ:
Khi đóng khoá khởi động K1, dòng điện đi qua cả hai cuộn Wh và Wg, tạo ra lực từ hoá hút lõi thép của rơle kéo, giúp đĩa đồng tiếp điện chưa nối mạch của động cơ điện khởi động Dòng điện qua Wh làm cho trục động cơ xoay một góc nhỏ, giúp bánh răng khởi động dễ dàng vào khớp với các vành răng trên bánh đà Khi các tiếp điểm K2 được nối, cuộn dây Wh bị nối tắt, tiết kiệm năng lượng của ắc quy.
Cần dẫn động là cơ cấu truyền mômen từ động cơ điện của máy khởi động đến vành bánh răng bánh đà của động cơ ô tô Tỷ số truyền trên bánh răng máy khởi động yêu cầu phải quay 10 hoặc 20 vòng để làm cho vành bánh răng bánh đà quay 1 vòng Khi hoạt động, roto của động cơ điện đạt tốc độ từ 2000 đến 3000 vòng/phút, giúp kéo trục khuỷu của động cơ ô tô quay khoảng 200 vòng/phút, đủ để khởi động động cơ.
Sau khi động cơ đã nổ, số vòng quay độc lập của nó có thể lên đến 3000 -
Khi bánh răng của động cơ điện trong máy khởi động ăn khớp với vành bánh răng bánh đà, roto sẽ quay với tốc độ 3000 - 4000 vòng/phút Tốc độ cao này tạo ra lực ly tâm mạnh mẽ, gây ra nguy cơ làm bung tất cả dây quấn ra khỏi rãnh của roto và phá hỏng cổ góp của động cơ điện trong máy khởi động.
Nhiệm vụ của cần dẫn động trong máy khởi động:
- Nối trục của máy khởi động với vành răng bánh đà khi khởi động
- Truyền mômen của máy khởi động làm quay vành bánh răng bánh đà động cơ ô tô
- Bảo vệ máy khởi động bằng cách tách roto của động cơ điện khỏi động ra khỏi vành bánh răng của bánh đà khi động cơ ô tô đã nổ
Rôto của máy khởi động (phần ứng) bao gồm trục rôto, khớp nối từ, cuộn dây của phần ứng và cổ góp [8]
Trên thân có sẻ các rãnh, các rãnh có thể song song với đường tâm trục rôto, hoặc sẻ chéo so với trục rôto
Hình 2 4 Cấu tạo Roto (phần ứng) của máy khởi động
2 Cuộn dây phần ứng 4 Cổ góp
Trên các rãnh của rôto có lắp các cuộn dây phần ứng, các cuộn dây cũng được mắc nối tiếp với nhau
Phía đầu máy có các cổ góp được cấu tạo từ nhiều phiến đồng được ép chặt trên trục rôto, cách điện với trục nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Trên trục rôto còn có các rãnh xoắn, trục được đỡ bởi hai ổ đỡ ổ lăn
Hình 2 5 Cấu tạo cụm Stato máy khởi động
Stato (phần cảm) của máy khởi động bao gồm các má cực lắp cố định với phần vỏ Bốn má cực được sắp xếp lệch nhau 90 độ, và trên mỗi má cực có các cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với nhau.
Có 2 cách mắc các cuộn dây thường dùng:
Hình 2 6 Kiểu mắc nối tiếp
Hình 2 7 Kiểu mắc hỗn hợp
Cách mắc nối tiếp có nhược điểm là tạo ra số vòng quay quá lớn, do đó cần áp dụng phương pháp mắc hỗn hợp, kết hợp giữa nối tiếp và song song Trong phương pháp này, hai cuộn dây được mắc nối tiếp thành một cuộn, sau đó hai cặp cuộn này lại được mắc song song với nhau.
Cụm stato đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường cần thiết cho hoạt động của rôto Ngoài ra, cụm stato còn bảo vệ các cuộn cảm và lõi cực, đồng thời khép kín các đường sức từ Các cuộn cảm được kết nối nối tiếp với phần ứng (rôto) để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều (motor khởi động) bao gồm:
- Phần cảm (Stator): có chức năng tạo ra từ trường, bao gồm: vỏ máy và các bản cực trên được quấn cuộn kích từ
Phần ứng (Roto) của máy khởi động bao gồm lõi thép và cuộn dây được đặt trong rãnh, với cuộn dây thường có hình chữ nhật, số vòng dây ít và tiết diện lớn để chịu đựng dòng điện lớn (Ikđ > 600A) Các đầu cuộn dây được hàn vào các phiến của cổ góp, và rotor được lắp đặt trên hai ổ bi ở hai nắp máy.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:
Máy điện một chiều bao gồm khung dây abcd và hai phiến góp, được quay quanh trục với tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam châm.
N-S Các chổi điện A và B đặt cố định và tì sát vào phiến góp
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, tạo ra sức điện động (sđđ) theo quy tắc bàn tay phải Trong hình 2.8, từ trường hướng từ cực N đến S với chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ Ở thanh dẫn phía trên, sđđ có chiều từ b đến a, trong khi ở thanh dẫn phía dưới, sđđ có chiều từ d đến c Sđđ của phần tử bằng 2 lần sđđ của thanh dẫn Khi nối chổi điện A và B với tải, dòng điện sẽ chạy qua tải, với điện áp của máy phát điện có cực dương ở chổi A và cực âm ở chổi B.
Hình 2 8 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, tạo ra sức điện động theo quy tắc bàn tay phải Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, dẫn đến biến động điện áp đầu cực Để tăng điện áp và giảm sự nhấp nhô, cần có nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiều trong dây quấn Trong chế độ máy phát, dòng điện phần ứng cùng chiều với sức điện động phần ứng (Eư), và phương trình cân bằng điện áp được thiết lập.
Rư là điện trở dây quấn phần ứng
U là điện áp đầu cực máy
Iư Rư là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng
Eư là sức điện động (sđđ) phần ứng
2.1.6 Chổi than và giá đở chổi than
Chổi than và giá đỡ chổi than được lắp ráp theo hình thức cụ thể, bao gồm hai chổi than dương và hai chổi than âm Các chổi than được giữ chặt vào cổ góp nhờ vào các lò xo, đảm bảo dòng điện từ cuộn dây truyền đến phần ứng theo một chiều nhất định.
Hình 2 9 Chổi than và giá đở chổi than
Chổi than được làm từ hỗn hợp đồng – graphit nên có tính dẫn điện và chống mài mòn tốt
Các chổi than cũng có tiết diện lớn và được lắp nghiêng một góc so với trục của rôto
Các lò xo luôn tỳ sát ép chổi than vào cổ góp
Lực của lò xo chổi than ép chổi than ngăn roto quay quá nhanh Làm roto ngừng ngay khi ngắt đề.
Nguyên lý hoạt động máy khởi động trên xe Toyota Corolla Altis 2018 25
Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khởi động trên xe Corolla Altis 2018
Hệ thống khởi động động cơ trên xe Toyota Corolla Altis 2018 bao gồm các thành phần chính như ắc quy, cụm máy khởi động, rơle khởi động, công tắc khởi động của ly hợp, công tắc vị trí P/N của hộp số, khóa điện, ECM, các giắc kết nối và cầu chì.
Khi người lái chuyển khóa điện từ vị trí AM2 sang nấc ST2 (Start), ECM nhận tín hiệu khởi động từ khóa điện và phát tín hiệu STA để điều khiển hệ thống khởi động Để quá trình khởi động diễn ra, người lái cần đạp hết côn và đưa cần số về vị trí N (đối với số sàn) hoặc P/N (đối với số tự động), lúc này công tắc khởi động của ly hợp và công tắc vị trí P/N sẽ được đóng lại.
Dòng điện trong hệ thống khởi động sẽ di chuyển từ ắc quy qua khóa điện, tiếp tục qua nấc ST2 đến vị trí NSW và STA của ECM, rồi đi qua công tắc khởi động ly hợp và cuối cùng đến cuộn dây của rơle khởi động trước khi trở về mát.
Kiểu số tự động hoạt động khi dòng điện từ ắc quy đi qua khóa điện, nấc ST2, vị trí NSW và STA của ECM, tiếp theo là công tắc vị trí P/N của hộp số, và cuối cùng qua cuộn dây của rơle khởi động trước khi trở về mát.
Dòng điện từ ắc quy đi qua cầu chì 30A và rơle khởi động, sau đó đến cuộn dây cụm công tắc từ và trở về mát Khi công tắc từ đóng lại, điện từ ắc quy sẽ được dẫn đến động cơ điện một chiều của máy khởi động, giúp máy khởi động quay và khởi động động cơ.
Các chế độ làm việc của máy khởi động
Máy khởi động điện dùng trên ô tô có 3 chế độ làm việc đặc trưng [6]:
Chế độ hãm là trạng thái mà dòng khởi động đạt giá trị cực đại (Ikd = Ikd max), tại thời điểm này, mômen điện từ (Mđt) và mômen (M2) của động cơ điện khởi động cũng đạt mức tối đa Điều này xảy ra khi bánh răng khởi động của động cơ bắt đầu quay bánh đà của ôtô.
Chế độ quay vòng tua là giai đoạn khi công suất truyền từ động cơ điện khởi động đạt giá trị tối đa sang động cơ ô tô Tại thời điểm này, momen động cơ (M2) trên trục động cơ khởi động phải lớn hơn hoặc bằng momen cản khi khởi động (Mc), tương ứng với tốc độ vòng quay khởi động tối thiểu (nmin).
Chế độ không tải của động cơ điện khởi động xảy ra khi động cơ hoạt động tự lập, với momen cản trên trục động cơ rất nhỏ, chủ yếu do lực ma sát trong các ổ đỡ Trong chế độ này, tốc độ quay của động cơ đạt giá trị cực đại, và nó có ảnh hưởng lớn đến độ bền của cổ góp cũng như các ổ đỡ của động cơ.
Các biện pháp cải thiện đặc tính hoạt động của hệ thống khởi động
2.4.1 Dùng Bugi có hệ thống sấy
Hiệu quả khởi động của hệ thống phụ thuộc vào nhiệt độ động cơ ô tô Khi nhiệt độ thấp, việc khởi động động cơ trở nên khó khăn do nhiều nguyên nhân.
Khi độ nhớt của dầu bôi trơn tăng cao, mômen cản (Mc) trên trục động cơ khởi động cũng sẽ tăng theo Sự gia tăng độ nhớt của nhiên liệu dẫn đến khả năng bay hơi giảm, ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn với không khí trong xi lanh động cơ ô tô Điều này làm tăng trị số tốc độ thấp nhất cần thiết để khởi động động cơ.
Giảm trị số áp suất và nhiệt độ trong xi lanh động cơ ô tô trong chu kỳ nén sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng bén lửa, cháy và giãn nở sinh công của hỗn hợp công tác.
Dung lượng phóng điện của ắc quy giảm khi nhiệt độ thấp, ảnh hưởng đến khả năng khởi động Để cải thiện hiệu suất hệ thống khởi động trong điều kiện lạnh, nhiều biện pháp hỗ trợ được áp dụng Một trong những giải pháp phổ biến nhất là sử dụng bu-gi có bộ phận sấy, giúp tăng cường quá trình khởi động khi nhiệt độ môi trường giảm.
Bu-gi có bộ phận sấy với lõi gốm chịu nhiệt, quấn dây điện trở và ống bọc cách điện Nó được lắp vào buồng đốt của động cơ ô tô để sấy nóng hỗn hợp không khí, giúp bốc hơi và hòa trộn nhiên liệu với không khí trong động cơ xăng, đồng thời tạo điều kiện cho nhiên liệu bốc cháy trong động cơ diezen Thời gian sấy của bu-gi có thể được điều khiển bằng tay hoặc thông qua mạch định thời gian sấy.
2.4.2 Phương pháp đổi nối tiếp điện áp trong quá trình khởi động
Khi khởi động, dòng điện lớn cần thiết có thể gây ra tổn thất điện áp trên đường dây nối từ ắc quy đến máy khởi động, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống khởi động Để giảm thiểu tổn thất điện áp trong hệ thống này, một giải pháp hiệu quả là nâng cao trị số điện áp cấp cho máy khởi động khi xe được khởi động.
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điện trên xe là trong chế độ bình thường, các thiết bị điện được cấp nguồn 12V, thường thấy ở xe du lịch Tuy nhiên, khi khởi động, hệ thống khởi động nhận nguồn điện cao hơn, khoảng 24V hoặc hơn, trong khi các phụ tải điện khác vẫn duy trì nguồn 12V.
QUY TRÌNH THÁO LẮP, PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA BẢO DƯỠNG CÁC HƯ HỎNG HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG TRÊN XE TOYOTA
Chuẩn đoán hư hỏng hệ thống khởi động [9]
Dấu hiệu Nguyên nhân Biện pháp khắc phục Động cơ không quay Ắc quy chết Kiểm tra chế độ điện áp ắc quy
Cầu chì đứt Thay cầu chì
Làm sạch và siết chặt liên kết mối nối
Hỏng công tắc từ, rơ le, công tắc an toàn, khớp ly hợp
Kiểm tra hoạt động công tắ, rơ le và thay thế khi hư hỏng
Sự cố phần điện trong động cơ Kiểm tra và thay thế
Sự cố trong hệ thống chống trộm Kiểm ttra hệ thống Động cơ quay quá chậm
Sạc ắc quy yếu Sạc hoặc thay thế ắc quy
Cáp ắc quy lỏng lẻo, bị ăn mòn hoặc bị mòn Sửa chữa hoặc thay thế cáp Động cơ khởi động bị lỗi Thay thế
Hệ thống khởi động tiếp tục chạy Động cơ khởi động bị lỗi Thay thế
Công tắc đánh lửa Thay thế
Khởi động quay nhưng Ngắn trong hệ thống dây điện Sửa chữa hoặc thay thế hệ thống dây điện động cơ không quay
Bánh răng thanh răng bị gãy hoặc động cơ khởi động Thay thế
Răng bánh răng bị gãy Thay bánh xe bay hoặc bộ chuyển đổi mô-men xoắn
Quy trình tháo, lắp máy khởi động xe Toyota Corolla Altis 2018
3.2.1 Quy trình tháo máy khởi động
3.2.1.1 Tháo máy khởi động ra khỏi xe [7]
1 Ngắt cáp âm ra khỏi ắc quy
2 Tháo tấm che phía dưới động cơ bên phải
3 Tháo tấm che phía dưới động cơ bên trái
4 Tháo nắp che bên của vỏ bánh đà
Nhả khớp vấu hãm bằng cách kéo nó ra ngoài và tháo nắp che bên vỏ bánh đà
5 Tháo cụm máy khởi động
- Tháo đai ốc và ngắt cực 30
- Tháo 2 bu lông và tháo cụm máy khởi động
3.2.1.2 Tháo rời các bộ phận máy khởi động
Bước 1 Tháo cụm công tắc từ máy khởi động
- Tháo đai ốc, rồi ngắt dây dẫn ra khỏi công tắc từ máy khởi động
- Tháo 2 đai ốc ra khỏi vỏ máy khởi động trong khi giữ vào công tắc từ máy khởi động
Để tháo cụm công tắc từ máy khởi động, bạn cần kéo cụm công tắc từ lên và nâng phần phía trước của nó, sau đó nhả móc pittong ra khỏi cần dẫn động.
Bước 2 Tháo cụm Stato của máy khởi động
Tháo 2 bu lông xuyên và kéo cụm Stato cùng với roto máy khởi động ra
Bước 3 Tháo cụm giá đỡ chổi than máy khởi động
- Tháo 2 vít Nắm lấy dây dẫn và tháo khung đầu dẫn động
Chú ý: Để tránh bị vướng giữa giá đỡ chổi than và nắp chắn bụi, hãy kéo khung đầu cổ góp ra theo một góc nghiêng
- Dùng một tô vít, giữ lò xo chổi than lại và tháo giá đỡ chổi than
- Tháo 4 chổi than và tháo giá đỡ chổi than
Bước 4 Tháo cụm Roto máy khởi động
Tháo cụm stato ra khỏi cụm càng máy khởi động
Bước 5 Tháo ly hợp máy khởi động
- Tháo cần dẫn động và ly hợp máy khởi động với trục bánh răng hành tinh khỏi vỏ dẫn động của máy khởi động
- Dùng một tô vít, đóng bạc hãm vào ly hợp máy khởi động
- Dùng một tô vít, nạy phanh hãm ra
Sau đó tháo bạc hãm và ly hợp máy khởi động ra khỏi trục bộ truyền hành tinh
3.2.2 Quy trình lắp ráp các bộ phận máy khởi động
Bước 1: Bôi mỡ vào bạc và then của ly hợp máy khởi động và bạc hãm
- Lắp ly hợp máy khởi động và bạc hãm lên trục bộ truyền hành tinh
- Bôi mỡ lên phanh hãm mới và lắp nó vào rãnh trục bộ truyền hành tinh
- Dùng êtô, nén phanh hãm
- Giữ ly hợp máy khởi động, đóng trục bộ truyền hành tinh bằng búa nhựa để lắp bạc hãm vào phanh hãm
- Bôi mỡ vào cần dẫn động như trên hình vẽ
- Lắp cần dẫn động vào ly hợp máy khởi động
- Gióng thẳng vấu của trục bộ truyền hành tinh với rãnh cắt của vỏ máy khởi động và lắp chúng
Bước 2 Lắp cụm Roto máy khởi động
Bước 3 Lắp cụm giá đỡ chổi than máy khởi động
- Lắp giá đỡ chổi than lên stato máy khởi động
- Dùng một tô vít, hãy giữ lưng lò xo chổi than và lắp 4 chổi than vào giá đỡ chổi than
- Bôi dầu động cơ có trộn các phụ gia vào vòng bi của khung đầu dẫn động
- Lắp khung đầu cổ góp bằng 2 vít
Chú ý: Để tránh bị vướng giữa giá đỡ chổi than với nắp chắn bụi, hãy đẩy khung cầu cổ góp vào theo một góc nghiêng
Bước 4 Lắp cụm Stato máy khởi động
- Gióng thẳng rãnh cắt của Stato với vấu lồi của trục bộ truyền hành tinh
- Lắp khung đầu cổ góp và cụm stato bằng 2 bu lông xuyên
Bước 5 Lắp cụm công tắc từ của máy khởi động
- Treo píttông của công tắc ly hợp máy khởi động vào cần dẫn động từ phía trên xuống
- Lắp cụm công tắc từ máy khởi động bằng 2 đai ốc
- Nối dây dẫn vào điện cực bằng đai ốc
3.2.3 Lắp ráp máy khởi động lên trên xe Toyota Corolla Altis 2018
Bước 1 Lắp cụm máy khởi động
- Lắp cụm máy khởi động bằng 2 bu lông
- Nối cực 30 bằng đai ốc
Bước 2 Lắp nắp che bên của vỏ hộp bánh đà
- Cắm phần vấu lồi vào phía cuối thân máy, và trong khi ấn nó dọc theo thân máy hãy khớp vấu hãm vào thân máy
- Hãy chắc chắn rằng vấu hãm đã phát ra tiếng tách, điều đó có nghĩa là nó đã được lắp chặt
- Thay vấu hãm bằng chiếc mới nếu nó không khớp chặt được hoặc vấu đã bị biến dạng
Bước 3 Lắp tấm che phía dưới động cơ bên phải
Bước 4 Lắp tấm che phái dưới động cơ bên trái
Bước 5 Nối cáp vào cực âm (-) ắc quy
Kiểm tra máy khởi động
3.3.1 Kiểm tra cụm máy đề
Bước 1 Tiến hành thử cuộn hút [7]
- Tháo đai ốc và tháo dây dẫn ra khỏi cực C
Kết nối ắc quy với công tắc từ của máy khởi động theo hướng dẫn trong hình vẽ và kiểm tra xem bánh răng dẫn động có lao ra hay không Nếu bánh răng không hoạt động, bạn cần thay thế công tắc từ của máy khởi động.
Bước 2 Tiến hành thử cuộn giữ
Kiểm tra bánh răng dẫn động để đảm bảo không bị thụt vào sau khi ngắt cáp khỏi cực C Nếu phát hiện bánh răng ly hợp tụt vào, cần thay thế cụm công tắc ly hợp từ để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Bước 3 Kiểm tra xem bánh răng chủ động ly hợp có hồi về không
Ngắt cáp âm khỏi thân máy khởi động và kiểm tra xem bánh răng dẫn động có thụt về hay không Nếu bánh răng hành tinh ly hợp từ không tụt về, cần thay thế công tắc ly hợp từ.
Bước 4 Tiến hành thử chế độ không tải
- Nối dây dẫn của stato với cực C
- Kẹp máy khởi động lên êtô
Chú ý: Chắc chắn rằng máy khởi động đã được kẹp chắc trên êtô để tránh cho nó khỏi bị rơi ra
- Nối ắc quy và ampe kế với máy khởi động như trong hình vẽ
Chú ý: Không được để bất kỳ dây nào bị kẹt khi bánh răng hành tinh quay
- Kiểm tra rằng giá trị đọc trên Ampe kế giống như tiêu chuẩn:
Cường dòng điện tiêu chuẩn: Điều kiện Điều kiện tiêu chuẩn
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy sửa chữa hoặc thay thế cụm máy khởi động
3.3.2 Kiểm tra cụm công tắc từ máy khởi động
Bước 1 Kiểm tra pit-tông
Kiểm tra píttông bằng cách nhấn vào nó và đảm bảo rằng nó trở về vị trí ban đầu một cách nhanh chóng Nếu cần thiết, hãy thay thế công tắc từ máy khởi động để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Chú ý: Để tránh làm hư hỏng bên trong của công tắc từ máy khởi động, không được thả píttông
Bước 2 Kiểm tra hở mạch của cuộn hút
- Dùng một Ômkế, đo điện trở giữa cực 50 và cực C Điện trở tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm công tắc từ máy khởi động
Bước 3 Kiểm tra tình trạng hở mạch của cuộn giữ
- Dùng một Ômkế, đo điện trở giữa cực 50 và thân công tắc Điện trở tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn Cực 50 – Mát thân xe Dưới 2 Ω Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm công tắc từ máy khởi động
3.3.3 Kiểm tra cụm giá đỡ chổi than máy khởi động
- Dùng một Ômkế, kiểm tra điện trở giữa các cực dương (+) và âm (-) của giá đỡ chổi than Điện trở tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn
Giá đỡ chổi than dương (+) – giá đở chổi than âm (-) 10 kΩ trở lên
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm giá đỡ chổi than
3.3.4 Kiểm tra cụm Roto máy khởi động
Bước 1 Kiểm tra tình trạng hở mạch của cổ góp
- Dùng một Ômkế, đo điện trở giữa các phần ghép của cổ góp Điện trở tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn Giữa các phần ghép cổ góp Dưới 1 Ω
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm rôto máy khởi động Bước 2 Kiểm tra tình trạng ngắn mạch của cổ góp
- Dùng một Ômkế, kiểm tra điện trở giữa cổ góp và cuộn dây rôto Điều kiện tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn
Cổ góp – Cuộn dây roto 10 kΩ trở lên
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm rôto máy khởi động Bước 3 Kiểm tra bằng cách quan sát
Nếu bề mặt bị bẩn hoặc cháy, hãy mài bề mặt bằng giấy ráp (No 400) hoặc tiện lại bề mặt
Bước 4 Kiểm tra độ đảo của cổ góp
- Đặt cổ góp lên các khối V
- Dùng đồng hồ so, kiểm tra độ đảo
- Độ đảo lớn nhất: 0.05 mm (0.00197 in.)
- Nếu độ đảo lớn hơn giá trị lớn nhất, hãy thay thế cụm rôto
Bước 5 Dùng thước cặp, đo đường kính cổ góp Đường kính tiêu chuẩn: 28.0 mm (1.1024 in.) Đường kính nhỏ nhất: 27.0 mm (1.0630 in.)
Nếu đường kính nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất, hãy thay thế cụm rôto
Bước 6 Kiểm tra rằng phần rãnh cắt giữa các rãnh cổ góp là sạch và đo độ sâu của rãnh
Chiều sâu rãnh cắt tiêu chuẩn: 0.6 mm (0.0236 in.)
Chiều sâu rãnh cắt nhỏ nhất: 0.2 mm (0.00787 in.)
Nếu độ sâu rãnh cắt nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất, hãy điều chỉnh nó bằng cách sử dụng cưa
3.3.5 Kiểm tra cụm ly hợp máy khởi động
Khi kiểm tra ly hợp máy khởi động, hãy giữ nó và quay bánh răng chủ động theo chiều kim đồng hồ để đảm bảo nó quay tự do Tiếp theo, thử quay ngược lại để xác nhận rằng nó bị khoá lại Nếu không đạt yêu cầu, cần thay thế ly hợp máy khởi động.
3.3.6 Kiểm tra cụm càng máy khởi động
Bước 1 Dùng một Ômkế, kiểm tra điện trở giữa cực C và dây dẫn chổi than stato Điện trở tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn Cực C – Dây dẫn chổi than Dưới 1 Ω Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm stato máy khởi động
Bước 2 Dùng một Ômkế, đo điện trở giữa dây chổi than và thân máy khởi động Điện trở tiêu chuẩn:
Nối dụng cụ đo Điều kiện tiêu chuẩn Dây dẫn chổi than – Thân 10 kΩ trở lên Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay cụm stato máy khởi động
Dùng thước cặp, đo chiều dài của chổi than
Chiều dài tiêu chuẩn: 14 mm (0.5511 in.)
Chiều dài nhỏ nhất: 9 mm (0.3543 in.)
Nếu chiều dài của chổi than nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất, hãy thay cụm giá đỡ chổi than và cụm stato máy khởi động.
Thông số sửa chữa máy khởi động xe Corolla Altis 2018
Nội dung kiểm tra Điều kiện Giá trị tiêu chuẩn
Máy khởi động Cường độ dòng điện tiêu chuẩn
Từ 90 A trở xuống với điện áp 11.5 V
Role máy khởi động Điện trở tiêu chuẩn
Dưới 1 Ω (Khi điện áp ắc quy được cấp đến chân 1 và 2) Điện trở của cụm rôto máy khởi động Đầu cổ góp Dưới 1 Ω
Cổ góp và lõi rôto của máy khởi động có điện trở từ 10 kΩ trở lên Đường kính tiêu chuẩn của cổ góp trong cụm rôto là 28.0 mm (1.1024 in.), trong khi đường kính nhỏ nhất là 27.0 mm (1.0630 in.) Điều này liên quan đến điện trở của cụm stato trong máy khởi động.
Cực C - Dây dẫn chổi than stato Dưới 1 Ω Đầu chổi than - Càng máy khởi động 10 kΩ trở lên
Chiều dài chổi than Chiều dài tiêu chuẩn 14 mm (0.5511 in.)
Chiều dài tối thiểu của điện trở cụm giá đỡ chổi than máy khởi động là 9 mm (0.3543 in.), với điện trở tiêu chuẩn từ 10 kΩ trở lên Điện trở của cụm công tắc từ máy khởi động cũng cần được lưu ý.
Cực 50 – cụm công tắc từ máy khởi động Dưới 2 Ω
