ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЯГОВОГО РЕЛЕ АВТОМОБИЛЬНОГО СТАРТЕРА

RESEARCH ON IMPROVING THE TRACTION RELAY OF ELECTRIC AUTOMOTIVE STARTER

Sergey Feofanov

assistant professor of Moscow automobile and road construction state technical university (MADI)

Russia, Moscow

Pavel Bukhteev

head of laboratory of FSUE NIIAE

Russia, Moscow

Ivan Denisov

student of MADI

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Тяговое реле имеет большие габаритные размеры относительно современных редукторных стартеров. Применяемая конструкция тягового реле содержит ряд недостатков, не позволяющих уменьшить его габаритные размеры и увеличить эффективность электропусковой системы автомобиля в целом. В статье рассматривается новый метод включения тягового реле и конструкция, позволяющая снизить его габаритные размеры и повысить КПД и надежность.

ABSTRACT

The traction relay has large overall dimensions with respect to modern starters with a reducer. The applied design of the traction relay contains a number of disadvantages that do not allow to reduce its overall dimensions and increase the efficiency of the car's electric start system as a whole. In this article, we consider a new method for i switch connection a traction relay and a design that allows reducing its overall dimensions and increasing efficiency and reliability.

Ключевые слова: тяговое реле; пуск ДВС; электрический стартер; технология; конструкция; электрооборудование автомобиля.

Keywords: Traction relay; engine start; electric starter; technology; design; automotive electrical equipment.

Введение

Стремительный рост численности населения и повышение темпов технического прогресса приводит к необходимости решать вопросы по улучшению экологических условий, снижению дефицита энергоресурсов и их рациональному использованию. Поэтому общемировые тенденции показывают увеличение общего числа автомобильных транспортных средств (АТС) с комбинированными энергетическими установками (гибридным приводом) и электромобилей. Несмотря на это, прогнозируется, что к 2100 году доля АТС с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) на общемировом рынке составит почти 45% [3]. В качестве основного способа запуска ДВС используют стартерный электродвигатель. Теоретически существуют способы пуска ДВС с непосредственным впуском топлива без стартерного электродвигателя на основе информации при останове о точном положении поршней и необходимой фазы газораспределения. Данный принцип для более быстрого пуска в системе «старт-стоп» использует компания Mazda с системой i-stop [5], тем самым снижая нагрузку на стартер и уменьшая время пуска до 0,35 сек. (в обычной системе время составляет 0,8-1,5 сек.) [2]. Указанная технология не позволяет полностью отказаться от стартера, поэтому вопросы совершенствования конструкции актуальны и востребованы.

На данный момент в конструкции автомобилей для пуска ДВС уже широко используются стартеры с высококоэрцитивными магнитами в редукторном и безредукторном исполнении. Такие конструктивные изменения, в сочетании с увеличением линейных нагрузок на ротор, позволили уменьшить габариты и массу стартеров в 1,5-2 раза, при этом диаметр корпуса уменьшился до 75-80 мм.

Несмотря на новые технологии, тяговые реле новых стартеров не претерпели соответствующих изменений, сохранив габаритные размеры 50-60 мм для легковых автомобилей. В первую очередь, это связано с сохранением нагрузок для перемещения и удержания в рабочем положении рычажного механизма, вводящего в зацепление с маховиком ДВС шестерни стартера. Однако существуют способы совершенствования конструкции тягового реле с целью уменьшения его габаритных размеров и массы с сохранением всех функциональных параметров.

Анализ способов совершенствования конструкции тягового реле

В традиционной конструкции тягового реле стартера применяется тяговое реле с двумя параллельными обмотками с равным числом витков (w₁=w₂): втягивающая (ВО) и удерживающая (УО) [4]. Принцип функционирования типовой схемы тягового реле стартера с двумя обмотками проиллюстрирован на рис. 1-2.

Рисунок 1. Схема включения тягового электромагнитного реле стартера с двумя обмотками с равным числом витков w₁=w₂: а) момент включения замка зажигания; б) включение силовых контактов; в) выключение замка зажигания.

При пуске ДВС водитель поворачивает ключ в замке зажигания и замыкает контактную группу K1 (клемма «50» на автомобиле) (рис. 1, а). В этот момент создаётся намагничивающая сила обмоток w₁ (ВО) и w₂ (УО), которая приводит в движение шток тягового реле в сторону силовой медной контактной группы тягового реле и при помощи рычажного механизма привода стартера вводит шестерню привода в зацепление с венцом маховика ДВС. В конце хода замыкаются силовые контакты тягового реле, и включается цепь питания стартера (рис. 1, б), тем самым приводя в движение его якорь и шестерню привода, расположенную на конце вала. Одновременно с этим обмотка ВО замыкается накоротк и ток через неё перестаёт протекать.

После пуска ДВС контакты К1 размыкаются и ток проходит последовательно через силовые контакты тягового реле, обмотки w₁ (ВО) и w₂ (УО) и параллельно стартерному электродвигателю. При этом направление тока в витках обмоток ВО и УО становится противоположным и намагничивающая сила оказывается равной нулю по причине равенства витков этих обмоток (рис. 1, в). Вследствие этого сердечник тягового реле размагничивается и возвратная пружина, воздействуя на рычажный механизм стартера, выводит его приводную шестерню из зацепления с венцом маховика [4].

Описанная схема, получившая широкое распространение, имеет ряд недостатков. Во-первых, для обеспечения полного равенства витков необходима дополнительная технологическая операция по выравниванию значения индуктивностей обмоток. Во-вторых, необходимость преодолевать усилие возвратной пружины влечет за собой увеличение числа витков и потребляемого тока для создания большей втягивающей силы, что снижает общий КПД стартерного электродвигателя. Решение указанных проблем с одновременным уменьшением потребляемого тока, расхода обмоточного провода и, следовательно, габаритных размеров тягового реле, возможно при применении альтернативной схемы включения (рис. 2). Для более понятного описания примера работы новой схемы приведем его с абсолютными значениями  для редукторного стартера мощностью P=1 кВт от аккумуляторной батареи номинальным напряжением 12В и ёмкостью 60 А∙ч.

Эмпирически было установлено, что тяговое усилие на штоке в момент включения P=1,9 кг, а в момент шунтирования P=1,7 кг. Расчётными известными методами было определено, что для надежной работы при использовании провода диаметром 0,7/09 мм марки ПЭТ-155 ГОСТ-2773-85 число витков составит w₁= 150 и w₂=50. Соответственно, магнитодвижущая сила, созданная каждой из обмоток, будет различной и сила тока в w₂ будет ниже. Это позволит снизить потребляемую мощность тяговым реле и повысить КПД стартера в целом на 3-5%.

Рисунок 2. Схема работы тягового реле стартера с различным числом витков.

Схема на рис. 2 работает следующим образом. В исходном положении схема находится в состоянии покоя и не потребляет энергию (рис. 2, а). При замыкании контактов в замке зажигания К1 (рис. 2, б), аналогично схеме на рис.1, проходящий через обмотки w₁ и w₂ ток создаёт намагничивающую силу, и центральный шток втягивается внутрь тягового реле, приводя в движение рычажный механизм с приводной шестерней и обгонной муфтой. После замыкания силовых контактов тягового реле (рис. 2, в) обмотка w₂ шунтируется (I₂=0), а обмотка w₁ с большим числом витков и магнитодвижущей силой продолжает удерживать в зацеплении приводную шестерню стартера с венцом маховика. После пуска ДВС, наоборот, обмотка w₁ шунтируется (I₁=0), а в обмотке w₂ появляются ток и противоположно направленная намагничивающая сила, выталкивающая с помощью рычажного механизма шестерню привода стартера из зацепления.

Таким образом, обеспечение принудительного вывода из зацепления шестерни при помощи только электромагнитных сил дает возможность отказаться от возвратной пружины и упростить конструкцию тягового реле. Эпюры тяговых усилий, соответствующих режимам работы (рис. 2, б-г), показаны на рис. 3. При расчёте КПД обмоток было принято равным 0,8. Удерживающее усилие в момент запуска двигателя составляет P₂=19,4 кг, а усилие, возвращающее шток в исходное положение, Pк= -8,4 кг.

Рисунок 3. Эпюры тяговых усилий на штоке тягового реле в кг: а) во время коммутации контактов замка зажигания и до замыкания силовых контактов тягового реле; б) после замыкания силовых контактов (обмотка w₂ шунтирована); в) после размыкания контактов в замке зажигания при возврате в исходное положение (обмотка w₁ оказывает выталкивающее воздействие).

При использовании данной схемы необходимо учитывать следующий конструктивно-технологический аспект. Магнитопровод тягового реле должен быть выполнен из магнитомягкого материала (желательно из стали 08Ю или 08Кп; Ст10; Ст20) и в работе не должен перенасыщаться от токовых нагрузок катушек. Толщину стенок корпуса реле для схемы (рис. 2) предлагается устанавливать из следующей зависимости:

                                                                 (1)

где: В_s(Тл),  – параметры материала магнитопровода,

 – расчетное значение МДС катушки при замкнутых основных контактах К1 (рис. 2, а),

 – КПД обмотки.

Следует отметить, что расположение (монтаж) тягового реле на корпусе стартера имеет существенный недостаток, связанный с невозможностью его ремонта или замены без демонтажа стартера с ДВС. Поэтому существуют конструктивные способы ввода в зацепления привода стартера без тягового реле [1], однако это приводит к большим конструктивным изменениям электродвигателя стартера и сложнее для внедрения. Указанный в настоящей статье способ совершенствования тягового реле возможен на существующей технологической базе. Конструкция и способ включения были экспериментально апробированы в лаборатории ФГУП НИИАЭ.

Выводы

Предложенный способ включения тягового реле стартера  обеспечивает:

1.  Более надежный вывод шестерни стартера из зацепления с венцом маховика ДВС после его запуска без использования возвратной пружины, а только за счёт создаваемого выталкивающего электромагнитного воздействия.
2. Вследствие неравенства числа витков тягового реле w₁≠ w₂ (число витков w₂ в 3 раза меньше) уменьшаются габаритные размеры, масса, расход медного обмоточного провода и потребляемый ток.
3. Новая схема не требует корректировки расчетных значений чисел витков в катушках, обеспечивая тем самым более точное решение конструкторско-технологической задачи при расчете и проектировании тяговых реле стартеров

Список литературы:

1. Бухтеев П.И., Феофанов С.А. Устройство включения привода автомобильного стартера и электрических машин с постоянными магнитами // Патент РФ №RU 2 410 584 C1. – 2011.
2. Марсов В.М., Фещенко А.И., Феофанов С.А. Тенденции развития электропусковой системы и системы электроснабжения в автомобилях // Сб. науч. трудов «Новые технологии в автоматизации управления» МАДИ (ГТУ). – М., 2007.
3. Планы Штутгарта до 2100 года (перспективы развития Daimler AG) // Коммерческий транспорт. – 2008. – № 1. – С. 28-34.
4. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учебник для вузов / В.Е. Ютт. – М.: Горячая линия – Телеком, 2017. – 440 С.
5. Kremer M. In-market Application of Start-Stop Systems in European Market / M. Kremer, T. Hülshorst – FEV Global Report [Электронный ресурс]  – URL: http://www.theicct.org/sites/default/files/FEV_LDV%20EU%20Technology%20Cost%20Analysis_StartStop%20Overview.pdf  (дата обращения: 04.07.2017).