История изобретения стартера

Размещено на http://www.allbest.ru/

История изобретения стартера или Cherchez lafemine Ищите женщину(франц). Смысл выражения: к любому поступку мужчины так или иначе причастна женщина.

Введение

О попытках придумать автоматический пуск двигателя внутреннего сгорания существует множество рассказов, столь же неправдоподобных, сколь увлекательных. Но правда состоит в том, что уже в начале прошлого века многие автомобилестроители ломали голову над тем, как заменить заводную рукоятку. Одни экспериментировали со сжатым воздухом, во время работы двигателя накапливавшемся в специальном резервуаре. Другие с той же целью надеялись использовать выхлопные газы. Третьи испытывали механизмы со спиральной пружиной наподобие часовой. Электрический пуск никто всерьез не воспринимал: тогдашние электромоторы своими размерами едва не превышали двигатель, который должны были завести.

В июле 1910 года Байрон Джон Картер, президент компании Kartercar и хороший друг основателей «Кадиллака», Леланда-отца и Леланда-сына, скончался от увечья, полученного при попытке помочь незнакомой даме завести заглохший Cadillac. Разнервничавшаяся владелица забыла о регулировке зажигании (на руле был специальный рычажок, с помощью которого при запуске устанавливался больший угол опережения), а галантный Картер счел неудобным ее проконтролировать. Машина взревела, и выскочившая заводная ручка попала Картеру прямо в темечко. Картер был далеко не последней жертвой заводной рукоятки, но именно его смерть подвигла убитых горем Леландов на разработку ее электрической замены.

Предыстория стартера, или коварство заводной ручки

Для того чтобы двигатель внутреннего сгорания заработал, его нужно раскрутить до частоты запуска, используя внешний источник энергии. До изобретения электрического стартера таким источником энергии был человек, вернее его мускульная сила. Автолюбитель начала двадцатого века вращал коленвал при помощи пусковой/заводной ручки, это было крайне неудобно, трудно и сопряжено с определенной долей опасности, что подтверждают сотни сломанных пальцев и вывихнутых запястьев. Кроме того ручной запуск мощных двигателей с высокой степенью сжатия требовал от автовладельца хорошей физической подготовки. Возникла потребность в нетравмоопасном и простом в эксплуатации устройстве для запуска двигателя. В 1899 году Клайд Коуман (Clyde Coleman) первым предлагает использовать электрический пускатель, но конструкция стартера оказалась «сырой», имела ряд недостатков и не вызвала должного интереса у американских автопромышленников.

Гениальный изобретатель и дальновидный промышленник

Как раз в это время на горизонте появился Чарльз Кеттеринг, молодой инженер из Огайо, придумавший электродвигатель для кассовых аппаратов фирмы National. Мировой рынок был переполнен кассами с ручным приводом, и чтобы заставить покупателей раскошелиться, нужен был принципиально новый вид продукции. Электромоторчик пришелся как нельзя кстати. Электродвигатели, вписывающиеся в габариты кассового аппарата, были слишком слабы, чтобы работать без перегрева. Но Кеттеринг правильно учел, что для работы кассы достаточно нескольких оборотов мотора, а в промежутках между включениями двигатель успеет охладиться. Он изготовил небольшой электромотор, поставил его на место ручки, и касса заработала. Моторчик питался от любого напряжения - от 32 до 220 вольт - и разошелся по всем странам мира. Ту же идею Кеттеринг использовал и в автомобильных стартерах. Собрав в машиностроительной лаборатории General Motors сравнительно небольшой и слабый мотор, он в конце июля 1912 года привез его в Детройт, где стартер был немедленно установлен на автомобиль. Важно, что у Кеттеринга электромотор входил в зацепление не с коленчатым валом двигателя, а с зубцами маховика, что значительно снижало требования к его мощности. А проблема перегрева решалась, как и в кассах - за короткое время пуска электродвигатель просто не успевал нагреться. На испытание были приглашены все участники работ над электрическим пуском. Стартер работал на все сто. Однако Леланду и Кеттерингу стоило огромных трудов убедить руководство GM в работоспособности прибора: вся верхушка компании дружно считала, что неудача здесь означает слишком большой риск для GM, а малогабаритному электродвигателю не под силу завести кадиллаковский мотор. На это Леланды резонно возразили, что чем за глаза хаять, лучше приходите и посмотрите сами. Факты вещь упрямая. Стартер работал, и не согласиться с этим было невозможно. Свидетельство Королевского автомобильного клуба Великобритании и Ирландии под номером 353 от 3 августа 1912 года сообщало: «Стартовое устройство «Кадиллака» состоит из электрического генератора, приводимого во вращение двигателем автомобиля. Генератор заряжает 24-вольтовую аккумуляторную батарею. При запуске стартер временно подключается к батарее, приводясь в это время педалью сцепления в зацепление с зубцами по периметру маховика коленчатого вала. При отпущенной педали сцепления и заведенном двигателе электромотор отсоединяется от маховика». Королевский автомобильный клуб отобрал два автомобиля для испытаний. Стартер первого запускал двигатель в среднем за 3 секунды, второго - за 4,2. Каждый автомобиль был испытан на 1000 стартов. Стартер получил путевку в жизнь.

Первым по достоинству изобретение оценил Генри Лиланд (Henry Leland) -- основатель автогиганта Cadillac. И в 1912 году в серийное производство запускается автомобиль Cadillac Model Thirty, в котором коленвал двигателя раскручивался стартером Кеттеринга. Что касается остальных автокомпаний, то они довольно скептически отнеслись к электрическому пуску, например, массовый автомобиль тех лет «Жестянка Лиззи» -- Ford Model T вплоть до 1919 года комплектовался лишь заводной ручкой. И только с 1920 года автопроизводители стали инсталлировать в пусковую систему двигателя электрический стартер.

Cadillac Model Thirty первый в мире автомобиль, в котором запуск двигателя производится электрическим стартером конструкции инженера Чарльза Кеттеринга. Абсолютно любой человек, независимо от физической силы или материального достатка, может легко запустить автомобиль с двигателем внутреннего сгорания без заводной ручки. Стоимость Model Thirty 1800$», -- так гласила рекламная брошюра 1912 года.

В 2012 году стартеру исполнилось 100 лет.

Стартер и генератор теперь порознь

Стоит отметить одно интересное событие, произошедшее в 1916 году, американский инженер Винсент Гуго Бендикс (Vincent Hugo Bendix) предложил использовать в конструкции стартера особую обгонную муфту, назначение которой предотвращать передачу вращающего момента от ведомого вала обратно к ведущему, если ведомый начинает крутиться быстрее. Это новшество сняло со стартера функцию генератора и в электрооборудовании автомобиля появились два обособленных устройства: источник энергии при работающем двигателе -- генератор и потребитель энергии -- стартер.

Как работает стартер

Большинство систем пуска двигателей внутреннего сгорания содержат электродвигатель постоянного тока (двигатель стартера) с питанием от аккумуляторной батареи автомобиля, механизм включения, устройство управления и соответствующую электропроводку. Так как частота вращения коленчатого вала двигателя, необходимая для его пуска (для бензиновых двигателей около 60-100 мин-1, для дизельных двигателей около 80-200 мин-1, намного ниже, чем частота вращения двигателя стартера, привод от стартера к двигателю осуществляется посредством пары шестерен (шестерня на валу стартера и зубчатый венец маховика двигателя) с передаточным отношением от 10:1 до 20:1.

Влияющие переменные

Величина крутящего момента на коленчатом валу двигателя и минимальная частота его вращения, необходимые для пуска двигателя, зависят от типа двигателя, его рабочего объема, числа цилиндров, степени сжатия, потерь на трение, дополнительных нагрузок, создаваемых при работе двигателя, системы управления подачей топлива, сорта используемого масла и температуры двигателя.

Потребные значения крутящего момента и частоты вращения для пуска двигателя возрастают при снижении температуры, что ведет к необходимости повышения мощности стартера. Минимальная температура, при которой обеспечивается пуск двигателя, является основным фактором, определяющим потребную мощность при пуске.

Стартеры

Рис. 1. Стартер состоит из электродвигателя, шестеренчатого привода, обгонной муфты (муфты свободного хода). 1 - соленоид и пусковое реле; 2 - рычаг включения стартера; 3 - обгонная муфта с ведущей шестерней; 4 - шестеренчатый редуктор (планетарная передача); 5 - якорь; 6 - постоянные магниты

Шестерня на валу электродвигателя стартера сначала начинает взаимодействовать с зубчатым венцом маховика двигателя. После пуска двигателя частота вращения шестерни стартера становится выше частоты вращения вала электродвигателя стартера, что может привести к выходу стартера из строя из-за возникающего центробежного усилия. Для предотвращения этого нежелательного явления между шестерней стартера и его якорем устанавливается обгонная муфта, которая отключает стартер от двигателя, как только частота вращения коленчатого вала начинает превышать частоту вращения вала стартера.

Электродвигатель стартера

В большинстве случаев в стартере применяется электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, характеризуемый высокой частотой вращения без нагрузки, что поддерживает необходимую частоту вращения коленчатого вала двигателя во время его пуска. Прогресс, достигнутый в сфере технологии производства ферритов, позволяет использовать в стартерах электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, стойких к размагничиванию. Стартеры с якорями, вращающимися с более высокими скоростями, но развивающими меньший крутящий момент, имеют меньшие размер и массу. Для них становится возможным увеличение передаточного отношения между двигателем и якорем стартера. Диаметр зубчатого венца маховика не может быть увеличен и поэтому увеличение этого передаточного отношения осуществляется путем использования дополнительной передаточной ступени (стартеры с шестеренчатым редуктором).

Виды стартерных приводов

Рис. 2. Стартер с инерционным приводом: 1 - выключатель стартера: 2 - пусковое реле; 3 - обмотка возбуждения; 4 - зубчатый венец маховика двигателя; 5 - шестерня стартера с обгонной муфтой; 6 - спиральные шлицы; 7 - якорь; 8 - аккумуляторная батарея

Инерционный привод, применяемый, например, в газонокосилках, является самой простой формой шестеренчатого привода. Обгонная муфта перемещается на валу якоря на спиральных шлицах при вращении этого якоря. При включении стартера ненагруженный якорь начинает свободно вращаться. При этом шестерня стартера и обгонная муфта еще не вращаются из-за своей инерции и выталкиваются вперед по шлицам. Как только шестерня входит в зацепление с зубчатым венцом маховика, она удерживается от вращения и проталкивается вперед еще дальше до контакта со стопорным кольцом. В это время крутящий момент от якоря электродвигателя стартера передается на двигатель через обгонную муфту, шестерню стартера и зубчатый венец маховика.

Как только коленчатый вал начинает вращать шестерню стартера со скоростью, превышающей скорость вращения якоря стартера, обгонная муфта прерывает передачу усилия от двигателя на эту шестерню и препятствует ускорению вращения якоря. При этом обгонная муфта и шестерня стартера перемещаются по спиральным шлицам вала назад. Этот процесс разъединения шестерни стартера и зубчатого венца маховика усиливается посредством возвратной пружины, которая обеспечивает удержание шестерни в положение разъединения от двигателя при неработающем стартере.

стартер изобретение кеттеринг бендикс

Рис. 3. Стартер с приводом предварительного включения: 1 - выключатель стартера; 2 - пусковое реле; 3 - обмотка возбуждения; 4 - возвратная пружина; 5 - рычаг включения; 6 - зубчатый венец маховика двигателя; 7 - шестерня стартера с обгонной муфтой; 8 - буферная пружина; 9 - спиральные шлицы; 10 - якорь; 11 - аккумуляторная батарея; Е, Н - обмотки

В стартерах такого типа зацепление шестерни стартера с зубчатым венцом маховика двигателя обеспечивает соленоид, имеющий контакты включения стартерного тока. При замыкании выключателя стартера ток поступает в обмотку Н (см. рис. внизу), течет по цепи с последовательно включенными в нее втягивающей обмоткой Е и электродвигателем стартера. Соленоид захватывает обгонную муфту и шестерню и перемещает их вперед посредством рычага включения и буферной пружины.

Если зубья шестерни оптимально входят во впадины между зубьями венца маховика, контактный мостик пускового реле замыкает контакты и на электродвигатель стартера начинает поступать полное напряжение. Если зубья шестерни не сразу входят во впадины между зубьями венца маховика, рычаг включения сжимает буферную пружину, контакты реле замыкаются и электродвигатель проворачивает шестерню до тех пор, пока ее зубья не войдут в зацепление с зубьями венца маховика и буферная пружина не сместит шестерню и обгонную муфту вперед.

При прекращении подачи тока к обмотке соленоида возвратная пружина перемещает сердечник соленоида и шестерню вместе с обгонной муфтой в их первоначальное положение.

Рис. 4. Стартер со скользящей шестерней: 1 - выключатель стартера; 2 - управляющее реле: 3 - разобщающий рычаг; 4 - шестерня; 5 - зубчатый венец маховика; 6 - переключающий контакт; 7 - соленоид; 8 - сериесная обмотка; 9 - шунтовая обмотка; 10 - аккумуляторная батарея; Н, Е - обмотки

При замыкании контактов выключателя стартера напряжение аккумуляторной батареи поступает в цепь удерживающей обмотки Н (см. рис.) соленоида и управляющего реле. Реле начинает работать, но удерживается в первом контактном положении (первая стадия) посредством разобщающего рычага и фиксатора. Напряжение аккумуляторной батареи прикладывается к втягивающей обмотке Е соленоида и шунтовой обмотке электродвигателя, которые соединены между собой параллельно и последовательно с якорем. Стартер начинает вращаться, но развивает только небольшой крутящий момент из-за высоких сопротивлений в обмотках, соединенных последовательно с обмоткой якоря. Соленоид одновременно с этим смещает шестерню стартера в направлении зубчатого венца маховика и вскоре после окончания зацепления освобождается заблокированное управляющее реле, которое сразу же перемещается во второе контактное положение (вторая стадия). Пусковой ток начинает проходить через сериесную обмотку и якорь. Переключающий контакт на соленоиде соединяет шунтовую обмотку параллельно якорю и сериесной обмотке.

Виды обгонных муфт

Рис. 5. Обгонная муфта роликового типа

Стартеры небольшого и среднего размеров обычно снабжаются обгонными муфтами, в которых ролики с помощью пружин отжимаются в клинообразные выемки между наружной обоймой муфты и ее внутренней обоймой (валом шестерни). Когда стартер начинает работать, крутящий момент усиливает эффект заклинивания роликов и это-момент передается от наружной обоймы на вал шестерни.

Когда крутящий момент меняет свой знак на противоположный, ролики выходят из клинообразных выемок, и шестерня начинает вращаться свободно.

Рис. 6. Многодисковая обгонная муфта: 1 - ведущий вал (соединен с шестерней стартера): 2 - нажимная пружина: 3 - ведущий элемент с наружными дисками; 4 - внутренняя муфта с внутренними дисками: 5 - спиральные шлицы; 6 - ведущий фланец (связан с якорем электродвигателя стартера)

Используется в стартерах грузовых автомобилей. Ведущий элемент с наружными дисками соединен с якорем стартера, вал и шестерня стартера принудительно соединены друг с другом. Внутренне диски размещены в направляющей внутренней муфты, которая может перемещаться в радиальном направлении п спиральным шлицам ведущего вала. В условиях отсутствия нагрузки диски ежи маются пружиной с небольшой силой, что позволяет передавать через муфту толь ко незначительный крутящий момент При увеличении нагрузки внутренняя муфта перемещается спиральными шлицами в направлении нажимной пружинь сжимая ее и обеспечивая одновременно этим более сильное сжатие дисков. Многодисковая обгонная муфта может передавать повышенный крутящий момент при увеличении нагрузки стартера.

Рис. 7. 1 - шестерня стартера; 2 - сухарь; 3 - радиальные зубья; 4 - разъединяющее кольцо; 5 - гайка полумуфты; 6 - пружина; 7 - спиральные шлицы; 8 -- резиновый буфер; 9 - втулка; 10 - шлицы

Применяется в стартерах грузовых автомобилей. Муфта соединена с валом якоря, перемещаясь в осевом направлении (операция зацепления) за счет взаимодействия шлицев вала и втулки. Наружная поверхность втулки выполнена со спиральными шлицами и обеспечивает передачу крутящего момента к гайке полумуфты, которая затем передает этот момент к шестерне стартера через зубья пилообразной формы. После начала работы двигателя шестерня стартера завинчивает гайку полумуфты в обратном направлении через мелкопрофильные зубья и прерывает передачу усилий. Разъединяющее кольцо при этом также сдвигается назад и удерживается в разъединяющем положении сухарями. Центробежное усилие, создаваемое сухарями при малых скоростях вращения шестерни стартера, недостаточно для удержания обгонной муфты в положении разъединения, и пружина снова обеспечивает введение полумуфты в зацепление.

Защита стартера

После продолжительной работы стартера, например, при пуске двигателя в условиях низких температур, он должен выключаться для охлаждения. В стартерах больших размеров используются термовыключатели (встраиваемые в угольные щетки электродвигателя). В стартерных системах с дистанционным управлением (на автобусах с задним расположением двигателя, электрогенераторах, используемых в аварийных ситуациях, дизельных двигателях тепловозов и т.п.) процесс пуска не может всегда контролироваться водителем автомобиля.

Ошибки при управлении такими операциями могут привести к повреждению стартера или зубчатого венца маховика двигателя.

Реле блокировки включения стартера. Это реле блокирует случайное включение стартера при уже работающем двигателе и предотвращает слишком продолжительное действие стартера после запуска двигателя. В качестве индикатора пуска двигателя используется напряжение генератора, которое при этом возрастает. После выключения зажигания генератор больше не создает нужного напряжения; в этом случае таймер, встроенный в реле, блокирует любые попытки повторного включения стартера в течение нескольких секунд.

Реле повторного включения. Это реле предотвращает выполнение операций по запуску двигателя, если шестерня все еще не вошла в зацепление с зубчатым венцом маховика, но стартер остается включенным. Реле прерывает поступление тока в обмотки.

Рис. 8. Реле повторного включения

Заключение

Подытоживая рассказ об истории изобретения стартера, давайте еще раз вспомним гениальных личностей, подаривших пусковой системе автомобильного двигателя электрический стартер:

Чарльз Франклин Кеттеринг (1876-1958 гг.) -- американский изобретатель, инженер, предприниматель и обладатель 186 патентов. Он был одним из основателей компании Delco, руководил исследованиями для General Motors в течение 27 лет с 1920 по 1947 год. Среди его наиболее известных изобретений -- электрический стартер, автомобильный высококомпрессионный двигатель, высокоскоростной двухцилиндровый двигатель, этилированный бензин, хладагент фреона для систем охлаждения и кондиционирования воздуха, технология производства быстросохнущих лаков и эмалей для конвейерной покраски автомобилей. В 1927 году изобретатель основал научный фонд Kettering Foundation, который существует и по сегодняшний день.

Генри Мартин Лиланд (1843-1932 гг.) -- американский инженер, изобретатель и промышленник, основатель автомобильных концернов Cadillac и Lincoln. Особое внимание уделял точности обработки деталей и их взаимозаменяемости. Генри Лиланд много сделал для усовершенствования автомобилей: он первый установил на своих автомобилях электрический стартер и восьмицилиндровый двигатель оригинальной V-образной формы, первый в мире запустил в серийное производство автомобиль с металлической крышей (до этого крыши были деревянными).

Винсент Гуго Бендикс (1881-1945 гг.) -- американский изобретатель и промышленник, пионер в области автомобильной и авиационной промышленности, внес значительный вклад в развитие этих отраслей. В 1910 году Винсент Бендикс сконструировал и запатентовал особую обгонную муфту, впоследствии, названную в его честь -- это изобретение сделало электрический стартер более практичным для запуска автомобильных двигателей, а затем и авиационных. Основал компанию Bendix, которая просуществовала до 1983 года.

Размещено на Allbest.ru