«Лабораторная работа № 1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Цель работы: изучение принципа действия, конструкции, оценки ...»

Лабораторная работа № 1

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ,

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Цель работы: изучение принципа действия, конструкции, оценки

технического состояния, приемов технического обслуживания автомобильных аккумуляторных батарей (АКБ).

Основные этапы работы:

1. Внеаудиторная подготовка с целью изучения химических процессов, принципа действия, конструкции и приемов технического обслуживания и контроля параметров аккумуляторных батарей (АКБ).

2. Изучение конструкции аккумуляторных батарей в лаборатории и оценка состояния элементов аккумулятора, представленных на демонстрационном стенде.

3. Обработка полученных в лаборатории данных и составление отчета.

4. Защита лабораторной работы.

Программа работы:

1. Внеаудиторная подготовка к работе в лаборатории.

1.1. Используя конспекты лекций, учебники, дополнительный методический материал, приведенный в настоящем руководстве, изучить:

– назначение аккумуляторных батарей;

– химический состав электродов и электролита аккумуляторов;

– конструкцию аккумуляторных батарей;

– химические реакции, проходящие на положительном и отрицательном электродах аккумулятора;

– процессы, происходящие в аккумуляторе на микроскопическом и макроскопическом уровнях при нарушении нормальной работы аккумуляторных батарей;

– основные параметры свинцовых стартерных аккумуляторных батарей и методы их контроля;

– способы заряда аккумуляторов;

– технологию хранения и ввода в эксплуатацию свинцовых аккумуляторных батарей.

1.2. В процессе подготовки к работе в лаборатории подготовить ответы на контрольные вопросы.

2. Работа в лаборатории.

2.1. Ознакомиться с расположением элементов АКБ на демонстрационном стенде.

2.2. Ознакомиться с внешним видом и конструкцией электродных пластин, предназначенных для установки в аккумулятор. Обратить внимание на цвет пластин.

2.3. Осмотреть конструкцию полублока положительных пластин АКБ, бывшей в эксплуатации.

2.4. По внешнему виду проанализировать состояние и конструкцию полублока отрицательных электродных пластин аккумуляторной батареи.

2.5. Ознакомиться с конструкцией сепараторов.

2.6. Ознакомиться с конструкцией корпуса АКБ, используя ее часть, представленную на демонстрационном стенде.

2.7. Проанализировать взаимное расположение и количество отрицательных и положительных электродных пластин, сепараторов в аккумуляторе.

2.8. Ознакомиться со способом соединения электродных пластин в одном блоке электродов АКБ.

2.9. Ознакомиться с конструкцией полюсных выводов аккумуляторной батареи.

2.10. Изучить химические процессы, происходящие при заряде и разряде АКБ, таблицы режимов заряда и плотности электролита аккумулятора.

2.11. Полученные в лаборатории сведения записать в тетрадь для последующего использования в отчете.

3. Обработать полученные в лаборатории сведения и составить отчет.

4. Защитить лабораторную работу.

Методические указания К АКБ относят электрические элементы, способные накапливать и отдавать электрическую энергию во внешнюю электрическую цепь за счет электрохимических процессов, связанных с изменением химического состава активных масс электродов.

Химические основы работы аккумуляторов При введении металлического электрода в электролит ионы последнего проникают к поверхностным атомам электрода. При этом положительные ионы электролита стремятся осесть на электрод. Такая способность электролита называется осмотическим давлением.

Отрицательные ионы электролита притягивают атомы металла и стремятся перевести их в электролит. Способность металлов растворяться в электролите под действием его отрицательных ионов называется электролитической упругостью растворения.

Если упругость больше осмотического давления, то ионы металла входят в электролит и заряжают его положительно (электрод в этом случае заряжен отрицательно). В результате между электродом и электролитом возникает разность потенциалов, значение которой ограничивается тем, что на ионы металлов, перешедшие в электролит, действуют силы электронов, оставшихся в металле. По мере перехода ионов металла в электролит эти силы возрастают и уравновешивают избыточные силы упругости растворения. Если осмотическое давление больше сил упругости растворения, то положительные ионы оседают на электроде и заряжают его положительно. Между электродом и электролитом возникает определенная разность потенциалов обратной полярности. Очевидно, что если силы осмотического давления и упругости растворения равны, разность потенциалов между электродом и электролитом не образуется.

Возникающая разность потенциалов не может быть использована для получения электрического тока, т.к. если в электролит опустить электрод из того же металла, то разность потенциалов будет равна нулю.

Для получения тока в электролит необходимо поместить еще один электрод с другой электролитической упругостью растворения, т.е. из другого металла.

Система из электролита с двумя введенными в него электродами из металлов с различной электролитической упругостью растворения и представляет собой гальванический элемент – источник электродвижущей силы (ЭДС). Гальванические элементы работают за счет собственной химической энергии, поэтому химические источники характеризуются не мощностью, а емкостью:

Q = Iрtр, где Q – емкость гальванического элемента, Iр – разрядный ток, А, tр – продолжительность разряда, час.

В реальных аккумуляторах в качестве электродов применяют пластины специальной конструкции, в большинстве случаев решетчатого типа. Основание электродов изготавливают из сплава свинца и сурьмы (для механической прочности). Ячейки заполняют пастой из порошкообразных окислов свинца на слабом растворе серной кислоты. Для положительных пластин используют свинцовый сурик, а для отрицательных пластин используют свинцовый глет Pb3O4. После просушки паста приобретает пористость, чем достигается большая емкость аккумуляторов. Высушенные пластины подвергаются формовке (длительному заряду) в специальном электролите. В результате сурик превращается в двуокись свинца PbO2, а свинцовый глет в чистый свинец. Это соответствует заряженному аккумулятору.

После формовки пластины или разряжают или оставляют заряженными. В любом случае их тщательно высушивают, а затем собирают в блоки.

Химические процессы в свинцово-кислотных аккумуляторах В качестве электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах используется серная кислота, которая в воде ассоциирует и диссоциирует, т.е. H2SO42H++SO42У заряженного аккумулятора положительная пластина представляет собой двуокись свинца PbO2, а отрицательная пластина губчатый свинец Pb.

При разряде у отрицательной пластины проходит электрохимическая реакция вида:

Pb + SO42– PbSO4 + 2е, а у положительной пластины PbO2 + 2e + 4H+ + SO42– PbSO4 + 2H2O.

Суммарная реакция при разряде аккумулятора имеет вид:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O.

При разряде активные массы пластин переходят в сернокислый свинец. Плотность электролита падает до 1,151,17 г/см3. Аккумуляторы не разряжают до полного перехода активной массы в сернокислый свинец, т.к. сернокислый свинец обладает большим сопротивлением, препятствующим осуществлению обратного процесса.

При заряде аккумулятора у отрицательной пластины проходит химическая реакция в результате которой сернокислый свинец распадается на ионы Pb2+ и SO42. Ион свинца, взаимодействуя с приходящими электронами, превращается в молекулу свинца. Ион SO42–, направляясь к положительной пластине, соединяется с двумя ионами водорода, образует молекулу серной кислоты H2SO4.

Химическая реакция у положительной пластины выглядит следующим образом:

В реакции участвует ион свинца Pb2+ и два иона кислорода 2О2 из диссоциированной молекулы воды. Свинец окисляется.

Кислородный остаток и ионы водорода образуют две молекулы серной кислоты Суммарная реакция при заряде аккумулятора:

Плотность электролита повышается. При достижении максимальной плотности начинается диссоциация воды, сопровождающаяся бурным выделением водорода.

Таким образом, окислительновосстановительные процессы при заряде и разряде могут быть описаны уравнением:

Бесполезная потеря какой-то части запасенной при заряде энергии или саморазряд аккумуляторов – явление неизбежное. Саморазряд происходит и в режиме разряда и в режиме покоя. Величину саморазряда определяют химическая система и конструкция АКБ. Важна температура, количество и свойство попавших в аккумулятор примесей. Трудно устранить такие причины разряда как существование разности потенциалов в самих пластинах (между активной массой пластин и металлом их основы). Действует и кислород воздуха на отрицательные пластины. Причинами саморазряда могут быть неравномерная плотность электролита, плохая изоляция пластин, загрязнение электролита, активной массы и дистиллированной воды вредными примесями. Саморазряд традиционной АКБ по ГОСТ 959-91Р при бездействии в течение 14 суток при температуре 20+50С не должен превышать 0,5% в сутки (7%), а после бездействия в течение 28 суток – 20% от номинальной емкости. Саморазряд необслуживаемой батареи в течение 90 суток после бездействия не должен превышать 0,11% в сутки (10%), а после бездействия в течение года – 40% от номинальной емкости.

Устройство автомобильных аккумуляторов и батарей Аккумуляторные батареи в автомобиле обеспечивают электропитание потребителей при недостаточной мощности, вырабатываемой генератором (например, при неработающем двигателе, при пуске двигателя, при малых оборотах двигателя).

Основными требованиями, предъявляемыми к автомобильным аккумуляторным батареям, являются:

– малое внутреннее сопротивление;

– большая емкость при малых объеме и массе;

– устойчивость к низкой температуре;

– простота обслуживания;

– высокая механическая прочность;

– длительный срок службы;

– незначительный саморазряд;

– невысокая стоимость.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют свинцово– кислотные аккумуляторные батареи.

АКБ по конструктивным признакам в соответствии с ГОСТ 959-91Е на три группы: 1) традиционные;

2) малообслуживаемые; 3) необслуживаемые.

Традиционные батареи собираются в корпусах с отдельными крышками и в корпусах с общей крышкой.

Традиционные батареи с отдельными крышками собираются в одном эбонитовом или пластмассовом сосуде – моноблоке, разделенном перегородками на отдельные ячейки по числу аккумуляторов (в просторечии – банок) в батарее. В каждой ячейке помещен электродный блок, состоящий из чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами. Сепараторы служат для предотвращения замыкания электродов, но при этом за счет своей пористости способны пропускать через себя электролит. Электроды устанавливаются на опорные призмы, что предотвращает замыкание разноименных электродов через шлам, накапливающийся в процессе эксплуатации на дне моноблока.

Сверху электродного блока устанавливается перфорированный предохранительный щиток, защищающий верхние кромки сепараторов от механических повреждений при замерах температуры, уровня и плотности электролита.

Каждый аккумулятор батареи закрывается отдельной крышкой из эбонита или пластмассы. В крышке имеется два отверстия для вывода борнов электродного блока и одно резьбовое – для заливки электролита.

Резьбовое отверстие закрывается резьбовой пробкой из полиэтилена, имеющей небольшое вентиляционное отверстие, предназначенное для выхода газов во время эксплуатации. В новых сухозаряженных батареях вентиляционное отверстие закрыто приливом. После заливки электролита этот прилив следует срезать.

Соединение аккумуляторов в батарею осуществляется с помощью перемычек. К выводным бортам крайних аккумуляторов приваривают полюсные выводы для соединения батареи с внешней электрической цепью.

Диаметр положительного вывода больше, чем отрицательного. Это исключает неправильное подключение батареи. В некоторых случаях полюсные выводы имеют отверстия под болт.

Герметизация батареи в местах сопряжения крышек со стенками и перегородками моноблока обеспечивается битумной заливочной мастикой.

Традиционные батареи с общей крышкой изготавливают в пластмассовых моноблоках. Эластичность пластмассы позволяет соединять аккумуляторы в батарею сквозь отверстия в перегородках моноблока. Это делает возможным на 0,1…0,3 В повысить напряжение батареи при стартерном разряде и уменьшить расход свинца в батарее на 0,5…3 кг. Применение термопластичных пластмасс позволило значительно снизить массу корпуса батареи. Использование пластмассового моноблока и общей крышки позволило применить герметизацию батареи методом контактнотепловой сварки, что обеспечивает надежную герметичность при температурах от минус 50 до плюс 70°С.

На рисунке 1.1 приведена в разрезе конструкция аккумуляторной батареи типа 6СТ-55П, широко применяемая на автомобилях ВАЗ.

1 – корпус, 2 – крышка, 3 – положительный вывод, 4 – межэлементное соединение (баретка), 5 – отрицательный вывод, 6 – пробка заливной горловины, 7 – заливная горловина, 8 – сепаратор, 9 – положительная пластина, 10 – отрицательная пластина.

Рисунок 1.1 - Конструкция аккумуляторной батареи типа 6СТ-55П Аккумуляторная батарея состоит из шести последовательно соединенных аккумуляторов напряжением по 2В, размещенных в общем корпусе (моноблоке). Корпус 1 изготовлен из полипропилена и разделен непроницаемыми перегородками на шесть отсеков. Крышка 2, общая для всего корпуса, также изготовлена из полипропилена и приварена к корпусу ультразвуковой сваркой.

В каждом аккумуляторе находится набор положительных 9 и отрицательных 10 пластин. Пластины выполнены в виде решетки, отлитой из сплава свинца и сурьмы и заполненной пористой активной массой из свинца и свинцовых окислов. Пластины опираются на ребра (призмы) корпуса, и поэтому между дном и нижними кромками пластин имеется свободное пространство. Осыпающаяся с пластин активная масса (шлам) заполняет это пространство, не достигая нижних кромок пластин, что предохраняет их от короткого замыкания.

Пластины одинаковой полярности собираются в полублок и привариваются к бареткам 4, которые служат для крепления пластин и вывода тока. Из полублоков положительных и отрицательных пластин собирается блок с чередованием разноименных пластин. Для изоляции разноименных пластин друг от друга между ними установлены сепараторы 8 из микропористого поливинилхлорида.

Электролитом в аккумуляторе служит раствор серной кислоты в дистиллированной воде. При заряде батареи серная кислота электролита взаимодействует с активной массой пластин и превращает ее в сульфат свинца (белого цвета); при этом количество кислоты в электролите уменьшается, а его плотность снижается. При заряде батареи под действием проходящего через батарею зарядного тока происходит обратный процесс. Сульфат свинца в активной массе положительных пластин превращается в перекись свинца (коричневого цвета); при этом в электролит выделяется серная кислота, и его плотность увеличивается. Доливку дистиллированной воды производят по необходимости 12 раза в месяц.

В малообслуживаемых батареях содержание сурьмы в сплаве токоотводов снижено в 2-3 раза по сравнению с традиционными батареями. Ряд производителей к малосурьмяниистому свинцу добавляет различные легирующие вещества, в частности, серебро и селен. Это обеспечивает подзаряд батареи в интервале регулируемого напряжения практически без газовыделения. Вместе с тем скорость саморазряда необслуживаемой батареи снижена примерно в 5-6 раз.

Малообслуживаемая батарея имеет улучшенную конструкцию. Один из аккумуляторных электродов в ней помещен в сепаратор-конверт, опорные призмы удалены, электроды установлены на дно моноблока. Этого электролит, который в традиционных батареях был под электродами, в необслуживаемых батареях находится над электродами. Поэтому доливка воды в такую батарею необходима не чаще, чем 1 раз в 1,5-2 года.

Необслуживаемые батареи отличаются малым расходом воды и не требуют ее долива в течение всего срока службы. Вместо сурьмы в сплаве решеток аккумуляторов используется другой элемент. Например, применение кальция позволило уменьшить газовыделение более чем в десять раз. Столь медленное «выкипание» большого объема воды можно «растянуть» на весь срок службы аккумулятора, вообще отказавшись от заливных отверстий и доливки воды.

Необслуживаемые батареи другого типа вместо электродных пластин включают в свой состав электроды, скрученные в плотные рулоны.

Между электродами проложен тонкий сепаратор, пропитанный электролитом. При плотной упаковке электроды не требуют упрочнения сурьмой.

Электролит в таких батареях связан губчатой прокладкой и не вытекает даже при повреждении корпуса батареи. При непродолжительном перезаряде газы, проходя по каналам сепаратора, вступают в реакцию и превращаются в воду. При длительном перезаряде газы, не успев прореагировать друг с другом, выходят через предохранительный клапан. Количество электролита будет в этом случае уменьшаться. Для своевременного предотвращения перезаряда в автомобиле необходимо устанавливать сигнализатор аварийного напряжения. Аккумуляторы, изготавливаемые по данной технологии, получили название «спиральные элементы» (Spiral Cell). Преимуществами этих аккумуляторов являются: большой ток холодной прокрутки, стойкость к вибрациям и ударам, большое число циклов пуска двигателя (в три раза больше, чем у традиционных батарей), малый саморазряд (срок хранения без подзарядки – более года). Такие АКБ имеют обозначение VRLA.

Основные параметры аккумуляторных батарей Электродвижущей силой аккумулятора E называют разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи: E = – +, где + и – потенциалы положительного и отрицательного электродов соответственно.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуn ляторов равна сумме ЭДС элементов: E б = Ei nEi.

Для практических целей ЭДС может быть определена по эмпирической формуле:

где 25 – плотность электролита при температуре +25°С (г/см3).

Если измерения проводились при температуре, отличной от +25°С, то необходимо привести плотность t к температуре +25°С:

На практике более важным параметром является напряжение аккумулятора, которое при разряде всегда ниже, при заряде выше, а при разомкнутой внешней цепи равно значению ЭДС. Это отличие обусловлено падением напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора R0, а также электродной поляризацией.

Поляризацией называется явление изменения потенциала электрода от исходного равновесного (без тока) до нового (при прохождении тока). Поляризация является следствием затруднения протекания электродного процесса на аккумуляторных электродах. Так как процесс поляризации приводит к электрическим потерям в аккумуляторах, то его удобно представлять как потери на некотором сопротивлении поляризации Rп.

Причинами, вызывающими поляризацию, являются: изменение концентрации электролита вблизи электродов; образование на поверхности электрода слоя сульфата свинца и др. Поляризация является переходным процессом: при подключении нагрузки к батарее поляризация по экспоненте увеличивается до своего предельного значения. Длительность этого процесса зависит от силы тока и температуры электролита. Для стартерных режимов она не превышает 10 с. С увеличением тока и температуры длительность процесса поляризации и сопротивление поляризации Rп уменьшаются.

Омическое сопротивление батареи R0 складывается из сопротивлений электролита Rэ, сепараторов Rс, активной массы Rм, решеток Rр и соединительных элементов Rсэ мостиков с борнами, межэлементных перемычек помосных выводов):

Под сопротивлением электролита понимается сопротивление той его части, которая находится между электродами. Оно составляет примерно половину внутреннего сопротивления аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от степени его разряженности, температуры и значения тока. Внутреннее сопротивление в заряженном состоянии составляет несколько мили Ом. В полностью разряженном состоянии возрастает в несколько раз. С понижением температуры внутреннее сопротивление также возрастает. С увеличением тока оно уменьшается из-за уменьшения сопротивления поляризации.

Разрядной емкостью Cр называется максимальное количество электричества Qрmax, которое аккумулятор может сообщить во внешнюю цепь при разряде от начального напряжения Uнач до конечного Uкон. Обычно разрядная емкость аккумуляторных батарей определяется при постоянном токе разряда Iр.

Тогда разрядная емкость определяется выражением:

где tкон – время разряда аккумуляторной батареи от напряжения Uнач до напряжения Uкон.

Разрядная емкость зависит от количества заложенных в АКБ активных веществ и степени ихиспользования.

Номинальная разрядная емкость аккумуляторной батареи C20 определяется при 20-часовом режиме разряда током I=0,05C20 при температуре плюс 25°C. Разряд должен прекращаться после достижения конечного напряжения 5,25 В у батареи на 6 В и 10,5 В у батареи на 12 В.

На практике при определении разрядной емкости используют внесистемную единицу измерения ампер-час (1 Ач=3600 Кл).

На батареях, сделанных в США и некоторых азиатских странах, вместо номинальной емкости указывается резервная емкость. Этот параметр показывает время (в минутах) разряда батареи током 25 А до конечного напряжения 10,5 В. По мнению американских производителей он близок к реальному потреблению тока на автомобиле при неработающем генераторе.

Для оценки стартерных свойств батарей используется параметр, называемый током холодной прокрутки или током стартерного разряда.

Параметры режима разряда аккумуляторной батареи при определении тока стартерного разряда приведены в таблице 1.

По отечественному стандарту ток стартерного разряда определяется в режиме трехминутного разряда при температуре минус 18°С и конечном напряжении 9 В. Ток стартерного разряда по стандарту DIN определяется при тех же условиях, но при минимальной продолжительности стартерного разряда, равной 30 секундам (30 секундный режим разряда). По стандарту SAE ток стартерного разряда определяется подобно стандарту DIN, но конечное напряжение батареи должно быть не менее 7,2 В. Для сравнения показателей стартерного разряда аккумуляторных батарей ориентировочно можно считать, что ток холодной прокрутки по SAE в 1,6-1,7 раза больше тока стартерного разряда по DIN.

Таблица 1.

ГОСТ SAE DIN

разряда аккумуляторной батареи Для электропотребителей автомобиля, как нагрузки, важным показателем является энергозапас аккумуляторной батареи Wр, под которым понимается максимальное количество энергии, выделяемое во внешней цепи за время tкон. При постоянном разрядном токе:

где U р – среднее значение напряжения U р за время tкон.

Факторы, влияющие на емкость аккумуляторной батареи Емкость АКБ зависит от множества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Однако, из принципа работы свинцово-кислотного аккумулятора следует, что в основном его емкость определяется объемом активной массы и электролита. Емкость аккумуляторной батареи существенно снижается с увеличением силы тока, что связано с резким уменьшением концентрации электролита в порах пластин, изолируемых сульфатом свинца. Зависимость емкости от разрядного тока описывается уравнением Пейкерта:

где n, k – постоянные для данного типа батареи (n = 1,2...1,7), tр.– время разряда.

На рисунке 1.2 дана примерная зависимость емкости аккумуляторной батареи от разрядного тока при различной температуре.

Рисунок 1.2 -Зависимость емкости батареи от разрядного тока Емкость аккумуляторной батареи уменьшается с понижением температуры из-за увеличения вязкости электролита и замедления поступления серной кислоты в поры активной массы. Зависимости изменения емкости аккумуляторной батареи от температуры электролита в режиме разряда (для двух значений токов) приведены на рисунке 3.

Рисунок 1.3 - Зависимость емкости АКБ от температуры электролита Так как емкость аккумуляторной батареи зависит от температуры, то значение емкости, полученное при температуре t, приводят к температуре 25°C:

где C25 – емкость, приведенная к температуре 25°C, Ct – емкость, полученная при средней температуре tср, 0,01 – температурный коэффициент изменения емкости при температуре 18...27 °C.

При известной начальной плотности электролита э степень разряженности определяется по формуле:

где 25 – плотность электролита при температуре плюс 25°C (плотности э и 25 измерены в г/см3).

Подготовка аккумуляторной батареи к эксплуатации Существует два способа приготовления электролита. 1 способ: концентрированная серная кислота плотностью 1,83 г/см3 добавляется в дистиллированную воду (но не наоборот). 2 способ: электролит плотностью 1,40 г/см3 добавляется в дистиллированную воду или в электролит с плотностью ниже необходимой. Следует учитывать, что плотность электролита для различных времен года и климатических условий должна быть различной. Например, в районах с умеренным климатом (со средней месячной температурой в январе минус 15...минус 8 °С) плотность электролита должна быть равна 1,26 ± 0,01 г/см3, в районах с холодным климатом (со средней месячной температурой в январе минус 30...минус 15 °С) плотность электролита должна быть равна 1,28 ± 0,01 г/см3.

Температура заливаемого электролита должна быть в пределах 15…30 °C. Перед заливкой необходимо отвернуть вентиляционные пробки и удалить элементы, герметизирующие вентиляционные отверстия.

Электролит заливают до тех пор, пока он не достигнет нижнего торца тубуса горловины крышки или определенного уровня выше предохранительного щитка. Плотность электролита, заливаемого в новую батарею, должна быть на 0,02 г/см3 меньше той, которая должна быть в конце заряда для данной климатической зоны. Если через два часа после заливки сухозаряженной батареи плотность электролита будет на 0,03 г/см3 ниже плотности этого электролита через 20 минут после заливки, то батарею следует зарядить, а затем скорректировать плотность электролита. Но желательно все же заряжать батарею в любом случае.

Аккумуляторные батареи можно заряжать от любого источника энергии постоянного тока при условии, что его выходное напряжение больше напряжения заряжаемой батареи. Для полного заряда батарея должна принять 150 % своей емкости.

Различают два основных способа заряда: при постоянном токе и при постоянном напряжении. Продолжительность заряда при использовании обоих методов одинакова.

Заряд при постоянном токе. Оптимальная сила тока заряда равна:

Iз=0,1C20. При повышении температуры электролита до 45°C необходимо снизить зарядный ток в два раза или прервать заряд для охлаждения электролита до 30...35°C. Методом заряда при постоянном токе можно заряжать n последовательно включенных аккумуляторов при напряжении на выходе зарядного устройства Uз > 2,7n.

Достоинствами данного метода являются: 1) простота зарядных устройств; 2) простота расчета количества электричества, сообщаемого батарее, как произведение тока и времени заряда.

Недостатком метода при малом токе заряда является большая длительность заряда, а при большом – плохая заряжаемость к концу заряда и повышенная температура электролита.

Заряд при постоянном напряжении. Метод имеет два недостатка, проявляющихся в начале заряда полностью разряженных батарей: 1) зарядный ток достигает 1...1,5C20; 2) из-за большого зарядного тока перегревается аккумулятор. Поэтому для предохранения генератора от перегрузки на автомобиле устанавливаются ограничители тока.

Недостатки, присущие этим методам, частично уменьшаются комбинированными способами заряда:

ступенчато изменяющимся током;

смешанным способом, при котором сначала заряжают АКБ постоянным током, а затем постоянным напряжением.

К основным причинам плохой заряжаемости аккумуляторной батареи относятся: 1) высыпание активной массы из решеток вследствие коробления последних при заряде большими токами, замерзании электролита и т.п.; 2) наличие в аккумуляторном электролите примесей веществ, которые, осаждаясь на электродах, экранируют часть их рабочей поверхности, препятствуя протеканию на ней основной токообразующей реакции, и способствуют усиленному разложению воды и газовыделению; 3) сульфатация электродов (из-за хранения батареи в теплом помещении при высокой плотности электролита).

Новые, не залитые электролитом батареи, хранятся при температуре не ниже минус 50°C. Максимальный срок хранения сухих батарей – три года. Заряженные батареи с электролитом хранятся по возможности при температуре не выше 0°C. Минимальная температура их хранения:

минус 30 0С. При чрезмерно низких температурах электролит может замерзнуть. При плотности электролита 25=1,31 г/см3 электролит замерзает при температуре ниже минус 40°С, при 25=1,27 г/см3 электролит замерзает при температуре до минус 30°С. Срок хранения батарей с электролитом при отрицательной температуре – до 1,5 лет, при положительной температуре – до 9 месяцев. Перед постановкой на хранение несухозаряженной батареи необходимо: полностью зарядить батарею; скорректировать при необходимости плотность электролита; удалить с батареи токопроводящий слой, используя для этого раствор питьевой соды или нашатыря.

Техническое обслуживание АКБ в процессе Техническое обслуживание АКБ сводится к содержанию ее в чистоте, контролю технического состояния и режима заряда.

При визуальном осмотре необходимо убедиться в чистоте поверхности АКБ.Если поверхность покрыта электропроводным слоем, смоченной электролитом, то поверхность АКБ протирают чистой ветошью, смоченной в растворе нашатырного спирта или 10% растворе кальцированной соды.

Необходимо особенно внимательно следить за чистотой и состоянием полюсных выводов, наконечников проводов и вентиляционных пробок.

Полюсные выводы и наконечники проводов смазывают техническим вазелином.

Внешний осмотр, очистка поверхности батареи, проверка ее крепления, а при необходимости и измерение уровня электролита и его плотности целесообразно проводить при каждом техническом осмотре.

Условное обозначение аккумуляторных батарей Обозначение аккумулятора емкостью свыше 30 Ач состоит из букв и цифр, расположенных в следующем порядке:

- цифра, указывающая число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (цифра 3 – в 6-вольтовой батарее, цифра 6 – в 12вольтовой батарее);

- буквы, обозначающие назначение по функциональному признаку (СТ – стартерная);

- число, указывающее номинальную емкость батареи в ампер-часах при 20-часовом режиме разряда;

- буквы или цифры, которые содержат дополнительные сведения об использовании батареи (Н-несухозаряженная, З – залитая электролитом и заряженная; Л- необслуживаемая) и применяемых для ее изготовления материалах (А – пластмассовый моноблок с общей крышкой; Э – моноблок из эбонита, Т – моноблок из термопласта, П – моноблок из полиэтилена, М – сепаратор из поливинилхлорида типа “мипласт”, Р – сепаратор из мипора, Ф – хладостойкая мастика).

Например, условное обозначение батареи “6СТ-55ЭМ” указывает, что батарея состоит из 6 последовательно соединенных аккумуляторов (следовательно, ее напряжение – 12 вольт) свинцовой электрохимической системы, предназначена для стартерного пуска двигателя, номинальная емкость батареи равна 55 ампер-часам при 20-часовом режиме разряда, корпус батареи сделан из эбонита, сепаратор – из мипласта.

Кроме условного обозначения по ГОСТ 18620 86Е маркировка батареи должна содержать: товарный знак завода-изготовителя; знаки полярности “+” и (или) “–“; месяц и год изготовления; массу батареи в состоянии поставки.

На аккумуляторных батареях с общей крышкой дополнительно маркируют номинальную емкость в ампер-часах и номинальное напряжение в вольтах. Если ток стартерного разряда превышает номинальную емкость более чем в три раза, то его значение также указывается в составе маркировочных данных.

1. Из каких основных частей состоит аккумулятор? Каково их назначение?

2. Какой химический состав активной массы положительных и отрицательных пластин?

3. Какие химические реакции проходят на положительной пластине, отрицательной пластине при разряде аккумулятора?

4. Какие химические реакции проходят на пластинах при заряде аккумулятора?

5. Из какого материала изготавливаются несущие части пластин аккумуляторов?

6. Каково назначение сепараторов в аккумуляторной батарее?

Почему размеры сепараторов превышают размеры электродов?

7. С какой целью в сплав для решеток электродов свинцового аккумулятора добавляется сурьма?

8. Какие основные недостатки имеют аккумуляторные батареи, решетки электродов которых изготовляются из сплава свинца с содержанием более 4,5 % сурьмы?

9. Какие существуют способы соединения аккумуляторов в батарее? Укажите их преимущества и недостатки.

10. Какие параметры аккумулятора считаются основными?

11. При каких условиях определяется номинальная емкость аккумуляторной батареи?

12. Что такое номинальные напряжение, ток, емкость автомобильных аккумуляторов?

13. От чего зависит ЭДС аккумуляторной батареи? Чем отличается напряжение батареи от ЭДС?

14. Как изменяется емкость аккумуляторной батареи с ростом разрядного тока и понижением температуры электролита? Почему?

15. Что представляет собой вольтамперная характеристика аккумуляторной батареи? Каким образом по ней можно определить внутреннее сопротивление?

16. Что такое резервная емкость малообслуживаемых и необслуживаемых батарей? Что характеризует этот показатель?

17. Что представляет собой электролит аккумулятора и какова его плотность?

18. Как приготовляется электролит для свинцовой аккумуляторной батареи?

19. Указать причины саморазряда аккумуляторной батареи.

20. Какие существуют способы заряда аккумуляторных батарей?

Указать их преимущества и недостатки.

21. Указать признаки окончания заряда автомобильной аккумуляторной батареи.

22. Чем опасен перезаряд аккумулятора?

23. Какие штатные средства контроля заряда аккумуляторной батареи применяются на автомобилях?

24. Какие причины могут вызвать выплескивание электролита из вентиляционных отверстий во время заряда аккумуляторной батареи?

25. Указать условия хранения аккумуляторов.

26. Какие причины могут вызвать быстрое понижение уровня электролита в аккумуляторной батарее?

27. Какие особенности имеют малообслуживаемые и необслуживаемые аккумуляторные батареи? Укажите их преимущества.

28. Какими способами можно определить полярность выводных клемм аккумуляторной батареи?

29. Как обозначаются автомобильные аккумуляторы?

1. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. -М.: Транспорт, 2000.

2. Чижков Ю.П., Акимов А.В. Электрооборудование автомобилей.

Учебник для вузов. - М.: Изд-во За рулем, 2000.

3. Пятков К.Б. Электрооборудование ВАЗ 2103, 2106: устройство и ремонт. - М.: Третий Рим, 1998.

4. Боровских Ю.И., Старостин А.К., Чиксков Ю.П. Стартерные аккумуляторные батареи. – М.: Фонд: За экономическую грамотность, 1997.

КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ

И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАРТЕРА

Цель работы: изучение принципа действия автомобильного стартера, конструкции и назначение его основных узлов, технологии разборки и сборки стартера СТ221, оценка его технического состояния.

1. Внеаудиторная подготовка к работе в лаборатории.

2. Работа в лаборатории, связанная с разборкой стартера СТ221, оценкой технического состояния его узлов и элементов, и сборкой стартера.

3. Обработка и анализ полученной в лаборатории информации, оформление отчета по проделанной работе.

4. Защита лабораторной работы.

1 Внеаудиторная подготовка к работе в лаборатории 1.1 Используя конспекты лекций, учебники и учебные пособия, настоящие методические указания, а также доступный справочный материал:

– ознакомиться с назначением стартеров и принципом их действия;

– изучить устройство автомобильных стартеров и назначение их узлов и элементов;

– ознакомиться с основными техническими характеристиками стартеров;

– изучить технологию разборки и сборки стартера.

1.2 В процессе предварительной подготовки к работе в лаборатории найти ответы на контрольные вопросы методических указаний 1.3 Подготовить таблицу оценки технического состояния элементов и узлов стартера по образцу, приведенному в руководстве выполнения лабораторной работы 2 Работа в лаборатории 2.1 Для более детального изучения конструкции стартера и его узлов ознакомиться с демонстрационным стендом и плакатами 2.2 Получить набор инструментов, необходимых для разборки и сборки стартера типа СТ 2.3 Разобрать стартер СТ221 в следующем порядке:

2.3.1. Накидным ключом №13 отвернуть гайку на нижнем контактном болте тягового реле и отсоединить от него гибкий провод обмотки статора.

2.3.2. Ключом №8 отвернуть три гайки крепления тягового реле и снять его.

2.3.3. Отверткой ослабить винт крепления стяжной защитной ленты, которая находится на крышке со стороны коллектора, и снять ее вместе с прокладкой.

2.3.4. С помощью отвертки вывернуть четыре винта крепления клемм щеток и вынуть щетки крючком из щеткодержателей после освобождения их от нажатия щеточных пружин.

2.3.5. Ключом №10 отвернуть две гайки стяжных шпилек и отсоединить корпус с крышкой со стороны привода от крышки со стороны коллектора с якорем.

2.3.6. Плоскогубцами вывернуть из крышки стяжные шпильки.

2.3.7. Отсоединить крышку со стороны коллектора от корпуса.

2.3.8. Вынуть резиновую заглушку рычага из крышки со стороны привода.

2.3.9. Расшплинтовать и с помощью выколотки вынуть из крышки ось рычага привода стартера.

2.3.10. Вынуть рычаг и якорь с приводом из крышки, а затем отсоединить рычаг от привода.

2.3.11. Снять с вала якоря регулировочную и упорную шайбы.

2.3.12. Используя трубкообразную выколотку сбить ограничительное кольцо хода шестерни.

2.3.13. Снять стопорное и ограничительное кольца.

2.3.14. Снять с вала якоря обгонную муфту.

2.3.15. Для разборки тягового реле ключом №8 отвернуть три гайки стяжных болтов и отпаять выводы обмоток от штекера "50" и от наконечника, закрепленного на нижнем контактном болту тягового реле.

Основные детали разобранного стартера показаны на рисунке 2. Рисунок 2.1 Основные сборочные детали стартера СТ 2.4.1 Оценить техническое состояние якоря • Проверить обмотку якоря на замыкание с корпусом ("массой"). Для этого измерить омметром сопротивление между коллекторной пластиной и сердечником якоря. Оно должно быть не менее 10 кОм. При наличии замыкания с корпусом якорь выбраковывается и заменяется новым. Примечание: действия, выделенные курсивом, выполняются только при проведении технического обслуживания стартера.

• Проверить состояние коллектора. Рабочая поверхность коллектора должна быть гладкой (без следов износа) и не должна иметь следов подгорания (почернения), вызываемых искрением и механическим износом щеток. Загрязненную, окисленную или подгоревшую поверхность коллектора протирают чистой ветошью, смоченной бензином или зачищают мелкозернистой шлифовальной шкуркой. Сильно подгоревший и изношенный коллектор протачивается на токарном станке (минимально допустимый диаметр для СТ221 – 36 мм).

• Проверить качество пайки выводов секций обмотки якоря в гребешки коллектора. Пайка не должна иметь пустоты и окисленные поверхности. При необходимости соединения пропаивают припоем с канифолью паяльником мощностью не менее 100 Вт при предварительно прогретом якоре. После пайки коллектор нужно прочистить, продуть, а места пайки покрыть лаком.

• Проверить состояние шлицов и цапф вала якоря. На поверхности шлицов и цапф вала не должно быть задиров, забоин и износа, так как они могут стать причиной заедания шестерни на валу. Если на поверхности вала появились следы желтого цвета от втулки шестерни, они удаляются мелкозернистой шлифовальной шкуркой.

• Проверить состояние бандажа якоря. Он не должен иметь механических повреждений.

2.4.2. Оценить техническое состояние статора с обмотками.

• Проверить обмотку статора на обрыв, для чего измерить омметром сопротивление катушек.

• Проверить обмотку статора на замыкание с корпусом, для чего измерить омметром сопротивление между выводом обмотки и корпусом статора. Прибор должен показывать сопротивление не менее 10 кОм.

• Осмотреть обмотку статора на наличие перегрева. На поверхности изолятора катушек статора не должно быть следов почернения.

При наличии обрыва, замыкания на корпус или перегрева корпус с обмотками выбраковывается и заменяется новым.

2.4.3. Оценить техническое состояние крышек стартера.

• Проверить механизм привода на легкость перемещения по направлению к подшипнику крышки со стороны привода и возврат в исходное положение силой пружины. Если перемещение привода затруднено, вал очищают от грязи и покрывают пластичной смазкой типа ЦИАТИМ. В случае заедания муфты привода после смазывания или ее пробуксовывания муфту следует заменить.

• Проверить, свободно ли проворачиваться шестерня привода относительно вала якоря в направлении вращения якоря, при этом в обратном направлении шестерня вращаться не должна.

• Проверить степень износа шестерни привода. На ее зубьях не должно быть сколов и выкрашиваний. Если на заходной части зубьев шестерни имеются забоины, то их нужно подшлифовать мелкозернистым наждачным кругом малого диаметра. Если детали привода повреждены или значительно изношены, привод заменяется новым.

• С помощью измерительного щупа, имеющего нормированную толщину, проверить осевой люфт якоря. Он не должен быть более 0,7 мм.

Изменение величины свободного хода достигается подбором количества или толщины регулировочных шайб, устанавливаемых между крышкой со стороны привода и упорным кольцом на валу якоря.

2.4.4. Оценить техническое состояние привода.

• Проверить каково состояние крышек и их втулок. Если на крышке имеются трещины или втулки изношены, то данные детали заменяются новыми.

• Проверить, нет ли у щеткодержателей положительных щеток замыкания на корпус, для чего измерить омметром сопротивление между соответствующей щеткой и крышкой стартера.

• Проверить легкость перемещения щеток в щеткодержателях и усилие пружин. Перемещение должно быть свободным, без заеданий. Усилие пружин на щетках можно определить динамометром. Для этого под щетку нужно положить полоску бумаги, и динамометром оттягивать щеточную пружину, одновременно стараясь вытянуть бумагу из-под щетки. Давление пружины на щетку определяется в момент освобождения бумаги щеткой, оно должно составлять порядка 9,8±0,98 Н (1±0,1 кгс). В случае уменьшения усилия щеточных пружин более чем на 25% номинального значения необходимо заменить пружину.

• Проверить состояние щеток, обратив внимание на степень их износа и качество поверхности. Длина щетки должна быть не менее 12 мм.

Степень прилегания щетки к коллектору можно оценить визуально, приложив ее рабочей поверхностью к коллектору. Если щетки изношенны, то они заменяются новыми, предварительно притертыми к коллектору.

2.4.5. Оценить техническое состояние тягового реле.

• Проверить легкость перемещения якоря тягового реле. При его затрудненном ходе реле следует разобрать и смазать скользящие части.

• С помощью омметра проверить, замыкаться ли контактные болты реле контактной пластиной, и нет ли обрыва в обмотке реле. Если контактные болты не замыкаются, то нужно разобрать реле и зачистить контактные болты и пластину мелкозернистой шкуркой или плоским бархатным напильником. Реле с поврежденной обмоткой заменяется новым.

• Для разобранного реле проверить, нет ли следов перегрева обмотки (почернения), а также надежность соединения выводов обмотки реле со штекером "50" и "массой".

2.5. Результаты оценки технического состояния узлов и элементов стартера занести в таблицу Э1 (согласно приведенному образцу), и сделать заключение.

Таблица Э2. 1. Щетки Рабочая поверхность ров- Пригодны ная, края рабочей поверхно- к дальсти частично подвержены нейшей эл. коррозии. Гибкие выводы эксплуане имеют оборванных про- тации поводов. Наконечники подвер- сле провежены загрязнению и корро- дения техзии. Длина щеток в допус- нического 2.6. Собрать стартер в порядке, обратном разборке, обратив внимание на приведенные ниже рекомендации.

• При установке щеток необходимо предварительно отвести концы щеточных пружин в стороны, концы пружин должны нажимать на середину щетки.

• Предварительно собрав вместе крышки, корпус и якорь и затянув гайки стяжных шпилек, нужно проверить осевой свободный ход вала якоря. При этом якорь может быть без привода, а крышка со стороны привода без рычага.

• После сборки необходимо проверить, что якорь свободно вращается (тугое вращение якоря может быть вызвано перекосом при сборке стартера, его загрязнении, отсутствием смазочного материала или ослабленным креплением полюсов и задеванием за них якоря).

3. Оформить отчет, проведя анализ технического состояния стартера.

Сформулировать заключение о пригодности стартера к эксплуатации.

Методический материал к лабораторной работе Стартер предназначен для дистанционного пуска двигателя автомобиля. Он представляет собой электродвигатель постоянного тока с электромагнитным тяговым реле и механизмом привода.

При включении замка зажигания срабатывает тяговое реле (рисунок 2.2 и 2.3), в результате чего шестерня привода входит в зацепление с венцом маховика двигателя, и замыкаются силовые контакты в цепи питания электродвигателя. Якорь стартера через механизм привода приводит во вращение коленчатый вал и сообщает ему обороты, необходимые для начала самостоятельной работы двигателя. Минимальное пусковое число оборотов, при котором двигатель может начать работу, для карбюраторных систем составляет 70...90 об/мин, а для дизельных двигателей и систем с впрыском бензина – 100...200 об/мин.

При пуске стартера ток разряда АКБ составляет 100…1500 А, поэтому время работы стартера ограничено. По существующим нормативам продолжительность попытки пуска бензинового двигателя составляет 10 с, дизеля – 15 с, интервал между попытками – 60 с, а после 3 попыток – мин.

После запуска двигателя автомобиля отпускается ключ зажигания, размыкаются силовые контакты, тяговое реле и электродвигатель отключаются от аккумуляторной батареи и привод стартера выводится из зацепления с венцом маховика.

Рисунок 2.2 - Электрическая схема включения стартера Рисунок 2.3 - Зацепление шестерни привода с венцом маховика двигателя Ранее стартер обозначался буквами «СТ», номером модели и ее модификацией. Например, СТ221. В настоящее время используется цифровое обозначение вида ХХХХ.3708, где первые две цифры соответствуют номеру модели, третья цифра – модификации, а четвертая – исполнению (в некоторых случаях третья и четвертая цифры могут отсутствовать). Так 5702. – это стартер 57 модели, общеклиматического исполнения.

Стартер состоит из корпуса, в котором смонтированы катушки возбуждения с полюсами; якоря с обмоткой и коллектором; крышек (со стороны коллектора и со стороны привода); привода, состоящего из рычага приводной шестерни и муфты свободного хода; и тягового реле, состоящего из катушки, ярма, якоря, штока с контактной пластиной, крышки с контактными болтами.

Корпус электростартера изготавливают из трубы или стальной полосы (сталь Ст10 или Ст2) с последующей сваркой стыка. В корпусе предусмотрено отверстие для выводного болта обмотки возбуждения, но не имеется окон для доступа к щеткам (с целью улучшения герметизации).

К корпусу винтами крепят полюсы с катушками обмотки возбуждения (рисунок 2.4). Все автомобильные стартеры выполняют четырехполюсными. Катушки последовательных (сериесных) и параллельных (шунтовых) обмоток возбуждения устанавливают на отдельных полюсах, поэтому число катушек равно числу полюсов. Катушки последовательной обмотки имеют небольшое число витков неизолированного медного провода прямоугольного сечения марки ПММ. Между витками катушки прокладывают электроизоляционный картон толщиной 0,2…0,4 мм. Катушки параллельной обмотки возбуждения наматывают изолированным круглым проводом марок ПЭВ-2 или ПЭТВ. Снаружи катушки изолируют лентой из изоляционного материала (хлопчатобумажная тафтяная лента, батистовая лента Б-13). Внешняя изоляция после пропитывания лаком и просушивания имеет толщину 1…1,5 мм. Перспективно применение полимерных материалов при изолировании катушек, с помощью которых можно получить покрытия, равномерные по толщине, стойкие к воздействию агрессивной среды и повышенной температуры.

Якорь стартера представляет собой шихтованный сердечник, в пазы которого укладываются секции обмотки. В шихтованном сердечнике меньше потери на вихревые токи. Пакет якоря напрессован на вал, вращающийся в двух или трех опорах с бронзографитовыми подшипниками, подшипниками из другого порошкового материала, либо с подшипниками качения. Пакет якоря набирают из стальных пластин (СТ 0,8 КП или СТ 10) толщиной 1…1,2 мм. Крайние пластины пакета из электроизоляционного картона ЭВ толщиной 2,5 мм предохраняют от повреждения изоляционный материал лобовых частей обмотки якоря.

В стартерных электродвигателях применяют простые волновые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями. Одновитковые секции выполняют из неизолированного прямоугольного провода марки ПММ. В этом случае проводники в пазы укладывают в два слоя и изолируют друг от друга и пакета якоря гильзами S-oбpaзной формы из электрокартона толщины 0,2…0,4 мм или полимерной пленки. Обмотки с двухвитковыми секциями наматывают круглыми изолированными проводами ПЭВ-2 и ПЭТВ.

Концы секций обмотки якоря укладывают в прорези «петушков»

коллектных пластин. Конец одной секции и начало следующей по ходу обмотки присоединяют к одной коллекторной пластине. На лобовые части обмотки якоря накладывают бандажи, состоящие из нескольких витков проволоки, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, намотанных на прокладку из электроизоляционного картона. Бандаж из стекловолокна менее дорогостоящий, для него можно не применять крепежные скобы. Бандаж может быть изготовлен в виде алюминиевого кольца с изоляционной кольцевой прокладкой из гетинакса или текстолита.

Лобовые части секций изолируют друг от друга электроизоляционным картоном.

В электростартерах применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке, а также цилиндрические и торцовые коллекторы с пластмассовым корпусом.

Сборные цилиндрические коллекторы, применяемые на стартерах большой мощности, составляют из медных пластин и изолирующих прокладок из миканита, слюдинита или слюдопласта. Пластины в коллекторе закрепляются с помощью металлических нажимных колец и изоляционных корпусов по боковым опорным поверхностям. От металлической втулки, которую напрессовывают на вал якоря, медные пластины изолируют цилиндрической втулкой из миканита. Рабочая поверхность коллектора должна иметь строго цилиндрическую форму.

В цилиндрических коллекторах с пластмассовым корпусом пластмасса является формирующим элементом коллектора. Она плотно охватывает сопрягаемые поверхности независимо от конфигурации и точности изготовления коллекторных пластин, изолирует коллекторные пластины от вала и воспринимает нагрузки. В качестве пресс-материала чаще всего используется пластмасса АГ-4С. Для повышения прочности коллектора применяют армировочные кольца из металла и пресс-материала. При небольших размерах коллектор может быть изготовлен из цельной цилиндрической заготовки, разрезаемой после опрессовки пластмассой на отдельные ламели.

Торцевой коллектор выполнен в виде пластмассового диска с залитыми в нем медными пластинами. Рабочая поверхность торцового коллектора находится в плоскости, перпендикулярной к оси вращения якоря. Такой коллектор способствует более стабильной и длительной работе щеточного контакта.

В стартерах с цилиндрическими коллекторами щетки устанавливают в четырех коробчатых щеткодержателях радиального типа, закрепленных на крышке со стороны коллектора. Необходимое давление (30…120 кПА) на щетки обеспечивают спиральные пружины. Щеткодержатели изолированы от крышки прокладками из текстолита или другого изоляционного материала. В стартерах большой мощности в каждом из радиальных щеткодержателей устанавливают по две щетки.

В электростартерах с торцовыми коллекторами щетки размещают в пластмассовой или металлической траверсе и прижимают к рабочей поверхности коллектора витыми цилиндрическими пружинами.

Щетки имеют канатики и присоединяются к щеткодержателям с помощью винтов. Обычно щетки устанавливают на геометрической нейтрали, но на некоторых стартерах для улучшения коммутации щетки смещают с геометрической нейтрали на небольшой угол против направления вращения. Щетки в щеткодержателях должны перемещаться свободно, но без сильного бокового люфта.

В электростартерах применяют меднографитные щетки с добавками свинца и олова. Графита больше в щетках для мощных стартеров и стартеров для тяжелых условий эксплуатации. Размеры щеток и падение напряжения под ними зависят от допустимой плотности тока. Обычно плотность тока в щетках электростартеров находится в пределах 40…100 А/см2.

Тяговое реле обеспечивает ввод шестерни в зацепление с венцом маховика и подключает стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее (см. рисунок 2.4 и 2.5). На большинстве стартеров тяговое реле располагают на приливе крышки со стороны привода. С фланцем прилива крышки реле соединяют непосредственно или через дополнительные крепежные элементы.

Реле может иметь одну или две обмотки, намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь, воздействующий на шток с подвижным контактным диском. Два неподвижных контакта в виде контактных болтов закрепляют в пластмассовой крышке.

В двухобмоточном реле удерживающая обмотка, рассчитанная только на удержание якоря реле в притянутом к сердечнику состоянии, намотана проводом меньшего сечения и имеет прямой выход на «массу». Втягивающая обмотка подключена параллельно контактам реле. При включении реле она действует согласно с удерживающей обмоткой и создает необходимую силу притяжения, когда зазор между якорем и сердечником максимален. Во время работы стартерного электродвигателя замкнутые контакты тягового репе шунтируют втягивающую обмотку и выключают ее из работы. При неразделенной контактной системе подвижный контакт снабжен пружиной. Перемещение подвижного контактного диска в исходное нерабочее положение обеспечивает возвратная пружина. В разделенной контактной системе подвижный контактный диск не связан жестко с якорем реле.

Тяговое реле рычагом связано с механизмом привода, расположенным на шлицевой части вала. Рычаг воздействует на привод через поводковую муфту. Его отливают из полимерного материала или выполняют составным из двух штампованных стальных частей, которые соединяют заклепками или сваркой.

Для передачи вращающего момента от вала якоря коленчатому валу используется специальный механизм привода. Пo типу и принципу работы приводных механизмов выделяют стартеры с электромеханическим перемещением шестерни привода, с инерционным или комбинированным приводом. Для предотвращения разноса якоря после пуска двигателя в автомобильные электростартеры устанавливают роликовые, храповые или фрикционно-храповые муфты свободного хода. Наибольшее распространение в электростартерах получили электромеханический привод шестерни и роликовые муфты свободного хода.

Роликовые муфты свободного хода технологичны в изготовлении, бесшумны в работе и способны при небольших размерах передавать большие крутящие моменты. Они малочувствительны к загрязнению, не требуют ухода и регулирования в эксплуатации. Работает такая муфта следующим образом (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 Схема работы роликовой муфты свободного хода При включении стартерного электродвигателя наружная ведущая обойма муфты свободного хода вместе с якорем поворачивается относительно неподвижной еще ведомой обоймы. Ролики под действием прижимных пружин и сил трения между обоймами и роликами перемещаются в узкую часть клиновидного пространства, и муфта заклинивается (рисунок 2.6,а). Вращение от вала якоря ведущей обойме муфты передается шлицевой втулкой. После пуска двигателя частота вращения ведомой обоймы с шестерней превышает частоту вращения ведущей обоймы, ролики переходят в широкую часть клиновидного пространства между обоймами, поэтому вращение от венца маховика к якорю стартера не передается – муфта проскальзывает (рисунок 2.6,б).

Крышки со стороны коллектора изготавливают методом литья из чугуна, стали, алюминиевого или цинкового сплава, а также штампуют из стали. Крышки могут иметь дисковую или колоколообразную форму.

Крышки со стороны привода изготавливают методом литья из алюминиевого сплава или чугуна. Конструкция крышки зависит от материала, из которого она изготовлена, типа механизма привода, способа крепления стартера на двигателе и тягового реле на стартере. Установочные фланцы крышки имеют два или большее число отверстий под болты крепления стартера. Фланцевое крепление стартера к картеру сцепления дает возможность сохранить постоянство межосевого расстояния в зубчатом зацеплении при снятии и повторной установке стартера. В крышке предусмотрено отверстие, которое позволяет шестерне привода входить в зацепления с венцом маховика.

В крышках и промежуточной опоре устанавливают подшипники скольжения. Промежуточную опору предусматривают в стартерах с диаметром корпуса 115 мм и более. Подшипники смазывают в процессе производства и при необходимости во время технического обслуживания в процессе эксплуатации. В стартерах большой мощности бобышки подшипников имеют масленки с резервуарами для смазочного материала и смазочными фильцами.

На автомобилях ВАЗ моделей 2108 и 2109 установлен стартер 29.3708, имеющий только одну опору в крышке со стороны коллектора.

Вторая опора со стороны привода предусмотрена в картере сцепления.

В эксплуатации стартеры подвержены воздействию влаги, масла, грязи, поэтому конструкция стартера предусматривает защиту от них.

Лучше защищены стартеры грузовых автомобилей. Герметизация обеспечивается установкой в места разъема резиновых колец и шайб, применением втулок и уплотнительных прокладок, а также мягких пластических материалов.

На рисунке 2.7 показана в разрезе конструкция стартера СТ221.

1 – шестерня привода, 2 – упорное полукольцо обгонной муфты, 3 – ролик обгонной муфты, 4 – центрирующее кольцо обгонной муфты, 5 – наружное кольцо обгонной муфты, 6 – кожух обгонной муфты, 7 – ось рычага привода включения шестерни стартера, 8 – уплотнительная заглушка крышки стартера, 9 – рычаг привода включения шестерни стартера, 10 – тяга якоря реле, 11 – крышка стартера со стороны привода, 12 – возвратная пружина якоря реле, 13 – якорь реле стартера, 14 – скользящая втулка, 14’ – гайка крепления тягового реле, 15 – передний фланец реле, 16 – обмотка реле, – стержень якоря, 18 – скользящая втулка стержня якоря, 19 – сердечник реле, 20 – фланец сердечника, 21 – щека каркаса обмотки реле, 22 – пружина стержня якоря, 23 – стяжной болт реле стартера, 24 – контактная пластина, 25 – верхний контактный болт, 26 – крышка реле, 27 – нижний контактный болт, 28 – крышка стартера со стороны коллектора, 29 – внутренняя изолирующая пластина положительного щеткодержателя, 30 – тормозной диск крышки, 31 – тормозной диск вала якоря, 32 – клемма щетки стартера, 32’ – винт крепления клемм щеток, 33’ – защитная лента, 33 – коллектор, 34 – пружина щетки, 35 – щеткодержатель, 36 – щетка стартера, 36’ – стяжная шпилька с гайкой, 37 – вал якоря, 38 – втулка крышки стартера, 39 – шунтовая катушка обмотки статора, 40 – полюс статора, 41 – корпус стартера, 42 – обмотка якоря, 43 ограничитель хода выключения шестерни, 44 – ограничительный диск хода шестерни, 45 – поводковое кольцо, 46 – центрирующий диск, 47 – ступица обгонной муфты, 48 – буферная пружина, 49 – вкладыш ступицы обгонной муфты, 50 – втулка шестерни привода, 51 – ограничительное кольцо хода шестерни, 52 – стопорное кольцо, 53 – упорная шайба вала якоря, 54 – регулировочная шайба осевого свободного хода.

Стартер СТ221 представляет собой четырехполюсный электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением и состоит из корпуса 41 с обмотками возбуждения, якоря с приводом, двух крышек 11 и 28 и тягового электромагнитного реле. Крышки и корпус стянуты в единое целое двумя шпильками 36’, ввернутыми в крышку 11. Внутри стального корпуса закреплены винтами четыре полюса 40. На полюсы надеты катушки обмотки. Корпус вместе с полюсами и катушками образует статор стартера. Две катушки обмотки статора являются последовательными, а две другие параллельными обмотке якоря.

Якорь стартера состоит из вала 37, сердечника с обмоткой 42 из медной ленты и коллектора 33, выполненного в виде пластмассовой втулки с залитыми в ней медными пластинами. Вал якоря вращается в двух металлокерамических втулках 38, запрессованных в крышки стартера и пропитанных маслом. Осевой свободный ход вала якоря регулируется подбором шайб 54 и должен быть в пределах 0,070,7 мм.

На переднем конце вала якоря установлен привод стартера, состоящий из роликовой обгонной муфты и шестерни 1. Обгонная муфта состоит из наружного кольца 5 с роликами 3 и внутреннего кольца, объединенного с шестерней 1 привода. Наружное кольцо имеет три паза с отверстиями, в которых находятся стальные ролики с пружинами, плунжерами и направляющими стержнями. Лазь для роликов - с переменной шириной. В широкой части паза ролики могут свободно вращаться, а в узкой - заклиниваются между наружным и внутренним кольцами.

Электромагнитное тяговое реле стартера служит для ввода шестерни привода в зацепление с венцом маховика и для замыкания цепи питания обмоток якоря и статора. Магнитную систему реле образуют фланцы 15 и 20, ярмо (окружающее обмотку) и сердечник 19, запрессованный во фланец 20. На каркасе из латунной трубки и пластмассовых щек намотана катушка реле. На стартерах выпуска до 1981г. имеются две обмотки: удерживающая и втягивающая. Обе обмотки намотаны в одну сторону. Начала обмоток припаяны к штекеру "50". Конец удерживающей обмотки приварен к фланцу 20 реле (т.е. соединен с "массой"), а конец втягивающей обмотки соединен с нижним контактным болтом 27 реле.

При повороте ключа в положение II ("Стартер") замыкаются контакты "30" и "50" выключателя зажигания, и через обмотки тягового реле начинает протекать ток. Под действием этого тока возникает магнитное усилие, которое втягивает якорь реле до соприкосновения с сердечником 19.

При этом контактная пластина замыкает контакты 25 и 27. У стартера с двухобмоточным тяговым реле при замыкании контактных болтов втягивающая обмотка обесточивается, так как оба ее конца оказываются соединенными с "плюсом" аккумуляторной батареи. Поскольку якорь уже втянут в реле, то для удержания якоря в этом положении требуется сравнительно небольшой магнитный поток, который и обеспечивает одна удерживающая обмотка. Передвигаясь, якорь реле через рычаг 9 перемешает обгонную муфту с шестерней. Ступица обгонной муфты, проворачиваясь на винтовых шлицах вала якоря стартера, поворачивает также и шестерню 1, что облегчает ее ввод в зацепление с венцом маховика. Кроме того, фаски на боковых кромках зубьев шестерни и венца маховика, а также буферная пружина, передающая усилие от рычага 9 ступице 47 муфты, облегчают ввод шестерни в зацепление и смягчают удар шестерни в венец маховика. Через замкнутые силовые контакты реле идет ток питания обмоток статора и якоря. Якорь стартера начинает вращаться вместе со ступицей и наружным кольцом обгонной муфты. Поскольку ролики муфты смещены пружинами в узкую часть паза наружного кольца, а шестерня тормозится венцом маховика, то ролики заклиниваются между кольцами обгонной муфты, и крутящий момент от вала якоря передается через муфту и шестерню к венцу маховика.

После запуска двигателя частота вращения шестерни начинает превышать частоту вращения якоря стартера. Внутреннее кольцо обгонной муфты (объединенное с шестерней) увлекает ролики в широкую часть паза наружного кольца 5, сжимая пружины плунжеров. В этой части паза ролики свободно вращаются, не заклиниваясь, и крутящий момент от маховика двигателя не передается на вал якоря стартера.

После возвращения ключа в положение I ("Зажигание") цепь питания обмоток тягового реле размыкается. Якорь реле под действием пружины 12 возвращается в исходное положение, размыкая контакты 25 и 27 и возвращая обгонную муфту с шестерней в исходное положение. Пружина через рычаг, диск 44 и ограничитель 43 давит на якорь в сторону крышки 28. Стальной тормозной диск 31 вала якоря упирается в тормозной диск крышки, и якорь быстро прекращает вращение.

Технические характеристики стартеров В таблице 2.1 приведены в качестве примера основные характеристики стартеров СТ221, 35.3708, 29.3708 и 421.3708.

Таблица 2. Наименование напряжение, В 2. Номинальная 1,3 (1,77) 1,3 (1,77) 1,3 (1,77) 1,5 (2,04) мощность, квт (л.с.) щения (со стороны шестерни привода) 5. Привод шестерней с роликовой муфтой свободного хода терни привода стартера 10. Коллектор:

11. Обмотка статора:

тельных катушек следовательной катушки (каждой) размеры провода 1,1х5,3 2,24х5,3 2,24х5,3 1,5х5, последовательной катушки, мм ных катушек раллельной катушки параллельной катушки, мм 12. Обмотка якоря:

ции (размеры про- (1,65х3,4) (1,65х3,4) (1,65х3,4) (1,8х4,0) вода, мм) секции по пазам секции по коллектору 13. Щетки:

точной пружины, 14. Тяговое реле:

втягивающей обмоткой, А 15. Режим номинал.

мощности:

на валу стартера, вала стартера, мин сила тока, А 16. Режим холостого частота вращения 5000±500 5000±500 5000±500 5000± вала стартера, мин– торможения:

на валу стартера, 19. Применение ВАЗ-2101, ВАЗ-2104, ВАЗ-2108, М2140, 1. Каково назначение стартера?

2. Как устроен стартер?

3. По каким конструктивным характеристикам различают стартеры?

4. Каково назначение … (например, полюсов статора, якоря, коллектора, щеток, муфты свободного хода, ), и какую функцию этот узел (элемент) стартера выполняет?

5. Какой вид возбуждения имеет исследованный стартер?

6. Сколько обмоток в стартере? Что это за обмотки, и каково их назначение?

7. Какие факторы обуславливают выбор стартера для конкретного двигателя?

1. Ютт В. Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 2000.

2. Чижков Ю.П., Акимов А.В. Электрооборудование автомобилей. Учебник для вузов. - М.: Изд-во За рулем, 2000.

3. Пятков К.Б. Электрооборудование ВАЗ 2103, 2106: устройство и ремонт. - М.: Третий Рим, 1998.

КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ

АВТОМОБИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА И ОЦЕНКА

ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Цель работы: изучение конструкции, принципа действия, технологии разборки и сборки, оценка технического состояния генератора Г–221.

1. Внеаудиторная подготовка к работе в лаборатории.

2. Работа в лаборатории, связанная с разборкой генератора Г–221, оценкой технического состояния его узлов и элементов и сборкой генератора.

3. Обработка и анализ полученной в лаборатории информации, оформление отчета по проделанной работе.

4. Защита лабораторной работы.

1. Внеаудиторная подготовка к работе в лаборатории.

1.1. Используя конспекты лекций, учебники и учебные пособия, методические указания к настоящей лабораторной работе, а также доступный справочный материал:

– ознакомиться с назначением и принципом действия трехфазного автомобильного генератора;

– изучить устройство автомобильных генераторов, назначение их узлов и элементов;

– ознакомиться с основными техническими характеристиками;

– ознакомиться с требованиями к техническому состоянию основных узлов и элементов;

– изучить технологию разборки генератора Г–221.

1.2. В процессе подготовки к работе в лаборатории найти ответы на контрольные вопросы методических указаний.

1.3. Подготовить таблицу оценки технического состояния элементов и узлов генератора по образцу, приведенному в настоящем руководстве.

2. Работа в лаборатории.

2.1. Для ознакомления с конструкцией и элементами генератора изучить демонстрационный стенд и плакаты, посвященные генератору.

2.2. Получить набор инструментов, необходимых для разборки и сборки генератора типа Г–221.

2.3. Разобрать генератор в следующем порядке:

2.3.1. С помощью ключа № 24 отвернуть гайку крепления шкива вентилятора, снять пружинную коническую шайбу и посредством широкой отвертки снять шкив.

2.3.2. Вынуть из паза на валу ротора сегментную шпонку.

2.3.3. Отвернуть отверткой винт 8 (рис.3.1) крепления щеткодержателя и снять щеткодержатель.

2.3.4. Ключом № 10 отвернуть гайки четырех стяжных болтов 10.

2.3.5. Снять крышку 19 со стороны привода, а затем ротор в сборе.

2.3.6. Ключом № 7 отвернуть гайки винтов, соединяющих наконечники вентилей с выводами обмотки статора.

2.3.7. Вынуть из колодки штекерного разъема штекер 11 «нулевого» провода.

2.3.8. Извлечь статор 21 из крышки 1 генератора.

2.3.9. Ключом № 10 отвернуть гайку вывода 30 и снять выпрямительный блок 2 с вентилями положительной полярности.

2.4. Оценить техническое состояние генератора.

2.4.1. Осмотреть состояние статора генератора. Оценить состояние изоляции видимой части обмотки.

Осмотреть выводы обмотки статора и сделать заключение о состоянии изоляции выводов и их наконечников. При наличии окисления наконечников произвести их очистку с помощью абразивной бумаги. Провод статорной обмотки не должен иметь следов перегрева.

П р и м е ч а н и е - Все выводы и результаты оценки технического состояния элементов и узлов записать в заготовленную ранее таблицу, аналогичную Э2.1.

С помощью омметра проверить целостность изоляции обмотки. Для этого один зажим прибора необходимо подключить к одному из наконечников выводов обмотки, а другой к магнитопроводу. Сопротивление изоляции должно быть равным бесконечности. С помощью омметра проверить целостность статорной обмотки, для чего следует измерить сопротивление фазных обмоток между разъемом «нулевого» провода и каждым из трех выводов статорной обмотки. Сопротивление должно быть близким к нулю.

2.4.2. Визуально проследить прохождение обмоточного провода обмотки, ближайшей к внутренней поверхности магнитопровода статора, на основании чего составить схему укладки трехфазной обмотки статора.

2.4.3. Осмотреть ротор генератора. Проверить состояние подшипников.

Внешние обечайки подшипников должны свободно вращаться относительно внутренних обечаек. Кроме этого, люфт одной обечайки относительно другой должен практически отсутствовать.

2.4.4. Проверить состояние медных контактных колец. Внешние поверхности колец должны быть чистыми и ровными, без механических повреждений и задиров.

2.4.5. С помощью омметра измерить сопротивление обмотки возбуждения. Для чего прибор необходимо подключить к контактным кольцам. Прибор должен показать сопротивление в несколько Ом. На кольцах не должно быть следов подгара.

2.4.6. Измерить сопротивление изоляции обмотки возбуждения от корпуса ротора. Для этого одним щупом прибора необходимо коснуться одного из контактных колец, а другим щупом коснуться чистой поверхности магнитопровода ротора. Сопротивление изоляции должно быть равным бесконечности.

2.4.7. Проверить исправность диодов выпрямительного блока. Для этого с помощью омметра измерить их сопротивления в прямом и обратном направлении. Сопротивление диода в прямом направлении должно быть мало и практически равно бесконечности в обратном направлении. Следует обратить внимание на то, что при измерении прямого сопротивления показания омметра зависят от типа используемого прибора и составляет от нескольких Ом до нескольких десятков Ом.

2.4.8. Осмотреть щеткодержатель со щетками. Длина щеток не должна быть менее 8 мм. Щетки должны свободно перемещаться в направляющих, не иметь сколов. Поверхность трений о кольца должна быть ровной. Направляющие щеткодержателя должны быть без механических повреждений и без следов подгара или оплавления. Щетки должны выступать из щеткодержателя не менее чем на 5 мм. Пружины щеткодержателя должны быть исправными. Исправность пружин можно проверить путем нажатия на щетки. При снятии усилия щетки должны вернуться под действием пружин в исходное положение.

2.4.9. Проверить состояние крышек генератора. Они не должны иметь механических повреждений.

Все результаты оценки технического состояния генератора занести в таблицу.

2.5. Сборка генератора 2.5.1. Поставить на место вертикальные блоки генератора. Поставить на место болт вывода «30» и завернуть с небольшим усилием гайку вывода.

2.5.2. Правильно вставить статор в заднюю крышку с вентильным блоком и закрепить наконечники выводов обмотки статора на выводы диодов. Неизолированные токопроводящие наконечники выводов обмотки статора и перемычки между диодами должны отстоять от радиаторов не менее чем на 3 мм.

2.5.3. Вставить ротор генератора в статор и заднюю крышку. Подшипник ротора должен плотно войти в гнездо задней крышки.

2.5.4. Поставить переднюю крышку генератора на место. Ось ротора должна войти в подшипник передней крышки. Поставить на место четыре стяжных болта. Надеть на болты шайбы и вручную завинтить гайки стяжных болтов.

2.5.5. Повернуть ось ротора на несколько оборотов. Ротор должен свободно вращаться в подшипниках и не задевать за статор. Затянуть гайки стяжных болтов и повторно провернуть ротор. Ротор должен вращаться свободно.

2.5.6. Установить на место шкив приводного ремня, шпонку, шайбу. Закрепить шкив генератора на его оси с помощью гайки ключом № 24.

2.5.7. Установить на заднюю крышку щеткодержатель со щетками и закрепить их винтом с помощью отвертки.

2.6. Привести в порядок инструменты и рабочее место. Сдать набор инструментов, измерительный прибор и генератор.

2.7. Представить преподавателю для проверки таблицу оценки технического состояния генератора.

3. Оформить отчет, проведя анализ технического состояния генератора.

Сформулировать заключение о пригодности генератора к эксплуатации.

Методический материал к лабораторной работе В настоящее время коллекторные генераторы постоянного тока, работающие совместно с вибрационными реле-регуляторами практически полностью вытеснены вентильными генераторами–генераторами переменного тока со встроенными в них выпрямителями. Это обусловлено следующим: вентильные генераторы при той же мощности в 1,8…2,5 раза легче генераторов постоянного тока, имеют большую максимальную мощность, более надежны. Современные вентильные генераторы включают в свою конструкцию и выпрямитель и регулятор напряжения. В схемы генераторных установок стали добавляться элементы защиты от аварий.

Главным требованием, предъявляемым к генераторным установкам, является обеспечение электропитанием потребителей во всех режимах работы автомобиля при работающем двигателе. Номинальное напряжение генератора равно 14 В или 28 В (для дизельных двигателей). Номинальная мощность генератора определяется произведением номинального напряжения на максимальную силу выходного тока. Максимальный ток, отдаваемый генератором, указывается обычно при частоте вращения 5000 мин–1, а для современных генераторов – при частоте 6000 мин–1.

Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме, в которой с корпусом соединен отрицательный полюс системы.

Условное обозначение генераторных установок.

Обозначение элементов современной генераторной установки производится следующим образом:

хххх.3701 – генератор;

хххх.3702 – регулятор напряжения.

Перед точкой в обозначении ставятся соответствующие цифры. Первые две цифры обозначают порядковый номер модели, третья – модификацию изделия, четвертая – исполнение (1–для холодного климата, 2– общеклиматическое исполнение, 3–для умеренного и тропического климата, 6– экспортное исполнение, 7–тропическое исполнение, 8–экспортное исполнение для стран с холодным климатом, 9–экспортное общеклиматическое исполнение).

Цифры до точки кроме первых двух могут опускаться. Иногда модификация (например: 121.3702–01).

До введения этой системы обозначение генератора содержало букву Г (Г250 и т.п.), а регулятора напряжения–буквы РР (РР24 и т.п.). Следующими за буквами цифры обозначали номер модели и модификацию. Некоторые изготовители давали свое обозначение изделий (например: Я112).

Преобразование механической энергии, которую автомобильный генератор получает от двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу в электрическую происходит, в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Суть явления состоит в том, что, если изменять магнитный поток, пронизывающий катушку, витки которой выполнены из проводящего материала, например, медного провода, то на выводах катушки появляется электрическое напряжение, равное произведению числа ее витков на скорость изменения магнитного потока. Совокупность таких катушек образует в генераторе обмотку статора. Возможны два варианта изменения магнитного потока: по значению и направлению, что обеспечивается в щеточной конструкции вентильного генератора или только по значению, что характерно для индукторного бесщеточного генератора. Для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Эта катушка образует обмотку возбуждения.

Сталь, в отличие от воздуха, хорошо проводит магнитный поток. Поэтому основные узлы генератора, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, состоят из стальных участков и обмоток, в которых создается магнитный поток при протекании в ней электрического тока (обмотка возбуждения), и возникает электрический ток при изменении этого потока (обмотка статора).

Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор, главную неподвижную часть, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) - ротор, главную вращающуюся часть.

Питание обмотки возбуждения осуществляется от источника постоянного тока, например, от аккумуляторной батареи или от самого генератора. В последнем случае генератор работает на самовозбуждении, его первоначальное напряжение образуется за счет остаточного магнитного потока, который создается стальными частями ротора даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Это напряжение вызывает появление электрического тока в обмотке возбуждения, в результате чего магнитный поток усиливается и вызывает лавинный процесс возбуждения генератора. Однако самовозбуждение генератора происходит на слишком высоких частотах вращения ротора. Поэтому в схему генераторной установки, если обмотка возбуждения не соединена с аккумуляторной батареей, вводят такое соединение через контрольную лампу мощностью 2-3 Вт. Небольшой ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, обеспечивает возбуждение генератора при низких частотах вращения ротора. При работе генератора напротив катушек обмотки статора устанавливается то южный, то северный полюс ротора, при этом направление магнитного потока, пронизывающего катушку, изменяется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора n и числа пар полюсов генератора:

У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом частота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин -1, в 10 раз.

С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генератору, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчатого вала двигателя nДВ определяется соотношением:

Следовательно, по частоте переменного тока генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства, реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора.

Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов – трехфазная.

Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов, как показано на рисунках 3.2 и 3.3.

Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а токи протекают в этих обмотках, линейные напряжения действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем.

В этих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные. При соединении в «треугольник» фазные токи в 3 раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды».

Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в «треугольник», т.к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейное напряжение у «звезды» в 3 раз больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах вращения ротора «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков фаз по сравнению со «звездой».

Болee тонкий провод можно применять и при соединении «звезда». В этом случае обмотку выполняют из двух параллельно соединенных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», т.е. соединением «двойная звезда».

Выпрямитель содержит для трехфазной системы шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых VD1,VD3,VD5 соединены с выводом «+» генератора, а три - VD2, VD4, VD6 - с выводом «-» («массой»). Однако стремление повысить мощность генератора привело к увеличению числа диодов выпрямителя до восьми и применению дополнительного плеча выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанное на рисунке 3.4 пунктиром.

Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», так как дополнительное плечо запитывается от «нулевой» точки «звезды».

Подключение обмотки возбуждения к собственному выпрямителю на диодах VD9 - VD11 препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля.

Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают при обратном напряжении.

По графику фазных напряжений (рисунок 3.4) можно определить, какие диоды открыты, какие закрыты в данный момент времени. Фазное напряжение Uф1 действует в обмотке первой фазы, Uф2 - второй, Uф3 - третьей. Эти напряжения изменяются по кривым, близким к синусоиде, и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны.

Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее, то, например, для момента времени t1, когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы – положительно, а третьей - отрицательно, направление напряжений фаз соответствует стрелкам на рис.3.4. Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1, VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедится, что диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление тока - от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «-», т.е. в нагрузке протекает однополярный (выпрямленный) ток. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. В выпрямитель обмотки возбуждения входят также 6 диодов, но три из них - VD2, VD4, VD6 общие с силовым выпрямителем. Ток в обмотке возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9 - VD11 применяют малогабаритные слаботочные диоды, рассчитанные на ток не более 2 А.

Плечо выпрямителя, содержащее диоды VD7, VD8, вступает в работу только случае, если фазные напряжения генератора отличаются от синусоиды, что и имеет место в реальных генераторах. Напряжение любой формы можно представить в виде суммы синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками – основной, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения и высших, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой. Представление реальной формы фазного напряжения в виде суммы двух гармоник, первой и третьей, показано на рисунке 3.5.

Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т.е. в том напряжении, которое проводами подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т.е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимно уничтожают друг друга в линейном напряжении.

Таким образом, третья гармоника напряжения в фазном напряжении присутствует, а в линейном - нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, может быть использована потребителем.

Чтобы потребители могли использовать эту мощность, добавлены диоды VD7 и VD8, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т.е. к точке, где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, диоды VD7, VD8 выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает номинальную мощность генератора.

Как видно на рисунке 3.4 выпрямленное напряжение носит пульсирующий характер. Применение дополнительного плеча на диодах VD7, VD8 усугубляет глубину пульсации. Однако наличие аккумуляторной батареи, которая является своеобразным фильтром, сглаживает напряжение в бортовой сети автомобиля. При этом ток в самой батарее пульсирует.

Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - понижалось.

Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряжения в отдельных системах электроснабжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятора напряжения. В простейшем случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах.

В настоящее время все больше зарубежных фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора. Регуляторы, как правило, оборудованы широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик.

После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы.

Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.

Электрические схемы генераторных установок Принципиальные электрические схемы генераторных установок приведены рисунке 3.6.

1 - генератор, 2 - обмотка возбуждения, 3 - обмотка статора, 4 - выпрямитель, 5 – выключатель, 6 - реле контрольной лампы, 7 - регулятор напряжения, 8 - контрольная лампа, 9 - помехоподавительный конденсатор, 10 - трансформаторновыпрямительный блок, 11 - аккумуляторная батарея, 12 - стабилитрон защиты от всплесков напряжения, 13 – резистор.

Генераторные установки могут иметь следующие обозначения выводов:

«плюс» силового выпрямителя: «+», В, 30, В+, ВАТ; «масса»: «-», D-, 31, В–, М, Е, GRD; вывод обмотки возбуждения: Ш, 67, DF, F, ЕХС, Е, F_D; вывод для соединения с лампой контроля исправности (обычно «плюс» дополнительного выпрямителя, там, где он есть): D, D+, 61, L, WL, IND; вывод фазы: ~, W,R, STA, вывод нулевой точки обмотки статора: 0, Мр; вывод регулятора напряжения для подсоединения его в бортовую сеть, обычно к «+» аккумуляторной батареи: Б, 15, S; вывод регулятора напряжения для питания его от выключателя зажигания: IG; вывод регулятора напряжения для соединения его с бортовым компьютером: FR, F.

Различают два типа невзаимозаменяемых регуляторов напряжения - в одном типе (рисунок 3.6 а) выходной коммутирующий элемент регулятора напряжения соединяет вывод обмотки возбуждения генератора с «+» бортовой сети, в другом типе (рисунок 3.6 б,в) - с «-» бортсети. Транзисторные регуляторы напряжения второго типа являются более распространенными.