Hệ thống khởi động ô tô: Khái quát, phân loại và hoạt động

Mọi kỹ thuật viên khi mới vào nghề sửa chữa ô tô, đều nên nắm rõ khái quát hệ thống khởi động ô tô, với các loại máy khởi động, kết cấu và chức năng của chúng. Đây trung tâm VATC chắc chắn là những kiến thức căn bản trên xe hơi mà chúng ta không thể bỏ qua. Cùng tìm hiểu chi tiết hệ thống khởi động ô tô ngay dưới đây nhé!

• Kiến thức khái quát hệ thống khởi động cần nắm bắt
• Các loại máy khởi động
• Đặc tính khái quát hệ thống khởi động
• Các bộ phận trên máy khởi động loại giảm tốc
• Chi tiết các bộ truyền giảm tốc
• Nguyên lý hoạt động của máy khởi động
• Cơ cấu ăn khớp của máy khởi động

Kiến thức khái quát hệ thống khởi động cần nắm bắt

Tìm hiểu về khái quát hệ thống khởi động, chúng ta hãy cùng tìm hiểu các mục về mô tả máy khởi động, mô tơ một chiều, và các loại máy khởi động mà chúng ta thường gặp:

Khái quát về hệ thống khởi động trên xe ô tô

Mô tả máy khởi động

Vì động cơ không thể tự khởi động được nên cần phải có sự tác động của ngoại lực để có thể khởi động động cơ đốt trong. Để khởi động động cơ, máy khởi động làm quay trục khuỷu thông qua vành răng.

Máy khởi động trong hệ thống khởi động bằng động cơ điện cần phải tạo ra momen lớn từ nguồn điện hạn chế từ ắc quy, đồng thời phải gọn nhẹ. Vì những điều kiện trên, người ta dựng một motor điện một chiều trong máy khởi động.

Để khởi động động cơ, trục khuỷu cần phải quay nhanh hơn tốc độ quay tối thiểu. Mỗi động cơ sẽ có tốc độ quay tối thiểu khác nhau, tùy thuộc theo cấu trúc và tình trạng hoạt động của động cơ, thường sẽ từ 40 – 60 vòng/phút đối với động cơ xăng và đối với động cơ diesel là từ 80 – 100 vòng/phút.

Mô tơ điện một chiều

Mô tơ điện một chiều gồm có một cuộn cảm và cuộc ứng, được mắc nối với nhau dùng để tạo ra momen xoắn cực đại khi máy khởi động bắt đầu làm việc.

Các loại máy khởi động

Máy khởi động loại thông thường

Bánh răng dẫn chủ động được đặt trên cùng một trục với lõi motor và quay cùng một tốc độ với lõi. Cần dẫn động được nối với thanh đẩy của công tắc từ, đẩy bánh răng chủ động và khiến nó ăn khớp với vành răng.

Loại giảm tốc

Hệ thống khởi động ô tô có máy khởi động loại giảm tốc sử dụng motor tốc độ cao. Máy khởi động loại giảm tốc giúp tăng momen xoắn bằng cách giảm tốc độ quay của phần ứng lõi motor qua bộ truyền giảm tốc. Piston của công tắc từ đẩy trực tiếp bánh răng chủ động đặt trên cùng một trục với nó và ăn khớp với vành răng.

Máy khởi động loại bánh răng hành tinh

Máy khởi động loại bánh răng hành tinh sử dụng bộ truyền hành tinh để giảm tốc độ quay lõi của motor. Bánh răng dẫn động khởi động ăn khớp với vành răng thông qua cần dẫn động, giống như máy khởi động thông thường.

Máy khởi động PS

Hệ thống khởi động có máy khởi động này sử dụng các nam châm vĩnh cửu đặt trong cuộc cảm. Cơ cấu đóng ngắt hoạt động tương tự máy khởi động loại bánh răng hành tinh.

Máy khởi động PS

Đặc tính khái quát hệ thống khởi động

Đặc tính của motor khởi động một chiều

Mối quan hệ giữa tốc độ – momen – cường độ dòng điện

Về cơ bản mạch điện của motor chỉ là các cuộn dây tạo thành. Giá trị điện trở của mạch rất nhỏ vì chỉ có điện trở từ các cuộn dây. Theo định luật ôm, giá trị dòng điện sẽ tăng cực đại khi điện áp ắc quy (12V) là không đổi, và giá trị điện trở của mạch điện là cực nhỏ. Kết quả là phần lớn dòng điện đi tới máy khởi động và momen xoắn cực đại được tạo ra ngay khi máy khởi động bắt đầu làm việc.

Bởi vì motor và máy phát điện cơ cấu tạo khá giống nhau, nên điện áp theo chiều ngược lại (suất điện động đảo chiều) được tạo ra khi motor quay làm nhiễu dòng một chiều. Khi tốc độ của máy khởi động tăng lên, thì suất điện động cảm ứng này cũng sẽ tăng lên, do đó dòng điện chạy qua motor giảm đi khiến momen xoắn và dòng điện một chiều cũng giảm.

Tham khảo khi sửa motor hệ thống khởi động:

• Tỉ số truyền giữa bánh răng dẫn động và vành răng xấp xỉ từ 1 :10 đến 1 :15.
• Khi mới bắt đầu làm việc, công suất đầu ra của máy khởi động là rất thấp, vậy nên momen xoắn lớn và tốc độ của máy khởi động thấp nhưng công suất này tăng lên tới giá trị cực đại theo sự thay đổi của momen xoắn và tốc độ của nguyên lý hoạt động máy khởi động. Công suất máy khởi động được biểu đạt bằng đường cong trên hình vẽ, dựa theo sự thay đổi của momen xoắn và tốc độ của máy khởi động.

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp

Khi máy khởi động bắt đầu hoạt động, hệ thống khởi động có điện áp ở cực từ ắc quy giảm xuống do cường độ dòng điện trong mạch giảm. Khi cường độ dòng điện từ mạch lớn thì không thể bỏ qua sự rơi áp ở điện trở (R) điện trong mạch từ ắc quy.

Theo định luật ôm, khi giá trị của dòng điện trong mạch điện tăng thì sụt áp tăng lên, sụt áp giảm xuống khi giá trị dòng điện trong mạch giảm xuống và điện áp ắc quy lại trở về với giá trị bình thường.

Các bộ phận trên máy khởi động loại giảm tốc

Khái quát về hệ thống khởi động trên xe ô tô

• Công tắc từ.
• Phần ứng (lỗi của motor khởi động).
• Vỏ máy khởi động.
• Chổi than và giá đỡ chổi than.
• Bộ truyền bánh răng giảm tốc.
• Ly hợp khởi động.
• Bánh răng dẫn động khởi động và then xoắn.

Cụ thể các bộ phận trên hệ thống khởi động:

Công tắc từ: Hoạt động như là một công tắc chính của dòng điện chạy tới motor và điều khiển bánh răng dẫn động bằng cách đẩy nó ăn khớp với vành răng khi bắt đầu khởi động, và kéo nó ra sau khi đã khởi động. Cuộn kéo được cuộn bằng dây có đường kính lớn hơn cuộn giữ, và lực điện từ của nó tạo ra lớn hơn lực điện từ được tạo ra bởi cuộn giữ.

Phần ứng và ổ bi cầu: Phần ứng tạo ra lực để quay motor và ổ bi cầu đỡ cho lõi (phần ứng) quay ở tốc độ cao.

Vỏ máy khởi động: Vỏ máy khởi động của hệ thống khởi động tạo ra từ trường cần thiết để motor có thể hoạt động. Nó cũng đảm nhiệm chức năng như một vỏ bảo vệ các cuộn cảm, lõi cực và khép kín các đường sức từ. Cuộn cảm được mắc nối tiếp với phần ứng.

Chổi than và giá đỡ chổi than:

Khái quát về hệ thống khởi động trên xe ô tô

Chổi than được tỳ vào cổ góp của phần ứng bởi các lò xo, để cho dòng điện đi từ cuộn dây tới phần ứng theo một chiều nhất định. Chổi than được làm từ hỗn hợp cacbon nên nó có tính dẫn điện tốt và khả năng chịu sự ăn mòn lớn. Các lò xo chổi than nén vào cổ góp phần ứng và làm cho phần ứng dừng lại ngay khi máy khởi động tắt.

Nếu các lò xo chổi than bị yếu đi hay chổi than bị mòn, có thể sẽ làm cho tiếp điểm điện giữa chổi than và cổ góp không đủ để dẫn điện. Điều này sẽ làm cho điện trở ngay tại mặt tiếp xúc tăng lên, làm giảm dòng điện cung cấp tới motor và dẫn tới tình trạng giảm momen xoắn.

Chi tiết các bộ truyền giảm tốc

Bộ truyền giảm tốc truyền lực quay của motor tới bánh răng dẫn động khởi động trong hệ thống khởi động, và làm tăng momen xoắn bằng cách làm chậm tốc độ của motor. Bộ truyền giảm tốc làm giảm tốc độ quay của motor với tỉ số là 1/3 – ¼ và nó có một ly hợp khởi động bên trong.

Ly hợp khởi động

• Ly hợp khởi động truyền chuyển động quay của motor tới động cơ thông qua các bánh răng chủ động.
• Để bảo vệ nguyên lý hoạt động máy khởi động không bị hỏng bởi số vòng quay cao được tạo ra khi khởi động động cơ, người ta bố trí ly hợp khởi động này. Đó là cách mà ly hợp khởi động loại một chiều có các con lăn.

Bánh răng khởi động chủ động và then xoắn

Bánh răng dẫn động khởi động và vành răng truyền lực trong hệ thống khởi động quay từ máy khởi động tới động cơ nhờ sự ăn khớp an toàn. Bánh răng dẫn động khởi động được vát mép để có thể dễ dàng ăn khớp với nhau. Then xoắn chuyển lực quay vòng của motor trở thành lực đẩy bánh răng dẫn động khởi động, đồng thời trợ giúp cho việc ăn khớp và ngắt sự ăn khớp của các bánh răng dẫn động khởi động với vành răng.

Hoạt động

Công tắc từ: Công tắc từ gồm có hai chức năng: Đóng ngắt motor và an khớp và ngắt bánh răng khởi động dẫn động khởi động với vành răng. Công tắc này hoạt động theo ba bước khi máy khởi động hoạt động là: Hút vào – Giữ – Hồi vị.

Gợi ý sửa chữa:

• Nếu hở mạch trong cuộn hút, thì nó không thể hút được piston. Vậy nên máy khởi động không thể khởi động được (không có tiếng động hoạt động của công tắc từ).
• Nếu hởi mạch trong cuộn giữ, thì nó sẽ không thể giữ được piston và có thể khiến piston đi vào/nhảy ra liên tục.
• Nếu công tắc chính tiếp xúc kém, thì dòng điện đi tới cuộn cảm và phần ứng diễn ra rất khó khăn và tốc độ của máy khởi động sẽ giảm xuống.

Nguyên lý hoạt động của máy khởi động

Kéo (hút vào):

Khi hệ thống khởi động mở khóa điện ở vị trí Start, dòng điện của ắc quy đi vào cuộn giữ và cuộn kéo. Sau đó dòng điện sẽ đi từ cuộn kéo tới phần ứng thông qua cuộn cam làm quay phần ứng với tốc độ thấp.

Việc tạo ra lực điện từ trong các cuộn giữ và cuộn kéo sẽ làm từ hóa các lõi cực. Vậy nên piston của công tắc từ bị kéo vào lõi cực của nam châm điện. Nhờ sự kéo này mà bánh răng dẫn động khởi động bị đẩy ra và ăn khớp với vành răng bánh đà, đồng thời đĩa tiếp xúc sẽ bật công tắc chính lên.

Gợi ý sửa chữa:

• Để duy trì điện áp kích hoạt công tắc từ, một số dòng xe sẽ có rơ le khởi động đặt giữa khóa điện và công tắc từ.

Giữ:

Khi công tắc chính được bật lên, thì không có bất kỳ dòng điện nào chạy qua cuộn hút (vì 2 đầu đẳng áp), còn cuộn cảm và cuộn ứng sẽ nhận dòng điện trực tiếp từ ắc quy. Cuộn dây phần ứng sau đó bắt đầu quay với vận tốc cao và động cơ được khởi động. Ở thời điểm này, pitton được giữ nguyên tại vị trí chỉ nhờ lực điện từ của cuộn giữ vì không có lực điện từ chạy qua cuộc hút.

Nhả hồi về:

Khi khóa điện được mở từ vị trí Start sang vị trí On, dòng điện từ phía công tắc chính sẽ đi tới cuộn giữ qua cuộn kéo. Ở thời điểm này, vì lực điện từ được tạo ra bởi cuộn kéo và giữ triệt tiêu lẫn nhau nên không giữ được pittong. Vậy nên, pittong bị kéo lại nhờ lò xo hồi vị và công tắc chính bị ngắt khiến máy khởi động dừng lại.

Cơ cấu ăn khớp của máy khởi động

1. Khái quát:

Cơ cấu ăn khớp/nhả có hai chức năng là ăn khớp và ngắt sự ăn khớp giữa bánh răng dẫn động khởi động với vành răng bánh đà trong hệ thống khởi động.

2. Cơ cấu ăn khớp

Khi các mặt đầu của bánh răng dẫn động khởi động và vành răng đi vào ăn khớp với nhau, nhờ tác động kéo của công tắc từ và ép lò xo dẫn động lại. Sau đó công tắc chính được bật lên, và lực quay của phần ứng tăng lên.

Một phần lực quay sẽ được chuyển thành lực đẩy bánh răng dẫn động khởi động nhờ then xoắn. Nghĩa là, bánh răng dẫn động khởi động được đưa vào ăn khớp với vành răng bánh đà nhờ lực hút của công tắc từ và lực quay của phần ứng cộng với lực đẩy của then xoắn. Bánh răng dẫn động khởi động và vành răng trong hệ thống khởi động được vát mép để việc ăn khớp diễn ra dễ dàng.

3. Cơ cấu nhả khớp

Khi bánh răng dẫn động khởi động làm quay vành răng thì xuất hiện áp lực cao trên bề mặt răng của hai bánh. Vì tốc độ quay của động cơ (vành răng) trở nên cao hơn so với bánh răng dẫn động khởi động khi khởi động động cơ, nên vành răng sẽ làm quay bánh răng dẫn động. Một phần của lực quay này được chuyển thành lực đẩy dọc trục nhờ then xoắn để ngắt sự ăn khớp giữa bánh răng dẫn động khởi động và vành răng.

Cơ cấu li hợp máy khởi động ngăn không cho lực quay của máy khởi động truyền tới bánh răng dẫn động khởi động từ vành răng bánh đà. Kết quả là áp lực giữa các bề mặt răng của hai bánh răng giảm xuống và bánh răng dẫn động trong hệ thống khởi động được kéo ra khỏi sự ăn khớp một cách dễ dàng.