Какой принцип работы стартера и кто его придумал?
Двигатели первых автомобилей имели очень сложный алгоритм запуска. К примеру, на первом «Motorwagen» Карла Бенца требовалось сначала выставить подачу топлива, отрегулировать смесь и угол опережения зажигания, затем взяться за маховик и начать раскручивать его до того момента, как магнето сможет давать искру. В качестве стартера выступал сам водитель. После того, как одноцилиндровый мотор прочихается, требовалось подождать прогрева и вновь отрегулировать смесь. Все это было слишком сложно для неподготовленных автомобилистов.
В начале века двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на транспортных средствах были в меньшинстве. К примеру, в США в 1900 году 40% функционирующих автомобилей действовали на паровом ходу и походили на колесные паровозы. Такую же часть занимали машины с электродвигателями и аккумуляторами (38%) и только 22% транспортных средств имели бензиновые моторы.
Затем инженеры устранили многие проблемы и преимущества ДВС стали выходить на первый план. Однако проблема с запуском так и оставалась нерешенной. На самом распространенном автомобиле первого двадцатилетия XX века — Ford T — двигатели запускались руками вплоть до 1919 года.
Необходимо было вставить в кронштейн коленчатого вала кривую рукоятку и после активации «подсоса», ручного газа, требовалось раскрутить двигатель. Иногда неправильно выставленный угол опережения зажигания мог привести к неприятным последствиям. Ранняя вспышка била в противоход поршню, и коленвал получал импульс назад. В итоге рукоятками ломало руки водителям, а иногда случались смертельные случаи.
Близкий друг основателя Cadillac Генри Лиланда в 1910 году был серьезно травмирован обратным рывком заводной рукоятки в результате чего скончался. В итоге, Генри Лиланд поклялся, что его машины больше никого не убьют, и стал активно внедрять стартеры. В 1911 году американский инженер-механик Чарльз Кеттеринг доработал конструкцию электрического стартера, а в 1912 году был выпущен первый автомобиль с электрическим стартером — Cadillac Model 30.
Устройство первого стартера автомобиля
Стартер представлял собой электромотор, который был напрямую связан с коленвалам и вращал его во время запуска, а после появления первых вспышек стартер переходил в режим генератора и вырабатывал электрический ток для имеющегося в машине оборудования. Правда, этот стартер был несовершенен. С ростом оборотов двигателя потребовалось придумать механизм соединения и разделения стартера с коленвалом, иначе при слишком большом вращении электромотор перегревался и перегорал.
В 1916 году американский инженер Винсент Гуго Бендикс разработал муфту опережения, которая помогала подключать стартер к двигателю кратковременно, и этот механизм впоследствии получил название «бендикс».
Это устройство необходимо для размыкания прямой механической связи между стартером и двигателем внутреннего сгорания. Оно представляет собой муфту с ведущей шестерней, которая движется в металлической обойме, прижимаемой буферной пружиной.
«Бендикс» срабатывает, как только водитель поворачивает ключ в замке зажигания. Специальное реле с помощью выжимной вилки подает вперед главную шестерню «бендикса», которая входит в зацепление с зубцами на маховике. Для облегчения стыковки зубья на маховике и на шестерне обгонной муфты сделаны с конической фаской. При этом буферная пружина сглаживает удары и рывки, из-за чего удается снизить нагрузки.
В общем, обгонная муфта («бендикс») позволяет существенно продлить срок эксплуатации стартера.
Из чего состоит стартер?
Пусковое устройство состоит из нескольких основных элементов: электродвигателя, обгонной муфты («бендикс») и втягивающего реле цилиндрической формы. Технический узел находится в металлическом корпусе длиной примерно 15 см и диаметром 7−10 см. В электродвигателе стартера имеется неподвижная часть — статор, и подвижная — ротор, которую принято называть якорем.
Внутри электромотора расположены четыре магнитных сердечника с катушками («башмаки»), которые выполняют функцию магнитов. Все обмотки соединены в одну цепь и замыкаются на медно-графитовых щетках.
Якорь стартера — это ось из легированной стали, вращающийся на подшипниках скольжения. Коллектор с обмоткой создает магнитное поле, приводящее якорь в движение.
Где установлен стартер в автомобиле?
Как правило, в современных автомобилях стартер устанавливается в месте соединения двигателя с коробкой передач, около картера, для того, чтобы примыкать непосредственно к маховику, который и приводится в движение во время запуска мотора. В зависимости от компоновки подкапотного пространства стартер монтируется в нижней части двигателя в горизонтальном положении на фланце или опорной раме. Устройство фиксируется при помощи 2−3 больших болтов и легко снимается для ремонта. Правда, на некоторых легковых автомобилях из-за тесноты в моторном отсеке доступ к стартеру ограничен, и для демонтажа потребуется вывешивать машину на подъемнике, чтобы подобраться снизу.
Как работает стартер на автомобиле?
После того, как стартер прокрутил коленвал и двигатель завелся, необходимо быстро отсоединить обгонную муфту от маховика. Для этого электроника подает сигнал, и реле отключается. Муфта под действием пружины отодвигается назад. Главная шестерня выходит из пазов маховика. Вал двигателя уже не связан со стартером.
Представим ситуацию, когда неисправный «бендикс» не отсоединился после запуска мотора. Такое бывает, если из-за выработки искривлены пазы в зубчатом соединении. Из-за задиров муфту заклинивает и она остается в жестком зацеплении с маховиком. Это самый худший сценарий для стартера. Тогда момент от заведенного двигателя передается напрямую на электромотор. Вал редуктора с якорем вращаются со скоростями, в десятки раз большими, чем предписано нормативами по эксплуатации, что приводит к быстрому разрушению технического узла.
Если запуск мотора происходит на 100−200 оборотах, то холостой ход раскручивает мотор до 700 об. Если водитель нажимает на газ для того, чтобы ускориться, то двигатель раскручивается до 4500 об.
В случае заклинивания обгонной муфты вращающийся вал электромотора стирает щетки электродвигателя, разрушает пластмассовое кольцо планетарного редуктора, и корпус самого стартера сильно перегревается. В итоге электромотор раскаляется, сыплет искрами, раздается сильный скрежет и стук из моторного отсека. Если водитель остановит автомобиль и посмотрит под капот, то он почувствует сильный запах горелой проводки и увидит дымок, выходящий из стартера.
Как диагностировать неисправности стартера?
Определить неисправный «бендикс» можно по ряду признаков. В основном это посторонние звуки под капотом, которые раздаются после поворота ключа зажигания. Часто слышится скрежет зубчатой шестерни, которая не может войти в зацеплений. Слышны щелчки и металлические постукивания. При этом нет характерного звука проворачиваемого коленвала. После третьего-четвертого срабатывания «бендикс» все-таки входит в зацепление с маховиком и мотор заводится.
Со временем звуки нарастают, и проблема проявляется все сильнее. В этом случае необходимо отправляться в магазин запчастей за новой обгонной муфтой, иначе в какой-то момент стартер перестанет соединяться с валом двигателя совсем, и завести машину можно будет только на буксире или, как говорят в народе, «с толкача».
Как можно нечаянно сломать стартер?
Повредить стартер можно при неправильном запуске мотора. Некоторые водители удерживают ключ в положении старт в замке зажигания, как бы помогая двигателю раскручиваться даже после того, как появились первые вспышки в камерах сгорания. Часто это происходит в зимний период, когда бывают проблемы с зажиганием. В этот момент наиболее нетерпеливые могут еще поддать газу. Мотор тут же раскручивается, а обгонная муфта все еще находится в зацеплении с валом мотора. Ее сразу же закусывает, и тогда можно услышать жалобный визг из-под капота. Так звучат раскручивающиеся щетки стартера. Затем стартер перегревается, и его может заклинить.
В общем, при запуске мотора долго удерживать ключ в положении «Старт» нельзя, в особенности когда мотор уже работает.
На старых моделях «Жигулей» запустить стартер можно было даже при работающем моторе. Если водитель неосторожно брался за ключ и проворачивал его по часовой стрелке, то можно было услышать пронзительный скрежет из-под капота. Это включившийся стартер пытался подсоединиться к работающему маховику, из-за чего главная шестерня начинала скрежетать с риском появления задиров.
Как правильно заводить автомобиль?
Здесь важно помнить, что сразу после запуска мотора нельзя долго удерживать ключ в положении START. Его необходимо отпустить, и тогда он сам возвращается в положение ON. Во время движения касаться ключа руками не рекомендуется до момента завершения поездки.
Кроме того, современные инжекторные моторы нельзя заводить с добавлением газа. Электроника сама выставит нужное количество смеси для запуска.
Если машина «троит» сразу после старта, то подбадривать ее газом тоже не рекомендуется. Несгоревший бензин из плохо работающего цилиндра выбрасывается в выхлопную систему и догорает уже в катализаторе, что приводит к его перегреву. Лучше проверить свечи или систему зажигания и починить неисправность.
Какие еще бывают стартеры?
В первой половине XX века на больших транспортных средствах, моторы которых трудно было запустить с помощью рукоятки, а электрический стартер был слишком маломощен, запуск силового агрегата производился другими пусковыми устройствами.
К примеру, большие моторы на тракторах и самолетах заводили с помощью… выстрела. На их двигателях имелась система подачи пороховых газов прямо в цилиндры. Техник открывал подсос и ручной газ, включал зажигание, вставлял пирозаряд в патронник (чаще охотничий патрон 12 калибра), закрывал защитную крышку и бил по капсуле молотком. Раздавался выстрел и тяжелый коленвал двигателя быстро проворачивался, благодаря чему мотор заводился.
К примеру, на тракторе Field Marshall Fowler, который выпускался с 1945 по 1957 годы в Великобритании, пороховые газы били прямо в один из поршней. Существенный недостаток этого метода — это необходимость чистить систему от продуктов сгорания пороха. Кроме того, неправильно приготовленный заряд вызывал замятие клапана.
Такой же способ запуска моторов использовался и на некоторых самолетах первой половины прошлого века. В 1930-х годах в авиации ставили пиротехнические стартеры в виде поршня, приводимого в движение пороховыми газами. После выстрела поршень при поступательном движении через винтовую муфту проворачивал вал двигателя.
Для авиации пиростартеры оказались выгодны из-за малого веса. С их помощью удавалось избавиться от тяжелых батарей и генераторов. Кроме того, пиростартеры значительно упрощали запуск мотора в холодное время года.
Пиротехнические стартеры до сих применяются в двигателях спасательных шлюпок, потому как в экстремальных ситуациях некогда заряжать аккумулятор или искать розетку. Встречаются пиростартеры и на некоторых двигателях для больших многоколесных снегоходов.
На тракторных дизелях в качестве стартера применяется система запуска со вспомогательным ДВС. Обычно это маленький бензиновый двигатель воздушного охлаждения, который заводится либо электростартером, либо вручную шнуровым маховиком, как на лодочных моторах или бензопилах. После запуска моторчик подает момент через редуктор на главный вал дизельного мотора, а также в генератор, вследствие чего и происходит прогрев свечей накаливания и запуск основного силового агрегата.
Существуют и пневматические стартеры. Появились они еще в начале XX века и часто ставились на представительские автомобили и на специальную технику. К примеру французские Delaunay-Belleville из царского гаража Николая Второго имели пневматический стартер, который подавал сжатый воздух непосредственно в цилиндры, после чего водитель включал зажигание, и мотор начинал работать уже на бензине. На запасе сжатого воздуха из баллонов машина даже могла проехать больше мили, благодаря чему пневматическое пусковое устройство использовали иногда не по назначению. Автомобиль ездил на пневматическом ходу на парадах и во время смотров. Пневматика была удобна тем, что не создавала много шума, как бензиновый 80-сильный мотор царского лимузина.
Сейчас судовые, танковые, тепловозные дизельные моторы тоже оснащаются пневматическими стартерами. С их помощью в цилиндры главного двигателя через дополнительные клапаны подается сжатый воздух, который и раскручивает коленвал. При этом, баллон для сжатого воздуха пополняется во время работы компрессора с приводом от основного дизеля. Этот же компрессор используется для нагнетания давления в тормозной системе пневматических тормозов на грузовиках.
К примеру, на карьерных самосвалах БелАЗ грузоподъемностью 80−120 тонн применяется пневматический стартер мощностью до 60 кВт и с максимальным рабочим давлением 0,9−1,5 МПа. Правда, там воздух подается не в цилиндры, а в ротор, который связан через муфту с коленвалом.
