ПРИВОД СТАРТЕРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
STARTER DRIVE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к пусковым устройствам двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а именно к приводам стартеров.
Каждый ДВС снабжается стартером. Особенность работы известных стартеров заключается в том, что стартер оборудован электродвигателем, питаемым от аккумуляторной батареи, на валу электродвигателя установлена обгонная муфта, приводящая шестерню, которая при запуске ДВС специальным устройством вводится в зацепление с зубчатым колесом, установленным на маховике ДВС. После того, как двигатель будет запущен, шестерня этим же устройством выводится из зацепления с зубчатым колесом на маховике.
Обгонная муфта передает вращающий момент только в одном направлении - от двигателя к шестерне - и не является выключающимся устройством.
Преимущественное распространение в стартерах получили роликовые обгонные муфты, недостатком которых является то, что контакт тел заклинивания в муфте осуществляется по малым площадям при том, что нормальные силы, действующие в контакте тел заклинивания, в 15-20 раз превышают полезное окружное усилие. Эти особенности роликовых обгонных муфт являются причиной их малой долговечности и несущей способности (патент РФ на полезную модель №63887, F16D 41/00, опубл. 10.06.2007).
Известен привод стартера ДВС (авторское свидетельство СССР №545790, F16D 15/00, опубл. 05.02.1977), содержащий установленную на шлицах вала ведущую втулку, связанную через механизм свободного хода с шестерней стартера, с целью повышения надежности ведущая втулка шарнирно соединена с ведущим элементом механизма свободного хода, выполненного в виде дифференциального колодочного механизма.
Однако эта конструкция сложна из-за использования дифференциального колодочного тормоза, состоящего из нескольких звеньев, которые соединены пальцами.
a
В качестве прототипа принят привод стартера ДВС (А.Е. Кропп. Новые обгонные муфты и области их применения. Вестник машиностроения. - 2005. - №6. С.8-12). В статье отмечается, что указанный механизм может применяться в приводе стартера ДВС, включающем приводящую шестерню, перемещающуюся вдоль вала стартера с возможностью зацепления в крайнем положении с зубчатым колесом на маховике привода, устанавливаемый на валу стартера шкив, на котором установлено разрезное кольцо, по обе стороны от разреза снабженное отверстиями под пальцы, соединяющие кольцо с рычагом, а отношение расстояния «» между пальцами, соединяющими кольцо с рычагом, к расстоянию «l» от центра вращения шкива до оси ближайшего к нему пальца удовлетворяет условию работы дифференциальной обгонной муфты:
<mrow><mi>β</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mi>π</mi><mi>f</mi></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>≥</mo><mfrac><mi>a</mi><mi>l</mi></mfrac></mrow>
где e - основание натурального логарифма,
β=0,8-0,9 - коэффициент,
f - коэффициент трения в контакте шкива и кольца.
В статье раскрыто конструктивное выполнение механизма в режиме работы дифференциального тормоза, который может быть преобразован в обгонную муфту или в останов и указано, что для того, чтобы преобразовать дифференциальный тормоз в обгонную муфту, необходимо, во-первых, отсоединить палец от корпуса машины, во-вторых, сделать механизм постоянно замкнутым, для этого следует отсоединить направление действия пружины и установить ее так, чтобы она не опиралась на корпус. Таким образом, в статье поставлена задача, но не решена.
Предлагаемым изобретением решается задача создания механизма, работающего в режиме обгонной муфты в приводе стартера ДВС.
Технический результат - расширение функциональных возможностей механизма и повышение его технологичности при работе в режиме обгонной муфты привода стартера ДВС при повышенной несущей способности, долговечности и упрощении конструкции.
a
Этот технический результат достигается тем, что по варианту 1 в приводе стартера ДВС, включающем шестерню, перемещающуюся вдоль вала стартера с возможностью зацепления в крайнем положении с зубчатым колесом на маховике привода, устанавливаемый на валу стартера шкив, на котором установлено разрезное кольцо, по обе стороны от разреза снабженное отверстиями под пальцы, соединяющие кольцо с рычагом, а отношение расстояния «» между пальцами, соединяющими кольцо с рычагом, к расстоянию «l» от центра вращения шкива до оси ближайшего к нему пальца удовлетворяет условию работы дифференциальной обгонной муфты, в рычаг встроена пружина сжатия, опирающаяся на разрезное кольцо с возможностью поворота его по часовой стрелке и прижатия к шкиву, в рычаге выполнено отверстие, в которое вставлен палец, приводящий во вращение шестерню, установленную на валу стартера, причем пальцы, соединяющие кольцо с рычагом, и палец, приводящий во вращение шестерню, расположены на одной прямой, проходящей через центр шкива;
по варианту 2 центр тяжести рычага смещен по линии действия пружины с возможностью возникновения центробежной силы, действующей при вращении рычага против силы сжатия пружины,
…Повышение несущей способности и долговечности привода стартера достигается тем, что контакт тел заклинивания осуществляется по развитым поверхностям, что позволит уменьшить массу соответствующих узлов, повысить надежность за счет более благоприятных условий для передачи сил и снижения контактных напряжений. Дифференциальная обгонная муфта в отличие от всех ранее известных механизмов обладает свойством быть выключенной независимо от относительного вращения ведущих и ведомых деталей привода, для этого достаточно создать зазор между шкивом и кольцом простым изменением направления действующей силы.
Предлагаемый привод стартера ДВС приведен на чертежах:
на фиг.1 - узел привода стартера по варианту 1,
на фиг.2 - разрез I-I на фиг 1,
на фиг.3 - узел привода стартера ДВС по варианту 2,
на фиг.4 - разрез I-I на фиг.2.
На вал 1 стартера неповоротно установлен шкив 2, который охватывает разрезное кольцо 3, имеющее отверстия по обе стороны от разреза. В эти отверстия установлены пальцы 4 и 5, соединяющие кольцо 3 с рычагом 6. Пальцы 4 и 5 расположены на прямой, проходящей через центр О шкива 2. Для выбора зазора между кольцом 3 и шкивом 2 и создания первоначального трения между этими деталями в рычаг 6 встроена пружина сжатия 7, которая опирается на кольцо 3 и поворачивает рычаг 5 по часовой стрелке. При этом в пальцах 4 и 5 появляются силы, деформирующие кольцо 3 и прижимающие его с некоторой малой силой к шкиву 2. На той же прямой, на которой расположены пальцы 4, 5, диаметрально противоположно относительно центра О в рычаге 6 выполнено отверстие, в которое установлен палец 8, соединяющий рычаг 6 с втулкой 9. Втулка 9 свободно на подшипниках скольжения установлена на вал 1 стартера. По наружной поверхности втулки 9 выполнены шлицы, на которые устанавливается шестерня 10, которая может занимать два положения на втулке 9: крайнее правое и крайнее левое. При крайнем правом положении шестерни 10 она находится в зацеплении с зубчатым колесом 11, установленным на маховике двигателя; при крайне левом положении шестерни 10 она выведена из зацепления с зубчатым колесом 11. Для перемещения шестерни из одного крайнего положения в другое стартер оборудован соответствующими устройствами, которые применены здесь точно так же, как в известных стартерах, и потому здесь не описаны. Для перемещения шестерни 10 в ней изготовлен кольцевой паз 12, в который входит вилка рычага, перемещающего шестерню 10 (эти вилка и рычаг на фиг.1 не показаны).
Детали 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 в описанном приводе стартера образуют дифференциальную обгонную муфту. Эта муфта передает вращающий момент силами трения между шкивом 2 и кольцом 3, то есть относится к фрикционному типу обгонных муфт. Чтобы эта муфта действительно работала как обгонная, то есть передавала вращающий момент от ведущей детали к ведомой при вращении ведущей детали в одном направлении и не передавала вращающий момент при вращении ведущей детали в другом направлении, необходимо получить некоторое математическое неравенство, относящееся к размерам механизма, соблюдение которого определяет работу муфты. Нами получено требуемое неравенство в виде
<mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>85</mn><msup><mi>e</mi><mrow><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mi>π</mi></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>≥</mo><mfrac><mi>a</mi><mi>l</mi></mfrac><mtext>                                  (1)</mtext></mrow>
a
Где «» и «l» - размеры в дифференциальной обгонной муфте (см. фиг.1),
e=2,718 - основание натуральных логарифмов,
f - коэффициент трения в контакте между шкивом 2 и кольцом 3,
1,5π=α - угол обхвата кольцом 3 шкива 2.
Привод стартера по варианту 1 работает следующим образом.
При запуске двигателя в стартере сначала включается механизм перемещения шестерни 10 из крайнего левого положения в крайнее правое. При этом шестерня 10 входит в зацепление с зубчатым колесом 11. После этого включается электродвигатель стартера, и вал 1 начинает вращать шкив 2. Поскольку соблюдается условие (1), то силами трения приводится во вращение кольцо 3 и другие детали обгонной муфты. В результате приводится во вращение шестерня 10 и зубчатое колесо 11. Происходит запуск двигателя.
После запуска двигателя электродвигатель стартера отключается от сети его питания, но поскольку шестерня 10 все еще находится в зацеплении с зубчатым колесом 11, появляется опасность разрушения ротора стартера из-за очень большой скорости его вращения, ведь теперь ведущим оказывается колесо 11, которое вращается с частотой коленчатого вала заведенного двигателя. Но в этот момент в работу вступает обгонная муфта, для которой ведущие и ведомые детали поменялись местами и потому при ведущем зубчатом колесе 11 обгонная муфта расклинивается и начинает работать в режиме обгона, то есть вращение от зубчатого колеса 11 не передается на вал стартера.
Следующее действие в существующих стартерах - вывод шестерни 10 из зацепления с зубчатым колесом 11. Это действие выполняет пружина сжатия 7 в механизме перемещения шестерни 10. В результате шестерня 10 оказывается в исходном положении, то есть в крайнем левом положении.
…В приводе стартера по варианту 2 используется свойство дифференциальной обгонной муфты по варианту 1 быть отключенной.
Для реализации этого условия в рычаг 6 встроена пружина сжатия 7. Если мы во время работы дифференциальной обгонной муфты создадим силу Q, действующую на рычаг 6 по линии действия силы пружины 7, большей ее по абсолютной величие, действующей в противоположном направлении, то сила Q действует на кольцо 3 таким образом, что между кольцом 3 и шкивом 2 образуется зазор, и муфта отключается.
Для отключения дифференциальной обгонной муфты автоматически и в нужный момент времени предложено, чтобы сила Q являлась центробежной. Для этого рычаг 6 конструктивно выполняется так, чтобы его центр тяжести располагался на линии действия силы пружины 7, в точке O1, правее точки О - центра вращения шкива 2. Тогда при определенной скорости вращения механизма центробежная сила Q станет больше силы пружины 7 и отключит муфту.
Из конструкции стартера по варианту 2 исключен механизм перемещения шестерни 10. Тогда узел привода стартера по варианту 2 устроен следующим образом. Детали 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, образующие вал стартера и дифференциальную обгонную муфту в узле привода стартера по варианту 1 (фиг.1), полностью повторяются в конструкции дифференциальной обгонной муфты узла привода стартера по варианту 2. За исключением конструкции рычага 6, который в отличие от рычага 6 стартера по варианту 1 выполнен так, что его центр тяжести расположен на линии действия силы пружины 7, но правее точки О центра вращения шкива 2. Также оказывается справедливым условие (1) и для дифференциальной обгонной муфты в узле привода стартера по варианту 2.
Палец 8 приводит зубчатое колесо 11, свободно на подшипниках установленное на вал 1 стартера. Шестерня 10 находится в постоянном зацеплении с зубчатым колесом 11, установленным на маховике двигателя.
Привод стартера по варианту 2 работает следующим образом.
При запуске двигателя включается питание электродвигателя стартера и начинает вращаться шкив 2. Поскольку соблюдается условие (1), то силами трения приводится во вращение кольцо 3 и другие детали обгонной муфты. В результате приводится во вращение шестерня 9 и зубчатое колесо 10. Происходит запуск двигателя.
После запуска двигателя электродвигатель стартера отключается от сети его питания, но поскольку шестерня 10 находится в зацеплении с зубчатым колесом 11, то появляется опасность разрушения ротора стартера из-за очень большой скорости его вращения; ведь теперь ведущим оказывается колесо 11, которое вращается с частотой коленчатого вала заведенного двигателя. Но в этот момент в работу вступает обгонная муфта, для которой ведущие и ведомые детали поменялись местами, и потому при ведущем колесе 11 обгонная муфта расклинивается и начинает работать в режиме обгона, то есть вращающий момент от колеса 11 не передается на вал стартера. Однако пружина 7 создает некоторый момент трения в контакте кольца 3 и шкива 2, и этот момент трения может быть достаточным, чтобы вхолостую раскручивать ротор стартера до скорости, которая его разрушит. Чтобы исключить такой сценарий работы стартера, в рычаге 6 центробежная сила при некоторой допустимой скорости вращения вала 1 стартера отключает обгонную муфту путем создания зазора между кольцом 3 и шкивом 2.
Таким образом, шестерня 10 и детали обгонной муфты, за исключением шкива 2, вращаются со скоростью, которая определяется скоростью вращения коленчатого вала двигателя, а шкив 2 и вал 1 вращаются со скоростью, которая допустима для ротора двигателя стартера.
В результате в приводе стартера по варианту 2 обеспечивается повышение несущей способности и долговечности так же, как и в стартере по варианту 1.
Нами установлено на примере стартера FIAT, что в результате его переоборудования число деталей, из которых он первоначально состоял, уменьшилось с 47 до 28, то есть уменьшилось на 40%. Пропорционально этому уменьшению числа деталей можно прогнозировать уменьшение стоимости изготовления стартера, то есть на 40%.
Анализ известных аналогов показывает, что предлагаемое изобретение обладает новизной, достижение нового результата новым сочетанием признаков свидетельствует о соответствии критерию «изобретательский уровень», испытания на модели подтверждают его промышленную применимость.