ПЯТИСТУПЕНЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОСТАРТЕР
FIVE-STAGE ELECTRIC STARTER

Изобретение относится к системам запуска двигателей НТС (наземные транспортные системы): автомобили, тракторы и т.д.
Известны электростартеры с непосредственным приводом ведущего вала на шестерню привода маховика [1. Вишняков Н.Н., Вахламов В.К., Нарбут А.Н. Автомобиль: Основы конструкции: учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 304 с.].
Эта конструкция требует применения высокомоментного электродвигателя, имеющего большие габариты и массу, требующего большую величину силы тока и мощную аккумуляторную батарею.
Известны электростартеры с установкой простого ПР (планетарного редуктора) между ведущим валом и ведущей шестерней привода маховика. [2. Акимов C.B., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001. - 384 с.].
Такая конструкция допускает применение высокооборотного электродвигателя меньшей металлоемкости, но ПР используется только как одноступенчатый редуктор.
Недостаток описанного устройства заключается в том, что он ограничивает эксплуатационные характеристики двигателя НТС - надежность и долговечность, так как не обеспечивается предварительная подачи смазки к трущимся поверхностям перед запуском двигателя. «Холодный» запуск двигателя приравнивают к пробегу автомобиля от сотен до тысячи километров.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является электростартер с установкой простого ПР между ведущим валом электродвигателя и ведущей шестерней привода маховика по патенту RU №2567847 C1 (Бюл. №31 от 10.11.2015. Авторы: Некрасов В.И., Горшкова О.О.).
Электростартер содержит электродвигатель постоянного тока с тяговым реле и ведущим валом, простой трехзвенный ПР (планетарный редуктор), состоящий из солнечной шестерни, эпициклического колеса и водила с сателлитами, которые зацеплены с солнечной шестерней и эпициклическим колесом, водило и корпус эпициклического колеса имеют зубчатые венцы и муфту остановки эпициклического колеса, муфту свободного хода, ведущую шестерню привода маховика. В этой конструкции ПР используется только как двухступенчатый редуктор, что ограничивает выбор оптимальных режимов запуска двигателя в разных климатических (температурных) условия эксплуатации.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных характеристик двигателя НТС.
Поставленная задача решается за счет вывода холодного двигателя с высоковязким моторным маслом из состояния покоя при низкой частоте вращения, увеличением частоты вращения коленчатого вала для предварительной подачи смазки к узлам трения до запуска двигателя, который происходит при оптимальных условиях.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что электростартер содержит электродвигатель постоянного тока с тяговым реле и ведущим валом, простой трехзвенный планетарный редуктор, состоящий из солнечной шестерни, эпициклического колеса и водила с сателлитами, которые зацеплены с солнечной шестерней и эпициклическим колесом, водило и корпус эпициклического колеса имеют зубчатые венцы и муфту остановки эпициклического колеса, муфту свободного хода, ведущую шестерню привода маховика, при этом вал солнечной шестерни установлен в опорах зубчатого венца ведущей шестерни и в задней стенке корпуса планетарного редуктора с зубчатым венцом и муфтой переключения, на торцах этого вала закреплены зубчатые венцы, ведущий вал имеет трехпозиционный зубчатый венец, на котором установлена муфта с внешним и внутренним зубчатыми венцами; водило закреплено на входном и выходном трубчатых валах с зубчатыми венцами; корпус эпициклического колеса закреплен на входном и выходном коаксиальных валах с зубчатыми венцами, причем входной вал ступенчатый с внутренним зубчатым венцом; в опорах стенок корпуса редуктора установлен ведущий трубчатый вал электростартера с муфтой свободного хода и ведущей шестерней маховика, на выходе этого вала, рядом с зубчатым венцом вала солнечной шестерни, закреплен зубчатый венец, двухпозиционный венец на входе ведущего трубчатого вала с муфтой переключения расположен рядом с зубчатым венцом водила.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность расширения эксплуатационных характеристик двигателя НТС за счет вывода из состояния покоя и предварительной подачи смазки к узлам трения.
На фиг. 1 изображена схема электростартера с простым трехзвенным ПР (планетарным редуктором), который имеет четыре муфты переключения, валы входа и выхода трех звеньев ПР с зубчатыми венцами. В верхней части муфты переключения показаны в состоянии 1-й передачи, в нижней части - 2-я передача (муфта 33 (С) - в состоянии 3-й передачи).
ah
b
На фиг. 2 показаны две лучевые диаграммы работы ПР для двух его внутренних параметров: К=4 и К=1,62. К=1,5-5 - внутренний параметр ПР, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса (b) к числу зубьев солнечной шестерни (а). К=1,5 ограничено минимальными размерами сателлитов. К=5 ограничено минимальными размерами солнечной шестерни. Изменение величины внутреннего параметра К приводит к изменению кинематических характеристик электростартера с ПР. Верхняя диаграмма для четырех рабочих передач, возможна пятая (ускоряющая) передача, вероятность использования которой мала. При К=1,62 получаем равные отрезки между передачами, в этом варианте возможно использование пятой передачи. На горизонтальной шкале в логарифмическом масштабе отложены величины передаточных чисел ПР. Вертикальный луч указывает на прямую передачу крутящего момента от электродвигателя к шестерне привода маховика двигателя НТС с передаточным числом U=1,0. Луч направо вверх характеризует замедляющий режим работы ПР, чем положе луч, тем выше величина передаточного числа. Луч налево вверх характеризует ускоряющий режим работы ПР, чем положе луч, тем ниже величина передаточного числа. Лучевые диаграммы удобны для понимания работы многоступенчатых редукторов, так как величина каждого луча постоянна на всех участках диаграммы. Над лучевой диаграммой приведена таблица положений муфт переключения на различных передачах. В верхней части таблицы показаны состояния ПР на каждой передаче. Верхний индекс указывает на остановленное звено ПР, нижние индексы - на звенья входа и выхода крутящего момента. Например, для 1-й передачи ПР находится в состоянии U=К+1. Остановлено эпициклическое колесо (b), крутящий момент подается на солнечную шестерню (а) и снимается с водила (h).
Электродвигатель постоянного тока 1 с тяговым реле закреплен к корпусу 2 ПР (планетарного редуктора), который прикреплен к картеру 3 маховика двигателя НТС. В корпусе 2 расположен трехзвенный простой ПР, состоящий из солнечной шестерни 4 (а), эпициклического колеса 5 (b) и водила 6 (h) с сателлитами 7, которые зацеплены с солнечной шестерней 4 и эпициклическим колесом 5. На выходе ведущего вала 8 электродвигателя постоянного тока 1 закреплен трехпозиционный зубчатый венец 9. Вал 10 привода солнечной шестерни 4 (а) установлен в опоре венца 9 и в опоре задней стенки корпуса 2. На концах вала 10 закреплены зубчатые венцы 11 и 12. Водило 6 соединено с входным трубчатым валом 13, на котором закреплен зубчатый венец 14 и с выходным трубчатым валом 15, на котором закреплен зубчатый венец 16. Корпус 17 эпициклического колеса 5 входным ступенчатым коаксиальным валом 18 соединен с внутренним зубчатым венцом 19, другая сторона корпуса 17 выходным коаксиальным валом 20 соединена с зубчатым венцом 21, расположенным рядом с зубчатым венцом 16. На стенке корпуса 2 ПР расположен зубчатый венец 22 рядом с зубчатым венцом 21. Аналогичный зубчатый венец 23 расположен на задней стенке корпуса 2 ПР рядом с зубчатым венцом 12 вала 10. В опорах внутренней 24 и наружной 25 стенок корпуса 2 установлен ведущий трубчатый вал 26 электростартера с двухпозиционным зубчатым венцом 27 на входе вала 26 и зубчатым венцом 28 на выходе ведущего вала 26. На ведущем трубчатом валу 26 подвижно в осевом направлении расположена муфта свободного хода 29, на выходе которой установлена ведущая шестерня 30 электростартера. Трехпозиционная муфта переключения 31 (А) установлена на зубчатом венце 9 на входе. Муфта 32 (В) остановки эпициклического колеса 5 расположена на зубчатом венце 22 стенки корпуса 2. Двухпозиционная муфта переключения 33 (С) установлена на входе ведущего трубчатого вала 26, а муфта 34 (D) расположена на зубчатом венце 12 на выходе вала 10.
Устройство работает следующим образом.
Простой трехзвенный планетарный редуктор может обеспечить пять передач без изменения направления вращения.
Первая передача
Режим с низкой частотой вращения предназначен для вывода двигателя из состояния покоя в условиях низких температур при высокой вязкости моторного масла. Электростартер работает аналогично валоповоротному устройству газотурбинной установки, когда тяжелый многотонный ротор надо вывести из состояния покоя и только провернуть его перед включением пускового устройства.
ah
b
На лучевой диаграмме этот режим обозначен пологим лучом от т. 0 направо вверх к т. 1. Над этой точкой показаны состояния муфт переключения (см. фиг. 1, верхнее положение муфт): А и В - левое (Л), С - правое (П) и D - нейтральное (Н). В верхней части таблицы показано U=К+1 состояние ПР.
Эпициклическое колесо 5 (b) остановлено муфтой 32 (В), которая замкнула зубчатые венцы 22 корпуса редуктора 2 и 21 корпуса 17 эпициклического колеса 5. При включении электростартера ток подается на тяговое реле и на обмотки возбуждения статора электродвигателя. При этом тяговое реле перемещает муфту свободного хода 29 и ведущую шестерню 30 до зацепления с маховиком двигателя НТС. Крутящий момент от зубчатого венца 9 ведущего вала 8 электродвигателя 1 муфтой 31 (А) передается на зубчатый венец 11 и валом 10 на солнечную шестерню 4. Солнечная шестерня 4 (а) вращает сателлиты 7, которые, обкатываясь по эпициклическому колесу 5 (6), вращают водило 6 (h) с пониженной частотой, но с увеличенным крутящим моментом. Трубчатым валом 15, зубчатым венцом 16, муфтой 27 (С) крутящий момент поступает на ведущий трубчатый вал 26, муфту свободного хода 29 и ведущую шестерню 30 электростартера, что обеспечивает вывод из состояния покоя механизмов и систем двигателя НТС, вращение коленчатого вала двигателя, привод масляного насоса и начало подачи смазочной среды к узлам трения.
ah
b
Если К=4, то передаточное число U=К+1=5; lq 5=0,7. Частота вращения ведущей шестерни 30 уменьшается в 5 раз по сравнению с частотой вращения ведущего вала 8 электродвигателя 1, но с увеличенным в 5 раз крутящим моментом (без учета КПД).
ah
b
При К=1,62 передаточное число U=К+1=2,62; lq 2,62=0,42.
Вторая передача
bh
a
Переключаем муфту А из левого положения в среднее (С), муфту В из левого положения в нейтральное (H), а муфту D из нейтрального в правое (П) положение (см. фиг. 1, нижнее положение муфт - кроме муфты С). В верхней части таблицы показано U состояние ПМ. По сравнению с 1-й передачей произошла замена звеньев: остановлена солнечная шестерня 4 (а), крутящий момент поступает на эпициклическое колесо 5 (b).
На лучевой диаграмме этот режим обозначен крутым лучом от т. 0 направо вверх к т. 2.
bh
a
Солнечная шестерня 4 (а) остановлена муфтой 34 (D), которая замкнула зубчатые венцы 23 стенки в правой части корпуса редуктора 2 и 12 вала 10 (см. фиг. 1 справа). Крутящий момент от зубчатого венца 9 ведущего вала 8 электродвигателя 1 наружного зубчатого венца муфтой 31 (А) передается на внутренний зубчатый венец 19 и ступенчатым трубчатым валом 18 на эпициклическое колесо 5 (b), которое вращает сателлиты 7, они, обкатываясь по солнечной шестерне 4 (а), вращают водило 6 (h), далее, как на 1-й передаче, до маховика с пониженной частотой, но увеличенным крутящим моментом. Если К=4, то передаточное число U=(К+1)/К=5/4=1,25; lq 1,25=0,1.
bh
a
При К=1,62 передаточное число U=(К+1)/К=2,62/1,62=1,62; lq 1,62=0,21.
Третья передача - прямая
Муфту А переключаем из среднего положения в правое (П), при этом замыкаем внутренний зубчатый венец муфты 31 и наружный зубчатый венец 14 трубчатого вала 13 водила 6.
На лучевой диаграмме эта передача представлена вертикальным лучом от т. 0 до т. 3.
Крутящий момент от внутреннего зубчатого венца муфты 31 (А) поступает на наружный зубчатый венец 14 трубчатого вала 13, по водилу 6 и далее, как на 2-й передаче. После запуска двигателя муфта свободного хода 29 отсоединяет маховик от электростартера.
Четвертая передача
Переключаем муфту С из правого положения в левое (Л), муфту D из нейтрального положения в правое (П), при этом по сравнению со 2-й передачей произошла замена звеньев входа и выхода крутящего момента.
На лучевой диаграмме этот режим обозначен крутым лучом от т. 0 налево вверх к т. 4.
Солнечная шестерня 4 (а) остановлена муфтой 34 (D), которая замкнула зубчатые венцы 23 стенки в правой части корпуса редуктора 2 и 12 вала 10. Крутящий момент до водила 6 (h) передается, как на 3-й передаче, которое вращает сателлиты 7, они, обкатываясь по остановленной солнечной шестерне 4 (а), вращают эпициклическое колесо 5 (b), по корпусу 17 на трубчатый вал 20, зубчатый венец 21, муфтой 33 (С) на зубчатый венец 27 и далее, как на предыдущих передачах, до маховика, но с увеличенной частотой и пониженным крутящим моментом.
hb
a
Если К=4, то передаточное число U=К/(К+1)=4/5=0,8; lq 0,8=-0,1.
hb
a
При К=1,62 передаточное число U=К/(К+1)=1,62/2,62=0,62; lq 0,62=-0,21.
Пятая передача
Переключаем муфту В из нейтрального положения в левое (Л), муфту С из левого положения в нейтральное (Н), муфту D из правого положения в левое (Л), при этом по сравнению с 1-й передачей произошла замена звеньев входа и выхода крутящего момента.
На лучевой диаграмме этот режим обозначен пологим пунктирным лучом от т. 0 налево вверх к т. 5.
ha
b
Если К=4, то передаточное число U=1/(К+1)=1/5=0,2; lq 0,2=- 0,7.
ha
b
При К=1,62 передаточное число U=1/(К+1)=1/2,62=0,38; lq 0,38=-0,42.
ha
b
При К=4 применение 5-й передачи нецелесообразно, так как U=0,2; частота вращения ведущей шестерни 30 увеличится в 5 раз по сравнению с ведущим валом 8 электродвигателя.
1
4
1
Для четырех оставшихся передач диапазон составит D=U/U=5/0,8=6,25; что создает широкий спектр условий для пуска двигателя НТС. 1-я передача с U=5 обеспечит выведение двигателя из состояния покоя в условиях крайне холодного климата даже при высоковязком моторном масле. Остальные передачи можно использовать как для дальнейшего увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя, так и для непосредственного пуска двигателя.
1
5
1
При К=1,62 возможно использование всех пяти передач. В этом случае диапазон составит D=U/U=2,62/0,38=6,9; но на 5-й передаче частота вращения ведущей шестерни 30 увеличится в 2,62 раза по сравнению с ведущим валом 8 электродвигателя, что нежелательно. На 1-й передаче U=2,62 величина крутящего момента может оказаться недостаточной для вывода двигателя из состояния покоя в условиях низких температур.
Использование предлагаемого устройства позволяет расширить эксплуатационные характеристики двигателя: повысить его надежность и долговечность за счет режима вывода двигателя из состояния покоя, при котором требуется высокий крутящий момент, а также исключения запуска двигателя до подачи смазки к узлам трения. Особенно опасен холодный запуск, который приравнивают к сотням километров пробега НТС.