ĆWICZENIE ADANIE STANÓW DYNAICZNYCH OZUSZNIKA Wprowadzenie ozrusznik saochodowy składa się z silnika elektrycznego (szeregowego prądu stałego) i echanizu sprzęgającego. Silnik a za zadanie wytworzyć w trakcie rozruchu oent elektroagnetyczny, który a wystarczyć do pokonania oporów tarcia tłoków o ścianę cylindra, tarcia w łoŝyskach, oporów spręŝania ieszanki paliwowo powietrznej w cylindrach, oentów bezwładności części wirujących (koła zaachowego, korbowodu, tłoków, innych napędzanych echanizów) oraz nadać silnikowi spalinoweu prędkość wystarczającą do wywołania zapłonu. Silnik rozrusznika róŝni się od typowych trakcyjnych silników prądu stałego.in. ty, Ŝe istnieje oŝliwość pełnego zahaowania go (w pierwszej chwili rozruchu n = 0, = ax ), oŝe teŝ pracować bez obciąŝenia (na biegu jałowy). Zasilany jest z akuulatora, a więc z autonoicznego źródła energii o ograniczonej ocy, co powoduje, Ŝe napięcie na zaciskach silnika nie jest stałe nawet w bardzo ograniczony czasie pracy rozrusznika. Praca rozrusznika jest pracą dorywczą, trwa kilka sekund; przyrost teperatury uzwojeń nie jest więc czynnikie ograniczający oc silnika. 18
Opis rozrusznika w ustalony stanie pracy p I U U E f a ys..1. Scheat obwodu elektrycznego rozrusznika ustalony stan pracy Obwód elektryczny rozrusznika w stanie ustalony oŝna opisać następującyi zaleŝnościai U E U E = E = U = U = c E ( I, I, Φ ω, f + p a + f ) I U szcz, (.1) gdzie: E napięcie na zaciskach nieobciąŝonego akuulatora (SE ogniw), U napięcie na zaciskach akuulatora obciąŝonego, rezystancja wewnętrzna akuulatora, E siła elektrootoryczna twornika rozrusznika, a rezystancja twornika rozrusznika, f rezystancja wzbudzenia rozrusznika, p rezystancja przewodów łączących akuulator z rozrusznikie, U szcz spadek napięcia na rezystancji przejścia koutator-szczotki, Φ f struień wzbudzenia rozrusznika, ω echaniczna prędkość kątowa rozrusznika, c E stała. 19
Prąd rozrusznika oblicza się jako I E E U szcz E E U szcz = =. (.) + + + Σ p a f W chwili początkowej rozruchu ω = 0, wobec czego E = 0. Prąd zwarcia rozrusznika oŝna więc wyrazić jako I z E U szcz =. (.3) Σ Następnie oblicza się oc elektroagnetyczną rozrusznika ( E IΣ U ) I = ( E U ) I I P = E I = szcz Σ. (.4) e szcz W stanie zwarcia rozrusznika, czyli dla ω = 0, oc elektroagnetyczna P e = 0. ównieŝ dla I = I z oc P e = 0. aksiu ocy elektroagnetycznej oŝna wyliczyć dp z warunku e = 0. di Prąd, przy który oc ta osiąga aksiu, wynosi ( E U ) zaś oc elektroagnetyczna aksyalna jest równa oc na wale rozrusznika oŝna wyrazić jako szcz I z I P = =, (.5) e ax Σ P 1 z Pe ax = I Σ. (.6) 4 Pe PFe = P, (.7) gdzie: P Fe straty ocy w obwodzie agnetyczny, P straty echaniczne rozrusznika. Charakter przebiegu ocy na wale jest podobny jak dla ocy elektroagnetycznej (rys..3), ale swoje aksiu oc ta osiąga dla prądu I I 0 + I = z, gdzie I 0 prąd biegu jałowego rozrusznika. W stanie zwarcia zarówno oc elektroagnetyczna, jak i echaniczna są równe zero. 0
iędzy ocą elektroagnetyczną a echaniczną zachodzi związek P = P, (.8) eηe gdzie: η e sprawność elektroagnetyczna rozrusznika, η e = (0,9 0,95). oent elektroagnetyczny rozrusznika określony jest zaleŝnością e = c I Φ, (.9) a f gdzie c jest stałą związaną z konstrukcją silnika. oent echaniczny jest niejszy od oentu elektroagnetycznego ze względu na straty echaniczne oentu (tarcie) i na straty elektroagnetyczne. iędzy oente echaniczny a ocą echaniczną zachodzi związek P =. (.10) ω ozkład napięć w obwodzie rozrusznika ilustruje rysunek., zaś charakterystyki elektroechaniczne pokazane są na rys..3. E U U U p I I U szcz E ( a + f )I 0 I z I ys... Spadki napięć w obwodzie rozrusznika 1
P, P e, P, n,, e P e n 0 n P e 0 I 0,5I z 0 I z I ys..3. Charakterystyki elektroechaniczne rozrusznika Podstawowyi elektrycznyi paraetrai rozrusznika są oc znaionowa, napięcie znaionowe, pojeność akuulatora, z który rozrusznik współpracuje. Na ogół podaje się równieŝ prędkość biegu jałowego n 0, prąd przy biegu jałowy I 0 oraz aksyalną wartość prądu zwarcia I z. Opis rozrusznika w przejściowych stanach pracy Do analizy pracy rozrusznika w stanach przejściowych oŝna wykorzystać etodę polową lub obwodową. odel obwodowy jest prostszy, zaś w rozruszniku istnieje jeden obwód elektryczny i jeden echaniczny, co ułatwia analizę.
i f,l f u u e,l a a ys..4. Scheat elektryczny rozrusznika do analizy stanów przejściowych Na podstawie II prawa Kirchhoffa równanie obwodu elektrycznego oŝna sforułować jako: u di = e + u + ul + uszcz = ceω Φ f + ( a + f ) i + ( La + Lf ) + uszcz, (.11) gdzie: u napięcie na zaciskach rozrusznika, e siła elektrootoryczna rotacji rozrusznika, i prąd w obwodzie główny rozrusznika, u spadek napięcia na rezystancji rozrusznika, u L spadek napięcia na indukcyjności rozrusznika, u szcz spadek napięcia na rezystancji przejścia koutator-szczotki, ω prędkość echaniczna kątowa rozrusznika, Φ f struień wzbudzenia, a, f rezystancje, odpowiednio obwodu twornika i wzbudzenia rozrusznika, L a, L f indukcyjności, odpowiednio obwodu twornika i wzbudzenia rozrusznika. Wielkości napięć i prądów zienne w funkcji czasu oznaczono ałyi literai. gdzie: Napięcie zasilania rozrusznika wyrazić jako ( + p u = E ) i, (.1) E napięcie akuulatora nieobciąŝonego (SE ogniw), p rezystancja przewodów łączących akuulator z rozrusznikie, rezystancja wewnętrzna akuulatora. 3
ezystancja akuulatora nie jest wielkością stałą, zaleŝy od stanu naładowania, teperatury elektrolitu i pojeności znaionowej akuulatora. ównieŝ spadek napięcia na rezystancji przejścia koutator-szczotki nie jest wielkością stałą, zaleŝy od ateriału szczotek, prędkości obrotowej wirnika i prądu u = f I, ω ). szcz ( PoniewaŜ pod względe elektroagnetyczny rozrusznik jest aszyną bardzo wykorzystaną (nasycony obwód agnetyczny), pracuje więc na nieliniowej części charakterystyki agnesowania. Nie oŝna więc operować stałyi indukcyjnościai L (jak to zapisano w równaniu (.11)), lecz posłuŝyć się w analizie struieniai agnetycznyi skojarzonyi, paiętając, Ŝe Φ = f (i). dψa dψf di E = ce ω Φ f ( i) + Σi + + + uszcz ( i), (.13) di di gdzie: Ψ a struień skojarzony z uzwojenie twornika, Ψ f struień skojarzony z uzwojenie wzbudzenia. Pozostałe oznaczenia są takie jak poprzednio. ównanie obwodu echanicznego oŝna sforułować jako: e dω J s =, (.14) = c i, (.15) e Φ f πn ω =, 60 (.16) gdzie: e oent elektroagnetyczny rozrusznika, s oent oporowy sprowadzony do wału rozrusznika, J oent bezwładności eleentów wirujących sprowadzony do wału rozrusznika, ω prędkość kątowa echaniczna rozrusznika, n prędkość obrotowa rozrusznika. Analizując równanie (.14), naleŝy zauwaŝyć, Ŝe oent bezwładności silnika spalinowego jest funkcją kąta obrotu wału korbowego J = f (α ). 4
oc dynaiczną P d oŝna wyrazić jako da P k d =, (.17) gdzie A k energia kinetyczna ruchu obrotowego, Jω A k =, przy czy J = f ( α) = f ( t), ω = f ( t). (.18) Przekształcając dalej równania (.17) i (.18) otrzyuje się P d = da k = d Jω = Jω dω ω + dj, gdzie ω = f ( t) i J = f ( t). (.19) oent dynaiczny rozrusznika określa się jako d Pd = ω = J dω ω + dj. (.0) Prędkość kątowa echaniczna dα dα ω =, stąd = ω (.1) i wobec tego d dω ω dj = J +. (.) dα Na oent dynaiczny rozrusznika składają się więc dwa eleenty: składnik związany ze zianą prędkości obrotowej w czasie, składnik związany ze zianai energii kinetycznej układu, przy czy ziany te są wynikie zieniającego się oentu bezwładności. oent statyczny (oporowy) silnika spalinowego s składa się z: oentu statycznego biernego (oent strat pochodzący od tarcia, np. tłoka o ściany cylindra) oentu statycznego czynnego (oent strat pochodzący od spręŝania ieszanki). 5
oent statyczny bierny t jest róŝny w zaleŝności od teperatury oleju i dlatego opór ten wyraŝany jest zwykle jako średnie ciśnienie p t, odniesione do przekroju poprzecznego cylindrów t pt V =, (.3) 4π gdzie: V objętość skokowa cylindra. oent statyczny czynny k zienia się na skutek ciągłej ziany ciśnienia ieszanki paliwowo powietrznej w cylindrach, jest więc funkcją kąta obrotu wału korbowego = α). k k ( Całkowity oent statyczny oporowy sprowadzony do wału rozrusznika oŝna wyrazić jako 1 s = [ t + k ( α) ], (.4) pη gdzie: p przełoŝenie przekładni zębatej iędzy rozrusznikie a silnikie, η p sprawność przekładni zębatej. Ostatecznie równania dynaiki przybierają postać następującą: p E c dψ dψ a f di = ceωφ f ( i) + Σi + + + u di di Φ ( i) i f 1 pη dω ω dj dα [ + ( α) ] = J +. t k p szcz ( i),. (.5) Układ ten jest układe równań róŝniczkowych nieliniowych i oŝna go rozwiązać np. nuerycznie. ozrusznik saochodu śuk Przekrój rozrusznika 5c pokazany jest na rys..5, zaś jego scheat elektryczny na rys..6. 6
ys..5. Przekrój rozrusznika 5c: 1 podkładka, zawleczka, 3 nakrętka koronowa, 4 wałek, 5 głowica korpusu, 6 sworzeń, 7 dźwignia echanizu sprzęgającego, 8 spręŝyna, 9 kotwica, 10 uzwojenie porzyujące wyłącznika, 11 uzwojenie włączające wyłącznika, 1 styk ruchoy, 13 wyłącznik elektroagnetyczny kopletny, 14 zacisk (4) przewodu elektrycznego, 15 stały styk, 16 spręŝyny, 17 uzwojenie wzbudzenia rozrusznika, 18 podkładka izolacyjna, 19 opaska ochronna, 0 trzyadło szczotek, 1 podkładka dystansowa, tarcza tylna, 3 koutator, 4 śruba ściągająca, 5 uzwojenie wirnika rozrusznika, 6 wirnik kopletny, 7 korpus, 8 tarczka sprzęgająca, 9 sprzęgło jednokierunkowe, 30 zębnik [3] 7
7 6 1 5 3 4 8 ys..6. Scheat elektryczny rozrusznika: 1 wyłącznik elektroagnetyczny, uzwojenie wciągające wyłącznika, 3 uzwojenie porzyujące, 4 zwora ostka, 5 spręŝyna, 6 wyłącznik zapłonu, 7 akuulator, 8 uzwojenie wzbudzenia rozrusznika Działanie rozrusznika Działanie rozrusznika oŝna prześledzić na podstawie rys..5 i.6. Z chwilą załączenia wyłącznika zapłonu prąd z akuulatora zaczyna płynąć przez uzwojenie włączające wyłącznika elektroagnetycznego. Prąd ten zayka się następnie przez uzwojenia wzbudzenia i twornika rozrusznika, co powoduje jego powolny obrót. ównieŝ uzwojenie porzyujące jest zasilane. Uzwojenie wciągające oddziaływuje na rdzeń wyłącznika elektroagnetycznego, co powoduje jego przesuwanie się w prawo. dzeń wyłącznika połączony jest dźwignią (eleent (7) na rys..5) z echanize sprzęgający, więc jego ruch powoduje przesuw zębnika ((30) na rys..5) w lewo, doprowadzając do zazębienia zębnika z wieńce zębaty koła zaachowego. Po całkowity zazębieniu ostek zwierający znajduje się w skrajny roboczy połoŝeniu i zwiera styki główne wyłącznika, bocznikując ty say uzwojenie wciągające wyłącznika. dzeń jest utrzyywany w tej pozycji przez uzwojenie porzyujące. ozrusznik załączony jest więc na pełne napięcie akuulatora i oŝe rozwinąć aksyalną oc. Gdy prędkość obrotowa wieńca zębatego staje się większa od prędkości zębnika, sprzęgło jednokierunkowe (eleent (9) z rys..5) powoduje rozsprzęglenie 8
zębnika, ostek zwierający otwiera się i uzwojenie porzyujące wyłącznika nie jest juŝ zasilane napięcie. dzeń wyłącznika powraca do połoŝenia wyjściowego rozrusznik zostaje wyłączony. Wybrane dane znaionowe rozrusznika 5c Tabela 1 Napięcie znaionowe oc znaionowa (przy Q = 105 Ah) Prędkość biegu jałowego (U = 1 ± 0.6 V, I = 85 A) oent (n = 0, U = 8 V, I = 600 A) 1 V 130 W 5000 obr/in 6 N PrzełoŜenie przekładni zębnik wieniec zębaty koła zaachowego 14,3:1 Liczby zębów wieńca koła zaachowego i zębnika 19:9 Kierunek obrotów asa prawy 10,1 kg n x10 - obr/in N 5000 P U x10 - W V 000 4500 4000 n 1800 1600 3500 U P 1400 3000 100 500 1000 000 800 1500 1000 600 400 500 00 0 0 50 100 150 00 50 300 350 400 450 500 550 600 650 0 ys..7. Charakterystyki elektroechaniczne rozrusznika 5c 9
ys..8. ozrusznik rozłoŝony: 1 obudowa, podkładka, 3 włącznik elektroagnetyczny, 4 widełki, 5 pokrywa, 6 sprzęgło jednokierunkowe, 7 twornik, 8 stojan, 9 śruba ocująca pokrywę do stojana, 10 tulejka łoŝyska twornika, 11 pokrywa ze szczotkotrzyacze, 1 szczotka, 13 spręŝyna szczotki 30
Opis stanowiska laboratoryjnego Na stanowisku zaontowany jest blok silnika spalinowego saochodu śuk wraz z rozrusznikie. Zasilanie rozrusznika odbywa się z akuulatora, który naleŝy dołączyć oddzielnie do zacisków stanowiska. PoŜądane jest uŝycie akuulatora o duŝej pojeności znaionowej, np. OPTIA (Q N = 60 A h, I ax = 850 A). Przed przystąpienie do poiarów akuulator usi być w pełni naładowany. Na wałku rozrusznika zaontowana jest dodatkowa tarcza z wyciętyi otworai, stanowiąca część przetwornika C/A, słuŝącego do poiaru prędkości obrotowej. Przetwornik zasilany jest z oddzielnego źródła napięcia. Scheat stanowiska zaieszczony jest na rys..9. Stanowisko uoŝliwia dokonanie badań rozrusznika w stanie ustalony na biegu jałowy i w trakcie rozruchu. oŝliwy jest poiar i rejestracja napięć akuulatora i rozrusznika, prądu i prędkości obrotowej rozrusznika. Przeprowadzanie poiarów Do poiarów przebiegów stanu nieustalonego rozrusznika naleŝy uŝyć czterokanałowego oscyloskopu z paięcią. Sprawdzić, czy wyłącznik główny stanowiska ustawiony jest w pozycji wyłączonej. Dołączyć akuulator do właściwych zacisków stanowiska, uŝywając przewodów o odpowiednio duŝy przekroju (rys..9). Najpierw naleŝy dokręcać przewody na tablicy stanowiska, dopiero następnie do zacisków akuulatora. Zwrócić uwagę, czy zaciski akuulatora są oczyszczone (jeśli nie oczyścić np. szczotką drucianą). Włączyć woltoierze do poiaru napięć akuulatora i rozrusznika. Przewody z przetwornika prędkości obrotowej podłączyć do układu wyjściowego przetwornika, który naleŝy równieŝ zasilić. Wyjście NC przetwornika włączyć na jeden z kanałów oscyloskopu, napięcia rozrusznika i akuulatora na dwa kolejne kanały (zwrócić uwagę na fakt, Ŝe asy 4 kanałów oscyloskopu są połączone galwanicznie i wobec tego naleŝy podłączać napięcia tak, by na asę załączać ten sa potencjał inus akuulatora). Na przewód łączący akuulator z rozrusznikie załoŝyć sondę prądową, a jej wyjście podłączyć na czwarty kanał oscyloskopu. 31
Osc D/A n WE V Twornik WG WZ 400A/60V ozruch Wzbudzenie + - Osc SP Osc V + - V Osc V ieg jałowy ys..9. Scheat stanowiska poiarowego: liniai przerywanyi oznaczono eleenty, które naleŝy dodatkowo włączyć w obwód (Osc sonda oscyloskopowa, SP sonda prądowa, C/A przetwornik prędkości obrotowej); WG wyłącznik główny stanowiska, WZ wyłącznik zapłonu, WE wyłącznik elektroagnetyczny Zanotować, która wielkość (prąd, napięcie, prędkość) podawana jest na kolejny kanał oscyloskopu. Kolejność czynności poiarowych ejestracja wielkości w czasie rozruchu iedzianą zworę przełączyć w pozycję rozruch. Załączyć napięcie, ustawiając wyłącznik główny w pozycji załącz (powinna zapalić się zielona lapka kontrolna). Ustawić odpowiednie paraetry rejestracji wartości podstawy czasu, wzocnienia poszczególnych kanałów oscyloskopu, czas rejestracji itp. 3
Zanotować wartość napięcia nieobciąŝonego akuulatora. Przeprowadzić i zarejestrować rozruch, wciskając na kilka sekund przycisk wyłącznika. W czasie rejestracji zanotować największą wartość prędkości obrotowej, pojawiającą się na wyświetlaczu przetwornika prędkości. Uwaga: z powodu pewnego zuŝycia zębów zębnika oŝe nie dojść do zazębienia z wieńce zębaty koła zaachowego, co objawia się dość głośny zgrzyte zębów. W takiej sytuacji naleŝy puścić przycisk wyłącznika i spróbować ponownie. W razie potrzeby (np. innego ustawienia paraetrów oscyloskopu) powtórzyć rozruch, notując znów początkową wartość napięcia akuulatora. Wyłączyć zasilanie stanowiska wyłącznikie główny (lapka kontrolna powinna zgasnąć). ejestracja wielkości w stanie ustalony iedzianą zworę przełączyć w pozycję bieg jałowy. Załączyć napięcie, ustawiając wyłącznik główny w pozycji załącz (powinna zapalić się zielona lapka kontrolna). Zanotować wartość napięcia nieobciąŝonego akuulatora. Wcisnąć i przytrzyać przycisk wyłącznika. Poczekać na osiągnięcie przez rozrusznik prędkości obrotowej ok.7000 obr/in. Odczytać z przetwornika wartość prędkości obrotowej, wartości napięć akuulatora, rozrusznika i wartość ustalonego prądu obwodu (oŝna wykorzystać oscyloskop i sondę prądową, lub teŝ włączyć wcześniej iliwoltoierz do zacisków bocznika poiarowego). Wyłączyć zasilanie stanowiska wyłącznikie główny. Uwaga: W trakcie ćwiczenia oŝna przeprowadzić najwyŝej 3-4 rozruchy ze względu na spadek pojeności akuulatora. 33
Opracowanie wyników poiarów ejestrowane przebiegi zapisać na dyskietce (w forie plików tekstowych - jeden plik to zarejestrowane wielkości z jednego kanału oscyloskopu, przy czy pierwsza koluna danych to czas w sekundach, druga to napięcie w woltach). Przeskalować przebiegi prądowe, stała przetwarzania prądu na napięcie zapisana jest na obudowie uŝywanej w trakcie ćwiczenia sondy prądowej. Przeskalować przebieg prędkości obrotowej, posiłkując się odczytaną z wyświetlacza przetwornika C/A wartością aksyalną prędkości i porównując ją z wartością aksyalną zarejestrowanego na odpowiedni kanale oscyloskopu napięcia. Na podstawie przeskalowanych przebiegów i charakterystyk elektroechanicznych rozrusznika (por. rys..8) naleŝy obliczyć: przebieg ocy chwilowej pobieranej przez rozrusznik, przebieg ocy chwilowej wydawanej przez akuulator, przebieg oentu na wale rozrusznika, energię pobraną przez rozrusznik w trakcie rozruchu, ubytek pojeności akuulatora, przebieg strat ocy w rozruszniku, średnie straty ocy w trakcie rozruchu, czas rozruchu, aksyalną wartość prądu rozruchowego, aksyalną wartość oentu na wale w czasie rozruchu i na biegu jałowy, wartości ustalone prądu na biegu jałowy i w czasie rozruchu, prędkość biegu jałowego rozrusznika, inialne napięcie akuulatora w czasie rozruchu. Zarejestrowane i obliczone przebiegi oraz obliczone wartości zaieścić w sprawozdaniu z ćwiczenia. Literatura 1. PN-78/S-7611. WyposaŜenie elektryczne pojazdów saochodowych. ozruszniki. Zazębienia. 34
. PN-ISO 8856:1997. Pojazdy drogowe. Paraetry elektryczne rozruszników. Ogólne wyagania i etody badań. 3. Praca zbiorowa: Naprawa saochodów dostawczych śuk. WP WEA Warszawa 1985. 4. Koziej E.: aszyny elektryczne pojazdów saochodowych. WNT, Warszawa 1996. 5. Ocioszyński J.: Zespoły elektryczne i elektroniczne w saochodach. WNT, Warszawa 1999. ISN 83-04-98-1. 35