Tóm tắt: Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật điều khiển, hệ thống khởi động trên các loại ô tô thế hệ mới càng hiện đại và tiện nghi. Tính phức tạp về kết cấu cũng như hoạt động của hệ thống khởi động càng cao. Do đó việc bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống khởi động trên ô tô gặp nhiều khó khăn. Nội dung nghiên cứu này bao gồm cấu tạo và nguyên lý hoạt động và kiểm tra hư hỏng của khởi động động cơ 1NZFE trên xe Toyota Vios. Kết quả nghiên cứu giúp cho việc bảo dưỡng sửa chữa hệ thống khởi động động cơ 1NZFE trên xe Toyota Vios được thuận lợi hơn. 1. Tổng quan về hệ thống khởi động trên ô tô 1.1. Chức năng của hệ thống khởi động Hệ thống khởi động đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống điện ôtô. Hệ thống khởi động sử dụng năng lượng từ bình ắc quy và chuyển năng lượng này thành cơ năng quay máy khởi động. Máy khởi động truyền cơ năng này cho bánh đà trên trục khuỷu động cơ thông qua việc gài khớp. Chuyển động của bánh đà làm hỗn hợp khí nhiên liệu hoặc không khí được hút vào bên trong xylanh, được nén và đốt cháy để sinh công làm quay động cơ. Máy khởi động sẽ ngừng hoạt động khi động cơ đã nổ. Tốc độ vòng quay khởi động tối thiểu của động cơ xăng khoảng 50100 vgph và của động cơ diesel khoảng 100 200 vgph.. 1.2. Phân loại hệ thống khởi động Hiện nay hệ thống khởi động thường sử dụng 3 loại máy khởi động (Hình 1), bao gồm: loại giảm tốc (Loại R, loại RA), loại bánh răng đồng trục (loại G, loại GA), loại bánh răng hành tinh (loại P).
Trang 1NGHIÊN CỨU KHAI THÁC HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 1NZ-FE TRÊN XE TOYOTA VIOS 2015
Ths Vũ Thành Trung, Khoa Ô tô Tóm tắt: Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật điều khiển, hệ
thống khởi động trên các loại ô tô thế hệ mới càng hiện đại và tiện nghi Tính phức tạp
về kết cấu cũng như hoạt động của hệ thống khởi động càng cao Do đó việc bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống khởi động trên ô tô gặp nhiều khó khăn Nội dung nghiên cứu này bao gồm cấu tạo và nguyên lý hoạt động và kiểm tra hư hỏng của khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios Kết quả nghiên cứu giúp cho việc bảo dưỡng sửa chữa hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios được thuận lợi hơn
1 Tổng quan về hệ thống khởi động trên ô tô
1.1 Chức năng của hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống điện ôtô Hệ thống khởi động sử dụng năng lượng từ bình ắc quy và chuyển năng lượng này thành cơ năng quay máy khởi động Máy khởi động truyền cơ năng này cho bánh đà trên trục khuỷu động cơ thông qua việc gài khớp Chuyển động của bánh đà làm hỗn hợp khí - nhiên liệu hoặc không khí được hút vào bên trong xylanh, được nén và đốt cháy để sinh công làm quay động cơ Máy khởi động sẽ ngừng hoạt động khi động cơ đã nổ
Tốc độ vòng quay khởi động tối thiểu của động cơ xăng khoảng 50-100 vg/ph và của động cơ diesel khoảng 100- 200 vg/ph
1.2 Phân loại hệ thống khởi động
Hiện nay hệ thống khởi động thường sử dụng 3 loại máy khởi động (Hình 1), bao gồm: loại giảm tốc (Loại R, loại RA), loại bánh răng đồng trục (loại G, loại GA), loại bánh răng hành tinh (loại P)
Hình 1 Phân loại máy khởi động
Trang 21.2.1 Loại giảm tốc
Hình 2 Loại giảm tốc
Máy khởi động loại giảm tốc được thể hiện trên Hình 2 Motor khởi động bao gồm các thành phần được chỉ rõ hình vẽ dưới Đó là kiểu của
bộ khởi động có sự kết hợp, tốc độ motor cao và sự điều chỉnh của bánh răng giảm tốc Toàn bộ motor nhỏ hơn và nhẹ hơn motor khởi động thông thường, nó vận hành ở tốc độ cao hơn Bánh răng giảm tốc chuyển mô men xoắn tới bánh răng chủ động ở 1/4 đến 1/3 tốc độ motor
Bánh răng chủ động quay nhanh hơn bánh răng trên bộ khởi động thông thường
và mô men xoắn lớn hơn rất nhiều (công suất khởi động) Bánh răng giảm tốc được gắn trên một vài trục như bánh răng chủ động Và khác với bộ khởi động thông thường, công tắc từ đẩy trực tiếp bánh răng chủ động (không qua cần dẫn động) tới ăn khớp với vòng răng bánh đà
Đặc điểm: Động cơ điện nhỏ gọn với tốc độ cao được sử dụng để quay hộp số giảm tốc, như vậy sẽ làm tăng momen khởi động
Ứng dụng: Máy khởi động loại giảm tốc được sử dụng rộng rãi trên xe nhỏ gọn và nhẹ
1.2.2 Loại bánh răng đồng trục
Hình 3 Loại bánh răng đồng trục
Máy khởi động loại đồng trục được thể hiện trên Hình 3 Motor khởi động thông thường bao gồm các thành phần được chỉ rõ hình vẽ Bánh răng chủ động trên trục của phần ứng động cơ và quay cùng tốc độ Một lõi hút trong công tắc từ (solenoid) được nối với nạng gài Khi kích hoạt nam châm điện thì nạng gài sẽ đẩy bánh răng chủ động khớp với vành răng bánh đà
Trang 3Khi động cơ bắt đầu khởi động khớp ly hợp một chiều ngắt nối bánh răng chủ động ngăn cản mô men động cơ làm hỏng motor khởi động
Đặc điểm: Công suất đầu ra của máy khởi động là 0.8, 0.9 hoặc 1KW Trong hầu hết các trường hợp, bộ khởi động cho motor cũ được thay thế bằng motor có bánh răng giảm tốc
Ứng dụng: Máy khởi động loại đồng trục được sử dụng chủ yếu trên xe nhỏ
1.2.3 Loại bánh răng hành tinh
Hình 4 Loại bánh răng hành tinh
Máy khởi động loại bánh răng hành tinh được thể hiện trên Hình 4 Bánh răng hành tinh cũng dùng để giảm tốc nhằm tăng momen quay
Trục rotor sẽ truyền lực qua bánh răng hành tinh đến bánh răng bendix
Nhờ trọng lượng nhỏ momen lớn, ít tiếng ồn nên máy khởi động loại bánh răng hành tinh được sử dụng ở nhiều loại xe nhỏ đến trung bình
1.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống khởi động trên ô tô
Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với hệ thống khởi động điện bao gồm:
- Kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn làm việc ổn định với độ tin cậy cao
- Lực kéo tái sinh ra trên trục của máy khởi động phải đảm bảo đủ lớn, tốc độ quay cũng phải phải đạt tới trị số nào đó để cho trục khuỷu của động cơ ôtô quay nhất định
- Khi động cơ ôtô đã làm việc, phải cắt được khớp truyền động của hệ thống khởi động ra khỏi trục khuỷu của động cơ ôtô
- Có thiết bị điều khiển từ xa khi thực hiện khởi động động cơ ôtô ( nút ấn hoặc công tắc khởi động) thuận tiện cho người sử dụng
- Động cơ ôtô phải tự động làm việc được sau ít nhất hai lần khởỉ động, thời gian khởi động kéo dài không quá 10s đối với động cơ xăng và không quá 15s đối với động cơ diesel, khoảng thời gian cách giữa hai lần khởi động liên
tiếp không quá 60s
Trang 42 Cấu tạo, hoạt động hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios
2.1 Cấu tạo máy khởi động
Hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios sử dụng máy khởi động loại bánh răng đồng trục Kết cấu các chi tiết tháo rời của máy khởi động (Hình 5), bao gồm: Cụm công tắc từ, vỏ máy khởi động, cần dẫn động, phanh hãm, ly hợp từ máy khởi động, bộ giảm chấn, cụm rô to và cụm stato máy khởi động, cụm giá đỡ chối than máy khởi động, khung đầu cổ góp
Hình 5 Kết cấu các bộ phận tháo rời của máy khởi động động cơ 1NZ-FE
Trang 52.1.1 Cụm công tắc từ
Cụm công tắc từ hoạt động như một công tắc chính của dòng điện chạy tới mô tơ
và điều khiển bánh răng dẫn động khởi động (Hình 6) Cụm công tắc từ của máy khởi động bao gồm: Công tắc chính, pít tông, lò xo hồi vị, trục pít tông, cuộn kéo, cuộn giữ,
lò xo dẫn động Cuộn kéo được quấn bằng cuộn dây có đường kính lớn hơn cuộn giữ và lực điện từ lớn hơn lực điện từ được tạo ra bởi cuộn giữ
Hình 6 Cấu tạo cụm công tắc từ 2.1.2 Cần dẫn động
Cần dẫn động truyền chuyển động từ pít tông tới bánh răng dẫn động Nhờ chuyển động này mà bánh răng dẫn động được đưa vào ăn khớp và nhả khớp với vành răng bánh đà
2.1.3 Cụm rô to
Cụm rô to (cuộn dây phần ứng) dùng để tạo ra mô men làm quay bánh răng dẫn động (Hình 7a)
Hình 7 Cụm rô to (phần ứng) và stato (vỏ) của máy khởi động
2.1.4 Cụm stato
Cụm stato tạo ra từ trường cần thiết để cho rô to hoạt động (Hình 7b) Cụm stato cũng có 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 (rô to)
Trang 62.1.5 Chổi than và giá đỡ chổi than
Hình 7 Cấu tạo chổi than và giá đỡ chổi than
Chổi than và giá đỡ chổi than được lắp ráp như Hình 7 Có hai chôi than dương và hai chổi than
âm Chổi than được tỳ vào cổ góp 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 đồng – graphit nên có tính dẫn điện và chống mài mòn tốt
2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios
Mạch điện hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE (Hình 8) bao gồm: ắc quy, cụm máy khởi động, rơ le khởi động, rơ le cắt ACC, cụm công tắc khởi động của ly hợp, cụm công tắc vị trí P/N của hộp số, diode khởi động, khóa điện, ECM, các giắc kết nối, các cầu chì
Nguyên lý hoạt động: Khi người lái bật khóa điện về nấc ST2 (Start) thì ECM có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của hệ thống khởi động Nếu người lái đạp hết côn và đưa tay số về vị trí N (kiểu số sàn) hoặc vị trí P (kiểu số tự động) thì cụm công tắc khởi động của ly hợp và cụm công tắc vị trí P/N sẽ đóng Khi đó:
- Kiểu số sàn: Một dòng điện sẽ đi từ ắc quy qua khóa điện, qua nấc ST2, qua
vị trí STSW và STAR của ECM, qua công tắc khởi động ở ly hợp hoặc công tắc vị trí P/N của hộp số, đi qua cuộn dây của rơ le khởi động, sau đó về mát
- Kiểu số tự động: Một dòng điện sẽ đi từ ắc quy qua khóa điện, qua nấc ST2, qua vị trí STSW và STA của ECM, qua công tắc vị trí P/N của hộp số, đi qua cuộn dây của rơ le khởi động, sau đó về mát
- Đồng thời ECM sẽ cắt nguồn điện từ ắc quy tới hệ thống điều hòa bằng rơ le cắt ACC Khi đó nguồn điện của ắc quy sẽ được tập trung cho hệ thống khởi động
Do đó, dòng điện từ ắc quy sẽ qua cầu chì 30A, qua rơ le khởi động, qua cuộn dây cụm công tắc từ và về mát Lúc đó công tắc từ đóng lại, dòng điện từ ắc quy sẽ được đi qua công tắc từ đến động cơ điện một chiều của máy khởi động và về mát Kết quả làm máy khởi động quay
Trang 7Hình 8 Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE
2.3 Kiểm tra hư hỏng của hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE
2.3.1 Kiểm tra cụm khóa điện
Cụm khóa điện được kiểm tra hư hỏng bằng cách đo điện trở ở các chân (Hình 9) Giá trị tiêu chuẩn khi đo điện trở khóa điện được thể hiện trên Bảng 1
Trang 8Hình 9 Kiểm tra điện trở tại các chân của khóa điện Bảng 1 Điện trở tiêu chuẩn của khóa điện
Nối dụng cụ đo Điều kiện kiểm tra Điều kiện
tiêu chuẩn
1 - 2 - 4
5 - 6
1 - 3 - 4
5 - 6 - 7
2.3.2 Kiểm tra rơ le cắt ACC
Việc kiểm tra hư hỏng của rơ le cắt ACC được thực hiện bằng cách đo điện trở tại các chân (Hình 10) Các giá trị tiêu chuẩn được trình bày ở Bảng 2
Hình 10 Kiểm tra điện trở tại các chân của rơ le cắt ACC
Trang 9Bảng 2 Điện trở tiêu chuẩn của rơ le cắt ACC
Nối
dụng cụ
đo
Khi cấp điện áp ắc quy vào cực 1 và 2 10 kΩ trở lên
3 - 5 Khi cấp điện áp ắc quy vào cực 1 và 2 Dưới 1 Ω
Khi không cấp điện áp ắc quy 10 kΩ trở lên
Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay thế rơle cắt ACC
2.3.3 Kiểm tra máy khởi động
Để kiểm tra hư hỏng của máy khởi động cần kiểm tra các bộ phận: rô to máy khởi động, cuộn cảm, chổi than, ly hợp máy khởi động, công tắc từ
2.3.3.1 Kiểm tra rô to máy khởi động
Các bước kiểm tra rô to máy khởi động (Hình 11) bao gồm: quan sát; vệ sinh; kiểm tra sự thông mạch/ cách điện của rô to; kiểm tra độ đảo hướng kính của cổ góp; kiểm tra đường kính ngoài của cổ góp; kiểm tra độ sâu của rãnh
Bước 1: Quan sát và vệ sinh Bước 2: Kiểm tra cách điện cổ
góp và lõi rô to
Bước 3: Kiểm tra thông mạch
giữa các thanh dẫn điện của
cổ góp
Bước 4: Kiểm tra độ đảo
Hình 11 Các công việc kiểm tra rô to máy khởi động
2.3.3.2 Kiểm tra cuộn cảm
Công việc kiểm tra cuộn cảm (Hình 12) bao gồm: thông mạch giữa các dây dẫn chổi than; cách điện giữa các dây dẫn chổi than
Trang 10Bước 1: Kiểm tra thông mạch Bước 2: Kiểm tra cách điện
Hình 11 Các công việc kiểm tra cuộn cảm
trong đó: 1 – Dây chổi than dương, 2 - dây dẫn; 3 – chổi than; 4 – Cuộn cảm; 5 –
Thông mạch/cách điện; 6 – Dây chổi than âm; 7 – Phần cảm (Khung từ)
2.3.3.3 Kiểm tra chổi than
Chổi than được ép vào cổ góp nhờ lực của lò xo Khi chổi than bị mòn quá giới hạn, lực ép của lò xo bị giảm dẫn đến sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than không đạt yêu cầu Kết quả là dòng điện không chạy liên tục dẫn đến máy khởi động không hoạt động được Việc làm sạch và đo chiều dài chổi than được thể hiện trên Hình 12 Nếu không đạt yêu cầu thì cần phải thai thế chổi than (Hình 13)
Hình 12 Đo chiều dài chổi than
Trang 11Bước 1: Cắt dây dẫn chổi than ở vị trí nối với
phía phần cảm
1 – Cắt; 2 – Dây dẫn chổi than; 3 – Phía phần
cảm
Bước 2: Sửa lại hình dáng bề mặt hàn của phần
cảm bằng giũa hay giấy ráp
1 – Vùng sửa lại; 2 – Phía phần cảm; 3 - Giũa
Bước 3: Lắp chổi than mới và đĩa vào phần cảm
và ép lại
1 – Chổi than; 2 - Đĩa
Bước 4: Hàn chổi than mới vào vùng gắn
Hình 13 Các công việc thay chổi than
2.3.3.4 Kiểm tra cụm ly hợp máy khởi động
Quay ly hợp máy khởi động bằng tay và kiểm tra xem khớp một chiều có ở trạng thái hãm hay không (Hình 14)
Hình 14 Kiểm tra khớp một chiều (1 – quay tự do; 2 – hãm)
Trang 122.3.3.5 Kiểm tra cụm công tắc từ
Công việc kiểm tra cụm công tắc từ (Hình 15) bao gồm: kiểm tra trạng thái hoạt động; kiểm tra sự thông mạch cuộn kéo và kiểm tra sự thông mạch của cuộn giữ
Bước 1: Kiểm tra sự hoạt động của công tắc từ
Bước 2: Kiểm tra sự thông mạch trong
cuộn kéo (giữa cực 50 và cực C)
Bước 3: Kiểm tra sự thông mạch trong
cuộn giữ (giữa cực 50 và thân công tắc)
Hình 15 Các công việc kiểm tra công tắc từ
trong đó: 1 – Cực 50; 2 – Cực C; 3 – Cuộn kéo; 4 – Cuộn giữ; 5 – Thân công tắc; 6 -
Cực 30; 7 – Thông mạch
2.3.3.6 Các thông số sửa chữa của máy khởi động
Thông số sửa chữa của máy khởi động động cơ 1NZ-FE (Bảng 3) được dùng làm căn cứ để so sánh với các giá trị đo kiểm Nếu giá trị đo kiểm vượt các ngưỡng giới hạn thông số sửa chữa thì cần thay thế
Bảng 3 Thông số sửa chữa máy khởi động động cơ 1NZ-FE
Cụm máy khởi động Cường độ dòng điện tiêu chuẩn Từ 90 A trở xuống với điện áp 11.5 V Rơle máy khởi động Điện trở tiêu chuẩn 3 - 5
Dưới 1 Ω (Khi điện áp ắc quy được cấp
đến cực 1 và 2)
10 kΩ trở lên Điện trở của cụm rôto
máy khởi động
Trang 13Nội dung kiểm tra Điều kiện kiểm tra Giá trị tiêu chuẩn
Độ đảo của cổ góp
Đường kính cổ góp
của cụm rôto máy
khởi động
Phần rãnh cắt của
cụm rôto máy khởi
động
Chiều sâu rãnh cắt tiêu chuẩn 0.6 mm (0.0236 in.) Chiều sâu rãnh cắt nhỏ nhất 0.2 mm (0.0079 in.)
Điện trở của cụm
stato máy khởi động
Đầu chổi than - Càng máy khởi
Điện trở cụm giá đỡ
chổi than máy khởi
động
Điện trở cụm công
tắc từ máy khởi động
Cực 50 - Cụm công tắc từ máy
3 Kết luận
Nội dung nghiên cứu đã phân tích được cấu tạo và hoạt động của hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios 2015, bao gồm: cấu tạo của máy khởi động loại đồng trục (rô to, stato, công tắc từ, ly hợp, rơ le máy khởi động), sơ đồ cấu tạo và hoạt động của mạch điện hệ thống khởi động Đồng thời nội dung nghiên cứu đã trình bày các bước kiểm tra hư hỏng và thông số sửa chữa các bộ phận chính của hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE: cụm khóa điện, rơ le cắt ACC, cụm máy khởi động (rô to, cuộn cảm, chổi than, ly hợp máy khởi động, cụm công tắc từ, rơ le máy khởi động) Trên cơ sở đó nắm vững được kiến thức cơ bản về cấu tạo, hoạt động của hệ thống khởi động động cơ trên ô tô nói chung và cách kiểm tra hư hỏng trên các xe tương tự
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình Hệ thống điện trên ô tô, trường Đại học Sao Đỏ, 2018
[2] Cẩm nang sửa chữa động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios, GSIC - Trung Tâm Thông Tin Dịch Vụ Toàn Cầu, Toyota