Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 49 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

8.3. АВТОТРАКТОРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И ЭЛЕКТРОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Рождение автомобиля связывают с именами Г. Даймлера и К. Бенца. К. Бенц построил свой трехколесный автомобиль в 1886 г., Г. Даймлер – четырехколесный на год позже.

Из электроприборов автомобиль К. Бенца имел только электрозажигание. Один из первых русских автомобилей Е.А. Яковлева и П.А. Фрезе, появившийся на всероссийской выставке 1896 г., также имел электрозажигание от сухих гальванических элементов.

Производство отечественного автотракторного электрооборудования было впервые освоено на Московском электрозаводе, из которого выделился завод автотракторного электрооборудования (АТЭ) в начале 1930 г.

Теоретические основы отечественного электрооборудования автомобилей и тракторов [8.24–8.29] создались трудами B.C. Кулебакина (1891–1970 гг.), Б.П. Апарова (1899–1953 гг.), А.Н. Ларионова (1890–1963 гг.), Ю.М. Галкина (1903–1984 гг.).

8.3.1. СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ

Низковольтная магнитоэлектрическая машина, названная впоследствии «магнето низкого напряжения», была впервые применена для зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в 1875 г. От магнето осуществлялось зажигание на отрыв – внутри цилиндра ДВС помещались два электрода, которые механическим путем раздвигались. В дальнейшем система была дополнена индукционной катушкой зажигания (бобиной), получавшей питание от магнето низкого напряжения, и зажигание стало осуществляться электрической искрой высокого напряжения. В первоначальных конструкциях магнето обмотка якоря совершала качательное движение в поле постоянного магнита, затем движение стало вращательным.

Распределение энергии зажигания по цилиндрам первоначально осуществлялось на стороне низкого напряжения. В частности, на первых моделях автомобиля «Форд» устанавливалось по числу цилиндров четыре катушки зажигания, четыре электромагнитных прерывателя и магнето низкого напряжения.

Однако после 1910 г. система с магнето низкого напряжения была вытеснена системой с магнето высокого напряжения. В то же время был осуществлен переход на распределение высокою напряжения по свечам.

Магнето высокого напряжения было изобретено в 1900 г. М. Будевиллем и усовершенствовано в 1901 г. Г. Хонольдом в фирме «Бош» (Германия).

Выпуск отечественных автомобильных магнето был освоен с использованием конструкции магнето фирмы «Сцентилла» (Чехословакия).

В своем окончательно сформированном виде магнето отечественных автомобилей представляло собой однофазную электрическую машину переменного тока с двух– или многополюсным ротором, несущим на себе постоянные магниты с полюсными наконечниками и вращающимся между выступами магнитопровода трансформатора высокого напряжения, ток в первичной обмотке которого коммутировался прерывательным механизмом. При разрыве тока во вторичной обмотке наводилось высокое напряжение (10–17 кВ), подводящееся через распределительный механизм к свечам. Регулировка момента искрообразования (опережения зажигания) производилась либо вручную, либо центробежным автоматом.

Совершенствование конструкции магнето шло в основном в направлении применения постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии.

Недостатком магнето является малое вторичное напряжение при низких частотах вращения и, в частности, при пуске. Поэтому батарейная система зажигания в 20–30-х годах нашего века стала вытеснять магнето сначала в США, потом в Европе.

На легковых автомобилях «Форд-А» и грузовых «Форд-АА», выпуск которых был начат в 1927–1928 гг., уже было установлено батарейное зажигание.

Зажигание от магнето применялось на первых отечественных грузовых автомобилях завода АМО (ЗИЛ) «АМО-Ф-15», выпуск которых начался в 1924 г.

Магнето дожило до наших дней в виде магдино – совокупности электрического генератора и магнето, которое устанавливается на мопеды, мотоциклы легкого класса и применяется в комплекте с вынесенным трансформатором высокого напряжения и полупроводниковым коммутатором.

В батарейном зажигании электрический ток, получаемый от аккумуляторной батареи, превращается в высокое напряжение индукционной катушкой (катушкой зажигания – бобиной). Основными элементами этой системы являются выключатель зажигания, прерыватель-распределитель и катушка зажигания. Число витков вторичной обмотки катушки зажигания в 50–250 раз больше, чем первичной. Поэтому при размыкании тока в первичной обмотке прерывателем исчезающий магнитный поток наводит во вторичной обмотке высокое напряжение, поступающее через бегущий контакт распределителя на свечи.

Первоначально регулировка момента зажигания осуществлялась вручную («Форд-А», «Форд-АА», Г A3-А, ГАЗ-АА и др.), затем появился центробежный регулятор опережения зажигания, изменяющий момент зажигания по скорости (Ml, ЗИС-5, ЗИС-101), а затем и вакуумный регулятор, осуществляющий регулировку по нагрузке (М20 «Победа», ГАЗ-51, ЗИС-150). В окончательном виде прерыватель-распределитель современных автомобилей содержит оба этих регулятора.

Катушка зажигания классической батарейной системы зажигания имеет разомкнутый магнитопровод, т.е. обмотки располагаются на стержневом сердечнике, набранном из листов электротехнической стали.

С изобретением в 1948 г. транзистора, появилась возможность устранить существенный недостаток контактной батарейной системы зажигания – повышенный износ контактов прерывателя. Первоначально возникли контактно-транзисторные системы («Дженерал моторс» – 1962 г., отечественные – 1966 г.), где ток в катушке зажигания коммутировался транзистором, базовая цепь которого управлялась контактами прерывателя. Применение контактно-транзисторной системы позволило увеличить запас энергии в катушке, что благотворно сказалось на зажигании.

С появлением контактно-транзисторного зажигания на автомобилях возникло новое изделие – электронный коммутатор, включающий в себя силовой коммутирующий транзистор, схему его управления и защиты.

Благодаря простоте и дешевизне контактно-транзисторная система более четверти века обеспечивала нормальное зажигание восьмицилиндровых бензиновых двигателей грузовых автомобилей ЗИЛ и ГАЗ.

Однако развитие электроники позволило перейти на бесконтактные электронные системы зажигания (США – 1964 г., СССР – 1973 г.).

В таких системах механический контактный прерыватель заменен датчиком, управляющим электронным коммутатором, – магнитоэлектрическим («Искра») или датчиком Холль («Бош», зажигание ВАЗ-2108).

Применение электронной системы зажигания с регулируемым временем накопления энергии, впервые установленной на автомобилях ВАЗ-2108, позволило избежать снижения вторичного напряжения с ростом частоты вращения ДВС.

Развитие электронной промышленности привело к появлению после 1967 г. на автомобилях интегральных микросхем. В 1973 г. фирма «Дженерал электрик» использовала в системе зажигания интегральную схему на монокристалле кремния.

Электронные системы позволили увеличить энергию воспламенения на свечах, но их развитие обеспечило и решение глобальных задач, связанных с экономией топлива и снижением токсичности отработанных газов. При этом был осуществлен переход на электронное управление углом опережения зажигания.

Аналоговая система управления углом опережения зажигания была установлена на автомобиле «Крайслер» в 1975 г. Однако аналоговые системы не нашли широкого распространения. В 1976 г. фирма «Дженерал моторc» применила цифровую систему управления углом опережения зажигания МИСАР. Центральным узлом системы являлся микропроцессор. Микропроцессор по заданной программе управлял блоком высокого напряжения, содержащим электронный коммутатор, катушку зажигания и переключатель, выполняющий функции распределителя. На отечественных автомобилях микропроцессорные системы появились в конце 80-х годов.

Электронные коммутаторы позволили повысить ток в первичной обмотке катушки зажигания и перейти на конструкцию с замкнутым магнитопроводом.

В рассмотренных выше системах накопления энергии, используемой затем для воспламенения смеси, осуществлялось в магнитном поле катушки зажигания. Однако в основном для двухтактных двигателей мопедов, мотоциклов легкого класса и т.п. нашли применение системы зажигания с накоплением энергии в конденсаторе. Конденсаторная система дополнительно содержит преобразователь напряжения бортовой сети в высокое для заряда конденсатора либо конденсатор заряжается от специальной обмотки генератора с повышенным напряжением. Коммутация в цепи конденсатор – первичная обмотка катушки зажигания осуществляется тиристором.

Первоначально искровые свечи зажигания имели разборную и неразборную конструкции, причем в отечественном производстве предпочтение было отдано разборной свече, у которой изолятор вместе с центральным электродом прижимался ниппелем, ввернутым в верхнюю часть корпуса свечи. Это позволяло заменять изолятор или очищать центральный электрод без извлечения корпуса свечи из головки блока цилиндров. Изолятор изготавливался из керамики или слюды, но слюда применялась только для гоночных двигателей.

До 1930 г. основным типом американских свечей были свечи с дюймовой резьбой в Европе – с метрической. В дальнейшем дюймовые свечи были вытеснены метрическими.

В настоящее время конструкция свечи стабилизировалась и применяется только в неразборном варианте. Свеча состоит из металлического корпуса, одного или нескольких боковых электродов, изолятора с центральным электродом и контактной головкой. Первоначально изоляторы автомобильных свечей изготавливались в основном из стеатита, сейчас из уралита, боркорунда, хилумина, синоксаля и т.п.

В настоящее время все большее распространение находят свечи с расширенным температурным диапазоном. Теплоотдача таких свечей увеличена за счет выполнения центрального электрода комбинированным.

Определенную специфику имеют провода, соединяющие распределительный механизм со свечами: подведение к свечам высокого напряжения (20–30 кВ) при малых значениях тока и излучении радиопомех. Обычно помехоподавление осуществляется резисторами, устанавливаемыми в свечах, распределителе или отдельно, а также экранированием всей системы. Однако помехоподавляющие свойства могут обеспечиваться и конструкцией самого провода. Провода такого типа бывают с распределенным активным сопротивлением (резистивный провод) и с распределенным активно-индуктивно-емкостным сопротивлением (реактивный провод).

Развитие электроники на современном этапе ведет к объединению систем управления зажиганием и топливоподачей двигателя, а также коробкой перемены передач и сцеплением.

8.3.2. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Тип системы электроснабжения в значительной мере зависит от наличия на подвижном объекте аккумуляторной батареи, т.е. в конечном итоге от наличия электростартерного пуска.

Если электропуск отсутствует, то используется система электроснабжения потребителей переменным током. Такая система длительное время была характерна для тракторов и до настоящего времени сохраняется на мопедах и легких мотоциклах. В системе переменного тока генератор представляет собой синхронную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов. Эти магниты могут располагаться на маховике двигателя (трактор «Фордзон», мотогенераторы), однако генератор может иметь и традиционную конструкцию с ротором в виде звездочки из постоянных магнитов или конструкцию с полюсными наконечниками, между которыми зажат магнит. Регулятор напряжения в такой системе отсутствует и поддержание стабильности напряжения достигается параметрическим способом. Попытки повысить эту стабильность введением противополярного регулирования центробежным автоматом (генератор ГТ1-А) не увенчались успехом.

Система электропитания с генератором постоянного тока начала усиленно развиваться на автомобилях после 1912 г., когда она впервые была применена на автомобилях «Кадиллак».

Первоначально возникли две системы электроснабжения: генераторы с регулированием напряжения с помощью третьей щетки и генераторы с регулированием напряжения вибрационным регулятором напряжения. До 1920 г. преимущественное распространение получил трехщеточный генератор, особенно в США, Англии и Франции. Производители автомобилей Германии и Австрии ориентировались на вибрационный регулятор. В период с 1920 по 1930 г. трехщеточный генератор благодаря проникновению американских машин на европейский рынок практически вытеснил систему с вибрационным регулятором. Однако с 1930 г. начался обратный процесс, так как преимущества трехщеточного генератора (простота и дешевизна) не компенсировались его недостатками, которые начали сказываться при повышении количества и мощности электропотребителей. Дискретный принцип регулирования напряжения, заложенный в вибрационном регуляторе, дожил до наших дней.

Первые отечественные трехщеточные генераторы повторяли по конструкции генераторы «Авто Лайт» (США) и устанавливались на автомобилях ГАЗ-А, ГАЗ-АА, ЗИС-5 (серия ГБФ). В 1937–1938 гг. заводом АТЭ была проведена модернизация генераторов легковых автомобилей с выпуском новых серий – ГМ (ГАЗ-MI) и ГЛ (ЗИС-101). На первые автомобили «Москвич», выпуск которых начался в 1947 г., устанавливался трехщеточный генератор Г28. Особенностью этих генераторов, как и всех генераторов выпускавшихся до середины 50-х годов, было соединение с корпусом автомобиля положительного вывода. В 1957 г. стандартом предписывалось соединение с корпусом отрицательного вывода, и в

дальнейшем все генераторы выпускались только с таким соединением.

Генератор Г28 был последним трехщеточным генератором, выпущенным отечественной промышленностью, после него был осуществлен переход на систему с вибрационным регулятором напряжения (реле-регулятором). Аналогичный переход был закончен в США в 1937–1938 гг.

На отечественные тракторы генераторы постоянного тока устанавливались только с реле-регулятором. Сначала генераторы приобретались у фирмы «Бош» (трактор «Интернационал» – СТЗ-30), затем было освоено собственное производство генераторов серий ГБТ, ГАУ с пристроенным реле-регулятором.

Рост требуемой от генератора мощности, а также развитие электроники привели к коренным изменениям в конструкции генераторной установки.

Во-первых, изменение коснулось номинального напряжения бортовой сети и соответственно генераторной установки. Из-за чрезмерного возрастания тока номинальное напряжение бортовой сети 6 В, распространенное в США, Англии и СССР, начиная с 1945 г. уступает место системе номинальным напряжением 12 В. В настоящее время генераторные установки автомобилей выпускаются на номинальное напряжение 14 В, а дизелей – на 28 В.

Во-вторых, развитие электроники позволило заменить генераторы постоянного тока вентильными генераторами и электронными регуляторами напряжения.

Вентильный автомобильный генератор представляет собой трехфазную синхронную электрическую машину с вращающейся системой возбуждения и неподвижным якорем (статором), обмотка которого питает потребителей через выпрямитель. В России генератор такого типа впервые появился на автобусе ЗИС-155 в 1954 г., причем селеновый выпрямитель располагался вне генератора. В США генераторы аналогичного устройства устанавливались на армейских автомобилях во время второй мировой войны.

С 1960 г., когда на автомобилях «Крайслер» появились генераторы со встроенным выпрямителем на кремниевых диодах, применение вентильных генераторов начало расширяться, и в настоящее время на автомобили устанавливаются только генераторы такого типа. Производство отечественного генератора Г250 со встроенным кремниевым выпрямителем, заменившего на автомобилях генераторы постоянного тока, было освоено на Куйбышевском заводе автотракторного электрооборудования в 1967 г.

Современные генераторные установки имеют дополнительный выпрямитель обмотки возбуждения и дополнительное плечо силового выпрямителя, соединенное с нулевой точкой обмотки статора, позволяющее увеличить мощность генератора за счет мощности высших гармонических составляющих, содержащихся в фазном напряжении.

Принцип работы электронного регулятора напряжения аналогичен вибрационному. Переход от вибрационного к чисто электронному регулятору на отечественных автомобилях и тракторах осуществлялся через промежуточную конструкцию контактно-транзисторного регулятора (РР362, 1967 г.), в котором управление транзистором осуществлялось вибрационным реле и был сохранен дополнительный резистор. Большинство зарубежных фирм миновало этот этап, а электронные регуляторы в основном развивались в сторону удешевления технологии их изготовления: сначала они выполнялись на навесных элементах, затем по гибридной технологии (впервые такой генератор использовала фирма «Дженерал моторc» в 1966 г., в России регуляторы такого типа Я112, Я120 широко распространены), и наконец вся схема выполнялась на монокристалле кремния. При выполнении регулятора на монокристалле или полевых транзисторах силовые диоды выпрямителя заменяются стабилитронами для защиты схемы от перенапряжений. В регуляторах стала применяться широкоимпульсная модуляция.

Со второй половины 90-х годов на отечественных автомобилях стали устанавливаться генераторы компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости. Последние оснащаются приводом на повышенное передаточное отношение и имеют высокие коэффициенты использования.

Для тяжелых условий эксплуатации предназначены бесщеточные генераторы. На автомобилях довольно широко применяются генераторы с клювообразным ротором, у которых одна полюсная половина несет на себе другую, приваренную к ней по клювам немагнитным материалом (фирма США «Делько Реми» и германская «Бош»).

В России на тракторах используются исключительно индукторные генераторы. Впервые индукторный генератор был применен в 1966 г. для двигателей воздушного охлаждения (генератор Г302), массовый генератор Г304 начал выпускаться с 1968 г. С 1985 г. тракторные генераторы переведены на смешанное магнитоэлектромагнитное возбуждение (генератор 46.3701).

На некоторых типах автомобилей находят применение двухуровневые системы напряжения (ЗИЛ-4331, ЗИЛ-133ГЛ, ЗИЛ-5310). Второй уровень напряжения достигается трансформацией и выпрямлением переменного напряжения обмотки статора.

8.3.3. СИСТЕМЫ ПУСКА

В систему пуска традиционно включают аккумуляторную батарею, электростартер, аппаратуру управления пуском и устройства, облегчающие пуск ДВС.

Применение аккумуляторной батареи на автомобиле в широких масштабах началось после 1911 г. с введением электропуска. Аккумулятор заменил на автомобилях сухие гальванические элементы. На автомобилях устанавливается свинцовая аккумуляторная батарея.

Батарея без долива воды за весь срок службы впервые была установлена на автомобиле «Понтиак» в 1971 г. Необслуживаемая батарея 6СТ-55АЗН отечественного производства устанавливается на автомобилях ВАЗ-2108.

Можно отметить, что почти за 70 лет эксплуатации легковых автомобилей заметного роста емкости их аккумуляторных батарей не произошло.

Альтернативой кислотной батареи является щелочная. На заре развития автомобиля у нее было много сторонников, особенно во Франции, но высокое внутреннее сопротивление этой батареи в то время не позволило ее применить на автомобилях. Серийное производство таких батарей появилось только в последнее время.

Первый электростартерный пуск появился на автомобилях «Кадиллак» в 1912 г. Он осуществлялся от стартер-генератора фирмы «Делько». В 1916 г. на автомобиле «Паккард» стартер и генератор были разделены, и в дальнейшем стартер сформировался в виде отдельной электрической машины, состоящей из электродвигателя постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения, механизмов привода и управления. В последнее время электромагнитное возбуждение заменяется возбуждением от постоянных магнитов. В современных стартерах перемещение шестерни выполняется электромагнитным тяговым реле, расположенным на корпусе стартера или встроенным внутрь его. Отсоединение вала якоря после пуска от ДВС осуществляется роликовой муфтой свободного хода или храповым механизмом.

В последние годы стартеры традиционной конструкции замещаются стартерами со встроенным промежуточным редуктором (планетарным или классическим).

8.3.4. СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ И СВЕТОВОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Впервые головной электрический свет на автомобиле появился в 1898 г.

Изобретение в 1913 г. газонаполненной электрической лампы со спиральной нитью, обладающей высокой габаритной яркостью, открыло дорогу применению фар с электрическим источником света. Но только с 1925 г. практически все автомобили стали выпускаться с электрическим освещением.

Головные фары автомобиля должны хорошо освещать дорогу на возможно большем расстоянии, но не ослеплять встречного водителя. Первая задача решена применением прожекторного способа образования светового луча – помещением нити накала лампы в фокус параболоидного отражателя. Решение второй задачи прошло множество этапов, пока в 1924 г. в Европе не была изобретена фара с двухнитевой лампой, существующая с некоторыми усовершенствованиями и поныне. Нить дальнего света лампы европейской фары помещена в фокус отражателя, а ближнего света выдвинута вперед и чуть выше световой оси. При переходе на ближний свет лучи падают только перед автомобилем. Под нитью расположен экран, не позволяющий лучам с нижней части отражателя попадать в глаза водителя встречного автомобиля. В США двухнитевая лампа появилась чуть позже, чем в Европе, в ней экран отсутствует, а нить ближнего света расположена выше и левее нити дальнего света. С 1939 г. в США лампа заменена лампой-фарой.

До 1968 г. в. СССР применялась американская система фар, позднее – европейская.

С начала 60-х годов в Европе сначала в дополнительных фарах (противотуманных, прожекторах) появились галогенные однонитевые лампы HI, H3. Фирма «Сев-Маршал» (Франция) утверждает, что она первая применила фары с галогенной лампой на автомобильных гонках 1962 г. С середины 60-х годов галогенные лампы стали применяться в четырехфарных системах. С 1971 г. фирмы «Филипс» и «Осрам» начали выпуск фар с двухнитевой лампой Н4. Отечественные унифицированные фары ФГ152 для грузовых автомобилей (лампа H1) и легковых 11.3743 (лампа Н3) освоены производством в 70-х годах. В последнее время в фарах появился дневной свет.

Наряду с прожекторами в фарах применяется проекторный способ получения светораспределения (эллипсоидный отражатель). Применяются также гомофокальные и бифокальные фары. Ряд японских фирм применяют в светосигнальных приборах вместо ламп светодиоды.