13. Erőgépek elektromos berendezései Az elektromos rendszer elemei az erőgépek kiegészítő egységei – az üzemeltetéshez nélkülözhetetlenek /indítás, világítás, jelzés, szabályozás stb./. ~ funkciójuk alapján lehetnek: Szabályzók - Feszültség szabályzó - Áramkapcsoló - Áramkorlátozó - Gyújtás-szabályzó - Töltés-szabályzó
Áramforrások - Aktív ~: - generátor - dinamó - Passzív ~: - akkumulátor
Fogyasztók - Önindító - Izzítórendszer - Világító-, jelzőrendszer - Gyújtórendszer - Egyéb fogyasztók
13.1 Áramforrások Feladatuk: a fogyasztók ellátása elektromos árammal. Álló motor esetén → akkumulátor. Üzem közben → generátor (dinamó). Jellemzőjük: Tápfeszültség UT = 12 V /vagy 6 V/ Akkumulátorok: Feladat: elektromos energia tárolása; töltés /generátor v. hálózat/, kisütés /fogyasztók/ - Általában a savas, ólomakkumulátorokat alkalmazzák Ólomakkumulátorok működési elve: Töltés IT -
G
Töltés: Elektromos áram hatására a két ólomszulfát elektróda átalakul: - elektróda: ólommá /+ töltés/ + elektróda: ólomdioxiddá /- töltés/ közben a kénsav töménysége a max. nő. ρmax= 1,285 kg/dm3
Kisütés IK -
+
+
Elektródák Cellaedény Sav-elektrolit H2SO4+H2O Ólom
Ólomdioxid
Ólomszulfát
Kisütés: Fogyasztót kötve a pólusokra áram indul meg – kisütés közben az elektródák anyaga ólomszulfáttá alakul át, közben a kénsav töménysége csökken. ρmax= 1,143 kg/dm3
Az akkumulátorok elektromos tulajdonságai: Az akkumulátor sorba kapcsolt (n = 3..6..12) cellából áll. Egy cella feszültsége: UC1 = 2V /névleges/. A kapocsfeszültség: UK = n ⋅ UC1 Kapacitás /tárolóképesség/: az akkumulátorból nyerhető elektromos energia. Kapacitás (K) = terhelő áramerősség ⋅ kisütési idő → Mértékegysége: Aó (amperóra) Töltőfeszültség: UT ≅ 1,2..1,3 ⋅ UK /V/ → (12 V-os rendszerben 14-16 V). Töltőáram: ~ normál töltésnél → a kapacitás 10%-ka, IT = K/10 /A/, töltési idő = 8-12 h ~ gyorstöltésnél → IT = a normál töltőáram 5..10 szerese, töltési idő = 0,5 h ~ csepptöltésnél → IT = névleges kapacitás 0,1%-ka, a töltés folyamatos. 32
Akkumulátor szerkezete: - Mindenegyes sorbakapcsolt cellában 5 negatív és 4 pozitív lemez található. Porózus szigetelőlapok - A lemezrácsok ólom-antimon ötvözetből állnak, köztük szigetelőlemezekkel. Az Lemezcsomag antimon javítja az önthetőséget és a egy cellához szilárdságot, de kedvez a korróziónak és gyakori desztillált víz utántöltés szükséges. - Az egyes cellák pólusai cellaösszekötővel sorba vannak kapcsolva. - Az akkumulátorház átlátszó műanyagból (polipropilénből) készül. - Az elektrolit 37,5% koncentrált kénsav és 62,5% desztillált víz Karbantartás mentes akkumulátor: - Kis 2..2,5% antimon tartalmú ólomrács, a cella alján iszaptérrel. Karbantartáshoz elegendő 2 évente, vagy 40 000 km-enként a savszínt ellenőrzése. - A cellalemezek ólom-kalcium rácsból készülnek, töltőnyílás általában nincs, a keletkező gázok mikroporózus nyíláson keresztül távozhatnak. Az elektrolit folyékony vagy zselésített higított kénsav. Áramfejlesztők /dinamó, generátor/: Üzem közben a motortól kapott mechanikai munkát elektromos energiává alakítja. Áramtermelés: fogyasztók ellátásához és akkumulátor töltéséhez szükséges. Lehet: - egyenáramú /dinamó/; - váltóáramú /generátor/ Dinamó működési elve: É
Alapelv: Ha mágneses térben vezetőt mozgatunk (forgatunk) az erővonalmetszés hatására a vezetőben feszültség indukálódik: Ui = B ⋅ l ⋅ v ⋅ sin α /V/
D
B: a mágneses indukció l: a vezető teljes hossza v: a kerületi sebesség α: az erővonalak és a vezető által bezárt szög
Állandó mágnes
v
Kommutátor Vezetőhurok
Mivel v = f(n) → Ui = f(n): az indukált feszültség arányos a fordulatszámmal – a dinamók (generátorok) feszültségét szabályozni kell. Szerkezeti kialakítás: IT +
Ig
D _
Gt
A párhuzamosan kapcsolt gerjesztőtekercs árama (Ig) hozza létre a mágneses indukciót (B). Általában az öngerjesztő dinamót (generátort) alkalmazzák → a remanens (visszamaradó) mágnesesség hatására indul meg az áramtermelés. 33
Pólusok
D
+
Gerjesztő tekercsek É
É
Armastúra (Forgórész) Áramtekercs
D
D É
-
Kommutátor szeletek
Szénkefék
A két szénkefe egyenáramot vesz le a kommutátorról. Az állórész pólusai és a forgórész jól mágnesezhető lágyvas lemezekből készülnek. Jellemzői: - egyenáramot termel - Ui a forgórészben keletkezik - meghibásodásra hajlamos - szénkefe, kommutátor kopás - kisebb teljesítmény - régebbi gépjárművekben haszn.
Generátorok: 3 fázisú tekercselésű állórész
Előnyeik a dinamókkal szemben: - egyszerűbb szerkezet – üzembiztos - ugyanolyan elektromos teljesítményhez kisebb méret és súly - jó hatásfok - alapjáraton már tölti az akkut - egyszerű kezelés, karbantartást nem igényel Hátránya: - váltóáram keletkezik→egyenirányító diódák alkalmazása szükséges
Forgórész
É D
D
É
É D Mágneses szegmensek
Működési elv: Csúszógyűrűkön a forgórészbe bevezetett gerjesztőáram hatására kialakuló mágneses tér forog, az indukált feszültség az állórész tekercseiben keletkezik. A váltakozó feszültséget egyenirányító diódákkal egyenirányítják. 13.2 Szabályzók - Mivel Ui = f(n), a generátor (dinamó) feszültségét szabályozni kell. Cél: - minél előbb érje el a töltési feszültséget - egy max. feszültségnél ne legyen nagyobb a generátor feszültsége – akkumulátor, fogyasztók védelme. - Ha Ui < UT, a generátort (dinamót) le kell választani az akkumulátorról /viszáram megakadályozása miatt/. - A maximális töltőáramot korlátozni kell – elektromos rendszer védelme.
34
Feszültségszabályzó: A dinamó töltési feszültségét automatikusan szabályozzák a gerjesztőtekercs /Gt/ áramerősségének /Ig/ változtatásával. Mivel: Ui = B ⋅ l ⋅ v ⋅ sinus α és B = f (Ig) → Ui = f (Ig) A szabályzás elve: Rugó 1 2 3
+
G
Gt
-
Áramkapcsoló:
Lámpa Rugó
IT +
G
Gt
Feladata: a generátor és az akkumulátor közötti összeköttetést automatikusan szabályozza Ha UG ≥ UA (v. UT) összeköt Ha UG < UA (v. UT) leválaszt Célja: visszáram megakadályozása Ha: UG < UT, az érintkező nyitva van – a jelzőlámpán /L/ keresztül visszáram /IV/ folyik – töltés nincs
IF Fogyasztókhoz
„n” - fordulatszám
A szabályzás módja: „n” alacsony: - nagy Ig kell Mozgó érintkező 1-es helyzetben / Ig1/ „n” közepes: - kisebb Ig / Ig2 < Ig1 / Mozgó érintkező úszó helyzetben (2) „n” nagy: - Ig3 = 0 (remanens mágnesesség elég) Mozgó érintkező rövidre zárja a Gt- t (3)
Ig1
Ig2
Ig1 > Ig2 ; Ig3 = 0
Akku
Ha: UG ≥ UT, az érintkező zár /relé behúz/ IT áram folyik a fogyasztók felé, lámpa elalszik.
Áramkorlátozó: Bizonyos töltőáramnál /ITmax/ leválasztja a generátort a fogyasztóról, az áramkapcsolóhoz hasonló elven működik. 13.3 Fogyasztók Az elektromos energiát igénylő, azzal működő szerkezeti egységek. Motorok indítása- önindítók: A motorok működésbe hozásához a forgattyús tengelyt meg kell forgatni – az a fordulatszám amelyen a motor beindul a gyújtási fordulatszám /ngy/: - Kétütemű OTTÓ motoroknál 100 – 150 f/perc - Négyütemű OTTÓ motoroknál 50 – 60 f/perc - DIESEL motoroknál 150 – 200 f/perc 35
Indítást megkönnyítő berendezések: - Dekompresszor → a szelepeket megemelő szerkezet – kompresszió nem alakul ki – könnyű forgatás. - Izzítórendszer → kamrás motoroknál az égéstér előmelegítése, hideg motornál a gázolaj meggyújtása. Indítási módok: - Kézi indítás → kézi erővel közvetlenül a főtengelyt megforgatva indítókötéllel, vagy berugó karral motorkerékpároknál. - Vegyes üzemű indítás → OTTÓ üzembe indítani, utána átkapcsolás DIESEL üzembe – kiegészítő berendezések szükségesek. - Segédmotoros indítás → kis teljesítményű /4-8 kW/ OTTÓ rendszerű segédmotor – tengelykapcsolóval a főtengellyel összeköthető. - Elektromos indítómotorral → önindító, akkumulátorról működtetett villanymotor forgatja meg a főtengelyt. Elektromos indítómotorok változatai: Emeltyűs csavarlöketű /Menetes tengelyes/: Kapcsolómágnes Kapcsolókar Főáramkapcsoló
Fogaskerék
Elektromágnes kapcsolja össze a fogaskerekeket, kapcsolódás után a főáramkapcsoló zár, a motor forgat.
Armatúra
Fogaskoszorú
Csúszóarmatúrás: Behúzótekercs Indítókapcsoló
Kapcsoló
Az armatúra a fogaskerékkel együtt tengelyirányban elmozdul. Az indítás két fázisa:
210
Kapcsoló „1” helyzetben: Segédgerjesztő tekercs kap áramot. Az armatúra lassú forgással elcsúszik, a fogaskerekek kapcsolódnak. Segédgerjesztő tekercs Főáramtekercs Akku 36
Kapcsoló a „2” helyzetbe kerül: A főáramtekercs is kap áramot – a motor erőteljesen forgat.
Elektromos gyújtóberendezések OTTÓ rendszerű motoroknál a kompresszió ütem végén a FHp előtt 10-300-al gyújtószikra gyújtja meg a keveréket. Az elektromos gyújtóberendezés feladata a gyújtószikra előállítása. Két megoldás ismeretes: - Akkumulátoros gyújtás - Mágneses gyújtás Akkumulátoros gyújtás: Az akkumulátor energiáját használja fel a gyújtószikra előállításához. Vázlata: 3
Elosztó
Gyújtás kapcsoló
4
-
Primer tekercs
+
1
Szekunder tekercs
Akku
1 Megszakító
Gyújtótekercs
2
K 2
3
4
Gyújtógyertyák
Működése: A 12 V feszültségű primer tekercs áramkörének megszakítása pillanatában a nagy menetszámú szekunder tekercsben 15 000-20 000 V feszültség keletkezik. Ezt a feszültséget a megfelelő gyertyához vezetve (gyújtáselosztó) szikra keletkezik. Fő szerkezeti részei: Gyújtótekercs: lemezelt vasmagból és az azt körülvevő 100-200 menetszámú ∅0,4-0,6 mm-es primer, valamint a 10 000-20 000 menetszámú ∅0,05-0,1 mm-es szekunder tekercsekből áll. A tekercseket kitöltő és szigetelőanyag, valamint a köpenylemez veszi körül. Megszakító: A primer áramkör megszakítását végzi. Kalapács
Rugó
x Bütyök Üllő
x : megszakító hézag; x = 0,3 – 0,5 mm ~ bütykös működtetésű kapcsoló, amely a primer áramkört a fordulatszám ütemében nyitja és zárja. - A bütykök száma megegyezik a hengerek számával.
A korszerű motorokban a primerkör megszakítására - a kopás miatt gyakori beállítást igénylő mechanikus megszakító helyett - tirisztort alkalmaznak, melynek vezérlése (nyitása-zárása) rövid ideig tartó áramimpulzussal történik.
37
Kondenzátor: A megszakítás pillanatában a primer tekercsben 300-400 V feszültség indukálódik, amely a megszakító érintkezőinek beégését okozná. Ezt a szikrázást csökkenti a kondenzátor. Általában papírszigetelésű tekercskondenzátorokat alkalmaznak. Elosztó: Gyújtáskábel Elosztófedél Elosztópipa Elosztóház
Több hengeres motoroknál a magasfeszültségű gyújtófeszültséget a gyújtási sorrendnek megfelelően vezeti a gyújtógyertyákhoz.
Gyújtógyertya: A szikra előállítását végzi az égéstérben. Csatlakozás Szigetelő test (porcelán)
Gyertyajellemzők: - szikraköz = 0,3 – 0,8 mm - csatlakozó menet /pl. M14 x 1,25; 4 ütemű motor/ - hőérték, hőértékszám; öntisztulási hőfok kb. 800 C0
Menetes rész
Újabban 3-4 testelektródával készítik a gyertyát: - biztonságos gyújtás, erőteljesebb szikra - kisebb testelektróda terhelés, hosszabb élettartam
Elektródák
Előgyújtásszabályzók: Az előgyújtásszög értéke a fordulatszámtól függ: - alacsony fordulatszámon kisebb, nagyobb fordulatszámon nagyobb előgyújtás szükséges. Az előgyújtásszabályzók az előgyújtási szög értékét automatikusan változtatják a fordulatszám függvényében. Lehetnek: - röpsúlyos-, vagy vákuumos gyújtásszabályzók Röpsúlyos~: Forgás hatására kitérő röpsúlyok elfordítják – a megszakítótengely forgásirányával megegyezően – a megszakítóbütyköt, így a gyújtás előbb következik be. Vákuumos~: Kondenzátor Üllő
Kalapács
Membrán Rugó
Megszakító bütyök
Szívótorokhoz Elforduló alaplemez
38
A szívócsőhöz kapcsolt membránlemez a megszakító bütyök forgásával ellentétesen fordítja el az alaplemezt a megszakítóval együtt. Izzítórendszer: Diesel motorok indításának megkönnyítésére használják. Hideg motornál előmelegíti az égésteret, ill. meggyújtja a beporlasztott gázolajat. Izzítógyertya: elektromos árammal hevíthető fűtőszál. Gyertyák sorba kapcsolva. - Korszerű kamrás motoroknál az izzítógyertya egy csőfűtőtestből áll. - Az izzóspirált elektromosan szigetelő porágyban helyezik el. - Az akkumulátor kíméléséhez rövid előizzítás idejű R-gyertyákat alkalmaznak. - Izzítóteljesítmény: 100-120 W. - Az izzítási folyamatot általában automata vezérli.
Csatlakozó csavar
Gyertyatest Izzóspirál UR=1,7 V
Elektromos világító és jelzőberendezések Közlekedésrendészeti előírások szerint: - 2 db tompított fényű fényszóró (biluxégőkkel), - helyzetjelző lámpa, féklámpa, rendszámtábla megvilágítás, - irányjelző lámpák, - elektromos kürt szükséges.
14. Erőátviteli berendezések Az erőátviteli berendezések feladata: a motor hajtásának (nyomatékának) módosítása és továbbítása a járószerkezethez, a hidraulikához és a teljesítményleadó tengelyhez. Erőátvitel részei:
M
T
S
T: tengelykapcsoló S: sebességváltó D: differenciálmű V: véglehajtás
D V
14.1 Tengelykapcsolók: Feladata: a hajtás módosítás nélküli továbbítása a motortól a sebességváltó felé Követelmény: - oldható legyen (forgás közben is → a motor függetlenítése az erőátviteltől indításkor, sebességváltáskor) - tegye lehetővé a sima indítást, gyors szétkapcsolást - védje az erőátvitel részeit a túlterheléstől - csillapítsa a torziós lengéseket 39
Tengelykapcsolók csoportosítása: - Mechanikus /súrlódásos/ ~: - Tárcsás; egytárcsás, kéttárcsás kettős működésű többtárcsás - Kúpos - Röpsúlyos, stb. - Hidraulikus /folyadékos/ ~ Tárcsás tengelykapcsolók Tengelyek összekapcsolása súrlódóbetéttel ellátott tárcsa (tárcsák) segítségével. Elv: µ Fs DK Az F=F’ összeszorító erő hatására súrlódóerő ébred a súrlódótárcsa felületén: Fs=µ⋅F [N] F F’ Az átvihető nyomaték nagysága: Fs M=Fs⋅DK [Nm] A keletkező nyomaték hatására a két tengely együtt forog, F erő megszűnésekor a tengelyek külön válnak. Az F erőt a gyakorlatban rugóerő biztosítja. Egytárcsás tengelykapcsoló: Kapcsolótárcsa Nyomólap Kiemelőkar Nyomórugó
Kiemelő villa Összekötő rudazat
Pedál
A tengelykapcsoló pedál benyomásakor a nyomócsapágy a kiemelő karok segítségével eltávolítja a nyomólapot a kapcsolótárcsától, ezáltal megszűnik a rugók összeszorításából származó súrlódóerő – a hajtás megszűnik
Nyomócsapágy Lendítőkerék
A kapcsolótárcsa bordázott agyú acéltárcsa, amelynek mindkét oldalára súrlódó betétet szegecselnek, vagy ragasztanak. A kiemelő karok végei és a H nyomócsapágy homlokfelülete között bizonyos hézagot kell hagyni a tökéletes kapcsolás és a nyomócsapágy kímélése miatt. Ez a hézag a lábpedálnál holtjáték formájában jelentkezik. Az adott értéket be kell állítani. Z= 2-3 mm; H=20-50 mm. Z Súrlódóbetétek kopása csökkenti a holtjátékot! 40
14.2. Sebességváltó művek Feladata: az erőgép haladási sebességének és vonóerejének változtatása az üzemi követelményeknek (körülményeknek) megfelelően. Biztosítani kell: - a vonóerő és a sebesség változtatását, - a motor kedvező sebességének megválasztását, - a hátramenetet, - a motor és a hajtott kerekek közötti kapcsolat tartós megszüntetését („üres”). Általában fogaskerekes sebességváltókat alkalmaznak – áttételekből állnak. Fogaskerekes hajtás elve: P1 M1
z1: hajtó fogaskerék fogszáma z2: hajtott fogaskerék fogszáma M1: bemenő tengely nyomatéka M2: kimenő tengely nyomatéka P1: bemenő teljesítmény P2: kimenő teljesítmény
z1
n1
P2 M2
z2
n2
Hajtásáttétel:
i=
z2 n1 = ; z1 n2
P1 =
M 1 ⋅ n1 ; 160
Mivel P1≈P2 ; M1 ⋅ n1 = M2 ⋅ n2
P2 =
i=
M 2 ⋅ n2 ; [ kW ] 160
n1 M 2 = n2 M1
A nyomaték a fordulatszámmal fordítottan arányos. Ezért: fordulatszám csökkentés = nyomatéknövelés Ha több áttétel van: P2 < P1 Az áttételek mechanikai hatásfoka: η me ch = Több áttétel esetén az eredő áttétel:
iö = i1 ⋅ i2……..in
Erőgépeken alkalmazott sebességváltók: - Egylépcsős - Előtéttengelyes - Szorzórendszerű - Többtengelyes
41
P2 P1
Egylépcsős sebességváltók: Elvi felépítése: 1
2
z1
Bordástengely z2 1. i = z1
3 z5
z3
z4 z3 z i= 6 nki 3. z5
2. i =
nbe
z2
z6
z4
Általában két tengelyesek Előnyük: - minden fokozatban jó a hatásfok - egyszerű szerkezet Hátrány: - nagy méret és súly - fokozatok száma kevés
Előtéttengelyes sebességváltó: Gyakori megoldás, általában 3 tengellyel oldható meg. 1 4 3 2 Előnye: z5 z7 z3 nbe z1 - minden fokozat két áttételből áll (kisebb méretű fogaskerekek kellenek) - ugyanakkora helyen több fokozat fér el nki Hátrány: - rosszabb hatásfok z6 z8 z2 z4 Fokozatok: 1. 3.
Előtéttengely
z z z i1 = i Á ⋅ 7 = 2 ⋅ 7 ; z 8 z1 z 8 z z z i3 = i Á ⋅ 3 = 2 ⋅ 3 ; z 4 z1 z 4
z5 z2 z5 = ⋅ z6 z1 z6
2.
i2 = iÁ ⋅
4.
i4 = 1 → nbe = nki direkt fokozat
;
Hátramenet biztosítása: Hátrameneti fogaskerék közbeiktatásával – forgásirányt változtatja meg Előre
H
Hátra
nki Hátrameneti fogaskerék
nbe
42
Szorzó rendszerű sebességváltó Erőgépeken a leggyakrabban alkalmazott megoldás nbe
nki
3
2
1O
T
Előnye: - sok kapcsolható fokozat (lassúbb és gyorsabb sebességtartomány) Szorzóváltó – Terepváltó Sebességváltó után még két fokozat (a sebességfokozatok számát megkétszerezi) Gömbcsuklós mozgatószerkezet:
Kapcsolható fokozatok száma: 3 x 2 = 6
Fogaskerekek kapcsolása:
Kapcsolókar
Bordás tengelyen való elcsúsztatással: - gömbcsuklós - kulisszás - forgatókaros szerkezetekkel
Retesz Kapcsolóvilla
Tolórúd Fogaskeréktöm
Szinkronváltók: Különböző fordulatszámú /álló és forgó/ fogaskerekek összekapcsolása nehéz – fogak nehezen kapcsolódnak össze. Tolóvilla Futó fogaskerék
Szinkrongyűrű
Biztosító rugó
nbe nki
Hajtott fogaskerék
43
A szinkronizált sebességváltóknál először kúpos súrlódó felületek segítségével azonos kerületi sebességre (szinkron fordulatra) hozzuk a két összekapcsolandó fogaskereket – utána összekapcsolhatók. Zaj nélküli, kíméletes kapcsolást biztosít.
Fokozat nélküli sebességváltók A kívánt fordulatszám /bizonyos tartományban/ fokozat nélkül beállítható. Ékszíj variátoros nbe
nki r2
r1
i1 =
r4
r3
- mg. munkagépeken alkalmazzák - Az ékszíj felfekvési sugara megváltozik /tárcsafelek közelítésével, távolításával/ így változik az áttétel is.
r2 r1
i2 =
r4 r3
i1 > i 2
Automatikus sebességváltó
1
Három fő részből áll: 1- Hidrodinamikus nyomatékváltóból 2- Bolygóműves hajtóműből 3- Hidraulikus vezérlésből
2 3
A nyomatékváltó induláskor 2-2,5 szeresére növeli a motor nyomatékát, ha a fordulatszám arány /turbina/szivattyú/ 0,86-ra nő tengelykapcsolóként működik. Az áttétel módosítása a bolygómű részeinek lemezes tengelykapcsolóval, vagy szalagfékkel történő rögzítésével, lefékezésével ill. összekapcsolásával történik. A hidraulika vezérlés a fordulatszám, a nyomaték vagy a vezérlővákuum függvényében végzi az egyes elemek kapcsolását, rögzítését ill. fékezését. Hidrosztatikus hajtás A folyadék /olaj/ nyomása viszi át a munkát /pl. kombájnok járószerkezetének hajtása/.
V M
Sz
HM
Szü
M: belsőégésű motor Sz: szivattyú Szü: szűrő V: vezérmű /fojtószelep/ HM: hidromotor T: olajtartály
T A hidromotor fordulatszáma /nyomatéka/ a szállított olaj mennyiségétől és nyomásától függ. 44
