Электрооборудование автомобилей Учебник для ВУЗов. Страница 1



С.В. Акимов, Ю.П. Чижков Электрооборудование автомобилей Учебник для ВУЗов Рекомендоввно Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Электрооборудоввние автомобилей и трвкторов» Рецензенты: профессор, д.т.н. А.К. Старостин, профессор, к.т.н. П.А. Тыричев Редакторы: М.И. Бирюков, Е.В. Певзнер УДК 629.113.004.58 ББК 39.808 А39
Учебник Акимов Сергей Валентинович, Чижков Юрий Павлович ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ Учебник для ВУЗов Обложка художника Т.В, Соколовой Верстка С.В. Гудковой, А.А. Савина Технический редактор Л.В, Рассказова Лицензия ЛР N2 071875 от 26.05.99 Подписано в печать с готовых диапозитивов ЗАО «КЖИ «За рулем» 26.01.04. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 22,32. Тираж 5 000 экз. Заказ 2362. Цена свободная. ЗАО <■ Книжно-журнальное издательство «За рулем» 107045, Москва, Селиверстов пер., 10, стр. 1. Отпечатано с готовых диапозитивов в типографии ОАО «Молодая гвардия», ООО «Платан», 103030, Москва, Сущевская ул., д. 21. Акимов С.В., Чижков Ю.П. А39 Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 384 с.: ил. ISBN 5-85907-274-0(3) В учебнике приведены сведения по устройству, принципам действия, техническим и регулировочным характеристикам, а также диагностике различных систем, устройств и приборов автомобильного электрического и электронного оборудования. Даны основные правила эксплуатации и обслуживания электрооборудования автомобилей. Для студентов ВУЗов. УДК 629.113.004.58 ББК 39.808 © С.В. Акимов, Ю.П. Чижков, 1999 © ЗАО «КЖИ «За рулем», 1999 ISBN 5-85907-274-0(3)
К читателю За последние годы в России парк находящихся в эксплуатации автомобилей сильно изменился и расширился. Появилось большое количество зарубежных автомобилей различных марок, в большинстве своем подержанных, имеющих определенную специфику системы электрооборудования, отличающуюся по устройству, принципу действия и особенностям обслуживания ее элементов. Отечественные производители в борьбе за конкурентоспособность своих изделий существенно модернизировали и расширили состав электрооборудования, особенно в части применения средств повышения комфорта в салоне автомобиля, а также изделий электроники. Электронные устройства управляют впрыском топлива, системой зажигания, осуществляют контроль за работоспособностью узлов и агрегатов автомобиля. На электромеханические устройства возложены функции блокировки дверей, стекпоподъема, поворота зеркал заднего вида и т. п. Практически сейчас нет ни одной системы автомобильного электрооборудования, где бы не использовалась электроника. Рост количества потребителей потребовал увеличения мощности электрогенераторов без существенного увеличения их массы и габаритов, что вызвало появление на автомобилях генераторов компактной конструкции. Напряжение генераторов стабилизируется регуляторами напряжения, построенными по новому схемному решению с использованием так называемой широтно-импульсной модуляции. Стартеры со встроенным редуктором и возбуждением от постоянных магнитов постепенно вытесняют стартеры традиционной конструкции. В светотехнике широко стали использоваться фары, в которых функции рассеивателя полностью или частично выполняет отражатель, фары с лампой дневного света, а также светодиоды в светосигнальных фонарях и т. п. Настоящая книга призвана ознакомить учащихся с принципом действия, устройством, правилами технического обслуживания и ремонта изделий автомобильного электрооборудования отечественного и зарубежного производства, а также облегчить им решение вопроса замены отказавших изделий, в том числе зарубежных на отечественные. Книга является учебником по дисциплине «Автотракторное электрооборудование», но ее содержание таково, что она будет полезна и специалистам, занимающимся эксплуатацией, техническим обслуживанием, ремонтом автомобильной техники, а также владельцам личных автомобилей. Главы 1, 2,4,5,7 и 8 написаны Ю. П. Чижковым; 3,6,9,10,11 - С. В. Акимовым. ГЛАВА 1 Общие требования к автомобильному электрооборудованию 1.1. Классификация электрооборудования автомобиля Электрооборудование автомобиля представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных электротехнических и электронных систем, приборов и устройств, обеспечивающих надежное функционирование двигателя, трансмиссии и ходовой части, безопасность движения, автоматизацию рабочих процессов автомобиля и комфортные условия для водителя и пассажиров. Автомобильное электрооборудование включает в себя следующие системы и устройства: электроснабжения; электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания; освещения, световой и звуковой сигнализации; электронные системы управления агрегатами автомобиля; информации и контроля технического состояния автомобиля и его агрегатов; электропривода; подавления радиопомех; коммутационные, защитные устройства и электропроводку. В систему электроснабжения входят генераторная установка и аккумуляторная батарея. К системе электростартерного пуска относят аккумуляторную батарею, электростартер, реле управления (дополнительные реле и реле блокировки) и электротехнические устройства для облегчения пуска двигателя. Система зажигания обеспечивает воспламенение рабочей смеси в цилиндрах бензинового двигателя искрой высокого напряжения, возникающей между электродами свечи зажигания. Помимо свечей, к системе зажигания относятся катушка зажигания, прерыватель-распределитель, датчик-распределитель, транзисторный коммутатор, добавочный резистор, высоковольтные провода, наконечники и т.д. Система освещения и световой сигнализации объединяет осветительные приборы (фары головного освещения), светосигнальные фонари (габаритные огни, указатели поворота, стоп-сигналы, фонари заднего хода и др.) и различные реле управления ими. Система информации и контроля включает в себя датчики и указатели давления, температуры, уровня топлива в баке, спидометр, тахометр, сигнальные (контрольные) лампы и пр. Электропривод (электродвигатели, моторедукторы, мотонасосы) находит все большее применение в системах стекло-очистки, отопления, вентиляции, предпускового подогрева двигателя, подъема и опускания антенны, блокировки дверей и в стеклоподъемниках. Используется разнообразная коммутационная и защитная аппаратура: выключатели, переключатели, реле различного назначения, контакторы, предохранители и блоки предохранителей, соединительные панели и разъемные соединения. Развитие электрооборудования автомобилей тесно связано с широким применением электроники и микропроцессоров, обеспечивающих автоматизацию и оптимизацию рабочих процессов, большую безопасность движения, снижение токсичности отработавших газов и улучшение условий работы водителей. Количество и мощность потребителей электроэнергии на автомобилях постоянно увеличиваются. Соответственно, возрастает мощность источников электрической энергии. На смену прежнему электрооборудованию приходят новые, более сложные по конструкции и схемным решениям электрические и электронные изделия и системы. От технического состояния электрооборудования во многом зависит эксплуатационная надежность и производительность автомобиля. 1.2. Условия эксплуатации электрооборудования. Основные технические требования Условия работы электрооборудования зависят от климатической зоны эксплуатации и места установки на автомобиле. Изделия электрооборудования выпускаются в климатических исполнениях У (для умеренного климата), ХЛ (для холодного климата), О (общеклиматическое исполнение), Т (тропическое исполнение). Исполнения типа У-ХЛ, У-Т и т.д. допускают возможность эксплуатации электрооборудования в разных климатических зонах. Изделия электрооборудования и автоэлектроники должны быть работоспособными при эксплуатации в условиях, характеризуемых параметрами, приведенными в табл. 1.1. Кроме того, электрооборудование автомобиля должно сохранять работоспособность после воздействия температуры -60°С для исполнения ХЛ и -45°С для исполнения У и Т при транспортировании и во время нерабочих периодов автомобиля. Электрооборудование должно выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, указанные в табл. 1.2. Допустимые значения превышения температуры электрических машин и аппаратов длительного режима работы при температуре окружающей среды +70°С приведены в табл. 1.3. Электрические машины должны выдерживать испытание на повышенную частоту вращения в режиме холостого хода в течение 20 с (электростартеры и другие электрические машины с продолжительностью работы менее 1 мин) и 2 мин (прочие электрические машины). Испытательная частота вращения должна быть на 20% выше максимальной частоты вращения, возможной в эксплуатации, и частоты вращения в режиме холостого хода для стартеров. Изделия электрооборудования могут быть рассчитаны на продолжительный номинальный режим работы S1, кратковременный номинальный режим работы S2 с длительностью периода неизменной номинальной нагрузки 5,10 и 30 мин и повторно-кратковременный номинальный режим продолжительностью включения 15, 25,40 и 60%. Температурные и атмосферные условия Климатическое исполнение Максимальная температура окружающей среды, °С: для изделий, устанавливаемых на двигателе и в моторном отсеке для изделий, устанавливаемых в кабине или снаружи: рабочие предельные Минимальная температура окружающей среды, °С: для изделий, устанавливаемых снаружи или в кабине, а также для изделий, которые должны работать до предпускового подогрева: рабочие предельные для изделий, устанавливаемых на двигателе и в моторном отсеке и включаемых только после предпускового подогрева Относительная влажность воздуха для всех изделий при температуре (40±2)°С, % Минимальное атмосферное давление для изделий, кПа (на высоте 4000 м над уровнем моря) ’ - температура для изделий выбирается из приведенного ряда и устанавливается в стандартах или технических условиях на изделия. ** - в скобках указаны температуры для изделий, разработанных до 09.01.88 г. Таблица 1.2. Допустимые вибрационные и ударные нагрузки для изделий автомобильного электрооборудования Наименование Частота вибрации, Максимальное Продолжи изделий нагрузки ускорение тельность испытаний периодических ТИПОВЫХ замедление) испытаниях испытаниях Изделия, уста Вибрационная навливаемые на двигателе Ударная 100 ударов Остальные Вибрационная изделия Ударная 1000 ударов Таблица 1.3. Допустимые тепловые нагрузки электрических машин и аппаратов длительного режима работы Наименование частей Допустимые превышения температуры, электрических машин и для классов изоляционных материалов аппаратов Обмотки генераторов и электродвигателей Коллекторы и контактные кольца Обмотки реле различного назначения Изделия электрооборудования должны быть совместимы между собой и внешней средой и сохранять работоспособность в условиях электромагнитного воздействия в соответствии с данными табл. 1.4 и 1.5. Изоляция обмоток и токоведущих деталей изделий электрооборудования относительно корпуса должна выдерживать без повреждений в течение 1 мин Таблица 1.4. Параметры импульсных напряжений в аномальных режимах (срабатывание предохранителей, пуск двигателя от посторонних источников, при отключении аккумуляторной батареи и т.п.) Номинальное напряжение, В Уровень напряжения (мгновенные значения), В, не более, при различной длительности 0,3 мкс 150*/—20 *- в числителе максимальные, а в знаменателе минимальные значения. Таблица 1.5. Параметры импульсных напряжений бортовой сети в нормальных режимах эксплуатации Номинальное напряжение, В Уровень напряжения (мгновенные значения), В, не более, при различной длительности 0,3 мкс * - в числителе максимальные, а в знаменателе минимальные значения. воздействие синусоидального переменного напряжения частотой 50 Гц, действующие значения которого указаны в табл. 1.6. Степень искрения (класс коммутации) по шкале ГОСТ 183-74 должна быть не более 1,5 для электрических машин продолжительного режима работы, не более 2 для электрических машин повторно-кратковременного перемежающегося и кратковременного режима работы (продолжительностью 5 мин и выше) и не более 3 для электрических машин кратковременного режима работы продолжительностью 3 мин и менее. Изделия автотракторного электрооборудования должны работать в однопроводной схеме, в которой с корпусом машины («массой») соединен отрицательный полюс системы. Допускается применение изделий, у которых от корпуса изолированы оба полюса. Электрооборудование должно быть защищено от проникновения посторонних тел, пыли, грязи, брызг воды, и при этом надежно и безотказно работать в течение требуемого срока службы. Защита от коррозии должна осуществляться лакокрасочными, гальваническими, химическими покрытиями или их сочетаниями. Надежность изделий электрооборудования характеризуется: для ремонтируемых или неремонтируемых изделий - гамма-процентной безотказностью и средней наработкой (в километрах пробега автомобиля, часах работы двигателя, числе включений) или интенсивностью отказов; только для ремонтируемых изделий дополнительным показателем долговечности - гамма-процентным ресурсом. Направления вращения валов изделий электрооборудования определяются следующим образом: для электрических машин с одним выходящим концом вала (стартер, электродвигатель, генератор, датчик спидометра) - со стороны приводного конца вала; Таблица 1.6. Электрическая стойкость изоляции Напряжение (действующее значение), В Наименование деталей изделий
1.    Обмотки электрических машин и аппаратов, токоведущие детали этих изделий, обмотки контрольно-измерительных приборов и их датчиков, токоведущие детали коммутационной аппаратуры, работающие е главных цепях или в цепях, содержащих индуктивность, элементы цепей низкого напряжения аппаратов зажигания, звуковых сигналов 22000
2.    Обмотки и токоведущие детали электродвигателей с электромагнитным возбуждением 3.    Токоведущие детали коммутационной аппаратуры (за исключением указанных в п. 1), установочных изделий, осветительных и светосигнальных приборов 4.    Токоведущие детали и элементы цепей высокого напряжения систем зажигания для распределителей зажигания - со стороны кулачка прерывателя; для электрических машин с двумя выходящими концами вала - специально указывается в технической документации на изделия. Для электрических машин и аппаратов зажигания предпочтительно применение вращения по часовой стрелке. Для снижения уровня радиопомех применяются следующие помехоподавляющие устройства: неэкранированные или экранированные наконечники искровых свечей зажигания; высоковольтные провода с распределенным сопротивлением; фильтры подавления радиопомех; помехоподавительные резисторы в роторах распределителей или в искровых свечах зажигания. 1.3.    Номинальные параметры Номинальные параметры изделий автомобильного электрооборудования (мощность, сила тока, напряжение и т.д.) устанавливаются при нормальных значениях климатических факторов внешней среды: температура окружающего воздуха (25±10)°С; атмосферное давление 630-800 мм рт. ст. Значение номинального напряжения потребителей электроэнергии принимается из ряда 6; 12; 24 В (определяется номинальным напряжением аккумуляторной батареи), а генераторов - 7; 14; 28 В. Номинальные значения параметров для источников и потребителей тока, работающих до начала движения автомобиля, устанавливают при номинальном напряжении. Номинальные значения параметров для потребителей тока, работающих только при движении автомобиля, устанавливают при напряжениях 6,7; 13,5 или 27 В. Потребители электроэнергии, работающие при движении автомобиля, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжении в диапазоне 90-125% от установленного для них номинального напряжения. 1.4.    Условные обозначения изделий электрооборудования Для изделий автотракторного электрооборудования используется цифровое обозначение вида 0000.0000, где первые два знака соответствуют порядковому номеру модели (первая модель - 11, вторая модель - 12 и т.д.), третий знак -модификации изделия, четвертый - исполнению (табл. 1.7), четыре знака после точки указывают на номер типовой подгруппы (табл. 1.8). Пример: 133.3701 - третья базовая модель, третья модификация базовой модели генератора. Цифровой код обозначения Исполнение Для холодного климата 0002.00СЮ Общеклиматическое исполнение Для умеренной климатической зоны Экспортное исполнение Тропическое исполнение Для изделий, предназначенных на экспорт в страны с холодным климатом Для изделий общеклиматического исполнения, предназначенных на экспорт Таблица 1.8. Обозначение некоторых типовых подгрупп изделий электрооборудования, применяемых на отечественных автомобилях Номер подгруппы Изделие Г енератор Реле-регулятор (регулятор напряжения) Аккумуляторная батарея Провода и свечи зажигания Стартер и выключатель стартера Переключатели Выключатели Подфарники и передние указатели поворотов Патроны ламп Плафоны внутреннего освещения Лампы (переносная и подкапотная) Задние фонари (сигнальные и осветительные) Фонари освещения номерного знака Выключатели сигнала торможения Звуковые сигналы Предохранители электрических цепей Соединители электропроводов (панели, штепсельные розетки и пр.) Электропровода Продолжение табл. 1.8. Номер подгруппы Изделие Указатели поворотов Магнето Электродвигатели Выключатели «массы» Свечи накаливания Электрооборудование пусковых подогревательных и отопительных устройств Реле различного назначения Преобразователи напряжения Спидометры Фонари контрольных ламп Щитки приборов Приемники указателей топлива Приемники указателей температуры Приемники указателей давления Приемники указателей давления масла Указатели тока Указатели напряжения Счетчики моточасов Датчики указателей уровня топлива Датчики указателей температуры Датчики указателей давления Датчики температуры блока цилиндров двигателя Приборы и средства сигнализации Сигнализаторы температуры Стеклоочистители Стеклоомыватели ГЛАВА 2 Аккумуляторные батареи 2.1. Назначение и условия эксплуатации Автомобильная аккумуляторная батарея предназначена для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности. Работая параллельно с генераторной установкой, батарея устраняет перегрузки генератора и возможные перенапряжения в системе электрооборудования в случае нарушения регулировки или при выходе из строя регулятора напряжения, сглаживает пульсации напряжения генератора, а также обеспечивает питание всех потребителей в случае отказа генератора и возможность дальнейшего движения автомобиля за счет резервной емкости. Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Сила тока стартерного режима разряда резко возрастает при эксплуатации автомобилей в зимний период (пуск холодного двигателя). Батарея на автомобиле входит в состав не только системы электростартерного пуска, но и других систем электрического и электронного оборудования. После разряда на пуск двигателя и питание других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Частое чередование режимов разряда и заряда (циклирование) - одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях. При большом разнообразии выпускаемых моделей автомобилей и климатических условий их эксплуатации, в массовом производстве батарей наряду с определением оптимальных экономических параметров должное внимание уделяется их унификации, повышению надежности и сроков службы. Надежность и срок службы аккумуляторных батарей находятся в прямой зависимости от технического уровня их конструкций и условий работы на автомобиле. Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда и сконструированы таким образом, чтобы развивать достаточную мощность в кратковременном стартерном режиме разряда при низких температурах. Однако на некоторых видах автомобилей, где установлено электро- и радиооборудование повышенного энергопотребления, аккумуляторные батареи могут подвергаться длительным разрядам токами большой силы. Батареи на таких автомобилях должны быть устойчивы к глубоким разрядам. Условия, в которых работает аккумуляторная батарея, зависят от типа, назначения, климатической зоны эксплуатации автомобиля, а также от места установки ее на автомобиле. Режимы работы аккумуляторной батареи на автомо- биле определяются температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством технического обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью разряда и заряда при циклировании, уровнем надежности и исправности электрооборудования, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации. Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей оказывают место размещения и способ крепления батарей на автомобиле, интенсивность и регулярность эксплуатации автомобиля (среднесуточный пробег), температурные условия эксплуатации (климатический район, время года и суток), назначение автомобиля, соответствие характеристик генераторной установки, аккумуляторной батареи и потребителей электроэнергии. 2.2. Требования к стартерным аккумуляторным батареям Особенности режима работы “на электростартер" выделяют автомобильные аккумуляторные батареи в особый класс стартерных батарей. Высокая электродвижущая сила и малое внутреннее сопротивление обусловили широкое применение на автомобилях стартерных свинцовых аккумуляторных батарей. Учитывая сложные условия работы, к автомобильным аккумуляторным батареям предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает их высокую эксплуатационную надежность. В перечне этих требований высокая механическая прочность, работоспособность в широком диапазоне температур и разрядных токов, малое внутреннее сопротивление, небольшие потери энергии при длительном бездействии (малый саморазряд), необходимая емкость при небольших габаритных размерах и массе, достаточный срок службы, малые затраты труда и средств на техническое обслуживание. Батареи должны иметь достаточный запас энергии для осуществления надежного пуска двигателя при низких температурах, для питания потребителей электроэнергии на автомобиле в случае выхода из строя генераторной установки, а также для других нужд, возникающих в аварийных ситуациях. Батареи обычной конструкции и с общей крышкой должны быть механически прочными при испытании в следующем режиме: ускорение, м/с2 ......................................147 (15д) длительность импульсов, мс (только в вертикальном направлении).......................2-15 общее число ударов, тыс....................................10 ориентировочное число ударов в минуту....................40-80 После испытаний батареи должны иметь нормированную продолжительность стартерного разряда, не должны иметь поврежденных деталей и следов электролита на своей поверхности. Необслуживаемые батареи и батареи с общей крышкой должны быть вибро-прочными при кратковременном испытании при ускорении 5д с частотой до 30 Гц. Вибрационная нагрузка в местах установки аккумуляторных батарей не должна превышать 1,5д (ускорение 14,7 м/с2) в диапазоне частот до 60 Гц. Допускается кратковременная вибрационная нагрузка 5д (ускорение 49 м/с2) с ориентировочной частотой до 30 Гц. Аккумуляторные батареи должны выдерживать испытание на герметичность на выводах и в стыках мвжду моноблоком и крышками при давлении, повышенном или пониженном на (20±1,33) кПа по сравнению с нормальным атмосферным. Герметизирующие материалы должны быть стойкими к воздействию температур в пределах от -40 до 160°С, а сварные швы - в пределах от -50 до 60°С. Полная герметичность аккумуляторных батарей с решетками электродов из свинцово-сурьмянистых сплавов невозможна вследствие выделения газов как во время работы, так и при хранении. Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи должны быть работоспособными при температуре окружающего воздуха от - 40 до 60°С (батареи обычной конструкции) и от -50 до 60°С (батареи с общей крышкой и необслуживаемые). Рабочая температура электролита не должна превышать 50°С. Следует обеспечить свободный доступ к аккумуляторной батарее для осмотра и технического обслуживания. Техническое обслуживание батареи должно быть минимальным по объему, не требовать от водителей и обслуживающего персонала высокой квалификации (специальной подготовки), использования сложного и дорогостоящего оборудования. Важное требование к стартерным аккумуляторным батареям - минимальное внутреннее сопротивление и внутреннее падение напряжения при больших токах разряда в стартерном режиме. Батареи должны выдерживать кратковременные разряды стартерными токами большой силы без разрушения пластин и ухудшения характеристик при дальнейшей эксплуатации. Срок службы стартерных аккумуляторных батарей должен быть близким или кратным срокам межремонтного пробега автомобиля. 2.3. Принцип работы свинцового аккумулятора Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде. Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью. В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬС>2 (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H2SO4). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РЬС>2 и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%. Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н* и отрицательные ионы кислотного остатка S042 . Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца РЬ2*. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ4* до двухвалентного свинца РЬ2*. Положительные ионы свинца РЬ2* соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SC>42-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец PbS04 (сульфат свинца). При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ2*. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ2* у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ4*. Через промежуточные реакции ионы РЬ4* соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РЬ02- Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением: разряд РЬ02 + 2H2S04 + РЬ ..... >» 2PbS04 + 2Н20. заряд Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора: 100(р3 -Р25) ДСР= Рз-Рр ’ где ДСр - степень разряженности аккумулятора, %; р3 и рр - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см2; р25 - измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см3. Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде - уменьшение (около 1 см3 на 1 А ч). На 1 А-ч электрической емкости расходуется: при разряде - свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде - воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г. 2.4. Устройство и конструктивные схемы батарей Различные типы стартерных аккумуляторных батарей имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего. По конструктивно - Рис. 2.1. Аккумуляторные батареи: а-в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; б, в, г-с межэлементными перемьнками через перегородки: 1    - опорные призмы моноблока; 2    - моноблок 3 - полублок отрицательных электродов; 4 - баретка; 5 - пробка; 6 - межэпементная перемычка; 1 - крышка; 8 - полюсный вывод; 9 - сепаратор; 10 - борн; 11 - мостик; 12 - полублок положительных электродов; 13 - перегородка моноблока: 14    - индикатор уровня электролита: 15    - положительный электрод: 16    - отрицательный электрод; 17    - выступ моноблока; 18 - ручка; 19-планка функциональному признаку выделяют батареи: обычной конструкции - в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые - с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации. Свинцовый аккумулятор, как обратимый химический источник тока, состоит из блока разноименных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Стартерная батарея в зависимости от требуемого напряжения содержит несколько последовательно соединенных аккумуляторов. В стартерных батареях собранные в полублоки 3 и 12 (рис 2.1) положительные 15 и отрицательные 16 электроды (пластины) аккумуляторов размещены в отдельных ячейках моноблока (корпуса) 2. Разнополярные электроды в блоках разделены сепараторами 9.
Батареи обычной конструкции выполнены в моноблоке с ячеечными крышками 7. Заливочные отверстия в крышках закрыты пробками 5. Межэ-лементные перемычки 6 расположены над крышками. В качестве токоотво-дов предусмотрены полюсные выводы 8. Кроме того, в батарее может быть размещен предохранительный щиток. В конструкции батареи предусматривают и дополнительные крепежные детали. Ц„. L..1 Х_ !-Г— -Т-Г 1 I 1
Электроды Электроды в виде пластин намазно-го типа имеют решетки, ячейки которых заполнены активными веществами. В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода - серый цвет.
Решетки электродов выполняют функции подвода тока к активному веществу и механического удержания активного вещества. Решетки электродов имеют рамку 2 (рис 2.2), вертикальные ребра и горизонтальные жилки 4, ушки 1 и по две опорные ножки 3 (кроме решеток отрицательных электродов необслуживаемых батарей). Ребра могут быть и наклонными. Профиль ребер и жилок обеспечивает легкое извлечение решетки из литейной формы. Горизонтальные жилки по толщине обычно меньше вертикальных ребер и располагаются в шахматном порядке. Рамка, как правило, намного массивнее жилок. Рис. 2.2. Решетки аккумуляторных электродов: а, б - соответственно отрицательных и положительных электродов необслуживаемых батарей; в, г - соответственно отрицательных и положительных электродов традиционных батарей; /1 - с металлической освинцованной сеткой; 1 - ушко; 2 - рамка; 3 - ножки; 4 - вертикальные ребра и горизонтальные жилки
Освинцованная сетка металлической решетки с увеличенной поверхностью (рис. 2.2, д) имеет лучшее сцепление с активным веществом электрода, уменьшая действие коррозии и увеличивая срок службы батареи. Решетка электрода должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому имеет форму, близкую к квадратной. Толщина решеток электродов выбирается в зависимости от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи. Решетки отрицательных электродов имеют меньшую толщину, так как они в меньшей степени подвержены деформации и коррозии. Масса решетки составляет до 50% массы электрода. Решетки электродов изготавливают методом литья из сплава свинца и сурьмы с содержанием сурьмы от 4 до 5% и добавлением мышьяка (0,1-0,2%). Сурьма увеличивает стойкость решетки против коррозии, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при отливке решеток, снижает окисление решеток при хранении. Добавка мышьяка снижает коррозию решеток. Однако сурьма оказывает каталитическое воздействие на электролиз воды, содержащейся в электролите, снижая потенциалы разложения воды на водород и кислород до рабочих напряжений генераторной установки. Наличие сурьмы в решетках положительных пластин приводит в процессе эксплуатации батареи к переносу части сурьмы на поверхность активной массы отрицательных пластин и в электролит, что сказывается на повышении потенциала отрицательной пластины и понижении электродвижущей силы (ЭДС) в процессе эксплуатации. При постоянном напряжении генератора понижение ЭДС батареи приводит к повышению зарядного тока, расходу воды и обильному газовыделению. Для снижения интенсивности газообразования решетки электродов для необслуживаемых аккумуляторных батарей изготавливают из свинцово-кальциево-оловянистых или малосурьмянистых (до 2,5% сурьмы) сплавов. Содержание 0,05-0,09% кальция, 0,5-1% олова, а также добавление 1,5% кадмия обеспечивают повышение напряжения начала газовыделения до 2,45 Вив 15-17 раз снижает потерю воды от электролиза. Это позволяет контролировать и корректировать уровень электролита в необслуживаемой батарее не чаще одного раза в год. Отсутствие выделений взрывоопасных смесей водорода и кислорода облегчает задачу утепления и обогрева батарей. Ячейки решеток электродов заполнены пористым активным веществом (пастой). Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты. С целью увеличения прочности активного вещества в пасту для положительных электродов добавляют полипропиленовое волокно. Уплотнение активного вещества отрицательных электродов в процессе эксплуатации предотвращается благодаря добавлению в пасту расширителей (сажа, дубитель БНФ, гумматы, получаемые из торфа и т.д.) в смеси с сернокислым барием. Тестообразную пасту вмазывают в решетки электродов. После намазки, прессования и сушки электроды подвергают электрохимической обработке (формированию). Пористая структура активного вещества после формирования электродов обеспечивает лучшее проникновение электролита в глубинные слои и повышает коэффициент использования активных материалов. Активная поверхность пористого вещества (поверхность, непосредственно контактирующая с электролитом) в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода. Рис. 2.3. Крепление блока электродов к баретке с помощью полиуретана: 7 - баретка; 2 - полиуретан; 3 - блок электродов
Отрицательные и положительные электроды с помощью бареток соединяют в полублоки. Баретки имеют мостики, к которым своими ушками привариваются решетки электродов и выводные штыри (борны). Борны являются токоотводами полублоков пластин. Мостики обеспечивают необходимый зазор между электродами. Число параллельно соединенных электродов в полу-блоках увеличивается с возрастанием номинальной емкости аккумулятора. Полублоки объединены в блоки электродов. В зависимости от предъявляемых к батарее требований соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов может быть различным, однако число разнополярных электродов отличается не более чем на единицу. Число отрицательных электродов в блоках на один больше, чем положительных. В токообразующих реакциях участвует относительно большее количество активного вещества положительных электродов. Находясь между двумя отрицательными электродами, положительный электрод при заряде и разряде меньше деформируется. При таком счете пластин положительные электроды, как правило, на 10-20% толще отрицательных, а крайние отрицательные электроды имеют толщину на 40% меньше положительных. В некоторых батареях количество разнополярных электродов одинаково или больше числа положительных электродов. В этих случаях электроды имеют одинаковую толщину. Электродный блок с большим числом положительных пластин имеет меньшую материалоемкость. В некоторых конструкциях батарей блок электродов (рис. 2.3) дополнительно крепится к баретке 1 с помощью полиуретана 2, что значительно повышает стойкость батареи к вибрации. Сепараторы Электроды в блоках разделены сепараторами. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разнополярными электродами, обеспечивают необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита в междуэлект-родном пространстве и предотвращают возможность переноса электролита от одного электрода к другому. Кроме того, сепараторы фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации. Качество сепараторов оказывает существенное влияние на работу свинцового аккумулятора. От омического сопротивления сепараторов зависит внутреннее падение напряжения в батарее и уровень напряжения на выводах электростартера. Сепараторы замедляют оплывание активного вещества положительных электродов и скорость сульфатации отрицательных электродов, продлевая срок службы батареи. Сепараторы должны обладать высокой пористостью, достаточной механической прочностью, кислотостойкостью, эластичностью, минимальной гигроскопичностью при длительном хранении батареи в сухозаряженном состоянии и сохранять свои свойства в широком диапазоне температур. Электросопротивление сепаратора, пропитанного электролитом, должно быть минимальным по отношению к сопротивлению такого же по объему и геометрическим размерам слоя электролита. Для массовых автомобильных батарей важна также дешевизна и доступность сырья, простота изготовления. В свинцовых аккумуляторах применяют сепараторы из мипора, мипласта, по-ровинила, пластипора и винипора (табл. 2.1). В стартерных свинцовых аккумуляторных батареях устанавливают сепараторы из мипора и мипласта. Мипор (микропористый эбонит) получают в результате вулканизации смеси натурального каучука с силикагелем и серой. К недостаткам сепараторов из мипора относятся хрупкость, малая скорость пропитки электролитом, дефицит- Таблица 2.1. Показатели сепараторов свинцовых аккумуляторов из разных материалов Показатель Мипор Мипласт Пластипор Поровинил Винипор Объемная пористость, % Максимальный диаметр пор, мкм Средний диаметр пор, мкм Относительное электросопротивление Коэффициент извилистости пор * Сопротивление разрыву, Н/см2 более 220 Эластичность Хрупкий Удовлетво Эластичен Весьма изгибе рительно эластичен ломается эластичен * - коэффициент извилистости пор показывает, во сколько раз средняя длина пор больше, чем толщина сепаратора. ность сырья и большая стоимость. Мипласт или микропористый полихлорвинил изготовляют из полихлор-виниловой смолы путем спекания. Рис. 2.4. Сепараторы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей: а-из мипора; 6-из мипласта; в - полиэтиленовый
Технологический процесс изготовления сепараторов из мипласта проще, сырье менее дефицитно. Мипласт быстро пропитывается электролитом, обладает низким относительным электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Имея меньшую пористость и больший диаметр пор по сравнению с мипором, мипласт менее стоек к образованию токопроводящих мостиков между электродами. Срок службы аккумуляторных батарей с сепараторами из мипласта меньше. Рис. 2.5. Сепаратор-конверт: а - размещение электрода в сепараторе-конверте; б - сечение сепаратора-конверта с электродом; 1 - положительный электрод; 2 - сепаратор; 3 - ребра сепаратора; Т - расстояние между ребрами сепаратора
Сепараторы из мипора и мипласта не должны иметь влажность более 2%, а также сквозных микроотверстий, которые можно обнаружить при просвечивании электрической лампой мощностью 100 Вт, расположенной на расстоянии 100 мм от сепаратора. Механическую прочность сепаратора оценивают по сопротивлению на разрыв, по способности выдерживать изгиб вокруг валика диаметром 60 мм (сепараторы из мипора) и диаметром 45-60 мм (сепараторы из мипласта). Сепараторы из мипора и мипласта представляют собой тонкие (1-2 мм) прямоугольные пластины с трапецие-дальными, круглыми или овальными вертикальными выступами (рис. 2.4), которые обращены к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Небольшие ребра высотой 0,15-0,2 мм со стороны, обращенной к отрицательному электроду, сни- _ жают вероятность «прорастания» сепаратора, улучшают условия диффузии и конвекции электролита около отрицательного электрода. Размеры сепараторов из мипора и мипласта на 3-5 мм по ширине и на 9-10 мм по высоте больше, чем у электродов. Это исключает появление токопроводящих мостиков по торцам пластин и сепараторов. В необслуживаемых батареях применяют пленочные сепараторы и сепараторы-конверты (рис. 2.5), образуемые двумя сваренными с трех сторон пластиковыми сепараторами. Рис, 2.6. Схемы расположения электродов в аккумуляторных батареях: а - обычных; 6 - необслуживаемых; 1 - блок электродов; 2 - вывод; 3 - пробка; 4 - уровень электролита; 5 - призмы моноблока; b - высота слоя электролита над пластинами в ячейках моноблока
При установке в сепаратор-конверт одного из аккумуляторных электродов, например, отрицательного, замыкание электродов разноименной полярности шламом исключается. Это позволяет устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и шламового пространства. При сохранении высоты батареи можно более чем в 2 раза увеличить высоту h (рис 2.6) слоя электролита над электродами в ячейках моноблока и, следовательно, ту часть объема электролита, которая может быть израсходована в период эксплуатации между очередными добавками дистиллированной воды. При исправном электрооборудовании и отсутствии нарушений в эксплуатации необходимость в добавлении воды в батарею может возникнуть не чаще 1 раза в 12 года. Моноблоки. Крышки. Пробки Моноблоки стартерных аккумуляторных батарей изготавливают из эбонита или другой пластмассы. Тяжелые и хрупкие моноблоки из эбонита в настоящее время заменяются моноблоками из термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Высокая прочность полипропилена позволила уменьшить толщину стенок до Рис. 2.7. Моноблок батареи обычной конструкции с ячеечными крышками: 1- опорные призмы; 2 - перегородка; 3 - выступы-пилястры; 4 - моноблок
1,5-2,5 мм и тем самым уменьшить массу моноблока и батареи. Тонкие стенки моноблока из полипропилена делают более жесткими за счет рационального выбора конструктивных форм моноблоков. Достаточная прозрачность полипропилена упрощает контроль уровня электролита в батарее. Внутри моноблок разделен прочными непроницаемыми перегородками 2 (рис. 2.7) на отдельные ячейки по числу аккумуляторов в батарее. В ячейках моноблока размещают собранные в блоки электроды и сепараторы. В батареях с обычными сепараторами на дне каждой ячеики предусмотрены четыре призмы 1, образующие пространство для шлама (активных веществ электродов, осыпающихся при работе батареи на дно ячеек). На опорные призмы своими ножками устанавливают электроды (разноименные электроды на свои две призмы), что исключает их короткое замыкание шламом. На перегородках моноблока предусмотрены вертикальные выступы (пилястры) 3 для лучшей циркуляции электролита у электродов, прилегающих к перегородкам. При использовании эбонита для изготовления моноблока, крышки и других корпусных деталей, масса их достигает 15-18% от полной массы аккумуляторной батареи. Кроме того, эбонит отличается повышенной хрупкостью при низких (отрицательных) температурах. Достаточная механическая прочность моноблока из эбонита достигается лишь при толщине стенок до 9-12 мм. Соответственно, при большой толщине стенок масса эбонитового моноблока доходит до 5-12 кг. Рис. 2.8. Крышки для отдельной аккумуляторной ячейки моноблока: 1 - отверстие для вывода борна; 2 - свинцовая втулка; 3 - отверстие для заполнения ячейки моноблока электролитом (заливочная горловина), 4 - вентиляционное отверстие
Рис. 2.9. Соединение общей крышки с моноблоком ттодом контактно-тепловой сварки: а - установка крышки на батарею; б - контактный разогрев свариваемых поверхностей; в - вид готового сварного соединения; 1 - моноблок; 2 - разогреваемая для сварки часть моноблока; 3 - разогреваемая для сварки часть крышки; 4 - общая крышка; 5 - электродный блок; 6 - разогретый электрод; 7 - место сварки
Применение морозоустойчивого полипропилена (сополимера пропилена с этиленом), дало возможность при сохранении достаточной механической прочности при отрицательных температурах существенно уменьшить массу моноблока (более чем в 5 раз). Толщина стенок моноблоков из пластмасс уменьшилась до 1,5-3,5 мм. В каждом аккумуляторе батареи, кроме необслуживаемых, устанавливают перфорированные предохранительные щитки из эбонита или пластмассы. Они предохраняют верхние кромки пластин и сепараторов от повреждений при измерении плотности, температуры и уровня электролита. Крышки из эбонита или пластмассы различного конструктивного исполнения могут закрывать отдельные аккумуляторные ячейки (рис. 2.8). Наиболее распространена конструкция крышки с двумя крайними отверстиями для вывода борнов блоков электродов и одним средним резьбовым отверстием для заливки электролита в аккумуляторные ячейки и контроля его уровня. В крайние отверстия отдельных крышек запрессованы свинцовые втулки. В местах стыка отдельных крышек со стенками моноблока эбонитовые аккумуляторные батареи герметизируются битумной мастикой. Мастика должна быть химически стойкой и эластичной, иметь низкую температуру плавления, при температурах от -40 до 60'С не должна отставать от стенок моноблока и крышек, разрываться и трескаться. Общие крышки из пластмассы приваривают или приклеивают к моноблокам (рис 2.9). Контактно-тепловая сварка пластмассового моноблока и общей крышки обеспечивает надежную герметизацию во всем диапазоне температур окружающей среды, на который рассчитана эксплуатация аккумуляторной батареи. Такой способ соединения общей крышки с пластмассовым моноблоком применен в батарее 6СТ-190А для тяжелых грузовиков с дизелями. Заливочные отверстия в крышках унифицированы по группам с метрической резьбой М20, М24 и МЗО и закрываются пробками с вентиляционными отверсти- Рис. 2.10. Пробки аккумуляторных батарей: а, б, в -с резьбой; г - блок безрезьбовых пробок; 1 - корпус пробки; 2 - прилив вентиляционного отверстия; 3 - резиновая шайба; 4 - отражатель; 5 - конусный бортик; 6 - пластмассовый уплотнительный элемент; 7 - лепестковый отражатель; 8 - пластмассовая планка; 9 - безразьбовые пробки ями. Пробки изготавливают из эбонита, полиэтилена, полистирола или феноли-та. Пластмассовые пробки имеют меньшую массу и большую прочность. Чтобы предотвратить вытекание электролита, между уплотнительным бортиком корпуса пробки 1 (рис. 2.10) и заливной горловиной крышки устанавливают резиновую шайбу 3. Герметизация может обеспечиваться также конусным бортиком 5, плотно прилегающим к горловине отверстия в крышке. В новых пробках предусмотрен пластмассовый уплотнительный элемент 6, распложенный на бортике пробки. Пробки имеют встроенные отражатели 4 и 7, которые не позволяют электролиту выплескиваться через вентиляционные отверстия. В пробках новой конструкции отражатель 7 выполнен в виде лепестков. Для хранения в герметичном состоянии в сухозаряженных батареях над вентиляционным отверстием пластмассовой пробки предусмотрен глухой прилив 2. При вводе батареи в эксплуатацию прилив пробки срезается. Электролит через вентиляционное отверстие не должен выливаться при наклоне аккумуляторной батареи от нормального рабочего положения на угол 45°. Применение общей крышки (особенно из термопластичных материалов) предоставляет широкие возможности для механизации и автоматизации производства аккумуляторных батарей, а также для конструктивных усовершенствований, позволяющих облегчить обслуживание батареи в эксплуатации. Конструк- Рис. 2.11. Стадии пайки межэлементных перемычек и втулки крышки с выводным борном блока электродов: 1 - блок электродов; 2 - выводной борн; 3 - стенка моноблока; 4 - крышка; 5 - втулка крышки; 6 - межэлементная перемычка; 7 - шаблон для пайки межэлементной перемычки
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я