Tìm hiểu hệ thống khởi động ô tô: Cấu tạo và nguyên lý

Hệ thống khởi động ô tô là một trong những bộ phận quan trọng, đảm bảo động cơ hoạt động trơn tru mỗi khi bạn xoay chìa khóa hay nhấn nút khởi động. Đây là “trái tim” khởi đầu cho mọi hành trình, liên kết chặt chẽ giữa các bộ phận như bình ắc quy, mô tơ khởi động và hệ thống đánh lửa. Để hiểu rõ hơn về cách hệ thống này vận hành cũng như vai trò quan trọng của nó, hãy cùng HPcom Việt Nam khám phá chi tiết trong bài viết dưới đây!

Hệ thống khởi động ô tô là gì?

Hệ thống khởi động ô tô là một tổ hợp các bộ phận cơ khí và điện tử được thiết kế để khởi động động cơ đốt trong của xe. Nhiệm vụ chính của nó là biến năng lượng điện từ bình ắc quy thành năng lượng cơ học, giúp quay trục khuỷu (crankshaft) của động cơ để bắt đầu quá trình đốt cháy nhiên liệu. Hệ thống này thường bao gồm các thành phần chính như mô tơ khởi động (starter motor), bình ắc quy, công tắc khởi động (ignition switch) và các dây dẫn kết nối. 

Khi bạn xoay chìa khóa hoặc nhấn nút khởi động, hệ thống sẽ kích hoạt, đưa động cơ vào trạng thái hoạt động, từ đó xe có thể vận hành. Đây là một phần không thể thiếu, đảm bảo xe khởi động êm ái và hiệu quả trong mọi điều kiện.

>>> Xem thêm: Học nghề sửa chữa ô tô uy tín tại HPcom Việt Nam với đội ngũ giảng viên chuyên nghiệp, tận tâm. ĐĂNG KÝ NGAY!

Các loại máy khởi động

Máy khởi động thông thường

Loại máy khởi động này có bánh răng chủ động được gắn trực tiếp trên trục của lõi mô tơ, đồng bộ tốc độ quay với lõi. Thanh đẩy từ công tắc từ kết nối với cần dẫn động, tác động để bánh răng chủ động di chuyển và kết nối chắc chắn với vành răng. Đây là thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, thường thấy ở nhiều dòng xe phổ thông.

Máy khởi động giảm tốc

Trong hệ thống khởi động ô tô, máy khởi động giảm tốc nổi bật với việc sử dụng mô tơ quay ở tốc độ cao. Nhờ tích hợp bộ truyền giảm tốc, tốc độ quay của phần ứng mô tơ được điều chỉnh giảm, đồng thời tăng lực xoắn để khởi động động cơ mạnh mẽ hơn. Piston trong công tắc từ đóng vai trò đẩy bánh răng chủ động – vốn nằm cùng trục với piston – tiến tới khớp nối chính xác với vành răng, đảm bảo hiệu suất tối ưu ngay cả trong điều kiện tải nặng.

Máy khởi động bánh răng hành tinh

Điểm đặc trưng của máy khởi động bánh răng hành tinh nằm ở cơ chế truyền động hành tinh, giúp giảm tốc độ quay của lõi mô tơ một cách hiệu quả. Bánh răng dẫn động được kích hoạt thông qua cần dẫn động, tương tự như loại thông thường, để gắn kết với vành răng. Thiết kế này không chỉ tăng độ bền mà còn mang lại khả năng vận hành êm ái, phù hợp với các dòng xe đòi hỏi độ chính xác cao.

Máy khởi động PS

Máy khởi động PS sử dụng nam châm vĩnh cửu bố trí trong cuộn cảm, tạo ra từ trường mạnh mẽ và ổn định mà không cần đến nguồn điện bổ sung. Cơ chế đóng ngắt của loại này hoạt động tương tự như máy khởi động bánh răng hành tinh, nhưng được cải tiến để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu hao năng lượng. Với cấu trúc hiện đại, máy khởi động PS thường xuất hiện trên các dòng xe tiên tiến, mang lại độ tin cậy cao và khả năng khởi động nhanh chóng trong mọi tình huống.

Đặc tính khái quát hệ thống khởi động

Hệ thống khởi động ô tô hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, trong đó motor khởi động một chiều đóng vai trò trung tâm. Dưới đây là các đặc tính cơ bản liên quan đến motor khởi động:

Đặc tính của motor khởi động một chiều

Motor khởi động một chiều (DC motor) thường được sử dụng trong ô tô nhờ khả năng tạo momen xoắn lớn ngay khi khởi động và vận hành ổn định với nguồn điện từ bình ắc quy. Đặc tính của nó được thể hiện qua mối quan hệ giữa các thông số như tốc độ quay, momen xoắn, cường độ dòng điện và điện áp, quyết định hiệu suất khởi động động cơ.

Mối quan hệ giữa tốc độ – momen – cường độ dòng điện

– Tốc độ và momen: Trong motor khởi động, tốc độ quay (RPM) tỷ lệ nghịch với momen xoắn. Khi khởi động, motor cần momen cao để vượt qua lực cản ban đầu của động cơ, dẫn đến tốc độ quay thấp. Khi động cơ đã nổ, lực cản giảm, tốc độ quay tăng lên và momen giảm dần.

– Cường độ dòng điện: Dòng điện tỷ lệ thuận với momen xoắn. Khi bắt đầu, dòng điện đạt giá trị lớn (thường hàng trăm ampe) để tạo momen đủ mạnh. Khi tốc độ tăng, dòng điện giảm do lực phản điện động (EMF) trong motor tăng lên, cân bằng với điện áp nguồn.

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp

Dòng điện trong motor khởi động phụ thuộc trực tiếp vào điện áp cung cấp từ bình ắc quy và trở kháng của mạch. Theo định luật Ohm, khi điện áp tăng (trong giới hạn thiết kế), dòng điện tăng tương ứng, giúp motor sản sinh momen lớn hơn. Tuy nhiên, nếu điện áp giảm (do ắc quy yếu), dòng điện giảm, dẫn đến khả năng khởi động kém. Trong thực tế, motor khởi động thường hoạt động ở điện áp 12V hoặc 24V (tùy loại xe), và sự ổn định của điện áp đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hiệu quả khởi động.

>>> Tìm hiểu thêm:  Làm thế nào để trở thành thợ sửa chữa điện lạnh có kỹ năng?

Cấu tạo và chức năng của hệ thống khởi động ô tô

Hệ thống khởi động ô tô bao gồm 6 bộ phận chính: ắc quy, công tắc đánh lửa, rơ le khởi động, công tắc an toàn, động cơ khởi động và dây cáp pin. Mỗi thành phần sở hữu cấu tạo riêng biệt và đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo xe khởi động trơn tru. Dưới đây là chi tiết về từng bộ phận:

Ắc quy ô tô

Ắc quy là “nguồn sống” đầu tiên của hệ thống khởi động, chịu trách nhiệm lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa học để cung cấp điện cho toàn bộ quá trình khởi động. Thường được bố trí trong khoang động cơ, ắc quy chuyển hóa năng lượng dự trữ thành dòng điện phục vụ động cơ khởi động. Loại ắc quy phổ biến nhất hiện nay là ắc quy axit chì, sử dụng các tấm chì (Pb) ngâm trong dung dịch điện phân gồm nước (H2O) và axit sunfuric (H2SO4). Khi được sạc đầy, tỷ lệ dung dịch đạt khoảng 40% H2SO4 và 60% H2O.

Lưu ý khi sử dụng: 

– Ắc quy axit chì không lưu trữ điện trực tiếp mà tạo ra dòng điện thông qua phản ứng hóa học giữa tấm chì và dung dịch.

– Trong lúc sạc, khí hydro sinh ra rất dễ bắt lửa, đòi hỏi tài xế phải thận trọng để tránh nguy cơ cháy nổ, đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Công tắc đánh lửa

Công tắc đánh lửa là “bộ não” điều phối dòng điện từ ắc quy đến các mạch quan trọng trong hệ thống khởi động. Nó quyết định thời điểm và cách thức xe bắt đầu hoạt động. Hiện nay, công tắc đánh lửa có 5 chế độ vận hành:

1. Chế độ khóa: Các mạch điện ngắt hoàn toàn, vô lăng bị cố định, chìa khóa không thể rút ra.
2. Chế độ tắt: Không có dòng điện chạy qua, vô lăng xoay được nhưng chìa khóa vẫn bị giữ lại.
3. Chế độ phụ kiện: Chỉ cấp điện cho các thiết bị như radio, cửa sổ, không bao gồm hệ thống đánh lửa hay khởi động.
4. Chế độ chạy: Động cơ đã khởi động, dòng điện được phân bổ cho toàn bộ hệ thống, trừ mạch khởi động.
5. Chế độ khởi động: Cung cấp dòng điện vừa đủ để kích hoạt đánh lửa và khởi động xe, đồng thời ngắt điện khỏi các phụ kiện để đảm bảo an toàn.

Rơ le khởi động

Rơ le khởi động tuy nhỏ gọn nhưng không thể thiếu, đóng vai trò như một “cầu nối” điều khiển dòng điện lớn (hơn 250 ampe) bằng dòng điện nhỏ từ công tắc đánh lửa. Điều này cần thiết bởi động cơ khởi động đòi hỏi dòng điện mạnh mà công tắc đánh lửa không thể xử lý trực tiếp. Rơ le giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, giảm tải cho các bộ phận khác và đảm bảo quá trình khởi động diễn ra mượt mà.

Công tắc an toàn

Công tắc an toàn là “người gác cổng” bảo vệ hệ thống khởi động, ngăn xe khởi động khi chưa ở trạng thái an toàn – ví dụ, khi xe số tự động đang ở số tiến/lùi hoặc bàn đạp ly hợp của xe số sàn chưa được nhấn. Thiết bị này giúp tránh hiện tượng xe giật đột ngột, bảo vệ cả người lái và phương tiện khỏi những tình huống nguy hiểm.

Động cơ khởi động

Động cơ khởi động thường nằm phía sau vỏ động cơ hoặc tại điểm tiếp xúc giữa động cơ và hộp số, là “trái tim” biến đổi năng lượng điện thành cơ năng. Nó tạo ra momen xoắn để quay bánh đà, khởi động động cơ chính. Cấu trúc bao gồm:

– Cụm động cơ: Gồm cổ góp, phần ứng, bánh răng, chổi than và ly hợp quá tốc, đảm bảo truyền động hiệu quả.

– Bộ điện từ: Hoạt động như công tắc lớn, kết nối hoặc ngắt ắc quy với động cơ khởi động, tương tự rơ le nhưng mạnh mẽ hơn. 

Bộ phận này quyết định khả năng khởi động nhanh và bền bỉ của xe trong mọi điều kiện.

Dây cáp pin

Dây cáp pin, hay cáp ắc quy, là “đường cao tốc” dẫn dòng điện lớn (trên 250 ampe) từ ắc quy tới động cơ khởi động. Được làm từ dây đồng đa sợi với đường kính lớn, cáp pin đảm bảo truyền tải năng lượng ổn định.

Lưu ý bảo dưỡng: Tài xế cần thường xuyên kiểm tra vì cáp dễ bị ăn mòn hoặc gỉ sét do dòng điện cao và môi trường khắc nghiệt. Nếu phát hiện hư hỏng, nên thay mới ngay để tránh nguy cơ mất kết nối, ảnh hưởng đến hiệu suất khởi động và an toàn tổng thể.

Chi tiết các bộ truyền giảm tốc

Bộ truyền giảm tốc đóng vai trò chuyển lực quay từ motor tới bánh răng dẫn động trong hệ thống khởi động, đồng thời gia tăng momen xoắn bằng cách giảm tốc độ quay của motor. Cụ thể, nó làm chậm tốc độ motor xuống mức 1/3 đến 1/4 so với ban đầu, nhờ tích hợp một ly hợp khởi động bên trong. Thiết kế này không chỉ tối ưu hóa lực kéo mà còn đảm bảo hiệu suất vận hành ổn định.

Ly hợp khởi động

Ly hợp khởi động chịu trách nhiệm truyền chuyển động quay từ motor đến động cơ thông qua các bánh răng chủ động. Để bảo vệ máy khởi động khỏi tốc độ quay quá cao từ động cơ sau khi khởi động, ly hợp được thiết kế theo kiểu một chiều với các con lăn đặc biệt. Cơ chế này giúp ngắt kết nối kịp thời, tránh hư hỏng do quán tính ngược từ động cơ, đảm bảo tuổi thọ cho toàn bộ hệ thống.

Bánh răng khởi động chủ động và then xoắn

Bánh răng dẫn động khởi động cùng vành răng tạo thành cặp truyền lực quan trọng, đưa chuyển động quay từ máy khởi động đến động cơ một cách an toàn và chính xác. Các mép bánh răng được vát nghiêng để dễ dàng ăn khớp với nhau mà không gây kẹt. Then xoắn trong khi đó chuyển đổi lực quay vòng của motor thành lực đẩy để đưa bánh răng dẫn động vào vị trí kết nối với vành răng. Đồng thời, nó hỗ trợ cả quá trình gắn và ngắt kết nối giữa bánh răng dẫn động và vành răng, đảm bảo vận hành trơn tru.

Nguyên lý hoạt động

Công tắc từ: Bộ phận này đảm nhận hai nhiệm vụ chính: bật/tắt motor và điều khiển quá trình ăn khớp/ngắt kết nối giữa bánh răng dẫn động với vành răng. Hoạt động của công tắc từ trải qua ba giai đoạn:

1. Hút vào: Kéo piston để khởi động quá trình.
2. Giữ: Duy trì trạng thái vận hành ổn định.
3. Hồi vị: Đưa piston về vị trí ban đầu sau khi hoàn tất.

Công tắc từ là “đầu não” điều phối, đảm bảo mọi bước diễn ra nhịp nhàng.

Gợi ý sửa chữa

– Hở mạch cuộn hút: Nếu cuộn hút bị hỏng, piston không thể di chuyển, dẫn đến máy khởi động không hoạt động (không phát ra âm thanh từ công tắc từ).

– Hở mạch cuộn giữ: Khi cuộn giữ gặp sự cố, piston không được giữ cố định, có thể gây hiện tượng bật ra/vào liên tục, làm gián đoạn quá trình khởi động.

– Tiếp xúc kém ở công tắc chính: Nếu điểm tiếp xúc không tốt, dòng điện truyền tới cuộn cảm và phần ứng bị cản trở, khiến tốc độ quay của máy khởi động giảm đáng kể, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể.

>>> Cùng tìm hiểu: Lớp kỹ sư dạy sửa chữa máy tính Laptop

Nguyên lý hoạt động của hệ thống khởi động ô tô

Giai đoạn kéo (hút vào)

Khi người lái xoay chìa khóa đến vị trí “Start”, dòng điện từ ắc quy lập tức chảy vào cuộn giữ và cuộn kéo trong công tắc từ. Dòng điện này sau đó truyền từ cuộn kéo đến phần ứng qua cuộn cảm, khiến phần ứng quay chậm ở tốc độ ban đầu.

Lực điện từ sinh ra từ hai cuộn dây từ hóa các lõi cực, kéo piston của công tắc từ tiến vào lõi nam châm điện. Nhờ lực kéo này, bánh răng dẫn động được đẩy ra ngoài, ăn khớp với vành răng bánh đà. Đồng thời, đĩa tiếp xúc kích hoạt công tắc chính, khởi đầu quá trình vận hành mạnh mẽ hơn.

Gợi ý sửa chữa: Để đảm bảo điện áp ổn định cho công tắc từ, một số xe trang bị rơ le khởi động trung gian giữa khóa điện và công tắc từ, giúp tăng độ bền và hiệu quả.

Giai đoạn giữ

Khi công tắc chính đã bật, dòng điện qua cuộn kéo ngừng lại do hai đầu đạt trạng thái đẳng áp, trong khi cuộn cảm và phần ứng nhận trực tiếp nguồn điện từ ắc quy. Lúc này, phần ứng tăng tốc quay nhanh, truyền lực để khởi động động cơ. Piston được duy trì ở vị trí cố định chỉ nhờ lực từ của cuộn giữ, bởi cuộn kéo không còn tác dụng trong giai đoạn này. Cơ chế này đảm bảo quá trình khởi động diễn ra liên tục và ổn định.

Giai đoạn nhả hồi về

Khi chìa khóa chuyển từ vị trí “Start” sang “On”, dòng điện từ công tắc chính chạy qua cuộn giữ rồi đến cuộn kéo. Tuy nhiên, lực điện từ của hai cuộn triệt tiêu lẫn nhau, làm mất khả năng giữ piston. Lò xo hồi vị ngay lập tức kéo piston trở lại vị trí ban đầu, đồng thời ngắt công tắc chính. Kết quả là máy khởi động ngừng hoạt động, hoàn tất chu trình khởi động động cơ.

Cơ cấu ăn khớp của máy khởi động

Tổng quan

Cơ cấu ăn khớp/nhả trong máy khởi động đảm nhận hai vai trò chính: kết nối bánh răng dẫn động với vành răng bánh đà để truyền lực và ngắt kết nối khi quá trình khởi động hoàn tất. Đây là bộ phận quan trọng giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và an toàn.

Cơ cấu ăn khớp

Quá trình bắt đầu khi các mặt đầu của bánh răng dẫn động và vành răng tiếp xúc, được hỗ trợ bởi lực kéo từ công tắc từ và lực nén của lò xo dẫn động. Sau đó, công tắc chính kích hoạt, làm tăng tốc độ quay của phần ứng.

Một phần lực quay này được then xoắn chuyển đổi thành lực đẩy, đưa bánh răng dẫn động tiến tới khớp hoàn toàn với vành răng bánh đà. Sự kết hợp giữa lực hút của công tắc từ, lực quay từ phần ứng và lực đẩy từ then xoắn đảm bảo quá trình ăn khớp diễn ra chính xác. Để hỗ trợ việc này, các mép của bánh răng dẫn động và vành răng được thiết kế vát nghiêng, giúp chúng gắn kết mượt mà hơn.

Cơ cấu nhả khớp

Khi bánh răng dẫn động truyền lực quay cho vành răng, áp lực lớn xuất hiện trên bề mặt răng của cả hai. Sau khi động cơ khởi động, tốc độ quay của vành răng vượt trội hơn so với bánh răng dẫn động. Lúc này, vành răng trở thành nguồn lực quay ngược lại bánh răng dẫn động. Then xoắn tận dụng một phần lực quay này để tạo lực đẩy dọc trục, đẩy bánh răng dẫn động ra khỏi trạng thái ăn khớp với vành răng.

Cơ cấu ly hợp trong máy khởi động ngăn chặn lực quay từ vành răng truyền ngược lại bánh răng dẫn động, làm giảm áp lực giữa các bề mặt răng. Kết quả là bánh răng dẫn động dễ dàng tách khỏi vành răng. Khi lực hút của công tắc từ biến mất, lò xo hồi vị – vốn bị nén trước đó – bung ra, kéo bánh răng dẫn động trở về vị trí ban đầu, hoàn toàn ngắt kết nối với vành răng.

Cơ chế này không chỉ đảm bảo quá trình khởi động trơn tru mà còn bảo vệ máy khởi động khỏi hư hỏng do lực quay ngược, đồng thời tăng độ bền cho toàn hệ thống.

Hệ thống khởi động ô tô là yếu tố then chốt đảm bảo động cơ vận hành hiệu quả, mang đến trải nghiệm lái xe mượt mà. Hãy thường xuyên kiểm tra và chăm sóc hệ thống này để tránh những sự cố không mong muốn. Đừng quên theo dõi thêm các bài viết của HPcom Việt Nam để cập nhật kiến thức hữu ích! Mọi thông tin liên hệ, bạn vui lòng gọi điện trực tiếp đến số Hotline: 090 8858 875 – 098 574 52 16!