NGHIÊN CỨU KHAI THÁC HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 1NZFE TRÊN XE TOYOTA VIOS 2015

NGHIÊN CỨU KHAI THÁC HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG
ĐỘNG CƠ 1NZ-FE TRÊN XE TOYOTA VIOS 2015
Ths. Vũ Thành Trung, Khoa Ô tô
Tóm tắt: Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật điều khiển, hệ
thống khởi động trên các loại ô tô thế hệ mới càng hiện đại và tiện nghi. Tính phức tạp
về kết cấu cũng như hoạt động của hệ thống khởi động càng cao. Do đó việc bảo dưỡng,
sửa chữa hệ thống khởi động trên ô tô gặp nhiều khó khăn. Nội dung nghiên cứu này
bao gồm cấu tạo và nguyên lý hoạt động và kiểm tra hư hỏng của khởi động động cơ
1NZ-FE trên xe Toyota Vios. Kết quả nghiên cứu giúp cho việc bảo dưỡng sửa chữa hệ
thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios được thuận lợi hơn.
1. Tổng quan về hệ thống khởi động trên ô tô
1.1. Chức năng của hệ thống khởi động
Hệ thống khởi động đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống điện ôtô. Hệ thống
khởi động sử dụng năng lượng từ bình ắc quy và chuyển năng lượng này thành cơ năng
quay máy khởi động. Máy khởi động truyền cơ năng này cho bánh đà trên trục khuỷu
động cơ thông qua việc gài khớp. Chuyển động của bánh đà làm hỗn hợp khí - nhiên
liệu hoặc không khí được hút vào bên trong xylanh, được nén và đốt cháy để sinh công
làm quay động cơ. Máy khởi động sẽ ngừng hoạt động khi động cơ đã nổ.
Tốc độ vòng quay khởi động tối thiểu của động cơ xăng khoảng 50-100 vg/ph và
của động cơ diesel khoảng 100- 200 vg/ph..
1.2. Phân loại hệ thống khởi động
Hiện nay hệ thống khởi động thường sử dụng 3 loại máy khởi động (Hình 1), bao
gồm: loại giảm tốc (Loại R, loại RA), loại bánh răng đồng trục (loại G, loại GA), loại
bánh răng hành tinh (loại P).

Hình 1. Phân loại máy khởi động


1.2.1. Loại giảm tốc

Hình 2. Loại giảm tốc

Máy khởi động loại giảm tốc được
thể hiện trên Hình 2. Motor khởi
động bao gồm các thành phần được
chỉ rõ hình vẽ dưới. Đó là kiểu của
bộ khởi động có sự kết hợp, tốc độ
motor cao và sự điều chỉnh của bánh
răng giảm tốc. Toàn bộ motor nhỏ
hơn và nhẹ hơn motor khởi động
thông thường, nó vận hành ở tốc độ
cao hơn. Bánh răng giảm tốc
chuyển mô men xoắn tới bánh răng
chủ động ở 1/4 đến 1/3 tốc độ
motor.

Bánh răng chủ động quay nhanh hơn bánh răng trên bộ khởi động thông thường
và mô men xoắn lớn hơn rất nhiều (công suất khởi động). Bánh răng giảm tốc được
gắn trên một vài trục như bánh răng chủ động. Và khác với bộ khởi động thông
thường, công tắc từ đẩy trực tiếp bánh răng chủ động (không qua cần dẫn động) tới ăn
khớp với vòng răng bánh đà.
Đặc điểm: Động cơ điện nhỏ gọn với tốc độ cao được sử dụng để quay hộp số giảm
tốc, như vậy sẽ làm tăng momen khởi động.
Ứng dụng: Máy khởi động loại giảm tốc được sử dụng rộng rãi trên xe nhỏ gọn và
nhẹ.
1.2.2. Loại bánh răng đồng trục

Hình 3. Loại bánh răng đồng trục

Máy khởi động loại đồng
trục được thể hiện trên Hình 3.

Motor khởi động thông
thường bao gồm các thành
phần được chỉ rõ hình vẽ.
Bánh răng chủ động trên trục
của phần ứng động cơ và quay
cùng tốc độ. Một lõi hút trong
công tắc từ (solenoid) được
nối với nạng gài. Khi kích hoạt
nam châm điện thì nạng gài sẽ
đẩy bánh răng chủ động khớp
với vành răng bánh đà.


Khi động cơ bắt đầu khởi động khớp ly hợp một chiều ngắt nối bánh răng chủ động
ngăn cản mô men động cơ làm hỏng motor khởi động.
Đặc điểm: Công suất đầu ra của máy khởi động là 0.8, 0.9 hoặc 1KW. Trong hầu
hết các trường hợp, bộ khởi động cho motor cũ được thay thế bằng motor có bánh răng
giảm tốc.
Ứng dụng: Máy khởi động loại đồng trục được sử dụng chủ yếu trên xe nhỏ.
1.2.3. Loại bánh răng hành tinh
Máy khởi động loại bánh
răng hành tinh được thể hiện trên
Hình 4. Bánh răng hành tinh
cũng dùng để giảm tốc nhằm
tăng momen quay.
Trục rotor sẽ truyền lực qua
bánh răng hành tinh đến bánh
răng bendix.

Hình 4. Loại bánh răng hành tinh

Nhờ trọng lượng nhỏ momen
lớn, ít tiếng ồn nên máy khởi
động loại bánh răng hành tinh
được sử dụng ở nhiều loại xe nhỏ
đến trung bình.

1.3. Các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống khởi động trên ô tô
Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với hệ thống khởi động điện bao gồm:
-

-

Kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn làm việc ổn định với độ tin cậy cao.
Lực kéo tái sinh ra trên trục của máy khởi động phải đảm bảo đủ lớn, tốc độ
quay cũng phải phải đạt tới trị số nào đó để cho trục khuỷu của động cơ ôtô
quay nhất định.
Khi động cơ ôtô đã làm việc, phải cắt được khớp truyền động của hệ thống
khởi động ra khỏi trục khuỷu của động cơ ôtô.
Có thiết bị điều khiển từ xa khi thực hiện khởi động động cơ ôtô ( nút ấn hoặc
công tắc khởi động) thuận tiện cho người sử dụng.
Động cơ ôtô phải tự động làm việc được sau ít nhất hai lần khởỉ động, thời
gian khởi động kéo dài không quá 10s đối với động cơ xăng và không quá
15s đối với động cơ diesel, khoảng thời gian cách giữa hai lần khởi động liên
tiếp không quá 60s.


2. Cấu tạo, hoạt động hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios
2.1. Cấu tạo máy khởi động
Hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios sử dụng máy khởi động

loại bánh răng đồng trục. Kết cấu các chi tiết tháo rời của máy khởi động (Hình 5), bao
gồm: Cụm công tắc từ, vỏ máy khởi động, cần dẫn động, phanh hãm, ly hợp từ máy
khởi động, bộ giảm chấn, cụm rô to và cụm stato máy khởi động, cụm giá đỡ chối than
máy khởi động, khung đầu cổ góp.

Hình 5. Kết cấu các bộ phận tháo rời của máy khởi động động cơ 1NZ-FE


2.1.1. Cụm công tắc từ
Cụm công tắc từ hoạt động như một công tắc chính của dòng điện chạy tới mô tơ
và điều khiển bánh răng dẫn động khởi động (Hình 6). Cụm công tắc từ của máy khởi
động bao gồm: Công tắc chính, pít tông, lò xo hồi vị, trục pít tông, cuộn kéo, cuộn giữ,
lò xo dẫn động. Cuộn kéo được quấn bằng cuộn dây có đường kính lớn hơn cuộn giữ và
lực điện từ lớn hơn lực điện từ được tạo ra bởi cuộn giữ.

Hình 6. Cấu tạo cụm công tắc từ
2.1.2. Cần dẫn động
Cần dẫn động truyền chuyển động từ pít tông tới bánh răng dẫn động. Nhờ chuyển
động này mà bánh răng dẫn động được đưa vào ăn khớp và nhả khớp với vành răng
bánh đà.
2.1.3. Cụm rô to
Cụm rô to (cuộn dây phần ứng) dùng để tạo ra mô men làm quay bánh răng dẫn
động (Hình 7a).

a

b

Hình 7. Cụm rô to (phần ứng) và stato (vỏ) của máy khởi động
2.1.4. Cụm stato

Cụm stato tạo ra từ trường cần thiết để cho rô to hoạt động (Hình 7b). Cụm stato
cũng có chức năng như một vỏ bảo vệ các cuộn cảm, lõi cực và khép kín các đường sức
từ. Cuộn cảm được mắc nối tiếp với phần ứng (rô to).


2.1.5. Chổi than và giá đỡ chổi than

Hình 7. Cấu tạo chổi than và giá đỡ chổi than

Chổi than và giá đỡ chổi than
được lắp ráp như Hình 7. Có hai
chôi than dương và hai chổi than
âm. Chổi than được tỳ vào cổ góp
bởi các lò xo để cho dòng điện đi
từ cuộn dây tới phần ứng theo
một chiều nhất định. Chổi than
được làm từ hỗn hợp đồng –
graphit nên có tính dẫn điện và
chống mài mòn tốt.

2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota
Vios
Mạch điện hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE (Hình 8) bao gồm: ắc quy, cụm
máy khởi động, rơ le khởi động, rơ le cắt ACC, cụm công tắc khởi động của ly hợp, cụm
công tắc vị trí P/N của hộp số, diode khởi động, khóa điện, ECM, các giắc kết nối, các
cầu chì.
Nguyên lý hoạt động: Khi người lái bật khóa điện về nấc ST2 (Start) thì ECM có
nhiệm vụ điều khiển hoạt động của hệ thống khởi động. Nếu người lái đạp hết côn và
đưa tay số về vị trí N (kiểu số sàn) hoặc vị trí P (kiểu số tự động) thì cụm công tắc khởi
động của ly hợp và cụm công tắc vị trí P/N sẽ đóng. Khi đó:

-

-

-

Kiểu số sàn: Một dòng điện sẽ đi từ ắc quy qua khóa điện, qua nấc ST2, qua
vị trí STSW và STAR của ECM, qua công tắc khởi động ở ly hợp hoặc công
tắc vị trí P/N của hộp số, đi qua cuộn dây của rơ le khởi động, sau đó về mát.
Kiểu số tự động: Một dòng điện sẽ đi từ ắc quy qua khóa điện, qua nấc ST2,
qua vị trí STSW và STA của ECM, qua công tắc vị trí P/N của hộp số, đi qua
cuộn dây của rơ le khởi động, sau đó về mát.
Đồng thời ECM sẽ cắt nguồn điện từ ắc quy tới hệ thống điều hòa bằng rơ le
cắt ACC. Khi đó nguồn điện của ắc quy sẽ được tập trung cho hệ thống khởi
động.

Do đó, dòng điện từ ắc quy sẽ qua cầu chì 30A, qua rơ le khởi động, qua cuộn dây cụm
công tắc từ và về mát. Lúc đó công tắc từ đóng lại, dòng điện từ ắc quy sẽ được đi qua
công tắc từ đến động cơ điện một chiều của máy khởi động và về mát. Kết quả làm máy
khởi động quay.


Hình 8. Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE
2.3. Kiểm tra hư hỏng của hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE
2.3.1. Kiểm tra cụm khóa điện
Cụm khóa điện được kiểm tra hư hỏng bằng cách đo điện trở ở các chân (Hình
9). Giá trị tiêu chuẩn khi đo điện trở khóa điện được thể hiện trên Bảng 1.


Hình 9. Kiểm tra điện trở tại các chân của khóa điện

Bảng 1. Điện trở tiêu chuẩn của khóa điện
Điều kiện
Nối dụng cụ đo
Điều kiện kiểm tra
tiêu chuẩn
Giữa tất cả các điện cực
KHÓA
10 kΩ trở lên
2-4
ACC
Dưới 1 Ω
1-2-4
ON
Dưới 1 Ω
5-6
1-3-4
START
Dưới 1 Ω
5-6-7
2.3.2. Kiểm tra rơ le cắt ACC
Việc kiểm tra hư hỏng của rơ le cắt ACC được thực hiện bằng cách đo điện trở
tại các chân (Hình 10). Các giá trị tiêu chuẩn được trình bày ở Bảng 2.

Hình 10. Kiểm tra điện trở tại các chân của rơ le cắt ACC


Bảng 2. Điện trở tiêu chuẩn của rơ le cắt ACC
Nối
dụng cụ
Điều kiện kiểm tra

đo
Khi không cấp điện áp ắc quy
3-4
Khi cấp điện áp ắc quy vào cực 1 và 2
Khi cấp điện áp ắc quy vào cực 1 và 2
3-5
Khi không cấp điện áp ắc quy

Điện trở
Dưới 1Ω
10 kΩ trở lên
Dưới 1 Ω
10 kΩ trở lên

Nếu kết quả không như tiêu chuẩn, hãy thay thế rơle cắt ACC.
2.3.3. Kiểm tra máy khởi động
Để kiểm tra hư hỏng của máy khởi động cần kiểm tra các bộ phận: rô to máy
khởi động, cuộn cảm, chổi than, ly hợp máy khởi động, công tắc từ.
2.3.3.1. Kiểm tra rô to máy khởi động
Các bước kiểm tra rô to máy khởi động (Hình 11) bao gồm: quan sát; vệ sinh;
kiểm tra sự thông mạch/ cách điện của rô to; kiểm tra độ đảo hướng kính của cổ góp;
kiểm tra đường kính ngoài của cổ góp; kiểm tra độ sâu của rãnh.

Bước 1: Quan sát và vệ sinh

Bước 2: Kiểm tra cách điện cổ
góp và lõi rô to

Bước 3: Kiểm tra thông mạch
giữa các thanh dẫn điện của

cổ góp

Bước 4: Kiểm tra độ đảo
hướng kính của cổ góp

Bước 5: Kiểm tra đường kính
ngoài của cổ góp

Bước 6: Kiểm tra độ sâu của
rãnh

Hình 11. Các công việc kiểm tra rô to máy khởi động
2.3.3.2. Kiểm tra cuộn cảm
Công việc kiểm tra cuộn cảm (Hình 12) bao gồm: thông mạch giữa các dây dẫn
chổi than; cách điện giữa các dây dẫn chổi than.


Bước 1: Kiểm tra thông mạch

Bước 2: Kiểm tra cách điện

Hình 11. Các công việc kiểm tra cuộn cảm
trong đó: 1 – Dây chổi than dương, 2 - dây dẫn; 3 – chổi than; 4 – Cuộn cảm; 5 –
Thông mạch/cách điện; 6 – Dây chổi than âm; 7 – Phần cảm (Khung từ).
2.3.3.3. Kiểm tra chổi than
Chổi than được ép vào cổ góp nhờ lực của lò xo. Khi chổi than bị mòn quá giới
hạn, lực ép của lò xo bị giảm dẫn đến sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than không đạt
yêu cầu. Kết quả là dòng điện không chạy liên tục dẫn đến máy khởi động không hoạt
động được. Việc làm sạch và đo chiều dài chổi than được thể hiện trên Hình 12. Nếu
không đạt yêu cầu thì cần phải thai thế chổi than (Hình 13).

Hình 12. Đo chiều dài chổi than


Bước 1: Cắt dây dẫn chổi than ở vị trí nối với
phía phần cảm

Bước 2: Sửa lại hình dáng bề mặt hàn của phần
cảm bằng giũa hay giấy ráp

1 – Cắt; 2 – Dây dẫn chổi than; 3 – Phía phần
cảm

1 – Vùng sửa lại; 2 – Phía phần cảm; 3 - Giũa

Bước 3: Lắp chổi than mới và đĩa vào phần cảm
và ép lại

Bước 4: Hàn chổi than mới vào vùng gắn

1 – Chổi than; 2 - Đĩa

Hình 13. Các công việc thay chổi than
2.3.3.4. Kiểm tra cụm ly hợp máy khởi động
Quay ly hợp máy khởi động bằng tay và kiểm tra xem khớp một chiều có ở trạng
thái hãm hay không (Hình 14).

Hình 14. Kiểm tra khớp một chiều (1 – quay tự do; 2 – hãm)

2.3.3.5. Kiểm tra cụm công tắc từ
Công việc kiểm tra cụm công tắc từ (Hình 15) bao gồm: kiểm tra trạng thái hoạt động;
kiểm tra sự thông mạch cuộn kéo và kiểm tra sự thông mạch của cuộn giữ.

Bước 1: Kiểm tra sự hoạt động của công tắc từ

Bước 2: Kiểm tra sự thông mạch trong Bước 3: Kiểm tra sự thông mạch trong
cuộn giữ (giữa cực 50 và thân công tắc)
cuộn kéo (giữa cực 50 và cực C)
Hình 15. Các công việc kiểm tra công tắc từ
trong đó: 1 – Cực 50; 2 – Cực C; 3 – Cuộn kéo; 4 – Cuộn giữ; 5 – Thân công tắc; 6 Cực 30; 7 – Thông mạch.
2.3.3.6. Các thông số sửa chữa của máy khởi động
Thông số sửa chữa của máy khởi động động cơ 1NZ-FE (Bảng 3) được dùng
làm căn cứ để so sánh với các giá trị đo kiểm. Nếu giá trị đo kiểm vượt các ngưỡng
giới hạn thông số sửa chữa thì cần thay thế.
Bảng 3. Thông số sửa chữa máy khởi động động cơ 1NZ-FE
Nội dung kiểm tra
Điều kiện kiểm tra
Cụm máy khởi động Cường độ dòng điện tiêu chuẩn
Rơle máy khởi động

Điện trở tiêu chuẩn

3-5

Giá trị tiêu chuẩn
Từ 90 A trở xuống với điện áp 11.5 V
Dưới 1 Ω (Khi điện áp ắc quy được cấp
đến cực 1 và 2)
10 kΩ trở lên

Điện trở của cụm rôto Đầu cổ góp
máy khởi động
Cổ góp - Lõi rôto

Dưới 1 Ω
10 kΩ trở lên


Nội dung kiểm tra
Điều kiện kiểm tra
Độ đảo của cổ góp
Độ đảo lớn nhất
cụm rôto máy đề

Giá trị tiêu chuẩn
0.05 mm (0.0020 in.)

Đường kính cổ góp
của cụm rôto máy
khởi động

Đường kính tiêu chuẩn

28.0 mm (1.1024 in.)

Đường kính nhỏ nhất

27.0 mm (1.0630 in.)

Phần rãnh cắt của
cụm rôto máy khởi
động

Chiều sâu rãnh cắt tiêu chuẩn

0.6 mm (0.0236 in.)

Chiều sâu rãnh cắt nhỏ nhất

0.2 mm (0.0079 in.)

Điện trở của cụm
stato máy khởi động
Chiều dài chổi than
Điện trở cụm giá đỡ
chổi than máy khởi
động

Cực C - Dây dẫn chổi than stato

Dưới 1 Ω

Đầu chổi than - Càng máy khởi
động

10 kΩ trở lên

Chiều dài tiêu chuẩn

14 mm (0.5511 in.)

Chiều dài nhỏ nhất

9 mm (0.3543 in.)

Điện trở tiêu chuẩn

10 kΩ trở lên

Cực C - Cực 50
Điện trở cụm công
tắc từ máy khởi động Cực 50 - Cụm công tắc từ máy
khởi động

Dưới 1 Ω
Dưới 2 Ω

3. Kết luận
Nội dung nghiên cứu đã phân tích được cấu tạo và hoạt động của hệ thống khởi
động động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios 2015, bao gồm: cấu tạo của máy khởi động
loại đồng trục (rô to, stato, công tắc từ, ly hợp, rơ le máy khởi động), sơ đồ cấu tạo và
hoạt động của mạch điện hệ thống khởi động. Đồng thời nội dung nghiên cứu đã trình
bày các bước kiểm tra hư hỏng và thông số sửa chữa các bộ phận chính của hệ thống
khởi động động cơ 1NZ-FE: cụm khóa điện, rơ le cắt ACC, cụm máy khởi động (rô to,
cuộn cảm, chổi than, ly hợp máy khởi động, cụm công tắc từ, rơ le máy khởi động).
Trên cơ sở đó nắm vững được kiến thức cơ bản về cấu tạo, hoạt động của hệ thống khởi
động động cơ trên ô tô nói chung và cách kiểm tra hư hỏng trên các xe tương tự.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Giáo trình Hệ thống điện trên ô tô, trường Đại học Sao Đỏ, 2018

[2]. Cẩm nang sửa chữa động cơ 1NZ-FE trên xe Toyota Vios, GSIC - Trung Tâm Thông
Tin Dịch Vụ Toàn Cầu, Toyota.