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ELECTRICIDAD DEL AUTOMÓVIL
CIRCUITO DE ARRANQUE DEL AUTOMÓVIL
En los primeros días del automóvil, el vehículo no tenía motor de arranque. El operador debía usar una manivela para hacer girar el motor a mano.
Charles F. Kettering inventó el primer “arranque automático” eléctrico, desarrollado y construido por Delco Electric. El motor de arranque apareció por primera vez en el Cadillac de 1912 y era, en realidad, una combinación de arrancador y generador.
Los motores eléctricos han jugado un papel crucial en la evolución de la industria automotriz. Las tendencias hacia una mayor electrificación de los automóviles indican un aumento adicional del uso de dispositivos electromecánicos en los próximos años.
Debido a incentivos históricos, técnicos y económicos, las máquinas de corriente continua con escobillas (carbones) han sido la opción favorita para numerosas aplicaciones automotrices, desde motores de arranque (o “burros de arranque”) hasta dispositivos auxiliares.
La facilidad de control, la inversión de capital y el costo relativamente bajo de fabricación, en comparación con otros dispositivos de conversión de energía, se encuentran entre las principales razones para justificar su uso.
Si bien el mantenimiento y la durabilidad aún se consideran factores limitantes, la compacidad y una eficiencia relativamente alta tienen gran importancia en la industria automotriz.
La introducción de la electrónica de potencia en productos automotrices en las últimas décadas ha allanado el camino para un alto rendimiento y mayor flexibilidad en aplicaciones de cuatro cuadrantes.
Sin embargo, debe mencionarse que las unidades con conmutador y escobillas se emplean principalmente para motores de menor tamaño; por lo tanto, las prácticas de diseño deben realizarse en el contexto de la aplicación para mantener el sentido comercial y de ingeniería.
La siguiente información está destinada a identificar los componentes del circuito de arranque, su función, operación y procedimientos de mantenimiento.
El motor de combustión interna no es capaz de arrancar por sí solo. Los motores de automóviles (tanto de encendido a chispa como diésel) son arrancados por un motor eléctrico pequeño pero potente.
Este motor es llamado motor de arranque, burro de arranque o arrancador.
La batería envía corriente al motor de arranque cuando el operador gira el interruptor de encendido (llave de encendido) para arrancar.
Esto hace que el engranaje piñón del motor de arranque engrane con los dientes de la corona del volante, girando el cigüeñal del motor para el arranque.
El circuito de arranque típico consiste en la batería, el motor de arranque y su mecanismo de accionamiento, el interruptor de encendido, el relé de arranque o solenoide,
el interruptor de seguridad neutral (en transmisiones automáticas) y el cableado que conecta estos componentes.
Un motor de arranque es un motor eléctrico que gira o “arranca” el motor para ponerlo en marcha. Consiste en un potente motor eléctrico de CC (corriente continua) y el solenoide de arranque, conectado al motor.
El motor de arranque funciona con la batería del automóvil. Para encender el motor, el motor de arranque requiere una corriente eléctrica muy alta; por ello, la batería debe tener suficiente energía.
El solenoide de arranque funciona como un potente relé eléctrico. Cuando se activa, cierra el circuito eléctrico y envía energía de la batería al motor de arranque.
Al mismo tiempo, empuja el engranaje de arranque hacia adelante para engranarlo con los dientes de la corona del volante (placa flexible).
Un solenoide típico tiene un conector pequeño para el cable de control y dos terminales grandes: uno para el cable positivo de la batería y otro hacia el motor de arranque.
El motor de arranque requiere una corriente muy alta, por eso se conecta a la batería con cables gruesos. El cable negativo conecta el terminal “-” de la batería al bloque del motor, cerca del motor de arranque. El cable positivo conecta el terminal “+” de la batería al solenoide de arranque.
Fig. Sistema de arranque del motor.
Cuando se gira la llave de encendido a la posición de ARRANQUE, el voltaje de la batería pasa por el circuito de control de arranque y activa el solenoide,
que a su vez energiza el motor de arranque. Al mismo tiempo, el solenoide empuja el piñón para engranarlo con el volante del motor (placa flexible en una transmisión automática).
El volante está unido al cigüeñal. El motor de arranque gira, moviendo el cigüeñal y permitiendo que el motor arranque.
Por razones de seguridad, el motor de arranque solo puede funcionar cuando la transmisión automática está en estacionamiento o punto muerto; o, si el automóvil tiene transmisión manual, cuando se presiona el pedal del embrague.
Para lograrlo, existe un interruptor de seguridad neutral (o de punto muerto) instalado en el mecanismo selector de la transmisión automática o en el pedal del embrague en el caso de transmisión manual.
A menudo, un sensor de rango de transmisión (que informa a la computadora del tren motriz en qué posición está la transmisión: P-R-N-D) se usa también como interruptor de seguridad neutral.
Cuando la transmisión no está en estacionamiento o neutral (o cuando el embrague no está presionado), el interruptor está abierto y el circuito de control queda desconectado.
Circuitos de motor de arranque
El sistema de arranque del vehículo consta de dos circuitos: el circuito de control de arranque y el circuito de alimentación del motor.
Estos circuitos están separados pero relacionados. El circuito de control incluye la sección de arranque del interruptor de encendido, el interruptor de seguridad (si corresponde) y el cableado hacia el relé o solenoide.
El circuito de alimentación del motor consiste en cables de batería de gran sección desde la batería hasta el relé y el motor de arranque, o directamente al solenoide si el motor de arranque está equipado de esa forma.
Componentes del circuito de control de arranque
Interruptores magnéticos
El motor de arranque requiere grandes cantidades de corriente (hasta 300 amperios) para generar el par necesario para hacer girar el motor.
Los conductores utilizados (cables de batería) deben ser lo suficientemente grandes como para manejar la corriente con muy poca caída de voltaje.
No sería práctico llevar un conductor de este tamaño hasta el interruptor de encendido.
Para proporcionar control de la elevada corriente, todos los sistemas de arranque contienen algún tipo de interruptor magnético. Hay dos tipos básicos: el solenoide y el relé.
MOTOR DE ARRANQUE
El motor de arranque (Fig. 2-37) convierte la energía eléctrica de la batería en energía mecánica para arrancar el motor.
Mientras la batería suministra la energía para el arranque, el motor de arranque es lo que realmente pone el motor en marcha.
El motor de arranque gira el volante, lo que mueve el cigüeñal e inicia el movimiento de los pistones.
Los motores de arranque presentan resistencia dinámica al flujo de corriente. El flujo no es continuo porque la corriente se dirige a diferentes partes del devanado de la armadura según la posición del contacto bajo la escobilla.
Un motor de arranque bloqueado puede tener un consumo de corriente muy alto.
La principal diferencia entre un motor de arranque y un generador es que en un generador la rotación del inducido en un campo magnético produce voltaje.
En un motor, la corriente se envía a través del inducido y el campo; la atracción y repulsión entre los polos magnéticos empujan y tiran del inducido, generando rotación.
Cuando está acoplado al volante del motor, hace girar el cigüeñal.
Construcción del motor de arranque
Figura: inducido del motor de arranque.
La construcción de los motores de arranque es similar, con variaciones de diseño.
Partes principales:
Inducido: arrollamientos del inducido, núcleo, eje, y conjunto del colector, que giran dentro de un campo estacionario.
El inducido está construido con un núcleo laminado (láminas finas de hierro) para reducir corrientes parásitas (corrientes de Foucault),
que provocarían calentamiento y pérdidas en un núcleo macizo.
Figura: construcción laminada típica del inducido.
Las ranuras en el diámetro exterior de las laminaciones sostienen los devanados del inducido.
Las espiras del bobinado se conectan al conmutador. Cada segmento del conmutador está aislado de los segmentos adyacentes.
Un inducido típico puede tener más de 30 segmentos.
Se utilizan dos patrones básicos de bobinado:
bobinado imbricado y bobinado ondulado.
En el bobinado imbricado, los extremos del devanado se conectan a segmentos adyacentes del conmutador.
En el bobinado ondulado, los extremos se conectan a segmentos separados (90° o 180°), y suele usarse por su menor resistencia.
Figura: devanado imbricado.
Fig. Devanado ondulado.
Otros elementos:
Extremo del bastidor del colector: carcasa de escobillas, resortes, y bujes del eje.
Piñón de impulsión: engranaje de piñón, mecanismo de accionamiento y solenoide.
Carcasa de campo: cuerpo central con bobinas de campo y zapatas polares.
Bastidor terminal: carcasa del extremo del piñón, con buje para el eje del inducido.
Conjunto de accionamiento de piñón
El conjunto de accionamiento de piñón incluye el piñón, el mecanismo de arrastre y el solenoide.
Existen diversos diseños: unidad tipo Bendix, embrague de rueda libre (contravuelta) y mecanismo Dyer.
Figura 2-37. Motor de arranque típico.
Figura 2-38. Motor de arranque con unidad Bendix.
Figura 2-39. Embrague de rueda libre típico.
La unidad DYER proporciona un engrane completo antes de que el motor de arranque se active, y se utiliza en motores de servicio pesado.
Solenoides montados sobre el motor de arranque
Un solenoide es un dispositivo electromagnético que utiliza el movimiento de un vástago para ejercer una fuerza de tracción o retención.
En el sistema accionado por solenoide, el solenoide está montado sobre el motor de arranque y realiza dos funciones:
(1) cierra el circuito entre la batería y el motor de arranque; (2) mueve el piñón para engranarlo con la corona dentada.
En muchos vehículos actuales, un relé de arranque controla el solenoide y puede ser comandado por el PCM (Módulo de Control del Tren de Potencia).
Figura 2-39a. Esquema del circuito del motor de arranque operado por solenoide.
Figura 2-39b. Al cerrar el disco de contacto, el devanado de retención queda energizado (S: llave de encendido).
Un síntoma típico de bajo voltaje o falla en devanados de retención es una serie de “clics” al girar la llave a ARRANQUE.
Antes de reemplazar el solenoide, verifique el estado de la batería y la limpieza y firmeza de las conexiones del circuito de arranque.
Cierra el circuito batería–arrancador.
Acelera el engrane del piñón con la corona dentada.
Puentea el alambre de resistencia en el circuito de encendido (según diseño).
Figura 2-40. Unidad Dyer.
Figura 2-40(a). Motor de arranque con accionamiento de cambio Dyer.
BASTIDOR DE CAMPO
El bastidor de campo es la carcasa central que sostiene las bobinas de campo y las zapatas polares.
Las bobinas de campo son electroimanes; las zapatas, de hierro pesado, ayudan a concentrar el campo.
Muchos motores modernos usan imanes permanentes o diseños sin escobillas.
En motores bobinados en serie, el par máximo se produce al arranque. A medida que aumenta la velocidad, crece la fuerza contraelectromotriz (CEMF) y disminuye la corriente, reduciendo el par.
Figura 2-40(b). Relación entre fuerza contraelectromotriz, velocidad y consumo de corriente.
Motores de derivación (shunt)
Los motores de derivación tienen los devanados de campo conectados en paralelo con la armadura. Mantienen mejor el par con el aumento de velocidad, pero no suelen usarse como motores de arranque por su menor par inicial.
Se emplean en limpiaparabrisas, ventanillas y asientos eléctricos, entre otros.
Figura 2-41. Configuraciones de devanado de campo.
Tipos de motores de arranque
Hay dos tipos principales: accionamiento directo y doble reducción.
Los motores de arranque requieren engranajes de reducción para proporcionar la ventaja mecánica necesaria para girar el volante y el cigüeñal.
Arranque de accionamiento directo
Usa un piñón en el eje del inducido que engrana con la corona del volante. Típicamente, el motor gira entre 10 y 16 veces por cada vuelta del volante.
El inducido puede girar a 2000–3000 rpm, moviendo el cigüeñal hasta ~200 rpm durante el arranque.
Arranque de reducción doble
Utiliza reducción interna y reducción entre el piñón y el volante. Se usa en servicio pesado. El inducido puede girar hasta 40 vueltas por cada vuelta del volante.
Figura 2-42. Reductor de arranque.
Motores de imanes permanentes
Muchos vehículos modernos usan motores de arranque con imanes permanentes en lugar de bobinas de campo.
Reducen peso y eliminan fallas asociadas al circuito de campo. Suelen combinarse con cajas reductoras.
Motores sin escobillas
Usan rotor de imán permanente y bobinados en el estator con conmutación electrónica. Reducen arcos e interferencias electromagnéticas y aumentan la vida útil.
Se emplean en algunos vehículos híbridos.
Figura 2-43. Motor CC sin escobillas; sensor Hall para posición del rotor.
Interruptor de seguridad neutral
En transmisiones automáticas, el interruptor de seguridad neutral impide el arranque si la palanca no está en punto muerto o estacionamiento.
Si está desajustado o fallado, puede impedir el arranque; puede verificarse moviendo la palanca por distintas posiciones al intentar arrancar.
Para ajustar, se aflojan tornillos, se coloca en P, y se desliza hasta que arranque; luego se aprieta y se verifica.
Para probar el interruptor puede utilizarse una luz de prueba de 12 V: debe encender en P o N y no hacerlo en otras posiciones.
Si no funciona correctamente, revise el mecanismo; si el problema está en el interruptor, reemplácelo.
Conceptos destacados :
starter circuit ( automotive electricity – starting system )
(circuito de arranque). Conjunto de elementos eléctricos que permiten accionar el motor de arranque y poner en marcha el motor.
starter motor ( automotive electricity – starting system )
(motor de arranque). Motor eléctrico de CC, pequeño pero potente, que hace girar el motor térmico para iniciar la combustión.
starter solenoid ( automotive electricity – starting system )
(solenoide de arranque). Interruptor electromagnético que cierra el circuito de alta corriente y desplaza el piñón para engranar con la corona.
starter relay ( automotive electricity – starting system )
(relé de arranque). Relé que permite comandar el solenoide y reducir la corriente que pasa por la llave de encendido.
ignition switch ( automotive electricity – starting system )
(llave / interruptor de encendido). Dispositivo que, al girarse a ARRANQUE, alimenta el circuito de control del sistema de arranque.
