CN102317615A - 用于机动车辆中的内燃机的起停系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆中的具有起停系统的内燃机的起动方法以及一种用于通过起动电动机(11)和啮合装置(12、20)实施所述方法的起动装置(10)，所述啮合装置(12、20)在停止循环开始时将插入式小齿轮(13)沿轴向啮合到内燃机的齿圈(14)中。为了尽可能短地保持直至准备好重新起动内燃机的时间间隔，本发明提出，在停止阶段开始时，所述小齿轮(13)在关掉内燃机(15)之后且在该内燃机停止运转之前在起动电动机(11)静止的情况下通过轴向的压紧弹簧(25)弹性地啮合到仍在转动的齿圈(14)中。

Description

用于机动车辆中的内燃机的起停系统的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种按照据权利要求1的前序部分所述的用于机动车辆中带有起停系统的内燃机的起动方法以及一种用于实施按照权利要求4的前序部分所述的方法的起动装置。
背景技术
通常通过起动电动机起动机动车辆的内燃机，其中在起动电动机接通之前，首先将起动装置的小齿轮啮合在内燃机的齿圈中。此外，在车辆较长时间停止的情况下，通过在机动车辆中的起停系统自动关闭内燃机，并且随后在停止阶段结束时又自动起动内燃机，以能够继续行驶。
由EP 08 48 159 A1已知，起动小齿轮已经随着内燃机的停止状态的开始进入啮合位置，以便之后随着起动过程的开始毫无延迟地全力接通起动电动机。通过这种方法明显减少了用于起动过程的时间。然而这种解决方案具有如下缺点：为了在停止阶段开始时使起动小齿轮啮合，首先仍必须等待内燃机停止运转，这在非常短的停止阶段意味着延迟，该延迟例如在交通堵塞时由于过快紧随的车辆可能是非常关键的。
为了缩短在停止阶段开始时的啮合过程，已提出了(文件登记号码之后补充？？？？)，通过电子触发起动电动机，使小齿轮转速与内燃机的齿圈的转速同步，以便通过这种方法使起动机小齿轮啮合到内燃机的仍转动的齿圈中。在此不利的是，为了使齿圈和起动小齿轮的圆周速度同步必然引起非常显著的电子控制上的花费，因为齿圈的圆周速度在被关掉的内燃机惯性运转时由于在内燃机汽缸中的压缩而变化很大。
发明内容
本发明的目标是，以简单的方法通过简单的机械装置确保起动小齿轮在关掉内燃机之后在停止过程开始时啮合到仍在转动的齿圈中。
在内燃机的用于实施按照权利要求1的特征所述的方法的起停系统中，以及在具有权利要求4的特征的起动装置中，以简单的机械装置，通过使起动小齿轮啮合到内燃机的惯性运转的齿圈中，实现了在时间上缩短的起动过程。由此能够在实质上简化起停系统的电子控制。此外，通过这种方法使得，相对于将起动小齿轮在未经弹簧缓冲的情况下啮合到仍在转动的齿圈中，不会由于因此出现的对自由轮或者起动机的行星齿轮传动机构的反冲而出现损坏。
通过在从属权利要求中提及的措施给出在权利要求1和4中所述特征的有利的设计方案和改进方案。
因为在起动小齿轮的轴向压紧弹簧装置中，只在齿圈缓慢转动时且在具有最好的齿在齿槽上的位置的情况下，才进行进入到环绕的齿圈中的啮合，因此在本发明的有利的改进方案中通过选取的压紧弹簧的弹簧特性实现了，首先使小齿轮以一小部分啮合到齿圈中，并且在此首先只通过小齿轮和齿圈的齿的相应小的接触面带动所述小齿轮。在圆周速度小时，小齿轮可以通过压紧弹簧的力完全地啮合到齿圈中。相对地，起动小齿轮的齿在齿圈圆周速度过大的情况下又从齿圈中被压出。随后在必要时，又多次重新将自此仍缓慢转动的起动小齿轮进一步压入到下一齿槽中，直至使起动小齿轮在转速增加的情况下最终完全地啮合到齿圈中。
本发明的一种有利的改进方案在于，在内燃机停止运转之前，借助于起动电动机的电动机控制单元可以使曲轴已经转动至最优的起动位置，以由此缩短接下来的重新起动时间。
在用于通过可在小齿轮轴上沿轴向移动的起动小齿轮来实施起动方法的特别简单且有利的第一种实施方式中，压紧弹簧作为螺旋压力弹簧被夹紧在小齿轮轴的台肩和在小齿轮的背面形成的环形台肩之间，其中小齿轮作为插入式小齿轮借助于滑动啮合结构可轴向移动地被容纳在小齿轮轴上。在附近设置有本身已知的啮合弹簧时，有利的是压紧弹簧的弹性系数小于啮合弹簧的弹性系数。
为了使小齿轮的啮合变得简单，有利地，小齿轮和/或齿圈的齿在其前面的端面上在齿廓上设有斜切部以及在齿顶上设有斜切部。有利地，在此特别在齿圈的沿齿圈的转动方向在前面的齿廓上以及在小齿轮的在后面的齿廓上设有斜切部。此外，优选地具有自由轮的小齿轮轴能通过没有多头螺纹的滑动啮合机构与起动装置的驱动轴一起沿轴向移动。
在另一种实施方式中，在本发明的一种改进方案中，小齿轮和齿圈的相邻的齿分别在未啮合状态下相互对置的前面的端面的区域中具有相差相同量的轴向长度。在这种实施方式中，小齿轮和齿圈的突出的齿在此以双倍的齿距彼此间隔，从而小齿轮的齿即使在齿圈的高转速下仍可以通过轴向压紧弹簧足够深地向前挤入齿槽中以被带动，由此即使在高旋转速度下也可以缩短小齿轮进入到齿圈中的啮合。在最简单的实施方式中，在此，小齿轮和齿圈的每个第二齿相对于小齿轮或齿圈的宽度缩短。有利地，在这里未被缩短的齿在其前面的端面上在齿顶上设有斜切部，所述斜切部优选地比齿凸起部短。为了在此使用于起动的小齿轮能够首先一次就滑动到齿圈的齿上，在本发明的设计方案中建议，沿齿圈的转动方向，在齿圈的突出的齿的前面的齿廓上以及在小齿轮的突出的齿的后面的齿廓上设置斜切部。
附图说明
接下来依据附图示例性地对本发明的细节进行详细阐述。附图中：
图1以示意图示出了用于机动车辆的带有起动装置的起停系统，
图2以立体图示出了在借助于滑动啮合结构装配之后作为第一实施例的起动装置的小齿轮、小齿轮轴和自由轮体，
图3示出了分解布置的图2的部件，
图4示出了在啮合之前小齿轮齿部和内燃机的齿圈的齿部的放大视图，
图5以纵剖视图和放大视图示出了小齿轮、小齿轮轴和自由轮，以及
图6以立体放大视图示出了作为第二种实施例的具有错开的齿的齿圈和小齿轮的一部分。
具体实施方式
图1以示意视图示出了在第一种实施例中用于机动车辆中内燃机的起停系统。该起停系统包括带有起动电动机11的起动装置10、起动继电器12和用于沿轴向啮合到内燃机15的齿圈14中的小齿轮13。起动继电器12具有继电器绕组16、推杆17和用于为起动电动机11接通主电流的开关触点18。此外，起停系统还包括电动机控制单元19，该电动机控制单元如起动继电器12的开关触点18一样通过正端子连接到机动车辆的整车电源(未示出)上。此外，电动机控制单元19通过多个信号输入口导入多个不同的传感器信号，通过这些传感器信号检测到例如离合器操纵、制动操纵、档位选择杆的位置、发动机和车轮转速等。电动机控制单元19此外通过输出口与继电器绕组16连接，通过该继电器绕组经由接合杠杆20小齿轮13被啮合到内燃机15的齿圈14中，并且经由开关触点18起动电动机11被接通用于起动内燃机15。起动电动机11在此通过行星齿轮传动机构21驱动驱动轴22，该驱动轴通常通过多头螺纹与自由轮23联接。自由轮23在从动侧与小齿轮轴一体地连接为，该小齿轮13借助于滑动啮合结构以通过止挡部受限制的方式沿轴向可移动地固定在所述小齿轮轴上。
在内燃机15冷起动的情况下，首先以由机动车辆的驾驶员所触发的起动信号通过电动机控制单元19激活起动继电器12，其中起动电动机11通过另一连接直接被电动机控制单元19触发并且略微转动。此外，在此通过继电器绕组16、经由推杆17和接合杠杆20将小齿轮13向前推动直至内燃机的齿圈14。处于齿在齿上的位置时，安装在自由轮23和接合杠杆20之间的啮合弹簧24以已知的方式将被张紧，从而通过起动电动机11的轻微转动使小齿轮13的齿能够啮合到齿圈14的下一齿槽中直至在驱动轴22上的止挡。
在行驶运行期间，机动车辆的起停系统此时激活，其中在车辆的每个停止阶段开始时例如通过检测在车辆前轮上的转速将内燃机关掉。同时，在第一阶段，为了给稍后重新起动内燃机做准备，经由电动机控制单元19给起动继电器12通以一定量的激励电流，由此触发小齿轮13进入内燃机15的仍在运转的齿圈14中的啮合过程。在此时，通过推杆17用接合杠杆20使小齿轮13沿轴向向前移动以啮合到齿圈14中。为了使内燃机15在关掉之后尽可能迅速地再次准备好起动，小齿轮13必须在内燃机15停止运转之前在起动电动机11静止的情况下借助于轴向压紧弹簧25啮合到仍在转动的齿圈14中。该轴向压紧弹簧25在此设置在小齿轮13和小齿轮轴26之间且被沿轴向预压紧。
图2以立体视图示出了组件27，该组件由小齿轮13、轴向压紧弹簧25和带有自由轮基体23a的小齿轮轴26构成，其中小齿轮13被构造为插入式小齿轮。
图3以分解布置方式示出了这些部件，更确切地说示出了作为用于小齿轮13的轴向止挡部的止挡环28、用于固定止挡环28的锁紧涨圈29、带有花键轴内孔30a的小齿轮13，连同轴套31、轴向压紧弹簧25、带有花键轴齿部30b的小齿轮轴26和自由轮基体23a以及最后还示出了另一轴套31。小齿轮轴26通过其花键轴齿部30b与小齿轮轴13的花键轴内孔30a共同形成依据图2的用于小齿轮安装的轴向滑动啮合结构30。两个轴套31在两侧被插入小齿轮轴的中央孔26a中，在图1的起动装置10装配好的情况下，驱动轴22被容纳在该中央孔中。轴向压紧弹簧25被同心地安装在设置在小齿轮轴26的花键轴齿部30b后面的增厚部26b上，该增厚部以其后侧端部贴靠在小齿轮轴26的环形台肩33上。被构造为螺旋弹簧的轴向压紧弹簧25的前端部贴靠在小齿轮的背面上。
在图4中以立体图放大地部分示出了图1至图3中的起动装置10的小齿轮13以及内燃机15的相对所述小齿轮沿轴向偏移的齿圈14。在此可以看到，在小齿轮13沿轴向向前移动到内燃机的仍沿箭头方向旋转的齿圈14上时，小齿轮13被带动沿箭头方向34运动。在此为了使小齿轮13能更容易地啮合到内燃机的齿圈14中，使在未啮合状态下对置的小齿轮13的齿13a以及齿圈14的齿14a均在齿端面上设有齿廓13b和14b的斜切部35。该斜切部35在此设置在当小齿轮13啮合到仍在旋转的齿圈14中时相互接触的齿廓13a、14a上。此外，在这里小齿轮13的齿13a在其齿顶区域中具有被斜切的端面13c，由此进一步使啮合过程变得容易。因此，一方面，仅在齿圈14的齿14b上或仅在小齿轮13的齿13a上设置斜切部35就可以是足够的。另一方面，有意义的是，不仅在小齿轮13上而且在齿圈14上也设置被斜切的端面13c。通过这些措施，单独地或者以其组合实现了在啮合到内燃机的仍在旋转的齿圈14中时，小齿轮13立即通过压紧弹簧25的力被带动并且随后完全啮合，或者小齿轮13首先被齿圈14的齿14a之一带动并且与齿圈14啮合的小齿轮13的齿13a先在齿廓13b、14b的斜切部35上再滑动一次，以便随着缓慢的转动进一步啮合到齿圈14的下一齿槽中。小齿轮轴26在此被小齿轮13带动，并且行星齿轮机构21和起动电动机11通过自由轮23脱开联接。
在本发明的一种改进方案中，在内燃机15停止运转之前，曲轴借助于起动电动机的电动机控制单元19通过齿圈14转动到对于接下来的重新起动来说最优的起动位置。
图5以放大的比例示出了本发明的变型实施方式的纵剖视图，在该实施方式中在滑动啮合结构30后面安装在小齿轮13和小齿轮轴26之间的螺旋弹簧36作为用于小齿轮13的轴向压紧弹簧部分地被容纳在小齿轮轴26在自由轮基体23a的区域中的环形空隙38中，并且，其中该环形空隙38的底部38a被构成用于螺旋弹簧36的后端部的支撑面。螺旋弹簧36在静止状态将小齿轮13压在前面的止挡环28上，由此在小齿轮13的背面和自由轮基体23a的前端面之间沿轴向产生弹簧行程y，通过该弹簧行程小齿轮13可以克服预紧的螺旋弹簧26的轴向力在滑动啮合结构30上沿轴向移动。螺旋弹簧36的轴向弹性在此被设计为使得该弹性比图1的起动装置10的啮合弹簧24的弹性更弱。由此在小齿轮13的齿13a的前端面上的斜切部35在啮合到内燃机的齿圈14的啮合过程中可以以一定量的力回弹地滑动。此外，在这个实施方式中规定，将在起动装置10的自由轮和驱动轴22之间的通常所谓的多头螺纹设计为轴向的滑动啮合结构40，以避免在小齿轮啮合时发生不期望的沿错误方向的旋转。
图6示出了本发明的另一实施例，该实施例涉及小齿轮13和齿圈14的齿的一种特别的设计方案。对此在图6中以放大的立体视图相对示出了处于未啮合状态下的图1中的内燃机10的齿圈14的一部分以及起动装置10的小齿轮13。与按照图5的实施方式的区别在于，小齿轮13和齿圈14的相邻的齿13a和14a在相互对置的端面的区域中具有相差相同量的轴向长度。在此，小齿轮13的每第二个齿13a1和齿圈14的每第二个齿14a1相对于小齿轮宽度或者齿圈宽度缩短。小齿轮13和齿圈14的沿轴向未缩短的齿13a和14a以与在图4中的第一种实施例相同的方式在它们相互对置的前端面上具有在齿廓13b和14b上的斜切部35。这些斜切部35在此被设置在当小齿轮13啮合时沿由箭头示出的仍在运转的齿圈14的旋转方向相互接触的齿廓13b和14b上。依据图6，所述齿廓是齿圈14的伸出的齿14a的前齿廓14b和小齿轮13的伸出的齿13a的沿转动方向在后面的齿廓13b。此外，小齿轮13和齿圈14的未缩短的齿13a和14a具有被斜切的前端面，这些前端面在未啮合状态下相对置。在此，仅使在齿顶区域13c中的端面被斜切就足够。
在这个实施例中，首先同样在内燃机10的停止循环开始时，小齿轮13在内燃机关闭之后且在其停止运转之前在起动电动机11静止的情况下通过起动继电器12经由接合杠杆20朝向齿圈14预啮合。随着到达齿在齿槽上的位置时，首先借助于压紧弹簧25使小齿轮13以很小一部分啮合到齿圈14中。在此，小齿轮13和齿圈14的两个未缩短的齿13a和14a首先通过其被斜切的齿廓13b和14b接触。在此，小齿轮首先只通过斜切部35的相应很小的接触面被带动。在齿圈14缓慢转动时，在此压紧弹簧25的预紧以及起动装置10的啮合弹簧24的力足以带动质量很小的小齿轮13并随后使该小齿轮完全啮合到齿圈14中。在此，起动装置10的起动电动机11和传动机构21通过自由轮23脱开联接。相对地，在齿圈14转速较大时以及在小齿轮较大质量时，小齿轮13并非立即地完全被齿圈14带动，而是通过克服压紧弹簧25的力沿轴向将小齿轮13重新从齿圈14中压出，使所述小齿轮在相互接触的未缩短的齿13a和14a的斜切部35上沿轴向弹性地滑动。因为齿圈14的下一个未被缩短的齿14b与前面的未缩短的齿间隔双倍的齿距，小齿轮13此时沿着齿具有一个双倍大的距离，由此可以通过压紧弹簧25的力进一步啮合到齿圈14中。在这个位置，小齿轮被完全地带动，并且通过啮合弹簧24的力完全地啮合到齿圈14中。为了能够确保，通过在小齿轮13上的很小的向前推的力也能实现对于高的使用寿命而言足够的齿的压入深度。在使用质量相对很小的插入式小齿轮时，由于缩短的齿13a1和14a1以及由于压紧弹簧20的向前推的力，小齿轮13能够足够深地啮合到齿圈14中，从而在没有滑动和回弹的情况下立即被齿圈14带动。因此，小齿轮13的在齿圈14上的滑动和轴向回弹仅在齿圈14和小齿轮13之间转速差很大时才出现。
本发明并非局限于所示出的和所描述的实施方式，而是还包括替代的可以根据图1的起动装置10的实施方式进行相应调整解决方案。因此，在本发明的范围内同样可以略微改变小齿轮13和小齿轮轴26之间的滑动啮合结构，使得小齿轮13作为用于所谓的尖嘴起动机(Spitzmaul-Starter)的插入式小齿轮在后端设有外齿，而具有自由轮基体的小齿轮轴设有内齿。因为在齿圈圆周速度很大的情况下首先只在齿圈和小齿轮的齿之间的端侧上产生接触，通过在此出现的碰撞接触，在小齿轮和齿圈之间的能量进行交换，使得圆周速度均衡。只要这完全地发生，那么小齿轮就可以在齿-齿槽-位置处移入齿圈中，使得小齿轮不能再被压出。在被斜切的接触面的情况下，这意味着，小齿轮通过斜切部向外移入齿圈中并且到达可以将小齿轮完全压入的位置。

Claims (12)

1.用于机动车辆中的具有起停系统的内燃机的起动方法，所述起停系统的起动电动机(11)通过自由轮(23)驱动小齿轮(13；40)，优选的是插入式小齿轮，以起动内燃机(15)，并且所述小齿轮在停止阶段开始时由啮合装置(12、20)优选地通过接在中间的啮合弹簧(24)沿轴向啮合到内燃机的齿圈(14)中，其特征在于，在停止阶段开始时，所述小齿轮(13)在关掉所述内燃机(15)之后且在所述内燃机停止运转之前优选在所述起动电动机(11)静止的情况下通过轴向的压紧弹簧装置啮合到仍在转动的所述齿圈(14)中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述小齿轮(13)啮合到仍在旋转的齿圈(14)中并到达齿在齿槽上的位置时，所述小齿轮(13)首先借助于压紧弹簧装置以一小部分啮合到所述齿圈(14)中，并且在此首先只通过所述小齿轮(13)和齿圈(14)的齿廓(13b、14b)的相应小的接触面(35)被带动，在所述齿圈(14)和小齿轮(13)的圆周速度相差太大时，所述小齿轮(13)在必要时被多次重新从所述齿圈(14)中压出并且随后以减小的圆周速度差继续啮合到下一齿槽中或者最终完全地啮合到所述齿圈(14)中。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(15)停止运转之前，借助于所述起动电动机(11)的电动机控制单元(19)将曲轴旋转到对于接下来的重新起动最优的起动位置。
4.用于实施如权利要求1至3中的任意一项所述的方法的起动装置，所述起动装置具有能在小齿轮轴(26)上沿轴向在两个止挡部之间移动的小齿轮(13)，其特征在于，为了在所述小齿轮(13)啮合到内燃机(15)的仍在运转的齿圈(14)中时对该小齿轮(13)进行轴向弹簧缓冲，在所述小齿轮(13)和小齿轮轴(26)之间设置压紧弹簧(25)并且沿轴向将该压紧弹簧预紧。
5.如权利要求4所述的起动装置，其特征在于，在附加设置有一个本身已知的啮合弹簧(24)时，所述压紧弹簧(25)的弹性系数小于所述啮合弹簧(24)的弹性系数。
6.如权利要求4或5所述的起动装置，其特征在于，所述压紧弹簧(25)作为螺旋压力弹簧被夹紧在所述小齿轮(13)的背面和所述小齿轮轴(26)的环形台肩(33)之间，在所述小齿轮(13)和所述小齿轮轴(26)的滑动啮合结构(30)的后面。
7.用于实施如权利要求1至3中的任意一项所述的方法的起动装置，所述起动装置具有能在所述小齿轮轴(26)上沿轴向在两个止挡部之间移动的小齿轮(13)，其特征在于，所述小齿轮(13)和所述齿圈(14)的相邻的齿(13a和14a)分别在未啮合状态下相互对置的前面的端面的区域中具有相差相同量(x)的轴向长度。
8.如权利要求7所述的起动装置，其特征在于，所述小齿轮(13)和所述齿圈(14)的每个第二齿(13a、14a)相对于小齿轮宽度或者齿圈宽度缩短。
9.如权利要求4至8中的任意一项所述的起动装置，其特征在于，所述小齿轮(13)和/或所述齿圈(14)的轴向未缩短的齿(13a和14a)在其前面的端面上，齿廓(13b、14b)设有斜切部(35)。
10.如权利要求9所述的起动装置，其特征在于，所述斜切部(35)设置在沿所述齿圈(14)的转动方向在前面的齿廓(14b)上以及设置在所述小齿轮(13)的沿转动方向在后面的齿廓(13b)上。
11.如权利要求4至10中的任意一项所述的起动装置，其特征在于，使所述小齿轮(13)和/或所述齿圈(14)的未缩短的齿(13a和14a)在其前面的端面上至少在齿顶区域(13c)中被斜切。
12.如权利要求4至11中的任意一项所述的起动装置，其特征在于，所述小齿轮轴(26)与设置在其后面的自由轮(23)能通过没有多头螺纹的滑动啮合结构(40)在驱动轴(22)上沿轴向移动。
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