CN102348887A - 用于内燃机的起动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的起动机(10)，该起动机具有带有驱动轴(44)的起动电动机(13)，该驱动轴能够通过自由轮机构(137)与起动小齿轮(22)联接。为了改善所述自由轮机构(137)的可相对彼此运动的金属部件(132、138、140)的滑动特性以及为了减少其摩擦，在该自由轮机构的可相对彼此运动的金属部件上施加涂层(242、244、246)，这些涂层代替在自由轮机构中的传统润滑剂并且总体上改善了所述起动机(10)的持久性以及滑动特性。

Description

用于内燃机的起动机
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的起动机。
背景技术
本发明涉及一种按照独立权利要求的前序部分所述的用于内燃机的起动机，如同例如由博世的关于发电机和起动机的黄皮书系列出版物(2002版，第52页以后)已知的起动机。该文献的第71页阐述了用于依据本发明的起动机的自由轮机构，该起动机按照超越离合器的类型将起动电动机的旋转运动传递到内燃机上。该自由轮机构位于起动电动机和用于内燃机的起动小齿轮之间，并且具有如下任务：在驱动驱动轴时带动小齿轮并且在小齿轮快速运转的情况下使小齿轮和驱动轴之间的连接解除。由此，自由轮避免了起动电动机的电枢在内燃机高速运转时被加速到不允许的高转速。
本发明类型的起动机通常具有滚子自由轮机构，其中能够在与从动轴连接的内圈和可由起动电动机驱动的外圈之间通过圆柱形滚子产生传力连接，这些圆柱形滚子被可运动地沿着滑动弯曲部设置。在此，在静止状态下，弹簧将滚子压入自由轮机构外圈的滑动弯曲部和内圈更确切地说小齿轮轴之间的变窄的部位中。在滚子上产生的夹紧角很小，使得小齿轮在起动电动机起动时立即一起旋转。
如果在起动内燃机之后出现超速，则滚子通过小齿轮轴的摩擦，更确切地说内圈的摩擦，运动到滑动弯曲部的变宽的部位中，其中，滚子因为弹簧力无间隙地贴靠在滑动弯曲部上，并且在起动电动机和内燃机之间的连接解除。
在自由轮的已知的实施方式中，其润滑是通过特殊的油脂实现的，该油脂一方面防止自由轮机构的部件腐蚀，另一方面使在自由轮机构中的摩擦参数的温度最小化。然而由于工作温度特别是负荷很大的起动机的工作温度在大约-40℃和+150℃之间的范围内很大的差别，存在润滑剂硬化或者流出的危险。在油脂硬化的情况下，即在油脂中的润滑油损失的情况下，产生自由轮机构的锁止或者滑转，因为所使用的油脂通常在硅油的基础上形成并且在热和运动下油脂分解成其各单独的成分，特别是分解成硅油和肥皂。因此，硅油从润滑区域中泄漏出而载体材料作为干燥的颗粒材料残留在自由轮机构上并且对该自由轮机构的功能造成损害。
发明内容
与此相对，依据本发明的具有独立权利要求所述特征的起动机具有如下优点：特别地在当例如内燃机起停工作时所产生的频繁使用和高工作温度的情况下，该起动机的自由轮机构的功能性在所要求的起动机使用寿命期间被可靠地得以保持。这特别地适用于自由轮机构的有危险的摩擦副，即，用作随动件的其凹部用于自由轮滚子的外圈和设置在起动机从动轴上且用作自由轮滚子支座的内圈。可以完全省去自由轮的油脂并特别是可以完全消除在高温情况下与此有关的各种困难，由此同时减少了安装花费。此外，还避免了在与自由轮相邻的部件上，例如在小齿轮衬套中和在自由轮机构的穿过起动电动机从动轴的驱动装置上，由于润滑油脂的分解产物而受到损害的危险。
涂层的摩擦系数(μ)优选地处于0.02至1的范围内，特别是处于0.04至0.4的范围内，其中有利的是涂层具有2至10μ的厚度。在此，涂有固体润滑剂，特别是由PTFE(聚四氟乙烯)或者由MoS2(二硫化钼)制成的固体润滑剂的电镀沉降的硬铬涂层已被证实是特别有利的涂层。这种电镀沉降的硬铬涂层优选地具有5至10μm的厚度。其他的涂层有利地以更小的厚度被施加，例如类金刚石的碳涂层(DLC涂层)以2至4μm的厚度被施加。电镀沉降的硬铬涂层在此具有如下优点：被涂层的部件只非常少量地变热，通常只变热到大约50℃的温度，在该温度下可以可靠地排除被涂层的工件的变形。在通过PVD和/或CVD工艺施加的DLC涂层的情况下，在等离子体中的涂层温度优选地被限制在一个大约250℃的值，以由此也排除被涂层工件的变形和/或对其硬度的损害。
附图说明
本发明的其它细节和有利的设计方案由说明书中的从属权利要求和实施例得出，其中特别是还能够置入固态润滑剂作为在基层中或者在分开施加的额外涂层中精细分布的分散相。
在附图中：
图1示出了用于内燃机的起动机的整体视图，
图2示出了带有依据本发明的自由轮的起动机的驱动区域的放大视图，以及
图3示出了与在图2中的线Ⅲ-Ⅲ所对应剖开的依据本发明的自由轮的放大的剖视图。
具体实施方式
图1以纵剖视图示出了起动机10。这个起动机具有起动电动机13和接通继电器16。该起动电动机13和接通继电器16固定在一个共同的驱动端轴承盖19上。所述起动电动机13在功能上用于当起动小齿轮22啮合到内燃机(这里未示出)的齿圈25中时，驱动该起动小齿轮22。
起动电动机13具有极管28作为壳体，该极管在其内周上支承有多个极靴31，这些极靴分别被励磁绕组34缠绕。极靴31又包围着电枢37，该电枢具有一个由薄片40构成的电枢铁心43和一个设置在槽46中的电枢绕组49。该电枢铁心43被压紧在驱动轴44上。此外，在驱动轴44的远离起动小齿轮22的端部上还装有换向器52，该换向器尤其由多个单个的换向器薄片55构成。这些换向器薄片55通过已知的方法与电枢绕组49电连接，使得在通过碳刷58给换向器薄片55通电时产生电枢37在极管28中的旋转运动。设置在接通继电器16和起动电动机13之间的馈电线61在接通状态时不仅为碳刷58供电还为励磁绕组34供电。
驱动轴44在换向器侧通过轴颈64支撑在滑动轴承67中，该滑动轴承又被位置固定地保持在换向器支承盖70中。该轴承盖70又借助于拉杆73固定在驱动端轴承盖19中，该拉杆73被分布地布置在极管28的周边上(如螺钉，例如两个、三个或者四个)。在此，极管28支撑在驱动端轴承盖19上，而且换向器支承盖70支撑在极管28上。
沿驱动方向看，在电枢37上连接了一个所谓的太阳轮80，该太阳轮是行星齿轮变速器83的一部分。太阳轮80被多个行星齿轮86包围，通常被借助于滚动轴承89支撑在轴颈92上的三个行星齿轮86包围。行星齿轮86在齿圈95中滚动，该齿圈95以外侧支承在极管28中。在朝输出侧的方向，在与行星齿轮86相接的行星架98中容纳轴颈92。行星架98又支承在中间支承件101和设置在该中间支承件中的滑动轴承104中。中间支承件101被盆形地设计成，在其中既容纳行星架98又容纳行星齿轮86。此外，在盆形的中间支承件101里还设置了齿圈95，该齿圈最后通过盖107相对于电枢37封闭。中间支承件101也通过其外周支撑在极管28的内侧。电枢37在驱动轴44的远离换向器52的端部上具有另一个同样地容纳在滑动轴承113中的轴颈110。所述滑动轴承113又容纳在行星架98的中央孔里。该行星架98与输出轴116连接成一体。这个输出轴116通过它远离中间支承件101的端部119支承在另一个轴承122中，该另一轴承固定在驱动端轴承盖19中。
输出轴116分为不同的区段：接在设置在中间支承件101的滑动轴承104中的区段后面的是带有所谓的直齿125(内齿)的区段，该直齿是所谓的轴毂连接结构的一部分。在这种情况下，这个轴毂连接结构128能够使带动件131沿轴向的直线滑动成为可能。该带动件131是套筒状的突出部，该突出部和自由轮机构137的盆形外圈132是一体的。这个自由轮机构137(定向制动器)此外还由沿径向设置在外圈132内部的内圈140组成。在内圈140和外圈132之间设有夹紧件138。这个被实施为圆柱形滚子的夹紧件138与内圈和外圈共同作用，防止在外圈和内圈之间沿第二个方向的相对转动。换句话说，自由轮机构137能够使内圈140和外圈132之间只沿一个方向的相对运动。在本实施例中，所述内圈140与起动小齿轮22和该起动小齿轮的斜齿143(外斜齿)是一体的。
为了完整起见，在这里还要对啮合机构进行讨论。该接通继电器16具有接线柱150，该接线柱是电触头并且连接在起动机电池(这里未示出)的正极上。这个接线柱150穿过继电器盖153。所述继电器盖153将继电器壳体156封闭，该继电器壳体借助于多个固定元件159(螺钉)固定在驱动端轴承盖19上。在接通继电器16中还设置了吸引绕组162和保持绕组165。吸引绕组162和保持绕组165两者分别在接通状态下产生一个电磁场，该电磁场不仅穿过继电器壳体156(由电磁传导性材料制成)，而且穿过可线性运动的衔铁168和穿过衔铁轭铁171。所述衔铁168具有推杆174，当所述衔铁168被线性吸引时，该推杆174朝向控制螺栓177的方向运动。通过推杆174沿朝向控制螺栓177的方向的这个运动，使这个控制螺栓177从其静止位置向两个触头180和181的方向移动，从而安装在控制螺栓177端部上的接触桥184将两个触头180和181相互电连接。由此电功率从接线柱150经过接触桥184传输到馈电线61并由此传输到碳刷58。所述起动电动机13在此时被通电。
但是，所述接通继电器16或者更具体地说衔铁168还有一项任务，即通过拉动元件187使一个可转动地设置在驱动端轴承盖19中的杠杆运动。通常被构造为叉形杠杆的该杠杆190通过两个这里没有示出的尖齿部在其外周上包住两个盘片193和194，以使夹在这两个盘片之间的摩擦环197克服弹簧200的阻力向自由轮机构137运动，由此使起动小齿轮22啮合到齿圈25中。
图2以局部剖视的方式示出了驱动端轴承盖19连同起动小齿轮22的放大图。该起动小齿轮具有斜齿143，该斜齿设置在套筒状的突出部203的朝向齿圈25的端部上。该套筒状的突出部203是一种总共具有两个区段的管件。第一区段是在其轴向长度上设置有斜齿143的区段。第二区段是被套有内圈140的区段。该内圈140又具有三种结构，这三种结构具有不同的功能。这样在一侧设有夹紧面或者说夹紧导轨210，该夹紧导轨具有经加工处理的，优选地经过磨削的表面，夹紧件138被夹在该表面上。在朝向斜齿143的方向，可以看到凹陷部213，该凹陷部将夹紧导轨210与起动凸缘216隔开。
在此，内圈140被套到或者热压配合到套筒状的突出部203上，从而在套筒状的突出部203和内圈140之间产生摩擦连接。在通常的负荷条件下，这个内圈140不能从套筒状的突出部203上移出。然而内圈140也可以例如以材料连接的方式(焊接、钎焊)或者借助于轴-毂连接来固定。
起动凸缘216在此具有下列功能：如果借助于接通继电器16使起动小齿轮22朝向齿圈25的方向移动，并且被移入齿圈25的与起动小齿轮22的斜齿相匹配的或者说相互匹配的斜齿中，由此在起动的情况下，也就是在将起动小齿轮22的驱动扭矩传递到齿圈25上之后，在齿圈25和起动小齿轮22之间引起轴向力。这个轴向力使得起动小齿轮22通过其斜齿143将继续朝啮合方向运动。这个图2中向左的运动，最终使得齿圈25以其端面220贴靠到起动凸缘216或更具体地说其起动面223上。这个起动面223或者说起动凸缘216防止起动小齿轮22在齿圈25中的任意其它的轴向运动。因此公开了一种由起动装置10和内燃机组成的系统，其中该起动装置10具有起动小齿轮22，该起动小齿轮适用于啮合到内燃机的齿圈25中。齿圈25和起动小齿轮22分别设有相互匹配的斜齿143或240。在此，在起动小齿轮22上设有一种装置(起动凸缘216、起动面223)，该装置在起动过程中由于斜齿143、240从而吸收在齿圈25和起动小齿轮22之间作用的轴向力。
因此，除了起动小齿轮22的斜齿143之外还设有起动面223，该起动面实现了齿圈25的至少一个齿的贴靠。通过这个起动面223或者说这个起动凸缘216，作用在齿圈25和起动小齿轮22之间的轴向力被抵消，使得这个轴向力在齿部的外部，或更具体地说在起动小齿轮22的斜齿143和齿圈25的斜齿240包括在该斜齿240下面的短的径向区域在内和起动面223或者说起动凸缘216的外部不起作用。仅仅在这个相对窄的区域内部，材料应力是起作用的。在图2的设计方案中，也就是说通过将内圈140套到套筒状的突出部203上的设计方案，这两个区段同样被该陈述包括。换句话说，作用在起动凸缘216上的轴向力，自然地在内圈140和套筒状的突出部203之间的接合面中引起应力。所述应力通常不会进一步延伸。在齿圈25中由轴向力引起的应力作用在斜齿240上并且在斜齿240下面的窄的径向区域中产生作用。
如为了描述内圈140而已经所阐述的，这个内圈一体式地与起动面223或者说起动凸缘216连接，其中内圈140具有用于自由轮机构137的夹紧件138的滚动面或者说夹紧面或夹紧导轨210。起动小齿轮22借助于盘式弹簧或者盘式弹簧状的弹簧139被弹性地相对于外圈132支撑。
本发明规定，由内燃机和起动机组成的系统作为所谓的起停系统工作。这意味着，例如在红绿灯处或者在铁路交叉道口或堵车时为了燃料消耗优化，尽可能经常地以及有意义地将内燃机关闭。为此，在这种情况下，在曲轴或者说驱动轴的转速因为内燃机关闭而减小时，起动小齿轮22已啮合到内燃机的齿圈中。当通过操纵执行机构(例如油门踏板)传达起动愿望时，起动电动机才起动。
在起动机10的这种驱动方式中，特别是自由轮机构137的机械负荷特别地大且变热幅度特别地高。因此，为了达到预先规定的使用寿命，依据本发明规定，自由轮机构137的对磨损和变热要求最高的金属部件中的至少一个施有滑动和防磨损涂层。这些承受高负荷的部件特别地指外圈132、内圈140和例如示出的圆柱形自由轮滚子形式的夹紧件138。然而球状或者桶状的自由轮体也可以用作夹紧件138。因此在外圈132的内夹紧面212、夹紧件138的表面以及内圈140的外夹紧面210上涂有具有特别好的滑动特性和非常高的抗磨损特性的涂层，以确保自由轮机构137的最优的和长期的良好的滑动特性和耐磨特性。在此，接下来，以附图标记242表示在外圈132的内侧面上的涂层，以附图标记244表示在内圈140的外侧面上的涂层以及用附图标记246表示在夹紧件138上的涂层。
图3以对应于图2中剖切线Ⅲ-Ⅲ的剖视图示出了自由轮机构137。在此，相同的部件用与在图2中相同的附图标记表示。该视图在上半部分清楚示出了用于容纳夹紧件138以及螺旋弹簧250的凹部248的形状，该螺旋弹簧在自由轮的静止状态下对夹紧件施加预应力并且将该夹紧件压入在外圈132的滑动弯曲部252和内圈140的表面之间的凹部248的变窄部位中。在所谓的自由轮滚子上形成的夹紧角在此很小，从而使从动轴116通过内圈140在起动电动机13起动时立即一起转动。在图3的下半部分中，可以看到起动小齿轮22的以已知的方式实施的斜齿240。
涂层242、244和246通常以相同的方式被实施为具有0.02至1的摩擦系数(μ)，优选为0.04至0.5，并且具有在2和10μm之间的层厚。然而原则上当应针对性地考虑到不同的负荷时，也可以为外圈132的滚动面和内圈140的滚动面以及为夹紧件138的表面选择不同的涂层。这些不同的负荷可能例如由于不同的滚子半径以及由于用于制造自由轮机构137各个单独部件的不同材料而产生。
用于在外圈132上的、在内圈140上的和在夹紧件138上的摩擦面和滑动面的优选的涂层由层厚为5至10μm的电镀沉降的硬铬涂层和额外施加的固体润滑剂。聚四氟乙烯(PTFE)特别适合作为这种固体润滑剂，因为聚四氟乙烯非常耐高温且在自由轮机构工作中允许直至大约250℃的温度。例如由PTFE或者MoS2制成的这种固体润滑剂不仅可以作为分散相置入在涂层242、244和/或246中，或者也可以作为附加的层与基层共同构成涂层。
作为电镀沉降的涂层的替代，可以以化学的方式沉降出涂层242、244和/或246例如作为镍磷涂层，为了提高耐磨性附加地还可以在该涂层中置入非金属硬质材料微粒，优选地为SiC、B4C、Se3N4和/或DLC(类金刚石碳)微粒。然而类金刚石碳涂层(DLC-Schicht)也可以作为单独的涂层构成涂层242、244和/或246并且通过等离子辅助的PVD和/或CVD工艺在最高大约250℃的温度下被施加。
在依据本发明涂层之前，通过已知的方式机械地将自由轮机构137的要涂层的金属部件平整，优选地通过磨削和/或抛光。附加地，以原则上同样已知的方法通过热处理实现对部件的硬化。省去了在传统的起动机中用于改进滑动特性和用于减少磨损的润滑油脂。

Claims (12)

1.一种用于内燃机的起动机(10)，所述起动机具有带有驱动轴(44)的起动电动机(13)，该驱动轴能够通过自由轮机构(137)与起动小齿轮(22)联接，其特征在于，所述自由轮机构(137)的能相对彼此运动的金属部件(132、138、140)中的至少一个上设有滑动和防磨损的涂层(242、244、246)。
2.如权利要求1所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、246)的摩擦系数(μ)为0.02至1，优选地为0.04至0.5。
3.如权利要求1或2所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、246)由电镀沉降的硬铬涂层和固体润滑剂组成。
4.如上述权利要求中的任意一项所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、246)的厚度为2至10μm。
5.如上述权利要求中的任意一项所述的起动机，其特征在于，在所述涂层(242、244、246)中置入作为分散相的固体润滑剂。
6.如权利要求1或2所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、246)通过基层和另一具有置入物的层而具有至少两个单独涂层，所述置入物由固体润滑剂，优选由PTFE(聚四氟乙烯、特氟隆)或者由MoS2(二硫化钼)制成。
7.如权利要求1或2所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、246)由化学沉积出的镍磷涂层组成。
8.如权利要求1或2所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、26)由具有置入的非金属硬质材料微粒的镍磷涂层组成，所述非金属硬质材料微粒优选地由SiC(碳化硅)和/或B4C(碳化硼)和/或Se3N4(氮化硅)和/或DLC(类金刚石碳)制成。
9.如权利要求1或2所述的起动机，其特征在于，所述涂层(242、244、246)由DLC(类金刚石碳)涂层组成。
10.如权利要求9所述的起动机，其特征在于，所述DLC涂层通过等离子辅助的PVD/CVD工艺在低于250℃的温度下被施加。
11.如上述权利要求中的任意一项所述的起动机，其特征在于，所述自由轮机构(137)的要涂层的金属部件(132、138、140)通过热处理硬化。
12.如上述权利要求中的任意一项所述的起动机，其特征在于，所述自由轮机构(137)的要涂层的金属部件(132、138、140)以机械的方式，优选地通过磨削和/或抛光被平整。
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