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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein System aus einer Startvorrichtung und einer
Brennkraftmaschine, eine Startvorrichtung sowie eine Brennkraftmaschine,
wobei die Startvorrichtung ein Andrehritzel aufweist, das dazu geeignet
ist, in ein Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingespurt zu werden.
Sowohl der Zahnkranz der Brennkraftmaschine als auch das Andrehritzel
der Startvorrichtung ist jeweils mit einer Schrägverzahnung
versehen, die auf das jeweils andere Zahnrad (Zahnkranz oder Andrehritzel)
abgestimmt ist. Aus der britischen Patentschrift
GB 151454 ist beispielsweise ein System
aus einer Startvorrichtung und einer Brennkraftmaschine bekannt, bei
der das Andrehritzel und auch der Zahnkranz der Brennkraftmaschine
jeweils eine aufeinander abgestimmte Schrägverzahnung aufweisen.
Das Andrehritzel wird dort mittels eines elektromagnetisch betätigten
Schiebers in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingeschoben und
liegt im Betriebszustand an einem Lagerschild der Startvorrichtung
an. Die im Betrieb zwischen den beiden Zahnrädern wirkenden
Axialkräfte werden daher einerseits auf das Lageschild
und andererseits auf die Brennkraftmaschine übertragen.
Nachteilig ist hierbei, dass sowohl das Lagerschild und auch das
Ritzel einer erhöhten Reibung ausgesetzt sind, so dass
an dieser Stelle ein erhöhter Verschleiß auftreten
dürfte. Des Weiteren führt die Belastung des Zahnkranzes
durch die Axialkraft zu einem Biegemoment im Zahnkranz und auch zu
einer Momentenbelastung, beispielsweise im nächstgelegenen
Kurbelwellenlager.
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Aus
der
US-Patentschrift US 1,594,825 ist ebenfalls
ein System aus einer Startvorrichtung und einer Brennkraftmaschine
bekannt (siehe dort
3 und
5),
wobei die Startvorrichtung ein schräg verzahntes Andrehritzel
und auch der Zahnkranz schräg verzahnt ist. Zur Kompensation
der zwischen den beiden Zahnrädern wirkenden Axialkräften
ist seitens der Startvorrichtung vorgesehen, dass ein „Stoppkragen"
einerseits eine Weiterbewegung des Andrehritzels verhindert und
andererseits die auf das Ritzel wirkende Axialkraft aufgenommen
wird. Diese Lösung birgt den Nachteil von Verschleiß zwischen dem
Andrehritzel und dem Stoppkragen, wie auch bereits bei der zuvor
vorgestellten Lösung. Desweiteren führt diese
Lösung zu einer zusätzlichen Belastung des maulartigen
Gehäuses der Startvorrichtung, welches hier sowohl das
Andrehritzel als auch den Zahnkranz partiell überdeckt.
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Weiterhin
ist sowohl aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2002-257016 als auch aus der
JP 2002-130097 jeweils
eine Startvorrichtung bekannt, bei der mittels eines Stoppkragens
die auf das Andrehritzel wirkende Axialkraft aufgenommen wird. Gleiches
gilt auch für die aus der Offenbarung der
DE 102 90 004 T5 bekannten
Startvorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorgeschlagenen Lösung wird angestrebt, dass die zwischen
dem Andrehritzel und dem Zahnkranz wirkenden Axialkräfte
nicht durch die Antriebswelle abgestützt wird, bzw. der
Zahnkranz kein Biegemoment auf die Kurbelwelle bewirkt. Bei einem System
aus Startvorrichtung und Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 ergibt sich der Vorteil, dass die geschilderten
Nachteile der bekannten Lösungen vermieden werden. Die
Axialkraftbelastung verbleibt im engen Bereich ihrer Entstehung,
nämlich im Andrehritzel bzw. der unmittelbar an das Andrehritzel
grenzenden Umgebung bzw. im Zahnkranz und der Schrägverzahnung
des Zahnkranzes bzw. deren unmittelbaren Umgebung. Im Idealfall
führt die Ausgestaltung des Systems gemäß dem
Anspruch 1 dazu, dass lediglich zwei Bauteile belastet werden, nämlich
das Andrehritzel mit einer die Axialkraft des Zahnkranzes abstützenden
Anlauffläche und andererseits der Zahnkranz. Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch
1 würde die Axialkraft des Ritzels durch eine am Zahnkranz
angeordnete Anlauffläche aufgenommen werden. Durch die
vorgeschlagenen Maßnahmen wird somit eine Axialkraft auf
den Zahnkranz vermieden, wodurch sich dieser Zahnkranz bzw. das
Schwungrad (an dem üblicherweise der Zahnkranz befestigt
ist) nicht einer zusätzlichen Biegebelastung unterworfen
werden. Daher unterbliebe auch eine schädigende Wirkung
auf die Lager, welche die Kurbelwelle bzw. Motorwelle stützen,
an der üblicherweise das Schwungrad bzw. der Zahnkranz
mittelbar oder unmittelbar befestigt ist. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die auf
Seiten des Andrehritzels befindliche Anlauffläche einstückig
mit dem Andrehritzel verbunden ist. Dies würde bedeuten,
dass sowohl die Schrägverzahnung des Andrehritzels als auch
die Anlauffläche einstückig hergestellt würde. Dies
ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Andrehritzel mit der
Anlauffläche durch einen gemeinsamen Sinterprozess hergestellt
würde. Ein anderes Herstellungsverfahren für ein
Ritzel mit einer Anlauffläche wäre beispielsweise
Fließpressen. In beiden Fällen läge ein
einstückiges Teil vor, welches kostensparend erzeugt wäre.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Andrehritzel
mit einer rohrartigen Verlängerung einen Sitz für
den Innenring eines Freilaufs des Starters bildet. Dabei ist vorgesehen,
dass der Innenring des Freilaufs einstückig mit der Anlauffläche
ausgebildet ist. Der Innenring des Freilaufs bildet somit mit seiner
hülsenartigen Gestalt mit der Anlauffläche ein
einstückiges, integrales Teil. Der Innenring weist dabei
eine Lauffläche für Klemmkörper des Freilaufs
auf.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Härte der Anlauffläche
zwischen HRC 57 und 64 ist.
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Die
Schrägverzahnung des Andrehritzels, das heißt
die Wälzfläche, soll eine Härte zwischen HRC
57 und 64 aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für das Längenverhältnis
von axialer Länge der Schrägverzahnung des Andrehritzels
zu axialer Länge des Anlaufkragens ein Wertebereich zwischen
3,4 und 12, vorzugsweise zwischen 4,2 und 8,3, idealerweise von
5,9 +/– 0,9 vorgesehen. Dies ist insofern von Vorteil,
als dass dadurch eine gute Abstützung der Axialkräfte
zwischen den beiden Zahnrädern erfolgt. Diese Verhältnisangaben
sind das Ergebnis eines Kompromisses zwischen möglichst
kurzer Länge des Starters und guter bzw. ausreichend guter
Abstützung der Axialkräfte.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Längenverhältnis
von axialer Länge der Schrägverzahnung des Andrehritzels
und einer über einen Eingriffsbereich der Schrägverzahnung des
Andrehritzels stehende radiale Höhe des Anlaufkragens zwischen
6,3 und 2, vorzugsweise zwischen 4,2 und 2,5, idealerweise 3,1 +/– 0,4
vorgesehen. Dieses Verhältnis ist insofern von Bedeutung,
als dass dieses repräsentativ ist für einen Kompromiss zwischen
zulässiger axialer Pressung infolge der Axialkräfte
und andererseits einem maximal zulässigen Biegemoment im
Anlaufkragen. Desweiteren spielt eine Rolle, inwieweit der axiale
Versatz zwischen Andrehritzel und Zahnkranz toleriert ist.
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Bezüglich
des Andrehritzels soll zwischen den Zähnen seiner Schrägverzahnung,
d. h. zwischen diesen Zähnen und dem Übergangsbereich zum
Anlaufkragen eine kegelige Übergangsfläche (Fase)
vorhanden sein. Diese Übergangsfläche verbessert
ebenfalls die Biegebelastung des Andrehritzels. Idealerweise ist
die Übergangsfläche zur Achse des Andrehritzels
mit einem Winkel zwischen 25° und 10° geneigt,
besonders bevorzugt wird ein Wert um 15°.
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Es
ist vorgesehen, dass der Zahnkranz bzw. dessen Verzahnung eine auf
die kegelige Übergangsfläche (Fase) abgestimmte
kegelige Übergangsfläche (Fase) an seinen Zähnen
aufweist. Dies führt dazu, dass auch in der Nähe
des Zahngrunds des Andrehritzels ein Teil der Axialkraft übertragen wird.
Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil in diesem Bereich die
Relativbewegung zwischen Zahnkranz und Andrehritzel besonders niedrig
und somit potentieller Verschleiß weitgehend vermieden werden
kann.
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Es
wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung angestrebt,
dass der Anlaufkragen auch radial innerhalb des Teilkreisdurchmessers
des Andrehritzels eben ist, um dort keine radial ausgerichteten
Kräfte zwischen Zahnkranz und Andrehritzel zu erzeugen.
Derartige Kräfte würden den ohnehin komplexen
Spannungszustand in den Zahngründen des Andrehritzels weiter
verschlechtern, so dass die vorgesehene Ausgestaltung zu einem verbesserten,
weniger komplexen Spannungszustand führt und dadurch das
Andrehritzel bei geringerem Materialeinsatz an dieser Stelle höher
belastbar ist.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Startvorrichtung eine Antriebswelle aufweist,
die keinen Anschlag fürs Andrehritzel trägt.
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Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher
erläutert:
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Es
zeigen:
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1 eine
Startvorrichtung in einem Längsschnitt,
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2 ausschnittweise
eine Vergrößerung des Antriebslagerschilds mit
dem Andrehritzel nach einer ersten Ausführungsform,
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3a ein
Ausspurgetriebe mit einem Andrehritzel nach einer zweiten Ausführungsform,
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3b das
Andrehritzel nach 3a mit zwischen den Zähnen
und dem Übergangsbereich zum Anlaufkragen kegeliger Übergangsfläche
(Fase),
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3c eine
einstückiges Andrehritzel mit zwischen den Zähnen
und dem Übergangsbereich zum Anlaufkragen ebener Übergangsfläche,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Zahnkranz mit einem
montierten Anlaufkragen versehen ist,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Zahnkranz mit einem
Anlaufkragen versehen ist, der einstückig mit der Schrägverzahnung
ausgeführt ist,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Zahnkranz und das
Andrehritzel mit einem Anlaufkragen versehen sind,
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel, wobei Axialkräfte
an der Brennkraftmaschine abgestützt werden,
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8 eine
schematische Darstellung eines Systems aus Brennkraftmaschine und
Startvorrichtung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
eine Startvorrichtung in einem Längsschnitt. In der 1 ist
eine Startvorrichtung 10 dargestellt. Diese Startvorrichtung 10 weist
beispielsweise einen Startermotor 13 und ein Einrückrelais 16 auf.
Der Startermotor 13 und das Einrückrelais 16 sind
an einem gemeinsamen Antriebslagerschild 19 befestigt.
Der Startermotor 13 dient funktionell dazu, ein Andrehritzel 22 anzutreiben,
wenn es im Zahnkranz 25 der hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine
eingespurt ist.
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Der
Startermotor 13 weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf,
das an seinem Innenumfang Polschuhe 31 trägt,
die jeweils von einer Erregerwicklung 34 umwickelt sind.
Die Polschuhe 31 umgeben wiederum einen Anker 37,
der ein aus Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket und eine
in Nuten 46 angeordnete Ankerwicklung 49 aufweist.
Das Ankerpaket 43 ist auf eine Antriebswelle 44 aufgepresst.
An dem Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 13 ist
des weiteren ein Kommutator 52 angebracht, der u. a. aus
einzelnen Kommutatorlamellen 55 aufgebaut ist. Die Kommutatorlamellen 55 sind
in bekannter Weise mit der Ankerwicklung 49 derartig elektrisch
verbunden, dass sich bei Bestromung der Kommutatorlamellen 55 durch
Kohlebürsten 58 eine Drehbewegung des Ankers 37 im
Polrohr 28 ergibt. Eine zwischen dem Einspurrelais 16 und
dem Startermotor 13 angeordnete Stromzuführung 61 versorgt
im Einschaltzustand sowohl die Kohlebürsten 58 als
auch die Erregerwicklung 34 mit Strom. Die Antriebswelle 13 ist
kommutatorseitig mit einem Wellenzapfen 64 in einem Gleitlager 67 abgestützt,
welches wiederum in einem Kommutatorlagerdeckel 70 ortsfest
gehalten ist. Der Kommutatordeckel 70 wiederum wird mittels
Zuganker 73, die über den Umfang des Polrohrs 28 verteilt
angeordnet sind (Schrauben, beispielsweise 2, 3 oder 4 Stück)
im Antriebslagerschild 19 befestigt. Es stützt
sich dabei das Polrohr 28 am Antriebslagerschild 19 ab,
und der Kommutatorlagerdeckel 70 am Polrohr 28.
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In
Antriebsrichtung schließt sich an den Anker 37 ein
sogenanntes Sonnenrad 80 an, das Teil eines Planetengetriebes 83 ist.
Das Sonnenrad 80 ist von mehreren Planetenrädern 86 umgeben, üblicherweise
3 Planetenräder 37, die mittels Wälzlager 89 auf
Achszapfen 92 abgestützt sind. Die Planetenräder 37 wälzen
in einem Hohlrad 95 ab, das im Polrohr 28 außenseitig
gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich
an die Planetenräder 37 ein Planetenträger 98 an,
in dem die Achszapfen 92 aufgenommen sind. Der Planetenträger 98 wird
wiederum in einem Zwischenlager 101 und einem darin angeordneten
Gleitlager 104 gelagert. Das Zwischenlager 101 ist
derartig topfförmig gestaltet, dass in diesem sowohl der
Planetenträger 98, als auch die Planetenräder 86 aufgenommen
sind. Desweiteren ist im topfförmigen Zwischenlager 101 das
Hohlrad 95 angeordnet, das letztlich durch einen Deckel 107 gegenüber
dem Anker 37 geschlossen ist. Auch das Zwischenlager 101 stützt
sich mit seinem Außenumfang an der Innenseite des Polrohrs 28 ab.
Der Anker 37 weist auf dem vom Kommutator 52 abgewandten Ende
der Antriebswelle 13 einen weiteren Wellenzapfen 110 auf,
der ebenfalls in einem Gleitlager 113 aufgenommen ist,
ab. Das Gleitlager 113 wiederum ist in einer zentralen
Bohrung des Planetenträgers 98 aufgenommen. Der
Planetenträger 98 ist einstückig mit
der Abtriebswelle 116 verbunden. Diese Abtriebswelle ist
mit ihrem vom Zwischenlager 101 abgewandten Ende 119 in
einem weiteren Lager 122, welches im Antriebslagerschild 19 befestigt
ist, abgestützt. Die Abtriebswelle 116 ist in
verschiedene Abschnitte aufgeteilt: So folgt dem Abschnitt, der
im Gleitlager 104 des Zwischenlagers 101 angeordnet ist,
ein Abschnitt mit einer sogenannten Geradverzahnung 125 (Innenverzahnung),
die Teil einer sogenannten Wellen-Nabe-Verbindung ist. Diese Welle-Nabe-Verbindung 128 ermöglicht
in diesem Fall das axial geradlinige Gleiten eines Mitnehmers 131. Dieser
Mitnehmer 131 ist ein hülsenartiger Fortsatz, der
einstückig mit einem topfförmigen Außenring 132 des
Freilaufs 137 ist. Dieser Freilauf 137 (Richtgesperre)
besteht des Weiteren aus dem Innenring 140, der radial
innerhalb des Außenrings 132 angeordnet ist. Zwischen
dem Innenring 140 und dem Außenring 132 sind
Klemmkörper 138 angeordnet. Diese Klemmkörper 138 verhindern
in Zusammenwirkung mit dem Innen- und dem Außenring eine
Relativdrehung zwischen dem Außenring und dem Innenring
in einer zweiten Richtung. Mit anderen Worten: Der Freilauf 137 ermöglicht
eine Relativbewegung zwischen Innenring 140 und Außenring 134 nur
in eine Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der
Innenring 140 einstückig mit dem Andrehritzel 22 und dessen
Schrägverzahnung 143 (Außenschrägverzahnung)
ausgeführt.
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Der
Vollständigkeit halber sei hier noch auf den Einspurmechanismus
eingegangen. Das Eindrückrelais 16 weist einen
Bolzen 150 auf, der ein elektrischer Kontakt ist und der
an den Pluspol einer elektrischen Starterbatterie, die hier nicht
dargestellt ist, angeschlossen ist. Dieser Bolzen 150 ist
durch einen Relaisdeckel 153 hindurchgeführt.
Dieser Relaisdeckel 153 schließt ein Relaisgehäuse 156 ab, das
mittels mehrerer Befestigungselemente 159 (Schrauben) am
Antriebslagerschild 19 befestigt ist. Im Einrückrelais 16 ist
weiterhin eine Einzugswicklung 162 und eine sogenannte
Haltewicklung 165 angeordnet. Die Einzugswicklung 162 und
die Haltewicklung 165 bewirken beide jeweils im eingeschalteten
Zustand ein elektromagnetisches Feld, welches sowohl das Relaisgehäuse 156 (aus
elektromagnetisch leitfähigem Material), einen linear beweglichen Anker 168 und
einen Ankerrückschluss 171 durchströmt.
Der Anker 168 trägt eine Schubstange 174, die
beim linearen Einzug des Ankers 168 in Richtung zu einem
Schaltbolzen 177 bewegt wird. Mit dieser Bewegung der Schubstange 174 zum
Schaltbolzen 177 wird dieser aus seiner Ruhelage in Richtung
zu zwei Kontakten 180 und 181 bewegt, so dass
eine am zu den Kontakten 180 und 181 Ende des
Schaltbolzens 177 angebrachte Kontaktbrücke 184 beide Kontakte 180 und 181 elektrisch
miteinander verbindet. Dadurch wird vom Bolzen 150 elektrische
Leistung über die Kontaktbrücke 184 hinweg
zur Stromzuführung 61 und damit zu den Kohlebürsten 58 geführt.
Der Startermotor 13 wird dabei bestromt.
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Das
Einrückrelais 16 bzw. der Anker 168 hat aber
darüber hinaus auch die Aufgabe, mit einem Zugelement 187 einen
dem Antriebslagerschild 19 drehbeweglich angeordneten Hebel
zu bewegen. Dieser Hebel 190, üblicherweise als
Gabelhebel ausgeführt, umgreift mit zwei hier nicht dargestellten „Zinken"
an ihrem Außenumfang zwei Scheiben 193 und 194,
um einen zwischen diesen eingeklemmten Mitnehmerring 197 zum
Freilauf 137 hin gegen den Widerstand der Feder 200 zu
bewegen und dadurch das Andrehritzel 22 in dem Zahnkranz 25 einzuspuren.
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2 zeigt
ausschnittweise eine Vergrößerung des Antriebslagerschilds 19 mit
dem Andrehritzel 22. 2 zeigt
dabei die Schrägverzahnung 143, die am zum Zahnkranz 25 gerichteten
Ende eines hülsenartigen Fortsatzes 203 angeordnet
ist. Dieser hülsenartige Fortsatz 203 stellt eine
Art Rohr dar, das insgesamt zwei Abschnitte aufweist. Ein erster
Abschnitt ist jener, auf dessen axialer Länge die Schrägverzahnung 143 angebracht
ist. Der zweite Abschnitt ist jener, auf dem der Innenring 140 aufgeschoben ist.
Dieser Innenring 140 wiederum weist drei Konturen auf,
die unterschiedliche Funktionen aufweisen. So ist einerseits eine
Klemmfläche bzw. Klemmbahn 210 vorhanden, die
eine bearbeitete, vorzugsweise geschliffene Oberfläche
aufweist, auf der die Klemmkörper 138 angeklemmt
werden. In Richtung zur Schrägverzahnung 143 ist
ein Absatz 213 erkennbar, der die Klemmbahn 210 von
einem Anlaufkragen 216 trennt.
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Der
Innenring 140 ist dabei auf den hülsenartigen
Fortsatz 203 aufgeschoben bzw. aufgeschrumpft, so dass
eine reibschlüssige Verbindung zwischen dem hülsenartigen
Fortsatz 203 und dem Innenring 140 besteht. Unter üblichen
Belastungsbedingungen ist dieser Innenring 140 vom hülsenartigen
Fortsatz 203 nicht wegschiebbar. Der Innenring 140 kann
aber auch beispielsweise stoffschlüssig (Schweißen,
Löten) oder mittels einer Welle-Nabe-Verbindung befestigt
sein.
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Der
Anlaufkragen 216 hat dabei folgende Funktion: Wird mittels
des Einrückrelais 16 das Andrehritzel 22 in
Richtung zum Zahnkranz 25 geschoben und an die Schrägverzahnung
des Andrehritzels 22 angepasste bzw. aufeinander abgestimmte Schrägverzahnung
des Zahnkranzes 25 eingeschoben, so wird im Andrehfall,
also nach dem Übertragen eines Antriebsmomentes vom Andrehritzel 22 auf
den Zahnkranz 25 eine Axialkraft zwischen den Zahnkranz 25 und
dem Andrehritzel 22 bewirkt. Diese Axialkraft wirkt derartig,
dass das Andrehritzel 22 mit seiner Schrägverzahnung 143 weiter
in Richtung „Einspuren" bewegt werden will. Bei dieser
in 2 Linksbewegung führt dies letztlich
dazu, dass der Zahnkranz 25 mit seiner Stirnfläche 220 am
Anlaufkragen 216 bzw. dessen Anlauffläche 223 zur
Anlage gelangt. Diese Anlauffläche 223 bzw. der
Anlaufkragen 216 verhindert dann weitere axiale Bewegung des
Andrehritzels 22 in dem Zahnkranz 25. Es ist somit
ein System aus Startvorrichtung 10 und Brennkraftmaschine
offenbart, wobei die Startvorrichtung 10 ein Andrehritzel 22 aufweist,
das dazu geeignet ist, in einen Zahnkranz 25 der Brennkraftmaschine eingespurt
zu werden. Sowohl der Zahnkranz 25 als auch das Andrehritzel 22 sind
jeweils mit einer aufeinander abgestimmten Schrägverzahnung 143 bzw. 240 versehen.
Am Andrehritzel 22 ist dabei ein Mittel (Anlaufkragen 216,
Anlauffläche 223) vorhanden, das bei einem Startvorgang
aufgrund der Schrägverzahnung 143, 240 zwischen
dem Zahnkranz 25 und dem Andrehritzel 22 wirkende
Axialkräfte aufnimmt.
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Neben
der Schrägverzahnung 143 des Antriebritzels 22 ist
damit eine Anlauffläche 223 vorhanden, die eine
Anlage mindestens eines Zahns des ermöglicht. Durch diese
Anlauffläche 223 bzw. diesen Anlaufkragen 216 können
zwischen dem Zahnkranz 25 und dem Andrehritzel 22 wirkende
Axialkräfte derart aufgehoben werden, dass diese Axialkräfte
außerhalb der Verzahnung bzw. Schrägverzahnung 143 des
Andrehritzels 22 und der Schrägverzahnung 240 incl.
eines kurzen radialen Bereichs unterhalb der Schrägverzahnung 240 des
Zahnkranzes 25 und der Anlauffläche 223 bzw.
dem Anlaufkragen 216 nicht wirksam werden. Nur innerhalb
dieses relativ engen Bereichs werden Materialspannungen wirksam.
Im Falle der Ausgestaltung nach 2, das heißt
mit der Gestaltung, wonach der Innenring 140 auf den hülsenartigen
Fortsatz 203 aufgeschoben ist, sind diese beiden Abschnitte
ebenfalls von dieser Aussage umfasst. Mit anderen Worten: Eine Axialkraft,
die auf den Anlaufkragen 216 wirkt, führt naturgemäß zu
Spannungen in der Fügefläche zwischen dem Innenring 140 und
dem hülsenartigen Fortsatz 203. Die Spannungen
setzen sich sonst nicht weiter fort. Beim Zahnkranz 25 wirken
die durch die Axialkraft hervorgerufenen Spannungen auf die Schrägverzahnung 240 und
in einem engen radialen Bereich unterhalb der Schrägverzahnung 240.
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Wie
bereits erwähnt, sind das Andrehritzel 22 und
die Anlauffläche 223 bzw. der Anlaufkragen 216 miteinander
montiert, das heißt miteinander gefügt.
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Wie
bereits zur Beschreibung des Innenrings 140 erläutert,
ist dieser einstückig mit der Anlauffläche 223 bzw.
dem Anlaufkragen 216 verbunden, wobei der Innenring 140 eine
Lauffläche bzw. Klemmfläche oder Klemmbahn 210 für
Klemmkörper 138 des Freilaufs 137 ausgeführt
ist.
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Das
Andrehritzel 22 ist mittels einer Tellerfeder oder tellerfederartigen
Feder 139 gegenüber dem Außenring 134 federnd
abgestützt.
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Für
diese Erfindung ist vorgesehen, dass die Startvorrichtung 10 eine
Antriebswelle 116 aufweist, wobei diese keinen Anschlag
für das Andrehritzel 22 aufweist.
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3a zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel des Andrehritzels 22 mit
dem Anlaufkragen 216 bzw. der Anlauffläche 223.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist
das Andrehritzel 22 derartig einstückig ausgeführt,
dass dieses eine einteilige Kombination aus Andrehritzel 22,
Anlaufkragen 216 bzw. Anlauffläche 223 und
Klemmbahn 210 darstellt.
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Für
die Anlauffläche 223 ist – ob in einteiliger oder
zweiteiliger bzw. mehrteiliger Ausführung mit dem Andrehritzel 22 – ein
Härtewert von mindestens HRC 57 bis 64 vorgesehen. Für
die Schrägverzahnung 143 des Andrehritzels 22 ist
eine Härte von HRC 57 bis 64 vorgesehen. Die beiden genannten Härteangaben
beziehen sich sowohl auf die Ausführungen in einteiliger
Bauweise als auch auf die Ausführungen in mehrteiliger
Bauweise. Die Härtewerte gelten auch für die verschiedenen
Ausführungen des Zahnkranzes 25, sofern ein Härten
erforderlich ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bezüglich
des Andrehritzels 22 und dem Anlaufkragen 216 bestimmte Längenverhältnisse
erfüllt sind. Hierzu ist beispielsweise gefordert, dass
das Längenverhältnis von axialer Länge
L143 der Schrägverzahnung 143 des
Andrehritzels 22 zu axialer Länge L216 des
Anlaufkragens 216 zwischen 3,4 und 12, vorzugsweise zwischen
4,2 und 8,3, idealerweise 5,9 +/– 0,9 beträgt. Desweiteren
wird ein Längenverhältnis von axialer Länge
L143 der Schrägverzahnung 143 des
Andrehritzels 22 und einer über einen Eingriffsbereich
der Schrägverzahnung 143 des Andrehritzels 32 stehende
radiale Höhe H216 des Anlaufkragens 216 zwischen
6,3 und 2, vorzugsweise zwischen 4,2 und 2,5, idealerweise 3,1 +/– 0,4
beträgt.
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3b zeigt
das Andrehritzel 22 nach 3a mit
zwischen den Zähnen und dem Übergangsbereich zum
Anlaufkragen 216 kegeliger Übergangsfläche 224 (Fase).
Diese Übergangsfläche verbessert ebenfalls die
Biegebelastung des Andrehritzels. Idealerweise ist die Übergangsfläche
zur Achse 225 des Andrehritzels mit einem Winkel α zwischen 25° und
10° geneigt, besonders bevorzugt wird ein Wert um 15°.
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Es
ist vorgesehen, dass der Zahnkranz bzw. dessen Verzahnung eine auf
die kegelige Übergangsfläche (Fase) abgestimmte
kegelige Übergangsfläche (Fase) an seinen Zähnen
aufweist. Das heißt, dass die zum Andrehritzel 22 gerichtete
Fläche der Zähne ebenfalls konisch ist. Dies führt
dazu, dass auch in der Nähe des Zahngrands des Andrehritzels ein
Teil der Axialkraft übertragen wird. Dies ist insbesondere
deshalb wichtig, weil in diesem Bereich die Relativbewegung zwischen
Zahnkranz und Andrehritzel besonders niedrig und somit potentieller Verschleiß weitgehend
vermieden werden kann. Diese Fläche ist damit besonders
vorteilhaft nutzbar.
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Es
wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß 3c angestrebt,
dass der Anlaufkragen auch radial innerhalb des Teilkreisdurchmessers 280 des
Andrehritzels eben ist, um dort keine radial ausgerichteten Kräfte
zwischen Zahnkranz und Andrehritzel zu erzeugen. Derartige Kräfte
würden den ohnehin komplexen Spannungszustand in den Zahngründen
des Andrehritzels weiter verschlechtern, so dass die vorgesehene
Ausgestaltung zu einem verbesserten, weniger komplexen Spannungszustand
führt und dadurch das Andrehritzel bei geringerem Materialeinsatz
an dieser Stelle höher belastbar ist.
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Diese
Gestaltung ist ggf. gleichfalls auch umgekehrt auf den Zahnkranz 25 anwendbar.
Dies bezieht sich auf den Zwischenraum zwischen den Zähnen
der Schrägverzahnung des Zahnkranzes 25 für den
Fall, dass dieser den Anlaufkragen 243 aufweist. D. h.
der Anlaufkragen ist dann auch so konisch bzw. eben auszuführen.
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In 4 ist
ausschnittweise ein Antriebsritzel 22 der Startvorrichtung 10 und
ein Zahnkranz 25 der Brennkraftmaschine dargestellt. Der
Zahnkranz 25 weist, wie auch das Andrehritzel 22,
die bereits erwähnten Schrägverzahnungen 240 auf.
Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen weist
das Andrehritzel hier jedoch keine Anlauffläche 223 bzw.
keinen Anlaufkragen 216 auf. Vielmehr übernimmt
in diesem Fall der Zahnkranz 25 die Abstützung
der Axialkraft mit einem Anlaufkragen 243, der eine Anlauffläche 246 aufweist,
die in axialer Richtung orientiert ist und somit dem eingespurten Andrehritzel 22 eine
Abstützung der Axialkräfte bietet. Der Anlaufkragen 243 kann
auf unterschiedlichste Art und Weise am Zahnkranz 25 befestigt
sein. So kommt beispielsweise neben stoffschlüssigen Fertigungsverfahren
wie Schweißen oder Löten auch beispielsweise das
Befestigen mittels Bolzen 244 (Nieten, Schrauben) in Frage.
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4 zeigt
ausschnittweise ein System aus Startvorrichtung 10 und
Brennkraftmaschine, wobei die Startvorrichtung 10 ein Andrehritzel 22 aufweist, das
dazu geeignet ist, in einen Zahnkranz 25 der Brennkraftmaschine
eingespurt zu werden, wobei der Zahnkranz 25 als auch das
Andrehritzel 22 jeweils mit einer aufeinander abgestimmten
Schrägverzahnung 143, 240 versehen sind.
In diesem Ausführungsbeispiel sind am Zahnkranz 25 Mittel
(Anlauffläche 246, Anlaufkragen 243),
die bei einem Startvorgang auf Grund der Schrägverzahnung 143, 240 zwischen
dem Zahnkranz 25 und dem Andrehritzel 22 wirkende
Axialkräfte aufnehmen.
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Dem
gemäß weist der Zahnkranz 25 neben der
Schrägverzahnung 240 eine Anlauffläche 246 auf,
die eine Anlage mindestens eines Zahns des Andrehritzels 22 ermöglicht
und dadurch zwischen dem Zahnkranz 25 und dem Andrehritzel 22 wirkende
Axialkräfte aufgehoben werden können.
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5 zeigt
in Abwandlung des Ausführungsbeispiels 4 eine
Schrägverzahnung 240, die einstückig
mit einem Anlaufkragen 243 und dessen Anlauffläche 246 ausgebildet
ist. Dieses einstückige Teil ist ebenso wie nach 4 mittels
Schrauben, Nieten oder sonstigen Herstellungsverfahren wie Schweißen
etc. verbindbar.
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6 zeigt
eine Kombination aus einem Zahnkranz 25 und einem Andrehritzel 22,
wobei in diesem Fall beide Zahnräder jeweils einen Anlaufkragen 216 bzw. 243 aufweisen.
Die axiale Länge des Zahnkranzes 25 und die axiale
Länge des Andrehritzels 22 sind derart aufeinander
abgestimmt, dass spätestens nach dem Einlaufen (geringfügige
Abnutzung) beider Zahnräder beide Anlaufkragen 216 bzw. 243 jeweils
am Zahn des anderen Zahnrades zur Anlage kommen. In diesem Fall
ist dann die Biegebelastung des Anlaufkragens 216 sowohl
auf das Andrehritzel 22 als auch auf den Anlaufkragen 243 des Zahnkranzes 25 verteilt.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 6 zeigt somit
ein System aus Startvorrichtung 10 und Brennkraftmaschine,
wobei die Startvorrichtung 10 ein Andrehritzel 22 aufweist,
das dazu geeignet ist, in einen Zahnkranz 25 der Brennkraftmaschine
eingespurt zu werden, wobei sowohl der Zahnkranz 25 als
auch das Andrehritzel 22 jeweils mit einer aufeinander
abgestimmten Schrägverzahnung 143, 240 versehen sind.
Es ist in diesem Fall so, dass sowohl das Andrehritzel 22 und
auch der Zahnkranz 25 Mittel (Anlaufkragen 216 und 243)
aufweist, die bei einem Startvorgang auf Grund der Schrägverzahnung 143, 240 zwischen
dem Zahnkranz 25 und dem Andrehritzel 22 wirkende
Axialkräfte aufnimmt.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach 7 ist in
einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die beim Ausspuren
zwischen den beiden Schrägverzahnungen 143 und 240 wirkenden
Axialkräfte mittels eines externen Lagers 249 abgestützt werden.
Dieses Lager 249 ist dann beispielsweise an einen Motorblock
der Brennkraftmaschine 252 befestigt.
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8 eine
schematische Darstellung eines Systems aus Brennkraftmaschine 252 mit
Zahnkranz 25 und Startvorrichtung 10 mit Andrehritzel 22.
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Das
erfindungsgemäße System bzw. die erfindungsgemäße
Startvorrichtung bzw. Brennkraftmaschine 252 hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass die von der Schrägverzahnung
erzeugte Axialkraft, die auf den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine 252 und
das Andrehritzel 22 wirkt, aufgehoben wird, so dass keine
aufwändigen Veränderungen am Aggregat, das heißt
der Brennkraftmaschine, nötig sind. Die vorgeschlagenen
Lösungen gewährleisten eine kompakte und flexible Bauweise
der Schrägverzahnung je nach vorhandenem Einbauraum und/oder
zulässiger Beanspruchung auf der Kurbelwelle. Besonders
vorteilhaft ist, dass durch die Anlaufkragen 216 bzw. 243 die Schrägverzahnung
beliebig ausgelegt werden kann, um ein optimales Geräuschverhalten
der Verzahnung zu erreichen. Beanspruchungen wie Radial- und Tangentialkräfte
an den Motorbauteilen brauchen nicht berücksichtigt zu
werden. Eine sehr zweckmäßige Bauweise ergibt
sich, indem man die Abstützung direkt an dem ersten Zahnrad
(Andrehritzel 22 oder Zahnkranz 25) einbringt
und die Stirnseite des zweiten Zahnrades (Zahnkranz 25 oder
Andrehritzel 22) als Gegenabstützfläche
nutzt. Es ergibt sich ein idealer Axialkraftfluss auf kleinem Raum. Vom
Zahn des ersten Zahnrads wirkt die Axialkraft auf den Zahn des Gegenrades,
beide Kontaktflächen, das heißt Anlaufflächen 223 bzw. 246 heben diese
Axialkraft wieder auf. Der Anschlag auf der Antriebswelle des Starters 10 kann
durchaus entfallen.
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Der
Schrägungswinkel der Verzahnung wird dabei derart auf den
Drehsinn des Starters 10 beim Andrehen der Brennkraftmaschine 252 abgestimmt, dass
das Andrehritzel 22 beim Einspuren auf den Zahnkranz 25 eine
nach vorne gerichtete Axialkraft erfährt. Das heißt,
die Zahngeometrie begünstigt das Einspuren.
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Es
ist vorgesehen, dass das System aus Brennkraftmaschine und Starter
als sogenanntes Start-Stopp-System betrieben wird. Dies bedeutet, dass
die Brennkraftmaschine so oft wie möglich bzw. sinnvoll
wegen Verbrauchsoptimierung abgeschaltet wird, beispielsweise an
Ampeln oder Bahnübergängen oder in Staus. Hierzu
wird in diesem Fall das Andrehritzel 22 bereits dann in
den Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingespurt, wenn die Drehzahl der
Kurbel- bzw. Antriebswelle wegen Ausschaltens der Brennkraftmaschine
verringert wird. Das Andrehen des Startermotors erfolgt erst dann,
wenn durch Betätigen eines Stellorgans (z. B. Gaspedal)
der Startwunsch signalisiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 151454 [0001]
- - US 1594825 [0002]
- - JP 2002-257016 [0003]
- - JP 2002-130097 [0003]
- - DE 10290004 T5 [0003]