Die
Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen
in Kraftfahrzeugen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 sowie
ein Startrelais nach der Gattung des Patentanspruchs 10.The
The invention relates to a starting device for internal combustion engines
in motor vehicles according to the preamble of claim 1 and
a starting relay according to the preamble of claim 10.
Stand der TechnikState of the art
Es
sind eine Vielzahl von Realisierungsformen für Startsysteme
für den Start-Stopp-Betrieb von Kraftfahrzeugen bekannt.
Neben konventionellen Startern kommen dabei Startsysteme zum Einsatz, bei
denen die Momentenübertragung auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
durch einen Riemen mit einem geeigneten Freilauf erfolgt. Diese
Systeme sind sowohl auf Basis eines Startermotors als auch in Form
eines im motorischen Bereich betriebenen Generators bekannt. Ferner
sind auch elektrische Maschine bekannt, die direkt mit der Kurbelwelle
verbunden sind. Die wichtigsten Anforderungen an alle Systeme sind
neben schnellem Start der Brennkraftmaschine insbesondere Geräuscharmut.It
are a variety of implementation forms for starting systems
known for the start-stop operation of motor vehicles.
In addition to conventional starters, starting systems are used
those the torque transfer to the crankshaft of the internal combustion engine
through a belt with a suitable freewheel. These
Systems are based on a starter motor as well as in shape
a powered in the motor area generator known. Further
are also known electric machine, directly with the crankshaft
are connected. The most important requirements for all systems are
In addition to fast start of the engine especially low noise.
Bei
den konventionellen Starter erfolgt der Einrück- und Schaltvorgang
für den Startermotor mit Hilfe üblicher Starterrelais
mit hoher Dynamik, um unter allen Betriebszuständen eine
Funktionssicherheit zu gewährleisten. Insbesondere müssen
die Spulen des Starterrelais derart ausgelegt sein, dass auch bei der
Grenztemperatur eine hinreichend hohe Durchflutung und damit eine
entsprechende Einzugskraft gewährleistet ist. Da bei einfachen
Systemen keine Stromregelung erfolgt, stellt sich diese Durchflutung auch
dann ein, wenn die Umgebungsbedingungen es nicht erfordern. Im Allgemeinen
wird das Starterrelais daher mit zu hoher kinetischer Überschussenergie betrieben,
die zu einer erhöhten Geräuschemission führt.at
the conventional starter is the engagement and switching operation
for the starter motor using standard starter relays
with high dynamics to perform under all operating conditions
To ensure functional safety. In particular, need
the coils of the starter relay be designed so that even in the
Limit temperature a sufficiently high flow and thus a
appropriate retraction force is ensured. As with simple
Systems does not control the current, this flooding is also
when the ambient conditions do not require it. In general
Therefore, the starter relay is operated with too high kinetic excess energy,
which leads to an increased noise emission.
Aus
der WO 2006/120
180 A1 ist bereits eine geräuschreduzierte Startvorrichtung
für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der der Einzugs- und
Schaltvorgang des Starterrelais in zwei Stufen unterteilt ist. Dabei
wird die Relaiswicklung des Starterrelais mittels einer Steuereinheit über
Halbleiter mit entsprechender geregelter Stromstärke so
angesteuert, dass zunächst in einer ersten Stufe das Starterritzel möglichst
geräuscharm in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine mit
reduzierten Magnetkraft des Starterrelais ohne Schließen
des Schaltkontaktes für den Startermotor vorrückt
und in der Einspurstellung des Ritzels gehalten wird, bis mit Beginn
der zweiten Stufe durch eine erhöhte Stromstärke
der Schaltkontakt mit voller Kraft geschlossen wird. (R 311096).From the WO 2006/120 180 A1 already a noise-reduced starting device for internal combustion engines is known, in which the intake and switching operation of the starter relay is divided into two stages. In this case, the relay winding of the starter relay is controlled by a control unit via semiconductors with appropriate regulated current so that first in a first stage, the starter pinion quietest possible in the ring gear of the engine with reduced magnetic force of the starter relay without closing the switching contact for the starter motor advances and in the Einspurstellung of the pinion is held until the beginning of the second stage is closed by an increased current strength of the switch contact with full force. (R 311096).
Nachteilig
bei dieser Lösung ist jedoch der relativ hohe Kostenaufwand
der Stromsteuerung durch den Halbleiter der Steuereinheit. Da außerdem im
Start-Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs das Starterritzel bereits
beim Stillsetzten des Brennkraftmaschine in deren Zahnkranz eingespurt
wird, entsteht durch den reduzierten Erregerstrom am Starterrelais im
Halbleiter eine relativ hohe Verlustleistung über die Dauer
der Stopp-Phase, was eine entsprechend hohe Temperaturbelastung
der Steuereinheit, aber auch eine Belastung der Fahrzeugbatterie
zur Folge hat.adversely
in this solution, however, is the relatively high cost
the current control by the semiconductor of the control unit. In addition, in the
Start-stop operation of the motor vehicle, the starter pinion already
when the internal combustion engine is stopped in its toothed ring
is caused by the reduced excitation current at the starter relay in
Semiconductor a relatively high power loss over the duration
the stop phase, which is a correspondingly high temperature load
the control unit, but also a load on the vehicle battery
entails.
Mit
der vorliegenden Lösung wird angestrebt, eine optimale
Geräuschreduzierung für die Startvorrichtung zu
Erzielen, die keine Steuerung beziehungsweise Regelung der Stromstärke
für die Relaiswicklung benötigt.With
The present solution seeks to optimize
Noise reduction for the starter too
Achieve that no control or regulation of amperage
needed for the relay winding.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die
erfindungsgemäße Startvorrichtung nach den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sich durch die Aufteilung
der Relaiswicklung die magnetische Durchflutung der gesamten Wicklung
in der ersten Stufe der Ankerbewegung so dosieren lässt,
dass das Starterritzel in einer sanften axialen Bewegung in den
Zahnkranz der Brennkraftmaschine einspurt. Für den Startvorgang
wird dann durch Umschaltung der Relaiswicklung der Schaltkontakt
für den Startermotor zum Andrehen der Maschine mit voller
Magnetkraft geschlossen. Die beiden Funktionen „Einziehen” und „Schalten” sind
somit voneinander getrennt zu dimensionieren. Ein weiterer Vorteil
dieser Lösung besteht darin, dass nunmehr an den verwendbaren Schaltelementen
in der Steuereinheit praktisch keine Verlustleistung während
der Stopp-Phase des Fahrzeugs auftritt und dadurch der Haltestrom
in der Relaiswicklung reduziert wird. Außerdem lassen sich hierbei
kostengünstige und robuste Schaltelemente einsetzen.The
Starting device according to the invention according to the characterizing
Features of claim 1 has the advantage that through the division
the relay winding the magnetic flux of the entire winding
in the first stage of the anchor movement so doses,
that the starter pinion in a gentle axial movement in the
Sprocket of the internal combustion engine einspurt. For the boot process
is then by switching the relay winding of the switching contact
for the starter motor for cranking the machine with full
Magnetic force closed. The two functions "pull in" and "switch" are
thus dimensioned separately from each other. Another advantage
This solution is that now on the usable switching elements
in the control unit practically no power dissipation during
the stop phase of the vehicle occurs and thereby the holding current
is reduced in the relay winding. You can also do this
Use inexpensive and robust switching elements.
Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
ergeben sich zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der im Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.By
the measures listed in the dependent claims
arise expedient refinements and developments
the features specified in claim 1.
Zum
sanften Einspuren des Starterritzels wird dabei in einfachster Weise
in der ersten Stufe die Einrück- und die dazu in Reihe
geschaltete Schaltwicklung über ein erstes Schaltelement
eingeschaltet und in der zweiten Stufe wird die Schaltwicklung unmittelbar über
das zweite Schaltelement eingeschaltet. Für eine Geräuschoptimierung
der ersten Stufe wird ferner in vorteilhafter Weise vorgeschlagen,
die Einrückwicklung auf einen höheren ohmschen
Widerstand und eine höhere Windungszahl auszulegen als
die ausgangsseitig auf Masse liegende Schaltwicklung des Starterrelais.
Für eine Optimierung der Relaisfunktionen beim Start- und
Stopp-Vorgang ist es ferner vorteilhaft, wenn die magnetische Durchflutung
in der ersten Stufe des Starterrelais etwa halb so groß wie
in der zweiten Stufe ist. In einfacher Ausführungsform
ist dabei das erste Schaltelement mit dem Eingang der Einrückwicklung
und das zweite Schaltelement mit der Reihenschaltung zwischen Einrück- und
Schaltwicklung verbunden. Zweckmäßigerweise sind
dabei die beiden Schaltelemente unmittelbar von der Steuereinheit
ansteuerbar. Eine kostengünstige vorteilhafte Ausführung
besteht darin, dass die Schaltelemente als Schaltrelais ausgebildet
sind. Für höhere Anforderungen an die Startvorrichtung,
zum Beispiel für ein sanftes Vordrehen des Startermotors beim
Einspuren des Starterritzels wird vorgeschlagen, die Schaltelemente
als Halbleiter, vorzugsweise als so genannte Highside-Schalter auszubilden.
Hierbei ist der Startermotor mit Beginn einer Stopp-Phase zum Einspuren
des Starterritzels in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine kurzseitig über
einen Dritten High-Side-Schalter einschaltbar.For smooth meshing of the starter pinion while the engagement and the series-connected switching winding is switched on in the simplest way in the first stage via a first switching element and in the second stage, the switching winding is switched on directly via the second switching element. For a noise optimization of the first stage is also proposed in an advantageous manner, the engagement winding to a higher ohmic resistance and a higher number of turns interpret as the output side grounded switching winding of the starter relay. For optimizing the relay functions in the start and stop process, it is also advantageous if the magnetic flux in the first stage of the starter relay is about half as large as in the second stage. In simple execution In this case, the first switching element is connected to the input of the engagement winding and the second switching element is connected to the series connection between the engagement and switching windings. Conveniently, the two switching elements are directly controlled by the control unit. An inexpensive advantageous embodiment is that the switching elements are designed as a switching relay. For higher demands on the starting device, for example for a gentle pre-rotation of the starter motor when meshing the starter pinion is proposed to form the switching elements as a semiconductor, preferably as a so-called high-side switch. Here, the starter motor with the beginning of a stop phase for meshing the starter pinion in the ring gear of the internal combustion engine on the short side via a third party high-side switch is switched on.
In
Weiterbildung der Erfindung kann eine weitere Reduzierung des Haltestroms
am Starterrelais dadurch erzielt werden, dass mit Beginn einer Stopp-Phase
die Schaltwicklung des Starterrelais kurzzeitig über das
zweite Schaltelement einzuschalten ist.In
Further development of the invention can be a further reduction of the holding current
be achieved at the starter relay, that at the beginning of a stop phase
the switching winding of the starter relay briefly over the
to turn on the second switching element.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Einzelheiten
der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren
näher erläutert. Es zeigen:details
The invention will be described below by way of example with reference to FIGS
explained in more detail. Show it:
1 die
schematische Darstellung der Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen
in allgemeiner Ausführungsform der Erfindung, 1 the schematic representation of the starting device for internal combustion engines in general embodiment of the invention,
2 zeigt
einen Längsschnitt durch ein Starterrelais der Startvorrichtung
nach 1, 2 shows a longitudinal section through a starter relay of the starting device according to 1 .
3a und 3b zeigt
in schematischer Darstellung die Startvorrichtung und deren Beschaltung
im Ruhezustand, 3a and 3b shows a schematic representation of the starting device and its wiring at rest,
4a und 4b zeigt
eine weitere schematische Darstellung der Startvorrichtung im Einspurzustand
und 4a and 4b shows a further schematic representation of the starting device in Einspurzustand and
5a und 5b zeigt
in schematischer Darstellung die Startvorrichtung im Start-Zustand, 5a and 5b shows a schematic representation of the starting device in the start state,
6 zeigt
in Abänderung zu 3a eine Beschaltung
der Relaiswicklung über Highside-Schalter, 6 indicates in amendment 3a a wiring of the relay winding via highside switches,
7 zeigt
ein Zeitdiagramm mit den wesentlichen Größen für
einen Start-Stopp-Ablauf und 7 shows a timing diagram with the essential variables for a start-stop sequence and
8 zeigt
die Weg-Kraft-Kennlinien des Starterrelais nach 2. 8th shows the travel-force characteristics of the starter relay 2 ,
Ausführungsformen
der Erfindungembodiments
the invention
1 zeigt
in schematischer Darstellung eine mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße
Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen. Sie
umfasst im wesentlichen einen Startermotor 11, ein Starterrelais 12 und
ein Starterritzel 13 zum axialen Einspuren in einen Zahnkranz 14 einer
Brennkraftmaschine 15, sowie eine Steuereinheit 19.
Das Starterrelais weist eine Relaiswicklung 16, einen Stößel 17 und
einen Schaltkontakt 18 zum Schalten des Hauptstromes für
den Startermotor 11 auf. Die Relaiswicklung 16 ist
in eine Einrückwicklung 16a und eine dazu in Reihe
geschaltete Schaltwicklung 16b unterteilt. Die Steuereinheit 19 versorgt über
ein erstes Schaltelement S1 die Relaiswicklung 16 des Starterrelais 12.
Separat davon wird die Reihenschaltung 16c von Einrückwicklung 16a und
Schaltwicklung 16b über ein weiteres Schaltelement
S2 von der Steuereinheit direkt angesteuert. Die beiden Schaltelemente
S1 und S2 liegen eingangsseitig über die Klemme B+ am Pluspol
der Bordspannung des nicht dargestellten Kraftfahrzeugs beziehungsweise
am Pluspol einer Akkumulator-Batterie des Fahrzeugs. Die Schaltelemente
S1 und S2 sind als Schaltrelais ausgebildet, deren Relaiswicklungen
getrennt voneinander über einen Mikroprozessor ηP
angesteuert werden. Der Mikroprozessor ηP ist eingangsseitig über
einen Steuerbus 20 von einem Motorsteuergerät 21 ansteuerbar.
Das Motorsteuergerät 21 ist über ein
Zündschloss 22 aktivierbar und erfasst ferner über
einen Eingangsbus 23 verschiedene Signale zum Fahrzustand
des Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel eine Kupplungsbetätigung,
eine Bremsbetätigung, die Stellung eines Gangwählhebels,
die Motor- und die Raddrehzahl und dergleichen. Die Schaltelemente
S1 und S2 sind gegebenenfalls separat von der Steuereinheit 19 anzuordnen
oder gar dem Starterrelais 12 räumlich zuzuordnen. 1 shows a schematic representation with a 10 designated starting device according to the invention for internal combustion engines in motor vehicles. It essentially comprises a starter motor 11 , a starter relay 12 and a starter pinion 13 for axial meshing in a sprocket 14 an internal combustion engine 15 , as well as a control unit 19 , The starter relay has a relay winding 16 , a pestle 17 and a switching contact 18 for switching the main current for the starter motor 11 on. The relay winding 16 is in an engagement winding 16a and a switching winding connected in series therewith 16b divided. The control unit 19 supplies the relay winding via a first switching element S1 16 of the starter relay 12 , Separately, the series connection 16c of engagement winding 16a and switching winding 16b via a further switching element S2 directly controlled by the control unit. The two switching elements S1 and S2 are the input side via the terminal B + at the positive pole of the on-board voltage of the motor vehicle, not shown, or at the positive pole of an accumulator battery of the vehicle. The switching elements S1 and S2 are designed as a switching relay whose relay windings are controlled separately from each other via a microprocessor ηP. The microprocessor ηP is the input side via a control bus 20 from an engine control unit 21 controllable. The engine control unit 21 is about an ignition lock 22 activatable and also detected via an input bus 23 various signals to the driving condition of the motor vehicle, such as a clutch operation, a brake operation, the position of a gear selector lever, the engine and the wheel speed and the like. The switching elements S1 and S2 are optionally separate from the control unit 19 to arrange or even the starter relay 12 spatially allocate.
Die
Startvorrichtung 10 wird während des Fahrbetriebes
eines Fahrzeugs vom Motorsteuergerät 21 angesteuert,
indem von dort mit Beginn einer Stopp-Phase des Fahrzeugs zum Beispiel
durch Erfassen der Drehzahl an den Vorderrädern des Fahrzeugs
die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird. Damit wird zunächst über
den Steuerbus 20 von der Steuereinheit in einer ersten
Stufe ein Einspurvorgang des Starterritzels 13 in den Zahnkranz 14 der Maschine 15 ausgelöst,
indem über das Schaltelement S1 das Pluspotential des Bordnetzes
an die Relaiswicklung 16 gelegt wird. Über den
Stößel 17 wird nun über einen
Einrückhebel 24 das Starterritzel 13 axial
zum Einspuren in den Zahnkranz 14 vorgeschoben. Durch den
relativ kleinen Erregerstrom wird das Starterritzel 13 dabei
geräuscharm in den Zahnkranz 14 der Maschine 15 eingespurt
und danach vom Starterrelais 12 in dieser Position gehalten.
Der Schaltkontakt 18 bleibt dabei in geöffneter
Position stehen. Erst wenn beispielsweise durch Betätigen des
Fahr- bzw. Kupplungspedals der Startwunsch des Fahrers durch ein
entsprechendes Signal des Motorsteuergerätes 21 an
die Steuereinheit 19 gegeben wird, wird das Starterrelais 12 in
einer zweiten Stufe zum Starten der Maschine 15 mit verstärktem Strom über
das Schaltelement S2 und die Schaltwicklung 16b angesteuert
und dadurch der Schaltkontakt 18 mit voller Kraft geschlossen.
Damit wird der Startermotor 11 über den Schaltkontakt 18 des Starterrelais 12 auf
die B+Klemme der nicht dargestellten Akkumulatorbatterie geschaltet
und die Brennkraftmaschine 15 wird unverzüglich
mit voller Kraft angedreht. Für einen Kaltstart der Maschine wird
das Zündschloss 22 über die Aktivierung
des Motorsteuergerätes 21 hinaus bis in eine Startstellung
gedreht, die vom Motorsteuergerät 21 erfasst wird. Über
den Mikroprozessor ηP wird nun zunächst das erste
Schaltelement S1 zum Vor- und Einspuren des Starterritzels 13 in
den Zahnkranz 14 der Maschine 15 eingeschaltet
und unmittelbar danach wird über das Schaltelement S2 der
Startermotor 11 vom Starterrelais 12 zum Andrehen
der Maschine 16 eingeschaltet. Der Startvorgang wird anschließend
entweder durch das Zündschloss 22 oder durch ein Drehzahlsignal
des Motorsteuergerätes 21 beendet.The starting device 10 is during the driving of a vehicle from the engine control unit 21 is controlled by the engine is switched off from there with the beginning of a stop phase of the vehicle, for example by detecting the rotational speed at the front wheels of the vehicle. This is initially on the control bus 20 from the control unit in a first stage a Einspurvorgang the starter pinion 13 in the sprocket 14 the machine 15 triggered by the plus potential of the electrical system to the relay winding via the switching element S1 16 is placed. About the pestle 17 will now have an engagement lever 24 the starter pinion 13 axially for meshing in the sprocket 14 advanced. Due to the relatively small excitation current is the starter pinion 13 doing so quietly in the sprocket 14 the machine 15 meshed and then from the starter relay 12 held in this position. The switching contact 18 stays in the open position. Only when, for example, by pressing of the driving or clutch pedal of the driver's start request by a corresponding signal of the engine control unit 21 to the control unit 19 is given, the starter relay 12 in a second stage to start the machine 15 with amplified current through the switching element S2 and the switching winding 16b controlled and thereby the switching contact 18 closed with full force. This will be the starter motor 11 via the switching contact 18 of the starter relay 12 connected to the B + terminal of the accumulator battery, not shown, and the internal combustion engine 15 is turned on immediately with full force. For a cold start of the engine is the ignition 22 via the activation of the engine control unit 21 also turned to a starting position, the engine control unit 21 is detected. About the microprocessor ηP is now first the first switching element S1 for pre and tracing the starter pinion 13 in the sprocket 14 the machine 15 switched on and immediately thereafter, the starter motor via the switching element S2 11 from the starter relay 12 for cranking the machine 16 switched on. The starting process is then either by the ignition 22 or by a speed signal of the engine control unit 21 completed.
2 zeigt
das Starterrelais 12 aus 1 in seinem
konstruktiven Aufbau im Längsschnitt. Es weist eine Relaiswicklung 16 auf,
die in eine Einrückwicklung 16a und eine dazu
in Reihe geschaltete Schaltwicklung 16b unterteilt ist.
Beide Wicklungen sind auf je einem Tragkörper 25a, 25b gewickelt
und auf einer Messinghülse 26 an einem Magnetkern 27 befestigt.
Die Wicklungen sind ferner in einem metallischen Gehäuse 28 eingesetzt,
in dessen vorderes, offenes Ende der Magnetkern 27 aufgenommen
ist. Zwischen beiden Wicklungen ist ferner ein Magnetjoch 29 eingesetzt.
Am Boden des Gehäuses 28 ist in einer Öffnung
ein Anker 31 des Relais axial geführt, der in
die Relaiswicklung 16 eintaucht. In einer zentrischen Bohrung
des Ankers 31 ist der Stößel 17 befestigt,
dessen kopfseitiges Ende ein so genanntes Paddel 32 zur
Aufnahme des Einrückhebels 24 aus 1 aufweist.
In einer Durchgangsöffnung des Magnetkernes 27 ist
eine Schaltstange 33 mittels einer Isolierhülse 34 geführt,
wobei das vordere Ende der Schaltstange mit Abstand dem Ende des
Stößels 17 gegenüber steht.
Am hinteren Ende der Schaltstange 33 ist eine Kontaktbrücke 18a axial
verschiebbar aufgenommen, die mit zwei in einem Schalterdeckel 35 befestigten
Gegenkontakten 18b zusammenwirkt. Die Kontaktbrücke 18a stützt
sich in ihrer dargestellten Ruhelage über eine Isolierstoffkappe 36 am
Magnetkern 27 ab. Kontaktbrücke 18a und
Gegenkontakte 18b bilden somit den Schaltkontakt 18 des
Starterrelais 12, der von dem auf der Stirnseite des Gehäuses 28 befestigten
Schalterdeckels 35 umschlossen ist. Die Gegenkontakte 18b sind über
die Anschlüsse 30 und 45 aus dem Schalterdeckel 35 herausgeführt.
Des Weiteren sind im Schalterdeckel dazu versetzt nicht erkennbar
die Anschlüsse 16d und 16e aus 1 der
Schaltwicklung 16b beziehungsweise der Reihenschaltung 16c herausgeführt. Das
Ende der Schaltwicklung 16b wird über das Gehäuse 28 auf
Masse gelegt. 2 shows the starter relay 12 out 1 in its constructive structure in longitudinal section. It has a relay winding 16 on that in an engagement winding 16a and a switching winding connected in series therewith 16b is divided. Both windings are each on a support body 25a . 25b wrapped and on a brass sleeve 26 on a magnetic core 27 attached. The windings are further in a metallic housing 28 used, in the front, open end of the magnetic core 27 is included. Between the two windings is also a magnetic yoke 29 used. At the bottom of the case 28 is an anchor in an opening 31 the relay is led axially into the relay winding 16 dips. In a centric bore of the anchor 31 is the pestle 17 attached, the head end of which is a so-called paddle 32 for receiving the engaging lever 24 out 1 having. In a through hole of the magnetic core 27 is a shift rod 33 by means of an insulating sleeve 34 guided, wherein the front end of the shift rod at a distance from the end of the plunger 17 opposite. At the rear end of the shift rod 33 is a contact bridge 18a axially slidably received, with two in a switch cover 35 fixed mating contacts 18b interacts. The contact bridge 18a is supported in its illustrated rest position on a Isolierstoffkappe 36 at the magnetic core 27 from. Contact bridge 18a and mating contacts 18b thus form the switching contact 18 of the starter relay 12 from the one on the front of the case 28 attached switch cover 35 is enclosed. The mating contacts 18b are about the connections 30 and 45 from the switch cover 35 led out. Furthermore, the connections are not visible in the switch cover 16d and 16e out 1 the switching winding 16b or the series connection 16c led out. The end of the switching winding 16b is over the case 28 grounded.
In
einer axialen Ausnehmung 37 des Ankers 31 ist
eine Ankerrückstellfeder 38 angeordnet, die sich
einerseits am Boden der Ausnehmung 37 und andererseits
am Magnetkern 27 abstützt. Des Weiteren befindet
sich in bekannter Weise im Schalterdeckel 35 eine Kontaktrückstellfeder 39,
die sich einerseits am Boden des Schalterdeckels 35 und
andererseits an einer am rechten Ende der Schaltstange 33 befestigten
Stützscheibe abstützt. Eine Kontaktdruckfeder 40 befindet
sich in einer axialen Bohrung 41 an der rechten Seite des
Magnetkernes 27. Diese Feder stützt sich einerseits über
die Isolierstoffkappe 36 an der Kontaktbrücke 18a und
anderseits an zwei radial in die Bohrung 41 ragende Stege 42 ab.
Alle drei Federn sind vorgespannt, wobei die stärker vorgespannte
Kontaktrückstellfeder 39 die Kontaktbrücke 18a entgegen
der Vorspannung der Kontaktdruckfeder 40 in die dargestellte
Ruhelage gedrückt hält.In an axial recess 37 of the anchor 31 is an armature return spring 38 arranged on the one hand at the bottom of the recess 37 and on the other hand at the magnetic core 27 supported. Furthermore, located in a known manner in the switch cover 35 a contact return spring 39 on the one hand at the bottom of the switch cover 35 and on the other hand to a right end of the shift rod 33 supported supporting disk. A contact pressure spring 40 is located in an axial bore 41 on the right side of the magnetic core 27 , This spring is supported on the one hand on the Isolierstoffkappe 36 at the contact bridge 18a and on the other hand to two radially into the bore 41 protruding bars 42 from. All three springs are preloaded, with the more preloaded contact return spring 39 the contact bridge 18a against the bias of the contact pressure spring 40 keeps pressed into the rest position shown.
Durch
die Aufteilung der Relaiswicklung 16 in die Einrückwicklung 16a und
die Schaltwicklung 16b lässt sich jede der beiden
Betätigungsstufen durch entsprechende Dimensionierung der
beiden Wicklungen unabhängig voneinander optimieren. Dabei
hat die Einrückwicklung 16a einen höheren
ohmschen Widerstand und eine höhere Windungszahl als die Schaltwicklung 16b des
Starterrelais 12. Außerdem wird die magnetische
Durchflutung in der ersten Stufe etwa halb so groß gewählt
wie die in der zweiten Stufe. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird durch einen entsprechenden Drahtquerschnitt die Einrückwicklung 16a mit
einem ohmschen Widerstand R von 5 bis 6 Ω, mit einer Windungszahl
n von 500 bis 1000 Wdn und mit einer magnetischen Durchflutung Φ von
1000 bis 2000 AW ausgelegt. Des Weiteren wird die Schaltwicklung 16b mit
einem ohmschen Widerstand R von 0,2 bis 0,4 Ω, mit einer Windungszahl
n von 100 bis 200 Wdn und mit einer magnetischen Durchflutung Φ von
etwa 4000 AW ausgelegt.By splitting the relay winding 16 in the engagement winding 16a and the switching winding 16b Each of the two actuation stages can be optimized independently by appropriate dimensioning of the two windings. It has the Einrückwicklung 16a a higher ohmic resistance and a higher number of turns than the switching winding 16b of the starter relay 12 , In addition, the magnetic flux in the first stage is about half as large as that in the second stage. In the present embodiment, by a corresponding wire cross section, the engagement winding 16a with an ohmic resistance R of 5 to 6 Ω, with a winding number n of 500 to 1000 Wdn and with a magnetic flux Φ of 1000 to 2000 AW designed. Furthermore, the switching winding 16b with an ohmic resistance R of 0.2 to 0.4 Ω, designed with a winding number n of 100 to 200 Wdn and with a magnetic flux Φ of about 4000 AW.
Anhand
der 3 bis 5 wird
nunmehr die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Startvorrichtung näher erläutert. 3a zeigt
in schematischer Darstellung den Ruhezustand der Startvorrichtung, indem
die Schaltelemente S1 und S2 geöffnet sind. Somit fließt
durch die Einrück- und Schaltwicklung 16a und 16b des
Starterrelais kein Strom. 3b zeigt
in schematischer Darstellung den Ruhezustand der Startvorrichtung.
Durch die Kontaktrückstellfeder 39 ist der Schaltkontakt 18 des
Relais geöffnet und der Anker 31 ist durch die
Ankerrückstellfeder 38 in seine linke Ruhelage
gedrückt, wobei der Einrückhebel 24 vom
Stößel 17 entgegen dem Uhrzeigersinn soweit
verschwenkt wird, dass das Starterritzel 13 am Zahnkranz 14 der
Maschine ausgespurt ist.Based on 3 to 5 Now, the operation of the starting device according to the invention will be explained in more detail. 3a shows a schematic representation of the idle state of the starting device by the switching elements S1 and S2 are opened. Thus flows through the engagement and switching winding 16a and 16b the starter relay no power. 3b shows a schematic representation of the idle state of the starting device. Through the contact return spring 39 is the switching contact 18 of the relay opened and the anchor 31 is through the armature return spring 38 pressed into its left rest position, the Einrückhe bel 24 from the pestle 17 pivoted counterclockwise so far that the starter pinion 13 on the sprocket 14 spouted out of the machine.
Wird
nun das Fahrzeug im Fahrbetrieb beispielsweise vor einer Ampelanlage
bei einer Rotphase der Ampel angehalten, so erkennt das Motorsteuergerät 21 gemäß 1 über einen
Sensor den Stillstand der angetriebenen Räder des Fahrzeugs.
Wird dabei außerdem die Kupplung betätigt und
die Lehrlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erfasst, schaltet das
Motorsteuergerät 21 die Brennkraftmaschine ab.
Mit dem Stillstand der Brennkraftmaschine wird nunmehr über
die Drehzahlmessung der Beginn der Stopp-Phase der Maschine erkannt
und über den Steuerbus 20 ein entsprechendes Einrücksignal
auf die Steuereinheit 19 gegeben.If the vehicle is stopped when driving, for example, in front of a traffic light system at a red phase of the traffic light, then recognizes the engine control unit 21 according to 1 via a sensor, the standstill of the driven wheels of the vehicle. If, in addition, the clutch is actuated and the idling speed of the internal combustion engine is detected, the engine control unit switches 21 the internal combustion engine. With the stoppage of the engine is now detected on the speed measurement of the beginning of the stop phase of the machine and the control bus 20 a corresponding engagement signal to the control unit 19 given.
Gemäß 4a wird
dadurch das erste Schaltelement S1 geschlossen und damit am Startrelais 12 die
erste Betätigungsstufe ausgelöst, indem nunmehr über
die Klemme 16d ein Strom durch die Wicklungen 16a und 16b fließt. 4b zeigt
in schematischer Darstellung den dadurch zum Teil eingezogenen Anker 28,
der über den Einrückhebel 24 das Starterritzel 13 in
den Zahnkranz 14 der Maschine einspurt. In dieser ersten
Stufe des Starterrelais 12 drückt der Anker 31 die
Schaltstange 33 soweit nach rechts, bis sie an der Kontaktdruckfeder 40 anliegt. Dies
erfolgt gemäß 2 an der
Isolierhülse 34, die mit nicht erkennbaren Schlitzen über
die Stege 42 der Magnetkernbohrung 41 bis zur
Anlage an der Kontaktdruckfeder 40 axial nach rechts verschoben wird.
Die Schaltstange 33 hebt dabei die Kontaktbrücke 18a bis
kurz vor dem Schließen des Schaltkontaktes 18 an.
In dieser Stellung bleibt das Starterrelais 12 stehen,
solange die Stopp-Phase der Brennkraftmaschine fortbesteht.According to 4a As a result, the first switching element S1 is closed and thus at the start relay 12 the first actuation stage triggered by now over the terminal 16d a current through the windings 16a and 16b flows. 4b shows a schematic representation of the partially retracted anchor 28 that's about the engagement lever 24 the starter pinion 13 in the sprocket 14 of the machine. In this first stage of the starter relay 12 pushes the anchor 31 the shift rod 33 as far to the right until it touches the contact spring 40 is applied. This is done according to 2 on the insulating sleeve 34 with unrecognizable slits over the bars 42 the magnetic core hole 41 until it touches the contact pressure spring 40 is moved axially to the right. The shift rod 33 lifts the contact bridge 18a until just before closing the switching contact 18 at. In this position remains the starter relay 12 stand as long as the stop phase of the internal combustion engine persists.
Schaltet
die Ampelanlage nun wieder auf eine Grünphase um, muss
der Fahrer lediglich das Gaspedal bzw. Kupplungspedal betätigen,
damit dann gemäß 1 am Motorsteuergerät 21 über
den Eingangsbus 23 ein entsprechendes Startsignal generiert
wird, das über den Steuerbus 20 zum Mikroprozessor
der Steuereinheit 19 gelangt.If the traffic light system now switches back to a green phase, the driver only has to press the accelerator pedal or the clutch pedal, so that then 1 on the engine control unit 21 over the entrance bus 23 a corresponding start signal is generated, via the control bus 20 to the microprocessor of the control unit 19 arrives.
Gemäß 5a wird
dadurch über den Mikroprozessorausgang das zweite Schaltelement
S2 geschlossen und das erste Schaltelement S1 wird geöffnet.
Mit diesem Beginn der Startphase fließt nunmehr ein deutlich
höherer Strom über den Anschluss 16e des
Starterrelais 12 durch die Schaltwicklung 16b zur
Masse. Die Einrückwicklung 16a wird dagegen stromlos.
Die Schaltwicklung 16b bildet nunmehr ein starkes elektromagnetisches
Feld aus, welches gemäß 2 den Magnetkern 27 durchsetzt, über den
verringerten axialen Luftspalt zum Anker 17 gelangt und
von dort radial nach außen über das Magnetjoch 29 geschlossen
wird. Dadurch wird der Anker 31 mit voller Kraft gegen
den Magnetkern 27 gezogen und dabei wird der Schaltkontakt 18 über
die Schaltstange 33 geschlossen. 5b zeigt
in schematischer Darstellung diese zweite Stufe des Starterrelais 12,
wobei der Schaltkontakt 18 mit der Kraft der Kontaktdruckfeder 40 geschlossen
wird und damit den Startermotor 11 einschaltet. Während
die Brennkraftmaschine nunmehr über den Zahnkranz 14 angedreht
wird, wird das Starterritzel 13 federbelastet in der Einspurstellung
gehalten.According to 5a As a result, the second switching element S2 is closed via the microprocessor output and the first switching element S1 is opened. With this start of the starting phase now flows a much higher current through the connection 16e of the starter relay 12 through the switching winding 16b to the mass. The engagement winding 16a on the other hand is de-energized. The switching winding 16b now forms a strong electromagnetic field, which according to 2 the magnetic core 27 interspersed over the reduced axial air gap to the armature 17 passes and from there radially outward over the magnetic yoke 29 is closed. This will be the anchor 31 with full force against the magnetic core 27 pulled and thereby the switching contact 18 over the shift rod 33 closed. 5b shows a schematic representation of this second stage of the starter relay 12 , wherein the switching contact 18 with the force of the contact pressure spring 40 is closed and thus the starter motor 11 turns. While the internal combustion engine now on the sprocket 14 is turned on, the starter pinion 13 spring-loaded held in the Einspurstellung.
Der
Anlauf der Brennkraftmaschine wird über ein Drehzahlsignal
vom Motorsteuergerät 21 erfasst. Am Steuergerät 19 wird
dadurch auch das Schaltelement S2 wieder geöffnet. Das
Starterrelais 12 wird stromlos und durch die Rückstellkräfte
der Federn 38, 39 und 40 wird der Anker 31 nunmehr wieder
in die Ruhelage zurückgeschoben. Dabei wird der Schaltkontakt 18 geöffnet
und das Einspurritzel 13 aus dem Zahnkranz 14 der
Brennkraftmaschine 15 ausgespurt. Der Startermotor 11 wird
still gesetzt und die Startvorrichtung gelangt damit wieder in ihre Ruhelage
gemäß 3b, in
der sie solange verbleibt, bis die Brennkraftmaschine 15 erneut
für eine Stopp-Phase still gesetzt und sodann der zuvor
beschriebene Einspur- und Startvorgang durchlaufen wird.The start of the engine is via a speed signal from the engine control unit 21 detected. At the control unit 19 This also the switching element S2 is opened again. The starter relay 12 is de-energized and by the restoring forces of the springs 38 . 39 and 40 becomes the anchor 31 now pushed back to the rest position. In this case, the switching contact 18 opened and the Einpurritzel 13 from the sprocket 14 the internal combustion engine 15 de-meshed. The starter motor 11 is set still and the starting device thus returns to its rest position according to 3b in which it remains until the internal combustion engine 15 set again for a stop phase and then the previously described in-track and start-up process is completed.
6 zeigt
in Abwandlung zu 1 ein Steuergerät 19a,
bei dem die Schaltelemente S1 und S2 nicht als Schaltrelais, sondern
als Halbleiterschalter in Form von so genannten Highside-Schaltern S1a
und S2a ausgebildet sind. Außerdem ist dort der Startermotor 11 über
einen dritten Highside-Schalter S3a einschaltbar. Die drei Highside-Schalter
sind jeweils mit einem Steueranschluss 43 von dem Mikroprozessor ηP
in 1 ansteuerbar. Die Stromversorgung erfolgt hier über
die Plus-Klemme einer Akkumulatorbatterie 44 des Fahrzeugs. 6 shows in a modification to 1 a control unit 19a , in which the switching elements S1 and S2 are not designed as a switching relay, but as a semiconductor switch in the form of so-called high-side switches S1a and S2a. In addition, there is the starter motor 11 can be switched on via a third highside switch S3a. The three highside switches are each with a control port 43 from the microprocessor ηP in 1 controllable. Power is supplied via the positive terminal of a rechargeable battery 44 of the vehicle.
In 7 sind
in einem Zeitdiagramm die wesentlichen Größen
für einen Start-Stopp-Ablauf dargestellt. Es sind dies
der Stromverlauf i1 am Highside-Schalter S1a, der Stromverlauf i2
am Highside-Schalter S2a, der Stromverlauf i3 am Highside-Schalter
S3a, der Weg s des Starterrelaisankers und die Drehzahl nM des Startermotors 11. Zum Zeitpunkt
t0 wird die Start-Stopp-Vorrichtung vom Fahrer des Fahrzeugs oder
automatisch nach einem Kaltstart aktiviert. Bei einem ersten Ampelstopp
zum Zeitpunkt t1 wird über den Highside-Schalter S1a ein Strom
I1 generiert, der die beiden Wicklungen 16a und 16b des
Starterrelais durchfließt. Damit wird der Anker 31 bis
zu einer Position S2 eingezogen und damit bei geöffnetem
Schaltkontakt 18 das Starterritzel 13 in den Zahnkranz 14 der
Maschine vorgespurt. Gleichzeitig wird mit Beginn dieser Stopp-Phase über den
dritten Highside-Schalter S3a der Startermotor 11 zum Einspuren
des Starterritzel 13 in den Zahnkranz 14 der Maschine 15 mit
begrenzter Stromstärke I3 kurzzeitig bis zum Zeitpunkt
t2 eingeschaltet. Wie gestrichelt angedeutet, ist es in alternativer
Weise hierbei auch möglich, den Strom I1 des Highside-Schalter
S1a auf den in der Stopp-Phase erforderlichen Haltestrom für
das Starterrelais 12 zu reduzieren und für den
Einspurvorgang des Starterritzels 13 zusätzlich
den Highside-Schalter S2a bis zum Zeitpunkt t3 einzuschalten, um
so die zum Vor- und Einrücken des Starterritzels 13 erforderliche
höhere Magnetkraft des Starterrelais 12 zu erzeugen.
Wird nun zum Zeitpunkt t4 vom Motorsteuergerät 21 die
nachfolgende Start-Phase ausgelöst, so wird dadurch der Highside-Schalter
S2a leitend geschaltet und über den Anschluss 16e fließt
nun ein Strom I2 durch die Schaltwicklung 16b des Starterrelais 12.
Die damit im Relais erzeugte wesentlich höhere Magnetkraft
bewegt nun den Anker 31 bis zur Position S3 und schließt
damit den Schaltkontakt 18 mit voller Kraft und der Startermotor 11 dreht
die Brennkraftmaschine 15 nunmehr mit voller Drehzahl an.
Nach dem Start der Maschine werden nun zum Zeitpunkt t5 alle drei
Highside-Schalter gesperrt, Startermotor 11 und Starterrelais 12 werden
stromlos und gelangen wieder in ihre Ruhelage.In 7 are shown in a time chart, the essential variables for a start-stop sequence. These are the current waveform i1 on the high-side switch S1a, the current waveform i2 on the high-side switch S2a, the current waveform i3 on the high-side switch S3a, the path s of the starter relay armature and the rotational speed n M of the starter motor 11 , At time t0, the start-stop device is activated by the driver of the vehicle or automatically after a cold start. At a first stop of traffic light at the time t1, a current I1 is generated via the high-side switch S1a, which generates the two windings 16a and 16b flows through the starter relay. This will be the anchor 31 retracted to a position S2 and thus with open switching contact 18 the starter pinion 13 in the sprocket 14 the machine vorgespurt. At the same time, at the beginning of this stop phase, the third highside switch S3a becomes the starter motor 11 to the meshing of the starter pinion 13 in the sprocket 14 the machine 15 with limited current ke I3 briefly turned on until the time t2. As indicated by dashed lines, it is also possible in an alternative manner, the current I1 of the high-side switch S1a to the holding current required in the stop phase for the starter relay 12 reduce and for the Einspurvorgang the starter pinion 13 in addition to turn on the highside switch S2a until time t3, so as to pre-and engagement of the starter pinion 13 required higher magnetic force of the starter relay 12 to create. Now at time t4 from the engine control unit 21 triggered the subsequent start-phase, so the high-side switch S2a is turned on and on the connection 16e Now flows a current I2 through the switching winding 16b of the starter relay 12 , The much higher magnetic force generated thereby in the relay now moves the anchor 31 to position S3 and thus closes the switching contact 18 with full power and the starter motor 11 turns the engine 15 now at full speed. After starting the machine, all three high-side switches are locked at time t5, starter motor 11 and starter relay 12 are de-energized and return to their rest position.
In 8 ist
in einem Weg-Kraft-Diagramm die zweistufige Arbeitsweise des Starterrelais 12 dargestellt.
Die Federkennlinie FK zeigt, dass bei einem Ankerweg s in der Ruhelage
des Ankers 31 in Position S0 zunächst die Vorspannkraft
der Ankerrückstellfeder 38 durch die elektromagnetische
Kraft H1 in der ersten Stufe des Ankerweges Sa1 überwunden
werden muss. In der Position S1 trifft dann der Anker 31 mit
seinem Stößel 17 auf die Schaltstange 33.
Nun muss die Vorspannung der Kontaktrückstellfeder 39 überwunden
werden, um die Kontaktbrücke 18a bis zur Position
S2 bis dicht unter die Gegenkontakte 18b anzuheben. In
dieser Position wird der Anker 31 durch die Vorspannung
der Kontaktdruckfeder 40 gehalten, da sie größer
ist als die Magnetkraft H1 der ersten Stufe. Wird nun für
einen Startvorgang die Schaltwicklung 16b eingeschaltet,
so tritt eine wesentlich höhere Magnetkraft H2 auf, durch
die in der zweiten Stufe die Kontaktbrücke 18a in
der Position S3 gegen die Gegenkontakte 18b gedrückt
wird. Am Ende des Ankerweges Sa2 wird schließlich in der zweiten
Stufe des Starterrelais 12 über die Kontaktdruckfeder 40 noch
die erforderliche Andruckkraft am Schaltkontakt 18 erzeugt.In 8th is in a path-force diagram, the two-step operation of the starter relay 12 shown. The spring characteristic FK shows that with an armature travel s in the rest position of the armature 31 in position S0, first the biasing force of the armature return spring 38 must be overcome by the electromagnetic force H1 in the first stage of the anchor path Sa1. In position S1 then meets the anchor 31 with his pestle 17 on the shift rod 33 , Now, the preload of the contact return spring 39 be overcome to the contact bridge 18a up to position S2 to close under the mating contacts 18b to raise. In this position becomes the anchor 31 by the bias of the contact pressure spring 40 since it is larger than the magnetic force H1 of the first stage. Will now for a startup the switching winding 16b turned on, so occurs a much higher magnetic force H2, through which in the second stage, the contact bridge 18a in position S3 against the mating contacts 18b is pressed. At the end of the armature travel Sa2 finally becomes in the second stage of the starter relay 12 over the contact pressure spring 40 nor the required pressure force on the switch contact 18 generated.
Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, da sich die Startvorrichtung in vielen Details
modifizieren lässt. So ist es beispielsweise möglich,
durch eine Umgestaltung des Magnetjochs 29 zwischen der
Einrück- und der Schaltwicklung 16a und 16b die
Weg-Kraft-Kennlinien H1 und H2 in 8 zu verändern.
Ferner ist es auch möglich, in der zweiten Stufe des Starterrelais 12 beide
Schaltelemente S1 und S2 einzuschalten sowie über ein zusätzliches
drittes Schaltelement und einem Vorwiderstand den Startermotor 11 zum sicheren
Einspuren des Starterritzels 13 während einer
Stopp-Phase kurzzeitig einzuschalten. Grundsätzlich ist
es aber auch möglich, die Startvorrichtung in Kraftfahrzeugen
ohne Start-Stopp-Automatik zu verwenden, da ein zweistufiges Starterrelais 12 insbesondere
für leistungsstarke Brennkraftmaschinen von Vorteil ist,
bei dem Einspurfunktion und Schaltfunktion des jeweils unabhängig
voneinander optimiert werden können.The invention is not limited to the described embodiments, since the starting device can be modified in many details. So it is possible, for example, by a transformation of the magnetic yoke 29 between the engagement and the switching winding 16a and 16b the path-force characteristics H1 and H2 in 8th to change. Furthermore, it is also possible in the second stage of the starter relay 12 to turn on both switching elements S1 and S2 as well as an additional third switching element and a series resistor the starter motor 11 for safe engagement of the starter pinion 13 to turn on briefly during a stop phase. In principle, it is also possible to use the starting device in motor vehicles without automatic start-stop, as a two-stage starter relay 12 is particularly advantageous for high-performance internal combustion engines, can be optimized in the Einspurunktion and switching function of each independently.
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- WO 2006/120180
A1 [0004] WO 2006/120180 A1 [0004]