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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Starter für eine Brennkraftmaschine nach
der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Ein derartiger Starter ist beispielsweise in dem Kraftfahrtechnischen
Taschenbuch von Bosch, 25.Auflage, S.986 in der Ausführung als
Schub-Schraubtrieb-Starter beschrieben, welcher über ein sogenanntes Einrückrelais
angesteuert wird. Dieses Relais übernimmt
die Funktionen Einrücken,
d. h. Einspuren des Ritzels des Startermotors in den Zahnkranz einer
Brennkraftmaschine, und Schalten des Hauptstromes des Startermotors.
Beim Einspuren des Ritzels in den Zahnkranz sind hierbei zwei mögliche Abläufe zu unterscheiden: In
cirka 20%–30%
der Schaltungen trifft ein Zahn des Ritzels auf eine Lücke des
Zahnkranzes, während
in cirka 70%–80%
der Schaltungen beim Einspuren ein Zahn des Ritzels auf einen Zahn
des Zahnkranzes trifft und das Einspuren durch eine Einspurfeder
unterstützt
werden muss. Diese bekannte Starterbauweise benötigt zwar nur ein einziges
Relais und kann dadurch relativ kostengünstig hergestellt werden, andererseits
ergeben sich für
den Schaltvorgang des hohen Motorstromes an dem Schaltkontakt, welcher die
Motorwicklungen mit der Spannungsquelle verbindet, sehr schwierige
Arbeitsbedingungen. Insbesondere bei teilentladenen Batterien und
bei zunehmendem mechanischem Verschleiß der Einspurteile kann sich
dann die Dynamik beim Einschalten des Starterhauptstromes soweit
verringern, dass durch auftretende Lichtbögen beim Schaltvorgang die
Kontakte verschweißen.
Andererseits sind beim direkten Einspuren des Ritzels in den Motorzahnkranz
je nach Bauweise des Starters bei einer Zahn-Lücke-Ausgangsstellung die Dynamik des Schaltvorgangs
und der hierdurch bedingte Kontaktverschleiß gegebenenfalls groß.
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Zur
Verbesserung des Einschaltvorganges, insbesondere bei leistungsstarken
Startern, ist es aus der vorgenannten Literaturstelle weiterhin
bekannt, bei sogenannten Schubtrieb-Startern den Motorstrom in zwei
Stufen einzuschalten, wobei in einer ersten Stufe das Ritzel des
Starters gegen den Zahnkranz des Motors bewegt wird und gleichzeitig
der Anker des Startermotors mit einem reduzierten Strom gespeist
wird, so dass sich der Anker und mit ihm das Ritzel beim Einspuren
drehen und so den Einspurvorgang erleichtern. Der Einspurmechanismus
ist hierbei mit einer Sperrklinke versehen, welche erst am Ende
des Einspurvorgangs des Ritzels einen weiteren Schaltkontakt des
Relais und über diesen
den Hauptstromkreis des Motors schließt. Hierdurch können der
Einspurvorgang und das Schalten des Hauptstromes des Motors in zwei
getrennten Arbeitsgängen
erfolgen, der Aufbau des Einrückrelais
wird jedoch in mechanischer und elektrischer Hinsicht aufwändiger und
störanfälliger.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Starter
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat den Vorteil, dass die Arbeitsabläufe des Einspurens des Ritzels einerseits
und des Schaltens des Motorstromes andererseits durch die Verwendung
getrennter Mittel hierfür,
insbesondere durch die Verwendung getrennter Relais vollständig entkoppelt
werden, wobei die Bauformen der Relais optimal den jeweiligen Arbeitsschritten
angepasst werden können.
Für alle
oder einzelne Schaltmittel können
jedoch auch für
das Schalten größerer Ströme geeignete
Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, vorzugsweise Transistoren
oder GTO (Gate Turn Off)-Thyristoren.
Hierdurch wird es insbesondere möglich,
die Schaltfunktion für den
hohen Motorhauptstrom beim Starten der Brennkraftmaschine vollständig von
dem Einspurvorgang zu trennen und hierdurch Rückwirkungen der Einspurdynamik
auf das Kontaktsystem von Relais zu vermeiden. Die Kontaktschließgeschwindigkeit
ist in diesem Fall unabhängig
von der Einspursituation.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Schaltrelais im Hauptstromkreis des
Startermotors durch das Einspurrelais selbst am Ende oder kurz vor dem
Ende der Einspurbewegung aktiviert und hierbei der Startermotor
direkt mit der Spannungsquelle verbunden wird. Auf diese Weise ergibt
sich mit geringem Zusatzaufwand ein exaktes Zusammenwirken zwischen
der Einspurbewegung des Ritzels und dem Einschaltvorgang des Starterhauptstromes
am Ende der Einspurbewegung. Zweckmäßigerweise ist das Einspurrelais
hierzu mit einer Haltewicklung und einer separaten Einzugswicklung
ausgestattet, welche gemeinsam einen Schaltkontakt zur Aktivierung
des Schaltrelais betätigen.
Die Haltewicklung und die Einspurwicklung sitzen vorzugsweise auf
dem gleichen Relaiskern und sind dabei wahlweise gleichsinnig oder
gegensinnig geschaltet. Im Falle einer gleichsinnigen Verschaltung
wird die notwendige Gesamtdurchflutung mit geringerer Windungszahl und/oder geringerem
Erregerstrom erreicht, während bei
entgegengesetzten Durchflutungen die Wicklung mit der kleineren
Durchflutung zur Bedämpfung
des Schaltvorganges genutzt werden kann. Die Windungszahlen und
die Erregerströme
der Haltewicklung und der Einzugswicklung sind dabei zweckmäßigerweise
so gewählt,
dass die Haltewicklung mit einer hohen Windungszahl und einem ausreichenden Erregerstrom
den Schaltvorgang des Einspurrelais bewirkt, während die Einzugswicklung mit
einer deutlich niedrigeren Windungszahl ausgestattet ist, jedoch
einen wesentlich höheren
Erregerstrom führt, der
ausreichend ist, um den Anker beim Einspuren leicht zu verdrehen.
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Einen
besonders einfachen und preiswerten Schaltungsaufbau erhält man durch
eine einstufige Bestromung des Startermotors, wobei die Einzugswicklung
des Einspurrelais als Vorwiderstand mit einer Reihenschlusswicklung
des Startermotors in Reihe liegt und beide Wicklungen des Einspurrelais
gemeinsam einen Arbeitskontakt schalten, über den die Wicklung des Schaltrelais
bestromt und der Startermotor am Ende der Einzugsbewegung des Einspurrelais
mit dem vollen Motorstrom versorgt wird. Eine derartige Anordnung
benötigt
in bekannter Weise eine Einspurfeder, welche in Verbindung mit einem Steilgewinde,
insbesondere bei einer sogenannten Zahn auf Zahn-Stellung des Ritzels
und des Zahnkranzes, den Einspurvorgang unterstützt, bevor schlagartig der
Hauptstrom des Motors eingeschaltet wird.
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Ein
besonders schonender Einspurvorgang wird durch eine grundsätzlich bekannte
zweistufige Bestromung des Startermotors erreicht, wobei in einer
ersten Schaltstufe ein begrenzter Verdrehstrom für den Starteranker über einen
Ruhekontakt und die Einzugswicklung des Einspurrelais fließt. Anschließend wird
in einer zweiten Stufe am oder kurz vor dem Ende der Einzugsbewegung
des Relaisankers über
einen Arbeitskontakt des Einspurrelais das getrennte Schaltrelais
bestromt und der volle Motorstrom dem Startermotor zugeführt. Hierbei
können die
beiden getrennten Relais entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen
optimal ausgelegt werden.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele,
welche in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert sind.
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Es
zeigen
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Schub-Schraubtrieb-Starters
mit einer Reihenschlusswicklung,
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2 ein
Schaltschema eines einstufig bestromten Starters in herkömmlicher
Ausführung,
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3 ein
Schaltschema eines einstufig bestromten Starters in erfindungsgemäßer Ausführung,
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4 ein
erstes Schaltschema eines zweistufig bestromten Starters in erfindungsgemäßer Ausführung,
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5 ein
zweites Schaltschema eines zweistufig bestromten Starters in erfindungsgemäßer Ausführung,
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6 eine
Prinzipdarstellung der räumlichen Anordnung
und Verschaltung eines erfindungsgemäßen Starters mit Einspurrelais
und Schaltrelais und
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7 eine
Prinzipdarstellung der räumlichen Anordnung
und Verschaltung eines Starters gemäß 6 mit zusätzlichem
Vorsteuerrelais für
die Bestromung des Einspurrelais.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
schematisiert den mechanischen Aufbau des erfindungsgemäßen Starters 10 in
der Ausführung
als Schub-Schraubtrieb-Starter
für eine Brennkraftmaschine.
Der Starter 10 besitzt einen Startermotor 12,
dessen Abtriebswelle 14 ein Steilgewinde 16 aufweist,
welches mit einem entsprechenden Muttergewinde in einem Mitnehmerschaft 18 zusammenwirkt.
Alternativ wird die Abtriebswelle 14 über ein nicht dargestelltes,
zwischengeschaltetes Planetengetriebe angetrieben. Der Mitnehmerschaft 18 ist
mit dem Außenring
eines Freilaufrings 20 fest verbunden, dessen Innenring
ein Ritzel 22 trägt.
Das Ritzel 22 und der Freilauf 20 sind auf der
Abtriebswelle 14 bis zu einem Anschlag 24 axial
verschiebbar gelagert. Das Ritzel 22 wird dabei in einen
Zahnkranz 26 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine
eingespurt. Die Axialverschiebung erfolgt mit Hilfe einer in den
folgenden Abbildungen detailliert dargestellten Relaisanordnung 28,
welche über
einen Umlenkhebel 29 und eine Einspurfeder 32 am
Freilauf 20 angreift. Als Spannungsquelle 34 der
Anordnung dient eine Batterie, welche mit ihrem Minuspol 31 an
Masse liegt und mit ihrem Pluspol 30 einerseits direkt
und andererseits über
einen Zündstandschalter 36 mit der
Relaisanordnung 28 verbunden ist. Über die Relaisanordnung wird
eine Reihenschlusswicklung 38 gespeist, welche über Bürsten 40 und 42 sowie über den
Kollektor 44 des Motors mit Masse verbunden ist. Der Anker
des Startermotors 12 ist mit 46, sein Stator mit 48 bezeichnet.
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2 zeigt
ein Schaltschema eines einstufig bestromten Starters in einer herkömmlichen
Ausführung.
Hierbei ist der Pluspol 30 der Spannungsquelle einerseits über den
Zündstartschalter 36 sowie
einen Anschluss 50 und andererseits direkt mit einem Einrückrelais 49 verbunden.
Dieses enthält
eine Haltewicklung 52 und eine Einzugswicklung 54 welche
den gleichen Wickelsinn aufweisen, auf den gleichen Kern gewickelt
sind und beide mit einem Wicklungsende mit dem Anschluss 50 verbunden
sind. Das andere Wicklungsende der Haltewicklung 52 liegt
am Minuspol 31 und an Masse, das entsprechende andere Wickelende
der Haltewicklung 54 ist über die Reihenschlusswicklung 38 und
den Anker 46 des Startermotors 12 mit dem Minuspol 31 und
mit Masse verbunden. Gemeinsam betätigen die Haltewicklung und
die Einzugswicklung einen Arbeitskontakt 56 des Einrückrelais 49, über den
der Startermotor 12 direkt mit dem Pluspol 30 verbunden
wird, sobald der Relaisanker ganz oder nahezu ganz eingezogen und
das Ritzel 22 in den Zahnkranz 26 eingespurt ist.
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Die
Haltewicklung 52 und die Einzugswicklung 54 übernehmen
bei dieser bekannten Anordnung gemeinsam die Arbeit des Einspurens
des Ritzels 22 in den Zahnkranz 26 an der Brennkraftmaschine
und gleichzeitig die Funktion des Schaltens des Hauptstromes für den Startermotor 12.
Trifft hierbei ein Zahn des Ritzels 22 auf eine Lücke im Zahnkranz 26 so
ist zum Einspuren nur eine geringe Kraft nötig und die Dynamik beim Schalten
des Kontaktes 56 relativ groß. Andererseits ist die Dynamik
beim Schalten des Kontaktes 56 sehr gering, wenn beim Einspuren
ein Zahn des Ritzels 22 auf einen Zahn des Zahnkranzes 26 trifft,
so dass beim Einspuren zusätzlich
die in 1 gezeigte Einspurfeder 32 gespannt werden
muss und für
die Betätigung
des Arbeitskontaktes 56 nur wenig Energie zur Verfügung steht.
Hierdurch können
relativ lang anstehende Lichtbögen
sowie Verschweißungen
auftreten, welche zumindest längerfristig
die Funktion des Starters beeinträchtigen.
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3 zeigt
das Schaltschema eines einstufig bestromten Starters in einer erfindungsgemäßen Ausführung, mit
der die zuvor geschilderten Schwierigkeiten behoben werden. Die
Schaltungsanordnung entspricht hinsichtlich des Aufbaus mit einem Einspurrelais 57 und
dessen Anschluss an das Gleichspannungsnetz 30, 31 grundsätzlich derjenigen
in 2, jedoch übernimmt
bei dieser Anordnung der Relaiskontakt 56 nicht die Schaltfunktion
für den
hohen Motorstrom sondern lediglich für die Bestromung der Wicklung 58 eines
Schaltrelais 60, welches dann über seinen Arbeitskontakt 62 den
Motorstrom schaltet. Auch diese Anordnung arbeitet einstufig, wobei
das Ritzel 22 ebenso wie bei der Anordnung gemäß 2 in
den Zahnkranz 26 eingespurt und der Motorstrom am Ende
oder kurz vor dem Ende der Einspurbewegung des Ritzels 22 in
voller Höhe
eingeschaltet wird. Im Unterschied zu der Anordnung gemäß 2 wird
dem Einspurrelais 57 zusätzlich zu der Einspurarbeit
für das
Ritzel 22 jedoch nur die Betätigung des gering belasteten
Kontaktes 56 abverlangt und der eigentliche Einschaltvorgang des
Motorstromes durch das Schaltrelais 60 getätigt, so
dass die Funktionen Einspuren und Schalten vollständig getrennt
sind und der Einspurvorgang keine Rückwirkung auf das Kontaktsystem
des Schaltrelais 60 hat.
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4 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur zweistufigen Bestromung eines Startermotors 12.
An die Stelle des Einspurrelais 57 in 3 für die einstufige
Bestromung tritt hier ein Einspurrelais 64 mit einem Ruhekontakt 66 und
einem Arbeitskontakt 68. Die Festanschlüsse der Kontakte 66 und 68 sind
dabei parallel über
ein Vorsteuerrelais 70 mit dem Pluspol 30 verbindbar,
wobei die Relaiswicklung mit einem Ende am Minuspol 31 und
an Masse und mit ihrem anderen Ende über den Anschluss 50 und
den Zündstartschalter 36 mit
dem Pluspol 30 des Gleichspannungsnetzes verbunden ist.
Die Haltewicklung 52 des Einspurrelais 64 wird
ebenfalls über
das Vorsteuerrelais 70 an den Pluspol 30 und den
Minuspol 31 des Gleichspannungsnetzes angeschlossen.
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In
dieser Ausführung
haben die beiden Wicklungen 52 und 54 des Einspurrelais 64 entgegengesetzten
Wickelsinn, wobei die Haltewicklung 52 eine deutlich höhere Windungszahl
aufweist als die Einzugswicklung 54 und mit einem ausreichend
großen Strom
erregt wird, um alleine trotz der entgegengerichteten Durchflutung
der Einzugswicklung 54 den Einspurvorgang des Ritzels 22 zu
bewerkstelligen. Die Einzugswicklung 54 dämpft dabei
in vorteilhafter Weise die Dynamik der Einspurbewegung und liefert gleichzeitig
einen ausreichend hohen Erregerstrom an die Reihenschlusswicklung 38 des
Startermotors 12, um diesen geringfügig zu verdrehen und den Einspurvorgang
zu erleichtern, beziehungsweise zu ermöglichen. Bei dieser Anordnung
kann eine Einspurfeder zur Unterstützung des Einspurvorgangs zusätzlich eingesetzt
werden.
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Die
Bestromung des Startermotors 12 wird wiederum unabhängig von
der Funktion des Einspurrelais 64 durch das Schaltrelais 60 übernommen. Hierzu
wird die Wicklung 58 des Schaltrelais 60 am Ende
oder nahe dem Ende der Schaltbewegung des Einspurrelais 64 bestromt,
indem dessen Arbeitskontakt 68 geschlossen und der Ruhekontakt 66 geöffnet werden,
sodass das Schaltrelais 60 über seinen Arbeitskontakt 62 ohne
Beeinträchtigung
durch den Einspurvorgang den Startermotor 12 mit seinem
vorgegebenen Arbeitsstrom versorgt wird. Durch das Öffnen des
Ruhekontaktes 66 wird die Einzugswicklung 54 des
Einspurrelais 64 stromlos, seine Haltewicklung 52 bleibt
bis zum Öffnen
des Zündstartschalters 36 erregt
und sichert so die Fortsetzung des Startvorgangs.
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Der
Einsatz eines Vorsteuerrelais 70 ist für die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
gemäß 4 nicht
zwingend erforderlich, das Einspurrelais 64 kann auch analog
zu der Schaltungsanordnung in 3 direkt über den
Zündstartschalter
bestromt werden. Andererseits liegt der Motorstrom in der ersten
Bestromungsphase über
die Einzugswicklung 54 in einer Größenordnung von bis zu 200 A,
sodass zumindest für
leistungsstarke Startermotoren in der ersten Stufe der Bestromung
der Einsatz eines Vorsteuerrelais zur Umgehung des Zündstartschalters 36 zweckmäßig ist.
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5 zeigt
eine Variante der Schaltungsanordnung aus 4, welche
sich von der zuvor beschriebenen Ausführung dadurch unterscheidet, dass
der Erregerstrom für
die Wicklung 58 des Schaltrelais 60 nicht über das
Vorsteuerrelais 70 fließt sondern direkt von der Zuleitung
zum Pluspol 30 der Spannungsquelle abgegriffen wird. Dies
hat zwar den Nachteil, dass eine zusätzliche Verschaltung zwischen
dem Einspurrelais 64 und dem Schaltrelais 60 erforderlich
wird, andererseits wird jedoch die Höhe des Stromes über das
Einspurrelais 64 verringert und das Vorsteuerrelais 70 kann
zumindest bei kleineren Motorausführungen eher entfallen. Alle übrigen Funktionen
der Schaltungsanordnung gemäß 5 entsprechen
denjenigen der 4 und brauchen nicht nochmals
erörtert
werden.
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Zur
Erläuterung
der Darstellungen in den 6 und 7 sind in
den 3 bis 5 zusätzliche Anschlusspunkte mit
den Bezugszeichen 50i, 50k, 50m und 50n bezeichnet.
Hierbei liegt der Anschlusspunkt 50i am Festanschluss des
Relaiskontaktes des Vorsteuerrelais 70, der Anschlusspunkt 50k am
Wicklungsanschluss des Schaltrelais 60, der Anschlusspunkt 50m am
einen Anschluss und der Anschlusspunkt 50n am anderen Anschluss
des Arbeitskontaktes des Einspurrelais 57, beziehungsweise 64.
Diese Bezugszeichen erleichtern die Interpretation der Darstellungen
in den 6 und 7, wobei die in der Praxis üblicherweise
als Doppelkontakte oder mit einer Kontaktplatte ausgeführten Schaltkontakte
ebenfalls schematisiert dargestellt sind.
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6 zeigt
den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen Starters mit einstufiger
Bestromung entsprechend 3. Hierbei bilden der Startermotor 12,
das Einspurrelais 57 und das Schaltrelais 60 eine
Baueinheit 72, wobei entweder beide Relais 57 und 60 oder
eines von ihnen fest in das Gehäuse
des Startermotors 12 integriert, beziehungsweise lösbar mit
diesem verbunden sind. Der Innenaufbau des Einspurrelais 57,
des Schaltrelais 60 und des Startermotors 12 ist
symbolisch durch die jeweiligen Anschlusspunkte bezeichnet. So erhält das Einspurrelais 57 sein
Startsignal über
einen externen Anschluss vom Zündstartschalter 36,
wodurch der Arbeitskontakt 56 geschlossen und die Anschlusspunkte 50m und 50n zur
Erregung des Relais miteinander verbunden werden.
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In
dem Schaltrelais 60 wird der Pluspol 30 über den
Arbeitskontakt 62 mit dem Anschlusspunkt 45 am
Relais und dieser extern mit dem Startermotor 12 sowie über dessen
Reihenschlusswicklung 38 mit dem Minuspol 31,
beziehungsweise mit Masse verbunden.
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7 zeigt
die räumliche
Anordnung eines zweistufig bestromten erfindungsgemäßen Starters entsprechend
den 4 oder 5. Hierbei bilden das Vorsteuerrelais 70,
das Einspurrelais 64, das Schaltrelais 60 und
der Startermotor 12 eine Baueinheit 74. Die Relais 70, 64 und 60 sind
wiederum wahlweise einzeln oder gemeinsam in das Gehäuse des Startermotors 12 integriert
oder lösbar
mit ihm verbunden. Die Darstellung der Anschlusspunkte und der Kontakte
entspricht den 4 und 5, welche
sich lediglich durch die Stromversorgung des Arbeitskontaktes 68 des
Einspurrelais 64 unterscheiden. Der Anschluss 50n des
Einspurrelais 64 ist dabei wahlweise entweder mit dem Anschlusspunkt 50i am
Vorsteuerrelais 70 oder direkt mit dem Pluspol 30 der
Spannungsquelle verbunden.