DE102008040945B4

DE102008040945B4 - Verfahren zum Einspuren eines Andrehritzels einer Startvorrichtung in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008040945B4
Application number: DE102008040945.6A
Authority: DE
Inventors: Sven Hartmann; Juergen Gross
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2028-08-02
Also published as: US20120024253A1; WO2010012764A1; HUE050273T2; US9169819B2; EP2321522A1; EP2321522B1; DE102008040945A1

Abstract

Verfahren zum Einspuren eines Andrehritzels (22) einer Startvorrichtung (10) in einen Zahnkranz (25) einer Brennkraftmaschine (20), die eine Antriebswelle (21) aufweist, wobei das Andrehritzel (22) eine Umfangsgeschwindigkeit (v_R) aufweist und der Zahnkranz (25) eine Umfangsgeschwindigkeit (v_ZK) aufweist, wobei das Andrehritzel (22) entlang seiner Rotationsachse (276) axial vorspurt und das Andrehritzel (22) mit einer Umfangsgeschwindigkeit (v_R) den Zahnkranz (25) kontaktiert, die kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit (v_ZK) des Zahnkranzes (25) ist und die Umfangsgeschwindigkeit (vZK) des Zahnkranzes (25) ungleich Null ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes (25) der Antriebsdrehrichtung der Antriebswelle (21) entgegengesetzt und damit dem Wert nach negativ ist.

Description

Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 011 644 A1 ist ein Verfahren bekannt, wie zwei bewegte Zahnräder einer Startvorrichtung und einer Brennkraftmaschine (Ritzel und Zahnkranz) im dynamischen Fall ineinander in Eingriff zu bringen sind. Dort ist bereits der Fall beschrieben, dass das Ritzel in der sogenannten Auslaufphase der Brennkraftmaschine in den mit positiver Drehzahl drehenden Zahnkranz der Brennkraftmaschine und entweder etwas kleinerer oder etwas größerer Umfangsgeschwindigkeit des Ritzels eingespurt werden soll.
Demgegenüber ist vorgesehen, dass ein Einspuren des Ritzels in den Zahnkranz der Startvorrichtung erreicht wird, indem bewusst und bedingt durch technische Mittel erreicht wird, dass das Andrehritzel mit einer Umfangsgeschwindigkeit den Zahnkranz kontaktiert, die kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes ist. Die Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes soll dabei negativ und damit der Antriebsdrehrichtung der Antriebswelle der Brennkraftmaschine entgegengesetzt sein. Dies hat den Vorteil, dass der Einrückvorgang des Ritzels in den Zahnkranz wie im konventionellen Fall des Einrückens eines Ritzels eines gewöhnlichen Starters in den Zahnkranz ablaufen kann. Der konventionelle Einrückvorgang verursacht unter üblichen Bedingungen verhältnismäßig geringen Verschleiß, was insbesondere bei einem Fahrzeug mit einem Start-Stopp-System sehr erwünscht ist. Bei einem Fahrzeug mit Start-Stopp-System ist die Anzahl an Starts gegenüber Fahrzeugen mit konventionellem Start-System beispielsweise bis zu zehnmal höher. Vor diesem Hintergrund ist es besonders erstrebenswert, bei einem Start-Stopp-System ein verschleißarmes Einspuren zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass beim Einspuren eines Andrehritzels in den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine Geschwindigkeitsverhältnisse vorliegen, die dazu führen, dass ein verhältnismäßig sanftes, d. h. verschleißarmes Einspuren eines Andrehritzels in den Zahnkranz ermöglicht wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes negativ und damit der Antriebsdrehrichtung der Antriebswelle der Brennkraftmaschine entgegengesetzt ist.
Das Verfahren ist besonders zuverlässig, wenn die Umfangsgeschwindigkeiten des Zahnkranzes und des Andrehritzels an ihrer gemeinsamen Eingriffsstelle in gleicher Richtung orientiert sind. Dies bedeutet beispielsweise für den Fall, dass der Zahnkranz und auch das Andrehritzel jeweils als außenverzahnte Stirnräder gestaltet sind, dass sich diese in gegensätzlicher Drehrichtung bewegen.
Hinsichtlich der unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten von Zahnkranz und Andrehritzel hat man durch umfangreiche Versuche herausgefunden, dass bezüglich der Umfangsgeschwindigkeiten besondere Verhältnisse gelten sollen. So ist vorgesehen, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes im Moment des ersten Kontaktierens mit dem Andrehritzel bzw. des Kontaktierens des Andrehritzels mit dem Zahnkranz die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes maximal um einen Wert gebildet aus dem Produkt von 5 Metern pro Sekunde pro Millimeter und dem Modul des Zahnkranzes in Millimetern größer und minimal größer als die Umfangsgeschwindigkeit des Andrehritzels ist. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens ist dadurch steigerbar, indem die Startvorrichtung eine Ritzelwelle aufweist, die das Andrehritzel antreibt, wobei zwischen dem Andrehritzel und der Ritzelwelle in Richtung seiner Rotationsachse eine Federkraft eines Federelements wirkt, wobei durch das Kontaktieren des Andrehritzels mit dem Zahnkranz das Federelement komprimiert wird. Die Zuverlässigkeit des Systems wird dabei nicht nur durch die federnden bzw. elastischen Eigenschaften verbessert, sondern gleichzeitig durch die damit einhergehenden Dämpfungsvorgänge, die beispielsweise durch die Reibung der Feder mit ihren Gegenlagern oder irgendwelcher Strömungsdämpfungen entstehen.
Für das Verfahren ist des Weiteren von Bedeutung, dass das Andrehritzel rechtzeitig zum Zahnkranz vorgespurt wird und auch rechtzeitig eine wie vorgesehen hohe Umfangsgeschwindigkeit erreicht. Dementsprechend ist von Bedeutung, dass ein Schaltkriterium durch ein Steuergerät erkannt wird und das Andrehritzel dann in einem Schritt in Richtung zum Zahnkranz vorgespurt und in einem anderen Schritt in Drehung versetzt wird, wobei die am Andrehritzel herrschende Umfangsgeschwindigkeit beim Erreichen des Zahnkranzes kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes ist. Durch diese Maßnahmen kann sichergestellt werden, dass das Ritzel im richtigen Moment mit einer passenden Eigenschaft den Zahnkranz kontaktiert. Es ist dabei zunächst unerheblich, welches Schaltkriterium hier herangezogen wird. Es ist auch unerheblich, welches Steuergerät das Schaltkriterium erkennt.
So kann das Schaltkriterium ein Signal sein, welches einem Wunsch nach Abschalten der Brennkraftmaschine entspricht. Der Wunsch nach Abschalten der Brennkraftmaschine kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeuges beispielsweise Null ist und/oder der Triebstrang geöffnet ist oder die Fahrzeuggeschwindigkeit beispielsweise unterhalb einer geringen Geschwindigkeitsschwelle, beispielsweise <7h/km, liegt. Ein weiteres Schaltkriterium kann beispielsweise ein Signal sein, welches einer Drehzahleigenschaft des Zahnkranzes der Brennkraftmaschine entspricht. Eine Drehzahleigenschaft des Zahnkranzes wäre hier beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes bzw. die Änderung der Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes beispielsweise unterhalb einer bestimmten Drehzahlschwelle, aus der ein kommender Stillstand der Brennkraftmaschine abgeleitet werden kann. Eine derartige Eigenschaft könnte darauf hindeuten, dass die Brennkraftmaschine abgeschaltet werden soll (z. B. Schwungnutzautomatik).
Es ist dabei vorgesehen, dass ausgehend von dem Schaltkriterium ein Zeitpunkt errechnet wird, zudem die Startvorrichtung aktiviert wird. So könnte z. B. definiert sein, dass für den Fall, dass die Brennkraftmaschine eine Drehzahl unterhalb von 600/min erreicht, die Startvorrichtung aktiviert wird (Drehen des Andrehritzels, Vorspuren des Andrehritzels), um zu einem geeigneten Zeitpunkt das Andrehritzel mit der geeigneten Eigenschaft mit dem Zahnkranz zu kontaktieren.
Hinsichtlich des Verfahrens ist besonders vorgesehen, dass zunächst das Andrehritzel in einem Schritt in Drehung versetzt wird und danach in einem Schritt zum Zahnkranz vorgespurt wird.
Figurenliste
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigen:

1 eine Startvorrichtung und ausschnittweise eine Brennkraftmaschine mit Zahnkranz,
2 eine Prinzipdarstellung des Systems aus Brennkraftmaschine, Startvorrichtung und Steuergeräten in einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Prinzipdarstellung der Geschwindigkeitsverhältnisse zum Zeitpunkt des ersten Kontaktierens des Andrehritzels am Zahnkranz,
4 zeigt den Ablauf des Verfahrens anhand von einigen Momentaufnahmen von Situationen während des Verfahrenablaufs bis zum Andrehen,

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine elektrische Maschine 10 (Startvorrichtung) in einem Längsschnitt. Diese elektrische Maschine 10 weist beispielsweise einen elektrischen Motor 13 (Startermotor) und eine Schubvorrichtung 16 auf. Der elektrische Motor 13 und die Schubvorrichtung 16 sind an einem gemeinsamen Antriebslagerschild 19 befestigt. Der elektrische Motor 13 dient funktionell beispielsweise dazu, ein Andrehritzel 22 anzutreiben, wenn es im Zahnkranz 25 der hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespurt ist.
Der elektrische Motor 13 weist als Gehäuse 11 ein Polrohr 28 auf, das an seinem Innenumfang Polschuhe 31 trägt, die jeweils von einer Erregerspule 300, die Teil einer Erregerwicklung 34 sind, umwickelt sind. Die Polschuhe 31 umgeben wiederum einen Anker 37, der ein aus Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket 43 und eine in Nuten 46 angeordnete Ankerwicklung 49 aufweist. Das Ankerpaket 43 ist auf eine Antriebswelle 44 aufgepresst. An dem dem Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 ist des Weiteren ein Kommutator 52 angebracht, der unter anderem 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 Stromzufuhr 61 versorgt im Einschaltzustand sowohl die Kohlebürsten 58 als auch die Erregerwicklung 34 mit Strom. Die Antriebswelle 44 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, beispielweise zwei, drei oder vier Stück) am Antriebslagerschild 19 befestigt. Es stützt sich dabei das Polrohr 28 am Antriebslagerschild 19 ab und der Kommutatorlagerdeckel 70 am Polrohr 28.
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 drei Planetenräder 86, die mittels Wälzlagern 89 auf Achszapfen 92 abgestützt sind. Die Planetenräder 86 wälzen in einem Hohlrad 95 ab, das im Polrohr 28 gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich an die Planetenräder 86 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. Des Weiteren 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 44 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 einer 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 hier beispielsweise mit einem topfförmigen Außenring 132 des Freilaufs 137 verbunden 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 umlaufende 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 Verzahnung 143 ausgeführt.
Nachfolgend wird auf den Einspurmechanismus eingegangen. Die Schubvorrichtung 16 weist ein Gehäuse 156 ab, welches Mittels mehrerer Befestigungselemente 159 (Schrauben) am Antriebslagerschild 19 befestigt ist. In der Schubvorrichtung 16 ist weiterhin eine Wicklung 162 zum Einziehen angeordnet. Die Wicklung 162 zum Einziehen bewirkt im eingeschalteten Zustand ein elektromagnetisches Feld, welches verschiedene Bauteile durchströmt. Unter anderem wirkt sich dieses magnetische Feld auf einen linear beweglichen Anker, der hier als Hubmittel 168 bezeichnet ist, und ggf. einen hier deckelartigen Rückschlusskern 171 aus. Das Hubmittel 168 trägt eine Schubstange 174, die beim linearen Einzug des Hubmittels 168 nach rechts bewegt wird.
Die Schubvorrichtung 16 bzw. das Hubmittel 168 hat die Aufgabe, mit einem Zugelement 187 einen in dem Antriebslagerschild 19 drehbeweglich angeordneten Hebel 190 zu bewegen. Dieser Hebel 190, üblicherweise als Gabelhebel ausgeführt, greift mit zwei hier nicht dargestellten „Zinken“ bzw. Gabelarmen an seinem Außenumfang einen sich zwischen zwei Scheiben 193 und 194 befindenden Mitnehmerring 197, um diesen zum Freilauf 137 hin gegen den Widerstand der Feder 200 zu bewegen und dadurch das Andrehritzel 22 in den Zahnkranz 25 einzuspuren.
Alternativ könnte der elektrische Motor 13 auch permanentmagnetisch erregt sein. Dabei weist das Polrohr 28 an seinem Innenumfang statt jeweils von einer Erregerspule 300 umgebene Polschuhe 31 Permanentmagnete auf, die für das entsprechende magnetische Gegenfeld zum Anker 37 sorgen.
In 2 ist dargestellt, wie die Startvorrichtung 10 elektrisch mit einem Startersteuergerät 250 verbunden bzw. verschaltet ist. So steuert beispielsweise dieses Startersteuergerät 250 mittels eines elektrischen Hubmagneten 253 (Relais) einen Schalter 256 an, der für die Stromversorgung des Startermotors 13 zuständig ist. Ist dieser Schalter 256 geschlossen, so wird positives elektrisches Potential von einer Starterbatterie bzw. eines Starterakkumulator 259 an den Startermotor 13 angelegt. In der Folge beginnt sich der Anker 37 zu drehen, auch das Andrehritzel 22 beginnt sich zu drehen. Des Weiteren schaltet das StarterSteuergerät 250 die Schubvorrichtung 16. Hierzu wird die Wicklung 162 zum Einziehen mittels zweier elektrischer Leitungen 262 und 265 bestromt. In der Folge bewegt sich das Hubmittel 168, welches das Zugelement 187 und in der Folge den Hebel 190 bewegt. Das Andrehritzel 22 wird damit in Richtung der Abtriebswelle 116 axial in Richtung zum Zahnkranz 25 vorgeschoben.
Der Ablauf gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist dabei wie folgt: Ein Drehzahlsensor 270 übermittelt ein Signal an ein Motorsteuergerät 273. Dieses Signal entspricht hier einer Drehzahleigenschaft des Zahnkranzes 25 der Brennkraftmaschine 20. Es ist dabei unerheblich, ob der Drehzahlsensor 270 die Drehzahl des Zahnkranzes 25 oder die Drehzahl eines anderen mit dem Zahnkranz 25 verbundenen Bauteils übermittelt. In Frage könnte hierbei beispielsweise auch die Drehzahl einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine 20 kommen. Im Ausführungsbeispiel nach 2 entscheidet das Motorsteuergerät 273, ob das Startersteuergerät 250 aktiviert werden soll oder nicht. Ist die Drehzahleigenschaft derartig, dass das Andrehritzel 22 in den Zahnkranz 25 eingespurt werden soll, so aktiviert in diesem Fall das Motorsteuergerät 273 das Startersteuergerät 250, welches sowohl das Andrehen des Startermotors 13 (Aktivieren des Hubmagnets 253, Schließen des Schalters 256) und das Aktivieren der Schubvorrichtung 16 durch Schalten der Wicklung 162 umfasst. Zu diesem Aktivierungsverfahren gibt es Alternativen, die nachfolgend noch erwähnt werden. Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren ist ein Verfahren zum Einspuren eines Andrehritzels 22 einer Startvorrichtung 10 in einen Zahnkranz 25 einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei das Andrehritzel 22 aufgrund eines drehenden Startermotors 13 eine Umfangsgeschwindigkeit v_R aufweist und der Zahnkranz 25 eine Umfangsgeschwindigkeit v_ZK aufweist, wobei das Andrehritzel 22 entlang einer Rotationsachse 276 axial vorspurt. Das Andrehritzel 22 kontaktiert den Zahnkranz 25 mit einer Umfangsgeschwindigkeit v_R , die kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 ist.
Die 3 zeigt in schematischer Ansicht in Achsrichtung (Drehachse von Andrehritzel 22 und Zahnkranz 25) eine Stirnansicht auf das Andrehritzel 22 und den Zahnkranz 25 in dem Moment vor dem Kontaktieren des Zahnkranzes 25 durch das Andrehritzel 22. Es ist dargestellt, dass der Zahnkranz 25 hier rechtsdrehend ist und das Andrehritzel 22 linksdrehend. Der Zahnkranz 25 weist an seinem Außenumfang, d. h. hier auf dem Teilkreisdurchmesser, eine Umfangsgeschwindigkeit v_ZK und das Andrehritzel 22 auf seinem Teilkreisdurchmesser eine Umfangsgeschwindigkeit V_R auf. Wie dargestellt, kontaktiert das Andrehritzel 22 mit einer Umfangsgeschwindigkeit v_R den Zahnkranz 25, wobei die Umfangsgeschwindigkeit v_R kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 ist.
Die 4a bis 4k zeigt den Ablauf des Einspurvorgangs in stark schematischer Weise. Die Darstellungen in 4a bis 4k zeigen in Abwicklungen den Ablauf des Eingreifens der Zähne des Andrehritzels 22 in die Zahnlücken des Zahnkranzes 25. D. h. der Umfang der Zahnräder ist hier linear dargestellt.
So zeigt 4a die Situation des Andrehritzels 22 und des Zahnkranzes 25 nach dem das Andrehritzel 22 in Drehbewegung versetzt wurde. Das Andrehritzel 22 zeigt in der ausschnittweisen Darstellung einen Zahn ZR1 und nachfolgend einen Zahn ZR2. Diese Zähne ZR1 und ZR2 weisen in Richtung zur zum Zahnkranz 25 gerichteten Stirnseite 300 eine Schrägung 303 auf, diese Schrägung 303 weist zur Rückseite der Zähne. Rückseite bedeutet hier, dass diese Schrägung von der Stirnseite 300 auf die Rückseite des Zahns übergeht, wobei die Rückseite des Zahns ZR1 oder ZR2 gegen die Drehrichtung orientiert ist. Der Zahnkranz 25 weist ebenfalls eine Stirnseite 306 auf. Die Zähne ZK1, ZK2, ZK3 und ZK4, stellvertretend für alle Zähne am Außenumfang des Zahnkranzes 25, weisen ebenfalls eine Schrägung 309 auf. Im Gegensatz zu den Schrägungen 303 des Andrehritzels 22 zeigen diese Schrägungen 309, ausgehend von der Stirnseite 306 in Richtung zur Drehrichtung und damit der Umfangsgeschwindigkeit v_ZK . Die Schrägungen 303 des Andrehritzels 22 und auch die Schrägungen 309 des Zahnkranzes 25 stehen einander gegenüber bzw. weisen aufeinander. Die unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten des Teilungskreises des Andrehritzels 22 und des Zahnkranzes 25 sind hier mit unterschiedlichen großen Pfeilen dargestellt.
Ausgehend von der 4a zeigt die 4b den nächsten Schritt. Die 4b zeigt hier den Moment des Kontaktierens des Andrehritzels 22 am Zahnkranz 25. Diese 4b zeigt den Normalfall des ersten Versuchs eines Einspurens eines Andrehritzels 22 in den Zahnkranz 25 einer Brennkraftmaschine, nämlich die sogenannte Zahn-auf-Zahn-Stellung. Wie hier gut zu erkennen ist, stehen sich die Stirnseiten 300 und 306 der Zähne ZR1 und ZR2 und der Zähne ZK1 und ZK2 einander im Weg. Ein glattes ungehindertes Einspuren des Andrehritzels 22 in den Zahnkranz 25 ist so nicht möglich.
Gemäß dem weiteren Ablauf des Einspurverfahrens und der Situation hinsichtlich der Umfangsgeschwindigkeiten v_R und v_ZK von Andrehritzel 22 und Zahnkranz 25, drehen sich die beiden Zahnräder relativ zueinander. Demzufolge gleiten die Zähne ZK1 und ZK2 des Zahnkranzes 25 an den Stirnflächen der Zähne ZR1 und ZR2 entlang, bis sich für die Zähne ZR1 und ZR2 theoretisch die Möglichkeit ergäbe, in eine Zahnlücke ZL1 zwischen den Zähnen ZK1 und ZK2 einzuspuren. Aufgrund der Massenträgheit des Andrehritzels 22 und der Relativgeschwindigkeit, d. h. der Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten von Andrehritzel 22 und Zahnkranz 25, schaffen es die Zähne ZR1 und ZR2 zunächst nicht in die entsprechenden Zahnlücken ZL1 und ZL2 des Zahnkranzes 25 einzuspuren. Vielmehr schlagen die Schrägungen 303 der Zähne ZR1 und ZR2 an den Schrägungen 309 der Zähne ZK2 und ZK3 an. Dieses Anschlagen bzw. Anprallen führt dazu, dass das Andrehritzel 22 zunächst einmal von den Schrägungen 309 abprallt, dabei aber kinetische Energie verliert, d. h. in axialer Richtung (Drehachse 276) nicht allzu weit zurückspurt, siehe auch 4e. Während dieses Abprallens und nicht eingespurt seins im Zahnkranz 25 verdreht sich der Zahnkranz 25 weiter relativ zum Andrehritzel 22, so dass die Schrägungen der 303 der Zähne ZR1 und ZR2 nunmehr den Schrägungen 309 der Zähne ZK3 und ZK4 gegenüber stehen, siehe auch 4g. Die Zähne des Andrehritzels 22 schlagen aufgrund dessen, dass das Andrehritzel nunmehr weniger kinetische Energie in sich trägt, nicht mehr ganz so hart auf den Schrägungen 309 der Zähne ZK3 und ZK4 des Zahnkranzes 25 auf. Des Weiteren hat der Zahnkranz 25 mit dem Anprallen (4d) des Andrehritzels 22 auf das Andrehritzel 22 einen gewissen Drehimpuls übertragen (gleichzeitig wurde der Zahnkranz dadurch aber auch etwas abgebremst), so dass das Andrehritzel 22 mit seinen Zähnen ZR1 und ZR2 nunmehr nicht oder nahezu nicht von den Schrägungen 309 der Zähne ZK3 und ZK4 abprallt und aufgrund einer Vorspannkraft der Feder 200 weiter in die Zahnlücken ZL2 und ZL3 hineingeschoben wird, bis diese die Schrägungen 309 des Zahnkranzes 25 hinter sich gelassen haben (4h).
Die Zähne ZR1 und ZR2 des Andrehritzels 22 gleiten nunmehr - jetzt in Umfangsrichtung getrieben durch den Zahnkranz bzw. dessen Zähne ZK3 und ZK4 weiter in die Zahnlücken ZL3 und ZL2, bis diese Zähne gänzlich in den Zahnlücken ZL2 und ZL3 eingeschoben sind (4i und 4j). Daran anschließend führen die Zähne ZR3 und ZR4 einen Anlagewechsel (4k) durch, d. h. entweder bremst der Zahnkranz 25 so stark ab, dass die Zähne ZK3 und ZK4 langsamer werden und so an den Zähnen ZR1 und ZR2 zur Anlage kommen oder dass Andrehritzel 22 beschleunigt so sehr, dass es nunmehr den Zahnkranz 25 aktiv antreibt, um die Brennkraftmaschine 20 über den Zahnkranz 25 wieder anzudrehen (Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine). Letzter Fall kann dann auftreten, wenn sich beim Fahrer eine Absichtsänderung ergeben hat, während der Einspurvorgang des Andrehritzels 22 in den Zahnkranz 25 im Gange war. Eine solche Änderung kann beispielsweise dann auftreten, wenn der Fahrer mit seinem Fahrzeug auf eine Ampel zugefahren ist und an sich beabsichtigte das Fahrzeug zum Stehen zu bringen oder bereits sehr kurzfristig zum Stehen gebracht hat. In einem solchen Fall kann die Brennkraftmaschine gerade im Begriff des Auslaufens sein, wenn die Ampel von „Halt“ auf „Fahren“ umschaltet. In einem solchen Fall kann beispielsweise durch Betätigen eines Signalgebers, welches für einen Fahrerwunsch steht (Gaspedal), das Andrehritzel 22 plötzlich beschleunigt werden und die in 4k dargestellte Situation eintreten (Schlagwort „mind change“, Neudeutsch für Absichtsänderung oder Gesinnungswandel des Fahrers).
Gemäß dem bisher beschriebenen ist demzufolge ein Verfahren zum Einspuren eines Andrehritzels 22 einer Startvorrichtung 10 in einen Zahnkranz 25 einer Brennkraftmaschine 20 vorgesehen, wobei das Andrehritzel 22 eine Umfangsgeschwindigkeit v_R aufweist, und der Zahnkranz 25 eine Umfangsgeschwindigkeit v_ZK aufweist, wobei das Andrehritzel 22 entlang seiner Rotationsachse 276 axial vorspurt, wobei das Andrehritzel 22 mit einer Umfangsgeschwindigkeit v_R den Zahnkranz 25 kontaktiert, die kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 ist. Daraus wird deutlich, dass es beim Verfahren auf die Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem Andrehritzel 22 und dem Zahnkranz 25 ankommt. Dementsprechend sind mehrere Fälle unterscheidbar:

a) Der erste Fall ist der Fall, wie er in 3 dargestellt ist. Die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes v_ZK ist größer als die Umfangsgeschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22. Daraus ergibt sich im Umkehrschluss, dass das Andrehritzel 22 mit einer Umfangsgeschwindigkeit v_R den Zahnkranz 25 kontaktiert, die kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 ist. Die Drehrichtung ist in diesem Fall in der gleichen Richtung wie die vorgesehene bzw. tatsächliche Drehrichtung einer Antriebswelle 21 (beispielsweise Kurbelwelle) der Brennkraftmaschine 20 im antreibenden Fall und hier wertmäßig als positiv bewertet. In diesem Fall ist die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 ungleich Null. Ebenso ist die Umfangsgeschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22 ungleich Null. Beide Umfangsgeschwindigkeiten v_R , v_ZK sind in gleicher Richtung orientiert, 3.
b) In diesem Fall ist die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 nach wie vor größer als die Geschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22. Dies bedeutet, dass die Drehrichtung des Andrehritzels 22 in diesem Fall der Andrehrichtung des Andrehritzels 22 aus dem Fall a entgegengesetzt ist. Während im Fall a das Andrehritzel 22 mit einer Drehung bzw. Winkelgeschwindigkeit dreht, die der vorgesehenen Drehung der Antriebswelle 21 in deren Antriebszustand entgegengesetzt ist, so ist im Fall b vor dem Kontaktieren des Andrehritzels 22 dessen Winkelgeschwindigkeit in der gleichen Richtung wie die spätere Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 21. Unter derartigen Geschwindigkeitsverhältnissen zwischen dem Zahnkranz 25 und dem Andrehritzel 22 können die gleichen Relativbewegungen vorliegen wie im Fall a. Im Unterschied zum Fall a, ist nach dem erfolgten Einspuren des Andrehritzels 22 die Drehrichtung und damit die Winkelgeschwindigkeit des Startermotors 13 umzudrehen.
c) Beim Fall c ist die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 größer Null und die Umfangsgeschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22 kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25. Die Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25 ist dabei der Antriebsdrehrichtung der Antriebswelle 21 entgegengesetzt. Ein derartiger Fall kann dann auftreten, wenn sich in der Brennkraftmaschine 20 aufgrund von bekannten Auslaufeigenschaften die Drehrichtung der Antriebswelle 21 umkehrt. So ist das Phänomen bekannt, dass ein sich in einer Brennkraftmaschine zum sogenannten oberen Totpunkt bewegender Kolben die für die Verbrennung vorgesehene Luft verdichtet und dabei Arbeit gegen den Luftdruck in dem Brennraum oberhalb des Kolbens verrichtet. Ist die Energie des Kolbens bzw. der Antriebswelle 21 und der damit verbundenen Antriebsteile (Kolben, Pleuel, Kurbelwelle) nicht so hoch, dass der Kolben den oberen Todpunkt überschreiten kann, so wird die Antriebswelle 21 wieder zurückdrehen. Dieser Fall ist hier mit diesem Fall c gemeint. In einer derartigen Situation dreht sich die Antriebswelle 21 nachdem sie den oberen Todpunkt nicht erreicht hat, wieder zurück und weist demzufolge kurzfristig eine Winkelgeschwindigkeit auf, die der Winkelgeschwindigkeit im Antriebsfall und auch im Fall a entgegengesetzt ist. Derartige Details zu diesem Thema sind aus druckschriftlichen Werken zur Technik von Verbrennungsmotoren allgemein bekannt. Im Moment ab der Drehrichtungsumkehr und damit der Annahme einer Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 21 und des Zahnkranzes 25, wird diese Winkelgeschwindigkeit und damit auch die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25 dem Wert nach negativ bewertet. Mit anderen Worten, die Winkelgeschwindigkeit des Andrehritzels 22 muss bis zum Moment des Kontaktierens einen Wert annehmen, der verglichen mit der Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25 noch negativer ist, um gemäß der hier vorgenommenen Definition kleiner zu sein als die Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes 25. Gemäß der hier vorgenommenen Definition ist in diesem Fall die Umfangsgeschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22 ebenfalls kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25.

In diesem Verfahren ist vorgesehen, dass die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 im Moment des ersten Kontaktierens maximal um einen Wert gebildet aus dem Produkt von 5m/(s * mm) [fünf Meter pro dem Produkt aus Sekunden und Millimetern] und dem Modul m_ZK des Zahnkranzes 25 in mm größer ist und minimal größer als die Umfangsgeschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22 ist. Als Beispiel sei hier für den Modul m_ZK des Zahnkranzes 25 ein Wert von 2,11 mm angenommen. Diese technische Größe Modul m ist beispielsweise in der deutschen Industrienorm DIN 868 angegeben und ist eine Basisgröße für Längenmaße von Verzahnungen. Der Modul m ergibt sich als Quotient aus der Teilung p und der Zahl π. Die Teilung p wiederum ist in einem bestimmten Schnitt der Verzahnung der Bogen auf der Bezugsfläche zwischen den gleichnamigen Flanken zweier benachbarter Zähne, also beispielsweise der Zähne ZK1 und ZK2. Weist also der Modul m den genannten Wert auf, so ist vorgesehen, dass die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK des Zahnkranzes 25 maximal um 10,55 Metern pro Sekunde größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit v_R des Andrehritzels 22. Für einen Modul m von 3 mm ergäbe sich somit ein Wert von 15 Metern pro Sekunde und für einen Modul von 1,5 mm eine Geschwindigkeit von 7,5 Metern pro Sekunde.
Es ist des Weiteren vorgesehen, dass die Startvorrichtung 10 eine Ritzelwelle in Gestalt des Mitnehmers 131 aufweist, die das Andrehritzel 22 antreibt. Dabei wirkt auf das Andrehritzel 22 eine Federkraft der Feder 200, wobei beim Kontaktieren des Andrehritzels 22 mit dem Zahnkranz 25 die Feder 200 komprimiert wird.
Mit Bezug zu 2 wurde bereits erläutert, dass im Rahmen des Verfahrens ein Schaltkriterium, z. B. eine Drehzahl des Zahnkranzes 25 oder der Antriebswelle 21 oder einer Nockenwelle durch ein Steuergerät 273, dort ausgeführt als Motorsteuergerät erkannt wird. In der Folge wird das Andrehritzel 22 in einem Schritt in Richtung zum Zahnkranz 25 vorgespurt und in einem anderen Schritt in Drehung versetzt, wobei die am Andrehritzel 22 herrschende Umfangsgeschwindigkeit v_R beim Erreichen des Zahnkranzes 25 kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit v_ZK ist. Es ist zunächst unerheblich, ob das Vorspuren des Andrehritzels 22 vor dem Beginn des Drehens abläuft oder in umgekehrter Reihenfolge.
Eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 2 kann beispielsweise vorsehen, dass das Schaltkriterium, beispielsweise die Drehzahl, nicht durch das Steuergerät 273 der Brennkraftmaschine 20 erkannt wird, sondern beispielsweise durch das Steuergerät 250 des Starters, welcher nachfolgend dann die bereits erwähnten Schritte (in Drehung versetzen, Vorspuren) veranlasst.
Das Schaltkriterium kann beispielsweise ein Signal sein, welches einem Wunsch nach Abschalten der Brennkraftmaschine in allgemeiner Form entspricht. Ein derartiger Wunsch kann bereits beispielsweise dadurch in Erscheinung treten, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verringert werden soll. Eine derartige Geschwindigkeitsverringerung kann sich beispielsweise aus dem Betätigen des Bremspedals bzw. der Ansteuerung eines entsprechenden Signalaufnehmers, welcher die Signale der Bremsanlage verarbeitet, ergeben. Ein entsprechendes anderes Signal könnte auch das Signal sein, welches dazu vorgesehen ist der Brennkraftmaschine 20 zu signalisieren, dass diese nun im Leerlauf gesteuert werden soll (Schubabschaltung).
So ist es gemäß dem Verfahren bzw. einer Variante dieses Verfahrens vorgesehen, dass ausgehend von dem Schaltkriterium ein Zeitpunkt errechnet wird, zudem die Startvorrichtung aktiviert wird, um die gemäß der Erfindung gewünschten Bedingungen zu erreichen. Es ist vorgesehen, dass das Verfahren an einer auslaufenden Brennkraftmaschine 20 angewandt wird, wobei sich die Drehzahl der Antriebswelle 21 verringert. Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt ist vorgesehen, dass die Drehzahl des Andrehritzels 22 nach dem Einspuren in den Zahnkranz 25 auf den Wert Null gesenkt wird. In der Folge gilt diese Bedingung auch für den Zahnkranz 25.
Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, den Startermotor 13 und das Hubmittel 16 voneinander getrennt anzusteuern.
Die Feder 200 kann beispielsweise als Spiralfeder ausgeführt sein oder als Tellerfeder oder eine andere Federart.

Claims

Verfahren zum Einspuren eines Andrehritzels (22) einer Startvorrichtung (10) in einen Zahnkranz (25) einer Brennkraftmaschine (20), die eine Antriebswelle (21) aufweist, wobei das Andrehritzel (22) eine Umfangsgeschwindigkeit (v_R) aufweist und der Zahnkranz (25) eine Umfangsgeschwindigkeit (v_ZK) aufweist, wobei das Andrehritzel (22) entlang seiner Rotationsachse (276) axial vorspurt und das Andrehritzel (22) mit einer Umfangsgeschwindigkeit (v_R) den Zahnkranz (25) kontaktiert, die kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit (v_ZK) des Zahnkranzes (25) ist und die Umfangsgeschwindigkeit (vZK) des Zahnkranzes (25) ungleich Null ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelgeschwindigkeit des Zahnkranzes (25) der Antriebsdrehrichtung der Antriebswelle (21) entgegengesetzt und damit dem Wert nach negativ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgeschwindigkeit (v_R) des Andrehritzels (22) ungleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgeschwindigkeiten (v_R, v_ZK) in eine gleiche Richtung orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsgeschwindigkeit (v_ZK) des Zahnkranzes (25) im Moment des ersten Kontaktierens maximal um einen Wert gebildet aus dem Produkt von 5 Metern pro Sekunde pro Millimeter und dem Modul m des Zahnkranzes (25) in Millimetern größer und minimal größer als die Umfangsgeschwindigkeit (v_R) des Andrehritzels (22) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung (10) eine Ritzelwelle aufweist, die das Andrehritzel (22) antreibt, wobei auf das Andrehritzel (22) eine Federkraft einer Feder (200) wirkt, wobei beim Kontaktieren des Andrehritzels (22) mit dem Zahnkranz (25) die Feder (200) komprimiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltkriterium durch ein Steuergerät (273, 250) erkannt wird und das Andrehritzel (22) in einem Schritt in Richtung zum Zahnkranz (25) vorspurt und in einem anderen Schritt in Drehung versetzt wird, wobei die am Andrehritzel (22) herrschende Umfangsgeschwindigkeit (v_R) beim Erreichen des Zahnkranzes (25) kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit (v_ZK) des Zahnkranzes (25) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltkriterium ein Signal ist, welches einem Wunsch nach Abschalten der Brennkraftmaschine (20) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Schaltkriterium ein Zeitpunkt errechnet wird, zudem die Startvorrichtung (10) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Andrehritzel (22) in einem Schritt in Drehung versetzt wird und danach in einem Schritt zum Zahnkranz (25) vorgespurt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Drehzahl des Zahnkranzes (25) im Wesentlichen senkt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Startermotor (13) und das Hubmittel (16) voneinander getrennt angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrehritzel (22) Zähne (ZR1, ZR2, ZR3) mit Stirnflächen (300) und der Zahnkranz (25) Zähne (ZK1, ZK2, ZK3, ZK4) mit Stirnflächen (306) aufweist, wobei die Zähne (ZR1, ZR2, ZR3) Schrägungen (303) und die Zähne (ZK1, ZK2, ZK3, ZK4) Schrägungen (309) aufweisen, wobei die Schrägungen (303) der Zähne (ZR1, ZR2, ZR3) des Andrehritzels (22) und die Schrägungen (309) der Zähne (ZK1, ZK2, ZK3, ZK4) des Zahnkranzes (25) einander gegenüber stehen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim ersten Versuch eines Einspurens eine sogenannte Zahn-auf-Zahn-Stellung ergibt, dann die Zähne (ZK1, ZK2) des Zahnkranzes (25) an den Stirnflächen (300) der Zähne (ZR1, ZR2) des Andrehritzels (22) entlang gleiten, bis sich für die Zähne (ZR1, ZR2) des Andrehritzels (22) theoretisch die Möglichkeit ergibt, in eine Zahnlücke (ZL1) zwischen den Zähnen (ZK1, ZK2) des Zahnkranzes (25) einzuspuren, dann die Schrägungen (303) der Zähne (ZR1, ZR2) des Andrehritzels (22) an den Schrägungen (309) der Zähne (ZK2, ZK3) des Zahnkranzes (25) anschlagen und das Andrehritzel (22) zunächst von den Schrägungen (309) abprallt, dabei kinetische Energie verliert und in Richtung der Rotationsachse (276) zurückspurt, sich der Zahnkranz (25) weiter relativ zum Andrehritzel (22) verdreht, so dass die Schrägungen (303) der Zähne (ZR1, ZR2) des Andrehritzels (22) nunmehr den Schrägungen (309) der Zähne (ZK3, ZK4) des Zahnkranzes (25) gegenüber stehen, wobei die Zähne (ZR1, ZR2) des Andrehritzels (22) nicht mehr ganz so hart auf den Schrägungen (309) der Zähne (ZK3, ZK4) des Zahnkranzes (25) aufschlagen, der Zahnkranz (25) mit dem Anprallen des Andrehritzels (22) auf das Andrehritzel (22) einen gewissen Drehimpuls überträgt, so dass das Andrehritzel (22) mit seinen Zähnen (ZR1, ZR2) nunmehr nicht oder nahezu nicht von den Schrägungen (309) der Zähne (ZK3, ZK4) abprallt und aufgrund einer Vorspannkraft einer Feder (200) das Andrehritzel (22) weiter in die Zahnlücken (ZL2, ZL3) hineingeschoben wird, bis diese die Schrägungen (309) des Zahnkranzes (25) hinter sich gelassen haben.