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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Startvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit einem Startermotor
und einem Starterrelais, mit dem zum Starten der Brennkraftmaschine
ein vom Startermotor angetriebenes Starterritzel mit einem Zahnkranz
der Brennkraftmaschine in Eingriff bringbar ist und der Startermotor
und das Starterrelais für einen Start-Stopp-Betrieb von
einer Startersteuerung getrennt und definiert ansteuerbar sind. Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben einer,
insbesondere oben beschriebenen, Startvorrichtung mit einer Startersteuerung
für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zum Ausführen
eines Start-Stopp-Betriebs, wobei das Starterritzel von dem Startermotor
auf eine definierte Drehzahl beschleunigt wird, und das Starterritzel
in einen auslaufenden rotierenden Zahnkranz zu einem definierten
Zeitpunkt mit im Wesentlichen synchroner Drehzahl eingespurt wird.
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Es
ist bekannt eine Brennkraftmaschine mittels eines von einem Startermotor
antreibbaren Starterritzels zu starten, dass in den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine
eingespurt wird.
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Zur
Einsparung von Kraftstoff und Emisionen ist es bekannt, die Brennkraftmaschine
in einem Fahrzeug durch eine Motorsteuerung beispielsweise an Ampeln
oder bei anderen Verkehrshindernissen, die zu einem kurzfristigen
Stopp zwingen, nach bestimmten Abschaltbedingungen, insbesondere
nach einem bestimmten Zeitablauf auszuschalten. Herkömmlicher
Weise, gibt es Mindestzeiten für einen Wiederstart, die
abgewartet werden müssen, bis die Brennkraftmaschine wieder
gestartet werden kann, da in den auslaufenden Zahnkranz nicht eingespurt werden
darf. Es sind Bestrebungen bekannt, um die Verfügbarkeit
der Brennkraftmaschine im Start-Stopp-Betrieb zu erhöhen,
ein Starterritzel während des Auslaufens der Brennkraftmaschine
in den sich drehenden Zahnkranz einzuspuren. Hierfür ist eine
Startersteuerung vorgesehen, die den Startermotor unabhängig
von einer Bestromung des Starterrelais beschleunigt und ansteuert.
Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2005 021 227 A1 eine Startvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit
einer Steuereinheit, einem Starterrelais, einem Starterritzel und
einem Startermotor.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Startvorrichtung und
ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden,
um möglichst einfach, ohne großen elektrischen
und elektronischen Aufwand das Einspuren im Start-Stopp-Betrieb
während einer auslaufenden Brennkraftmaschine zu realisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1
und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es
ist ein der Erfindung zugrunde liegender Gedanke eine aufwendige
Drehzahlerkennung, die durch elektronische und elektrische bzw.
softwaretechnische Verfahren und Vorrichtungen realisiert werden
könnte, durch eine einfache mechanische Konstruktion zu
substituieren. Somit ist ein möglichst geräuschloser
Einspurvorgang mit einem verminderten bzw. äußerst
reduzierten Zahnflankenverschleiß vom Zahnkranz der Brennkraftmaschine
und vom Starterritzel ausführbar.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Startvorrichtung
mit einer mechanischen Einrichtung zur Anpassung der Drehzahl des
Starterritzels an die Drehzahl eines auslaufenden Zahnkranzes ausgebildet
ist. Die mechanische Einrichtung schafft somit eine Angleichung
der Drehzahl vom Starterritzel und der Drehzahl vom auslaufenden
Zahnkranz der Brennkraftmaschine ohne dass eine hoch genaue Synchronisation
der Drehzahlen durch ein aufwendiges elektrisches und elektronisches
Verfahren ausgeführt werden muss. Eine grundsätzliche
Idee ist, durch die mechanische Einrichtung die Drehzahl des Starterritzels
auf eine synchrone Umlaufgeschwindigkeit der Zähne vom
Zahnkranz anzupassen. Hierfür ist erfindungsgemäß als
mechanische Einrichtung eine Kupplung, ähnlich einer Fliehkraftkupplung
vorgesehen, um möglichst verschleißfrei einen
Ausgleich von unterschiedlichen Drehzahlen zu schaffen.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist eine
Reibscheibe auf der Antriebsachse des Starterritzels als mechanische
Einrichtung zur Anpassung der Drehzahlen ausgebildet. Die Reibscheibe
ist vorgesehen, um eine Kupplung zum Zahnkranz auszubilden, wenn
das Starterritzel im Start-Stopp-Betrieb bei einem sich drehenden Zahnkranz
eingespurt werden soll. Die Reibscheibe hat den Vorteil, dass sie
ein einfaches mechanisches Bauelement ist, dass durch Kraftschluss
eine verschleißarme Kupplung bildet.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist der Zahnkranz
an der dem Starterritzel gegenüberliegenden Stirnfläche
mit einer radialen, ringförmigen Reibfläche unterhalb
der Zähne ausgebildet, um die Reibscheibe der Startvorrichtung kraftschlüssig
an die Drehzahl anzupassen. Vorzugsweise ist am Zahnkranz die ringförmige
Reibfläche speziell behandelt oder bearbeitet, um einen
Kraftschluss zwischen der auf der Starterachse montierten Reibscheibe
und dem Zahnkranz lang andauernd und mit wiederkehrend gleicher
Qualität auszuführen. Diese Reibfläche
kann beispielsweise insbesondere wärmebehandelt sein oder
kann besonders rau ausgebildet sein.
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Um
den Kraftschluss zwischen Zahnkranz und Reibscheibe zu verbessern
ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
alternativ die Reibscheibe mit einer konischen Kontaktfläche
zum Zahnkranz angrenzend ausgebildet. Die konische Kontaktfläche
der Reibscheibe und das Starterritzel wird zur Anpassung der Drehzahlen
auf eine komplementäre konische Gegenfläche des
Zahnkranzes angedrückt, sodass diese eine feste Kupplung
ergeben. Durch Überwinden eines Zustell- und Ausspurwegs von
der Reibscheibe wirkt diese mit dem Zahnkranz zusammen.
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Eine
konische Fläche hat den Vorteil, dass die Kräfte
nicht nur axial wirken, sondern auch radial beim Zusammenpressen
der Reibscheibe und des Zahnkranzes zum Tragen kommen.
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Zur
Verbesserung des Synchronisationsvorgangs ist gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform das Starterritzel mit
Fanghaken an der Stirnseite, die dem Zahnkranz gegenüber
liegt ausgebildet. Insbesondere sind die Fanghaken aus Federstahl
hergestellt. Die Fanghaken reduzieren weiter den Zahnflankenverschleiß,
sodass das Starterritzel mit im wesentlicher synchroner Drehzahl
zum Zahnkranz eingespurt wird. Durch die Fanghaken wird eine synchrone
Drehzahl schneller erreicht. Damit die Fanghaken eine lange Lebensdauer
aufweisen, sind die Fanghaken vorzugsweise aus Federstahl hergestellt.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren dadurch gelöst, dass
zur Anpassung der Drehzahlen von einem hochlaufenden Starterritzel
und einem rotierenden, auslaufenden Zahnkranz im Start-Stopp-Betrieb
eine mechanische Einrichtung gegen den Zahnkranz zugestellt wird,
der rotierende auslaufende Zahnkranz von der mechanischen Einrichtung
berührt wird, die Drehzahlen vom Starterritzel und vom
Zahnkranz zu einer synchronen Drehzahl mechanisch abgeglichen werden
und das Starterritzel nach einem Hindurchtreten durch die mechanische
Einrichtung in den Zahnkranz eingespurt wird. Aufgrund dieses erfindungsgemäßen
Verfahrens ist ein Einspurvorgang bei einem Start-Stopp-Betrieb mit
auslaufender Brennkraftmaschine möglich, wobei der Zahnflankenverschleiß aufgrund
einer genauen Synchronisierung von zwei Zahnrädern deutlich
reduziert ist. Das Verfahren ist einfach realisierbar und erfordert
keine hochgenaue und diffizile Ansteuerung vom Startermotor, dem
Starterrelais oder der Brennkraftmaschine. Es sind keine Sensorelemente
erforderlich. Eine aufwendige Elektronik würde gegebenenfalls
durch Computerprogrammprodukte unterstützt werden müssen
was vorteilhafterweise entfällt. Der Startermotor wird
somit im Start-Stopp-Betrieb beim Auslaufen der Brennkraftmaschine
beschleunigt und zu einem vorherbestimmten Zeitpunkt, zu dem eine
ungefähr gleich laufende Drehzahl des Zahnkranzes bestimmt
worden ist, wird das Starterritzel in den Zahnkranz eingespurt.
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Damit
die mechanische Einrichtung beim Einspuren des Starterritzels nachgiebig
ist, wird eine als mechanische Einrichtung ausgebildete Reibscheibe
mittels einer Feder, insbesondere einer Spiralfeder, gegen den Zahnkranz
zur Anpassung der Drehzahlen gepresst. Die Feder hat bei einer anfänglichen
Berührung nur eine geringere Federkraft, die bei Zustellung
des Starterritzels immer größer wird, sodass die
Reibkraft zum Zustellweg des Starterritzels zunimmt. Die Drehzahl
kann somit zeitlich immer besser dem Zustell- bzw. Schließvorgang
der Kupplung angepasst werden, sodass sie zum Zeitpunkt des Aufeinandertreffens
der Zahnflanken vom Starterritzel und vom Zahnkranz im Wesentlichen
identisch ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Verfahren wird im Start-Stopp-Betrieb die Drehzahl des
Zahnkranzes und die Drehzahl des Starterritzels mit der Reibscheibe
vorsynchronisiert und die Reibscheibe wird an den Zahnkranz zur
Feinsynchronisation angepresst. Danach wird das Starterritzel in
den Zahnkranz eingespurt. Erfindungsgemäß ist
also die mechanische Einrichtung eine Feinsynchronisierung die ohne
aufwendige Elektronik, gegebenenfalls mit einer Software unterstützt,
auskommt und bei entsprechender Materialauswahl für die
Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt ist.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 schematische
Seitenansichten eines erfindungsgemäßen Einspurvorgangs
einer erfindungsgemäßen Startvorrichtung,
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4 eine
schematische Seitenansicht einer besonderen Ausführungsform
einer Startvorrichtung und eines Zahnkranzes,
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5 ein
Zeit-Drehzahl-Weg-Diagramm eines Einspurvorgangs,
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6 schematisch
ein Starterritzel in einer Stirnansicht,
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7 ein
in eine Reibscheibe formschlüssig eingesetztes Starterritzel
und
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8 eine
vergrößerte schematische Seitenansicht einer Reibscheibe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Startvorrichtung 1. Die Startvorrichtung 1 weist
ein nicht speziell dargestelltes Starterrelais auf, um in den Zahnkranz 2 einer nicht
dargestellten Brennkraftmaschine ein Starterritzel 3 einzuspuren.
Erfindungsgemäß ist an der Stirnseite, die dem
Zahnkranz 2 gegenüber liegt, im ausgespurten Zustand
eine Reibscheibe 4 formschlüssig angeordnet. Die
Reibscheibe 4 dreht sich mit dem Starterritzel 3 mit.
Beide werden von einem Startermotor 5 auf einer Starterachse
direkt angetrieben. Die Reibscheibe 4 ist axial auf der
Starterachse beweglich und wird von einer Feder 6 die vorzugsweise eine
Spiralfeder ist vorgespannt. Die Reibscheibe 4 bildet eine
mechanische Einrichtung, um im Start-Stopp-Betrieb zwei Drehzahlen
anzupassen. Der Zahnkranz 2 rotiert mit einer auslaufenden
Drehzahl aufgrund einer auslaufenden, ausgeschalteten Brennkraftmaschine
und der Startermotor 5 beschleunigt das Starterritzel 3 mit
einer ansteigenden Drehzahl, sodass beide Drehzahlen durch die als mechanische
Einrichtung ausgebildete Reibscheibe 4 abschließend
synchronisiert werden. Die Drehzahlen können, vor dem Einspuren
des Starterritzels 3 durch einfache elektrische und elektronische
Verfahren angeglichen sein, sodass mittels der mechanischen Einrichtung
nur noch eine Feinjustierung auszuführen ist, sodass ein
mechanischer Verschleiß auf ein Minimum reduziert ist.
Die 1 zeigt einen Zustand der Startvorrichtung 1,
in dem die Reibscheibe 4 den Zahnkranz 2 noch
nicht berührt.
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Die 2 zeigt
eine besondere Ausführungsform in einem zeitlich fortgeschrittenen
Zustand vom Einspurvorgang im Start-Stopp-Betrieb. In dem Einspurvorgang
wird die Reibscheibe 4, die die zum Starterritzel 3 zugewandte
Stirnseite 24 vom Zahnkranz 2 berührt,
in zeitlicher Folge zunehmend stark an eine radiale ringförmige
Reibfläche 25 gepresst, um eine Drehzahldifferenz
vom Starterritzel 3 und vom Zahnkranz 2 auszugleichen.
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Im
weiteren Verfahren durchtritt das Starterritzel 3 die Reibscheibe 4,
wie in der 3 gezeigt ist, sodass die Zähne
des Starterritzels 3 in die Zähne vom Zahnkranz 2 eingreifen,
wobei die Umfangsgeschwindigkeiten von beiden Zahnrädern
im Wesentlichen identisch sind. Somit läuft der Zahnkranz 2 zusammen
mit dem eingespurten Starterritzel 3 aus und die Brennkraftmaschine
ist im Start-Stopp-Betrieb jederzeit aufgrund des eingespurten Starterritzels 3 startbar.
Mindestzeiten müssen nicht mehr abgewartet werden. Die
beiden Drehzahlen vom Starterritzel 3 und vom Zahnkranz 2 können
also in einem selbstjustierenden Vorgang ohne aufwendige Regelung
synchronisiert werden.
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Die 4 zeigt
eine weitere schematische Seitenansicht von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Einspurverfahrens. Gemäß der in der 4 gezeigten besonderen
Ausführungsform ist der Zahnkranz 2 mit einem
zylindrischen Bund 20 ausgebildet, damit die Reibscheibe 4 auch
radial, und nicht nur axial, wie in den in 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsformen gegen den Zahnkranz 2 gepresst
wird. Dies hat mechanische Vorteile, dass evtl. ein auftretender Schlupf
vermieden wird. Eine derartige Anordnung hat jedoch auch den Nachteil,
dass ein systematischer Drehzahlfehler auftreten kann, da der Umfang des
zylindrischen Bunds 20 kleiner ist als der der Zahnflanken
vom Zahnkranz 2, sodass hier eine geringfügige
Drehzahldifferenz auftritt, die aber deutlich kleiner ist, als die
auszugleichende Drehzahldifferenz zwischen dem Starterritzel 3 und
dem Zahnkranz 2. Die Drehzahldifferenz ist bei der Materialauswahl entsprechend
berücksichtigt.
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Die 5 zeigt
eine weitere Abwandlung der Ausführungsformen der 1 bis 4.
Hier ist die Kontaktfläche 23 von der Reibscheibe 4 und
die komplementäre Gegenfläche 22 am Zahnkranz 2 konisch ausgebildet.
Eine konische Ausbildung hat den Vorteil, dass sowohl radiale als
auch axiale Kräfte wirken und somit eine gute Reibhaftkraft
erzielt werden kann. Außerdem können die Drehzahldifferenzen durch
eine entsprechende konische Berührung besser ausgeglichen
werden, da die berührende Kontaktfläche gegenüber
einer nur radialen oder axialen Berührung vergrößert
ist.
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Die 6 zeigt
ein Zeit-Drehzahl-Weg-Diagramm. Im obersten Diagramm der 6 ist
die Drehzahl nB von der Brennkraftmaschine
während eines Start-Stopp-Betriebs dargestellt. Die Brennkraftmaschine
wird zu einem Zeitpunkt t0 auf eine Leerlaufdrehzahl
n0 herabgefahren. Zum Zeitpunkt t1 wird durch die Motorsteuerung ein Start-Stopp-Betrieb veranlasst,
sodass die Brennkraftmaschine ausgeschaltet wird. Kurz danach, im
Millisekundenbereich, zu einem Zeitpunkt t2 wird
der Startermotor 5 von einer Startersteuerung beschleunigt,
die den Startermotor 5 und das Starterrelais separat ansteuert.
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Das
mittlere Zeit-Drehzahl-Diagramm der 6 zeigt
die Drehzahl bei nS vom Startermotor. Darunter
im untersten Diagramm ist der Weg s3 vom Starterritzel 3 dargestellt.
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Das
Starterritzel 3 wird zusammen mit der Reibscheibe 4 mittels
des Starterrelais auf den Zahnkranz 2 zugestellt. Zum Zeitpunkt
t3 berührt die Reibscheibe 4 den
Zahnkranz 2, sodass eine Synchronisierung der Drehzahl
vom auslaufenden Zahnkranz 2 mit der Drehzahl vom auslaufenden
Startermotor 5 stattfindet. Zum Zeitpunkt t4 liegt
eine identische Drehzahl vor und eine Lücke auf Zahnstellung
zwischen Starterritzel 3 und Zahnkranz 2, sodass
ab dem Zeitpunkt t4 das Starterritzel 3 zum
formschlüssigen Ineinandergreifen bis zum Zeitpunkt t5 eingespurt wird. Gemäß einer
einfachen Ausführungsform wird sowohl die grobe Synchronisierung
als auch eine Feinsynchronisierung durch die Reibscheibe 4 als
mechanische Einrichtung ausgeführt. Gemäß einer,
die Reibscheibe 4 weniger belasteten Ausführungsform
wird eine Synchronisierung der Drehzahlen mittels einer elektronischen
Steuerung von der Startvorrichtung in einem groben Drehzahlbereich vorgenommen
und der ungefähre Einspurzeitpunkt bestimmt, sodass die
Reibscheibe 4 für eine Feinsynchronisierung eingesetzt
wird.
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Die 7 zeigt
eine Stirnansicht eines Starterritzels 3 und der Reibscheibe 4 in
einer vereinfachten Darstellung. Die Stirnansicht zeigt wie das
Starterritzel 3 formschlüssig durch die Reibscheibe 4 hindurch
treten kann und auf einer angetriebenen Starterachse 35 formschlüssig
verschiebbar ist.
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Die 8 zeigt
schematisch eine besondere Ausführungsform der Reibscheibe
mit Fanghaken 32 in der Stirnseite 30 des Starterritzels 3 angeordnet, um
einen Zahnflankenverschleiß noch besser zu verhindern.
Die Fanghaken 32 sind aus besonders langlebigen Werkstoffen,
beispielsweise aus Federstahl hergestellt. Die Fanghaken 32 dienen
somit der Feinsynchronisierung zwischen Starterritzel 3 und
Zahnkranz 2. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht
maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird
insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die
Erfindung als Wesentlich verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005021227
A1 [0003]