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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 kann dabei ein Zahn
des Ritzels auf einen Zahn des Zahnkranzes treffen, weshalb das
Einspuren durch eine Einspurfeder unterstützt wird. Diese bekannte Starterbauweise
benötigt
zwar nur ein einziges Relais und kann dadurch relativ kostengünstig hergestellt
werden, andererseits ergeben sich aber für den Einspurvorgang und für den Schaltvorgang
des hohen Motorstromes schwierige Arbeitsbedingungen. Insbesondere
wird bei dieser Ausführung
der Schaltvorrichtung für
den Hauptstrom des Starters dessen maximal mögliches Drehmoment bereits
beim Andrehen aus dem Stillstand heraus erzeugt. Wenn hierbei das
Ritzel des Startermotors noch nicht vollständig in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine
eingespurt ist, kann es zumindest über die Lebensdauer des Starters
hinweg zu unzulässig
großen
Belastungen der Verzahnung kommen mit der Gefahr des Ausbrechens
eines oder mehrerer Zähne.
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Zur
Verbesserung des Einsspurvorganges, 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 aufwändiger
und störanfälliger.
Der Hauptstrom des Startermotors wird jedoch ebenfalls in einem
einzigen Schaltvorgang aufgeschaltet, so dass das maximale Drehmoment
des Starters bereits an der Ritzel-Zahnkranz-Verbindung anliegt,
während
der Verbrennungsmotor mit seiner großen Masse noch stillsteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Starter
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat den Vorteil, dass durch das Einspuren des Ritzels
mit einem verzögerten
Zuschalten von Teilwicklungen der Erregerwicklung die Kennlinien
des Startermotors derart beeinflusst werden, dass die Verzahnung
zwischen Startermotor und Brennkraftmaschine beim Einspurvorgang
deutlich weniger belastet wird. Ferner wird das Drehzahlverhalten
beim Hochlauf des Starters, insbesondere durch die Verschiebung
der Leerlaufdrehzahl, positiv beeinflusst. Durch die Zuschaltung von
zusätzlichen
Polpaaren mit den zugeordneten Teilwicklungen der Erregerwicklung
wird das maximal verfügbare
Drehmoment des Starters erst zu einem Zeitpunkt erreicht, wenn das
Starterritzel voll in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingespurt und
der Verbrennungsmotor bereits losgebrochen ist. Dadurch werden unzulässig große Belastungen
der Verzahnung vermieden und deren Lebensdauer deutlich erhöht.
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Für eine vorteilhafte
Veränderung
der Motorkennlinien ist es besonders zweckmäßig, wenn die Teilwicklungen
der Erregerwicklung wahlweise im Reihenschluss und/oder im Nebenschluss
zum Anker des Motors betrieben werden können. Während durch die Reduzierung
der im Reihenschluss betriebenen Teilwicklungen insbesondere das
Drehmoment des Motors beim Anlaufendes Motors reduziert wird, ist
es durch die Verschaltung einzelner Teilwicklungen im Nebenschluss
zum Anker möglich,
die Drehzahlkennlinie zu begradigen und das Drehzahlverhalten des
Starters weniger abhängig
vom Belastungsstrom zu machen, insbesondere zur Reduzierung der
Leerlaufdrehzahl.
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Eine
besonders vorteilhafte Gestaltung des erfindungsgemäßen Starters
erhält
man, wenn die Teilwicklungen der Erregerwicklung auf getrennten Polen
des Stators angeordnet sind, insbesondere, wenn der Stator sechspolig
ausgebildet ist mit sechs Teilwicklungen auf drei Polpaaren, wobei
die Teilwicklungen jeweils paarweise auf gegenüberliegende Pole am Statorumfang
aufgebracht sind. Hierdurch ergibt sich bei deren Einschaltung und
verzögerten
Zuschaltung eine symmetrische Anordnung der Erregerteilwicklungen,
wodurch der Anlauf des Motors verbessert wird.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Schaltvorrichtung des Starters erhält man, wenn einzelne oder
alle Schaltelemente der Schaltvorrichtung als Relais ausgebildet
sind. Stattdessen können
für alle
oder einzelne Schaltelemente jedoch auch zum Schalten größerer Ströme geeignete
Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, vorzugsweise Transistoren
oder GTO(Gate Turn Off)-Thyristoren.
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Eine
besonders einfache und preiswerte Starterbauform erhält man bei
einer einstufigen Bestromung des Startermotors, wobei eine Einzugswicklung
zusammen mit einer Haltewicklung des Einspurrelais einen Arbeitskontakt
schaltet, über
den zunächst
eine oder mehrere Erregerteilwicklungen des Startermotors bestromt
und der Startermotor erst am Ende der Einspurbewegung des Einspurrelais über die
gesamte Erregerwicklung bestromt 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.
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Die
Haltewicklung und die Einzugswicklung des Einspurrelais sitzen vorzugsweise
auf dem gleichen Relaiskern. Im Fall einer einstufigen Bestromung
sind sie gleichsinnig geschaltet, wodurch die notwendige Gesamtdurchflutung
mit geringerer Windungszahl und/oder geringerem Erregerstrom erreicht
wird. Bei entgegengesetzten Durchflutungen des gemeinsamen Relaiskerns,
wie sie bei zweistufiger Bestromung des Motors verwendet wird, kann
die Wicklung mit der kleineren Durchflutung zur Bedämpfung des
Schaltvorganges genutzt werden. 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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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 und einer Nebenschlusswicklung im Stator,
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2 ein
Schaltschema eines einstufig bestromten Starters in herkömmlicher
Ausführung
mit einer Reihenschlusswicklung und gegebenenfalls einer zusätzlichen
Nebenschlusswicklung,
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3 ein
Schaltschema eines einstufig bestromten Starters mit einer Reihenschluss-Erregerwicklung in
erfindungsgemäßer Ausführung,
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4 ein
Schaltschema eines zweistufig bestromten Starters mit einer Reihenschluss-Erregerwicklung
in erfindungsgemäßer Ausführung,
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5 ein
zweites Schaltschema eines zweistufig bestromten Starters in erfindungsgemäßer Ausführung und
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6 ein
drittes Schaltschema eines zweistufig bestromten Starters in erfindungsgemäßer Ausführung, wobei
die Erregerwicklung des Startermotors teilweise als Reihenschlusswicklung
und teilweise als Nebenschlusswicklung ausgebildet ist.
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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 Schaltvorrichtung
in Form einer 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 Zündstartschalter 36 mit
der Relaisanordnung 28 verbunden ist. Über die Relaisanordnung wird
eine Erregerwicklung 37 mit einer Reihenschlusswicklung 38 und
einer Nebenschlusswicklung 39 gespeist, welche über Bürsten 40 und 42 sowie über den
Kollektor 44 des Motors, beziehungsweise direkt mit Masse
verbunden sind. 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 Einzugswicklung 54 ist über die Reihenschlusswicklung 38 und
den Anker 46 des Startermotors 12 mit dem Minuspol 31 und
mit Masse verbunden. Im Falle der Verwendung einer Doppelschluss-Erregerwicklung
für den
Startermotor 12 kann in grundsätzlich bekannter Weise eine
Nebenschlusswicklung 39 der Reihenschlusswicklung 38 und
dem Anker 46 des Startermotors parallel geschaltet werden.
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Die
Haltewicklung und die Einzugswicklung des Einrückrelais 49 betätigen gemeinsam
einen Arbeitskontakt 56 des Einrückrelais, über den der Startermotor 12 direkt
mit dem Pluspol 30 verbunden wird, sobald der Relaisanker
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. Wenn beim Einspuren ein
Zahn des Ritzels 22 auf einen Zahn des Zahnkranzes 26 trifft,
so wird beim Einspuren die in 1 gezeigte
Einspurfeder 32 gespannt und mit deren Unterstützung der
Einspurvorgang durchgeführt.
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Schaltschema
eines einstufig bestromten Starters, mit dem die eingangs geschilderte
Gefahr der Beschädigung der
Verzahnung zwischen Starter und Verbrennungsmotor behoben wird.
Die Schaltungsanordnung entspricht hinsichtlich des Aufbaus mit
einem Einspurrelais 49 und dessen Anschluss an das Gleichspannungsnetz 30, 31 grundsätzlich derjenigen
in 2, jedoch führt
bei dieser Anordnung der Relaiskontakt 56 im Einschaltmoment nicht
den vollen Motorstrom sondern es erfolgt zunächst nur die Bestromung der Teilwicklungen
a und f der sechs Teilwicklungen a, b, c, d, e und f der Erregerwicklung 37.
Der Stator des Startermotors 12 ist sechspolig aufgebaut,
beim Anlauf wird jedoch nur Polpaar mit zwei am Stator diametral
gegenüberliegenden
Polen bestromt, während
die restlichen Reihenschluss-Teilwicklungen
b, c, d und e später
zugeschaltet werden. Der Starter wird über den Zündstartschalter 36 und
die Klemme 50 angesteuert und hierbei der Pluspol 30 der
Gleichspannungsquelle mit den gleichsinnigen Wicklungen der Haltewicklung 52 und
der Einzugswicklung 54 verbunden, so dass das Einrückrelais 49 einzieht. Hierbei
fließt
ein Strom zum Anker 46 des Startermotors 12 über die
niederohmige Einzugswicklung 54 zum Anker 46 und
von dort über
die Teilwicklungen a und f der Erregerwicklung 37 zur Masse
und zum Minuspol 31 der Gleichspannungsquelle. Durch den Anfangsstrom über den
Startermotor 12 wird das Ritzel 22 in Richtung
des Zahnkranzes 26 verschoben. Dabei wird die in 1 gezeichnete
Einspurfeder 32 zur Unterstützung des Einspurvorgangs komprimiert. Der
Arbeitskontakt 56 des Einrückrelais 49 wird betätigt, nachdem
das Einrückrelais
nahezu voll eingezogen hat, so dass dieser den Startermotor 12 direkt
mit dem Pluspol 30 der Gleichspannungsquelle verbindet.
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Von
den sechs Teilwicklungen a–f
und den zugeordneten Polen der Feldwicklung sind zunächst nur
die beiden Teilwicklungen a und f bestromt. Gleichzeitig mit deren
Bestromung wird jedoch über den
Arbeitskontakt 56 des Einrückrelais 49 auch die Wicklung 58 des
Schaltrelais 60 bestromt, welches nun ebenfalls einzieht
und mit einer Verzögerung
von cirka 20–80
ms ab Erregungsbeginn seinen Arbeitskontakt 62 schließt und hierdurch,
ebenfalls über
den Anker 46, die restlichen Teilwicklungen b, c, d und
e bestromt und die zugehörigen
Pole erregt. Damit erreicht der Startermotor 12 seine volle
Leistung zum Andrehen der Brennkraftmaschine zu einem Zeitpunkt,
zu dem das Ritzel 22 in den Zahnkranz 26 voll eingespurt
und die Gefahr einer Beschädigung
vermieden ist.
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4 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur zweistufigen Bestromung des Startermotors 12.
An die Stelle des Einspurrelais 49 in 3 tritt
ein Einspurrelais 64 mit einem Ruhekontakt 66 und
einem Arbeitskontakt 68. Der Ruhekontakt 66 mit
der Einzugswicklung 54 und die Haltewicklung 52 sind
hierbei über
ein Vorsteuerrelais 70, den Anschlusspunkt 50 und
den Zündstartschalter 36 mit
dem Pluspol 30 der Gleichspannungsquelle verbunden. Der
zweite Anschluss der Haltewicklung 52 liegt an Masse und am
Minuspol 31 der Gleichspannungsquelle, während der
zweite Anschluss der Einzugswicklung 54 einerseits über den
Startermotor 12 und andererseits über die Wicklung 58 eines
Schaltrelais 60 mit Masse und mit dem Minuspol 31 der
Gleichspannungsquelle verbunden ist. Hierbei sind zunächst wiederum
nur die beiden Teilwicklungen a und f der Erregerwicklung 37 bestromt,
so dass sich über
diese Teilwicklungen und die Einzugswicklung 54 des Einrückrelais 64 ein
Verdrehstrom für
den Startermotor 12 während des
Einspurens einstellt, welcher nach dem Schließen des Arbeitskontaktes 68 über diesen
direkt vom Pluspol 30 zum Motor 12 fließt. Mit
der Teilbestromung des Startermotors 12 wird über den
Anschlusspunkt 50q auch die Wicklung 58 des Schaltrelais 60 bestromt,
wodurch das Relais einzieht und mit einer Verzögerung von cirka 20–80 ms ab
Erregungsbeginn den Arbeitskontakt 62 schließt und somit
die nächsten
beiden Teilwicklungen b und e der Erregerwicklung bestromt und damit
die Leistung des Startermotors 12 erhöht.
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Durch
das Schließen
des Arbeitskontaktes 62 des Schaltrelais 60 wird
nun auch über
den Anschlusspunkt 50r die Wicklung 76 eines weiteren Schaltrelais 72 bestromt,
so dass auch dieses einzieht und mit einer weiteren Verzögerung von
cirka 20–80
ms ab Erregungsbeginn der Wicklung 76 seinen Arbeitskontakt 74 schließt, über welchen
die letzten beiden Teilwicklungen c und d der Erregerwicklung 37 bestromt
werden und damit der Startermotor 12 die volle Leistungsfähigkeit
erreicht. Gegenüber der
Schaltungsanordnung in 3 wird hier die Leistungssteigerung
in drei statt in zwei Schaltstufen durchgeführt und somit die mechanische
Belastung der Ritzel-Zahnkranzverbindung
zum Verbrennungsmotor noch gleichmäßiger ausgeführt.
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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 Reihenschlussteilwicklungen
a–f 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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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 gemäß 4, welche
sich von der zuvor beschriebenen Ausführung dadurch unterscheidet, dass
der Erregerstrom für
die Wicklung 37 ab Beginn der Reihenschlussbestromung über vier
Teilwicklungen a, c, d und f geführt
ist. Das Einschalten zweier zusätzlicher
Teilwicklungen b und e erfolgt wiederum über den Anschlusspunkt 50q und
das Schaltrelais 60 mit einer Verzögerung von cirka 20–80 ms ab
Erregungsbeginn. Es handelt sich also wiederum um eine zweistufige
Bestromung der Teilwicklungen der Erregerwicklung 37 analog
zu 4, wobei jedoch bereits im ersten Schaltvorgang
vier Teilwicklungen bestromt werden. Dies wird insbesondere ermöglicht durch
den Einsatz des Vorsteuerrelais 70, welches den Zündstartschalter 36 entlastet
und die höhere Anfangsbestromung
des Startermotors zulässt,
sofern hierdurch die mechanische Belastung der Kitzel-Zahnkranz-Verbindung beim Einspuren
nicht zu hoch wird.
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6 zeigt
eine weitere Schaltungsvariante für die Bestromung der Teilwicklungen
a–f der
Erregerwicklung 37. In dieser Ausführung erfolgt zunächst wiederum
analog zu der Ausführung
gemäß 5 eine
Anfangsbestromung von vier Teilwicklungen a, c, d und f der Erregerwicklung 37.
Die Zuschaltung der beiden weiteren Teilwicklungen b und e erfolgt
jedoch nicht im Reihenschluss zum Anker 46 sondern im Nebenschluss über das
Schaltrelais 60, dessen Wicklung 58 in gleicher
Weise wie bei der Schaltungsanordnung gemäß 5 über den
Anschlusspunkt 50q gleichzeitig mit dem Anker 46 und den
im Reihenschluss bestromten Teilwicklungen der Erregerwicklung 37 bestromt
wird. Das ebenfalls um etwa 20–80
ms ab Erregungsbeginn verzögerte Schließen des
Arbeitskontaktes 62 verbindet nun jedoch die Teilwicklungen
b und e im Nebenschluss zum Anker 46 mit Masse und ermöglicht somit
eine Doppelschlusserregung des Startermotors 12. Mit dieser
Variante lässt
sich insbesondere die Höhe
der Leerlaufdrehzahl des Starters unabhängig von der Größe des Starterhauptstromes
einstellen.
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Die
erfindungsgemäße Ausführung des
Starters für
eine Brennkraftmaschine eignet sich insbesondere für Startanlagen,
die den nötigen
Bauraum für
ein oder zwei zusätzliche
Relais aufweisen. In diesem Fall ist die Realisierung der Schaltungsanordnung
mit geringem Zusatzaufwand möglich,
da die Schaltung mit vorhandenen Komponenten ausgeführt werden
und dabei die Lebensdauer des Starters verlängert werden kann. Weiterhin
ist die erfindungsgemäße Aufteilung
der Erregerwicklung 37 nicht auf eine sechspolige Ausführung des
Starters beschränkt.
Sie eignet sich vorzugsweise für
alle Polzahlen des Stators 48, bei denen die räumliche
Lage der Polpaare nicht zu stark von einer Durchmesserausrichtung
abweicht. Dies gilt insbesondere für Statorausführungen
mit sechs, acht, zehn oder zwölf
Polen.