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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einspuren eines Andrehritzels einer Startervorrichtung in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2006 011 644 A1 ist ein Verfahren bekannt, ein Ritzel einer Startervorrichtung mit einem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine in Eingriff zu bringen. Der Eingriff- bzw. Einspurvorgang kann auch in dynamischen Betriebszuständen durchgeführt werden, in denen der mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine drehverbundene Zahnkranz sich mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit größer Null bewegt. Auf diese Weise kann ein schnelleres bzw. frühzeitigeres Einspuren des Andrehritzels in den Zahnkranz erfolgen, so dass ein Neustart der Brennkraftmaschine schneller durchgeführt werden kann. Daneben ergeben sich auch Geräuschvorteile. Dieses System eignet sich insbesondere für einen Einsatz in einem Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von Motorabschaltungen und Neustartvorgängen.
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Gemäß der
DE 2006 011 644 A1 ist vorgesehen, dass vor dem Einspuren des Andrehritzels in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine die Umdrehungsgeschwindigkeit des Andrehritzels an die Umdrehungsgeschwindigkeit des Zahnkranzes angepasst wird. Die Differenz der Umdrehungsgeschwindigkeiten von Andrehritzel und Zahnkranz darf hierbei ein festgelegtes Maß nicht überschreiten.
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Bei derartigen Startervorrichtungen kann grundsätzlich das Problem auftreten, dass beim Einrücken ein oder mehrere Zähne des Andrehritzels nicht in Lücken zwischen benachbarten Zähnen des Zahnkranzes eingreifen, sondern unmittelbar auf die Zähne auftreffen. Die Folgen sind zum einen ein verzögerter Einrückvorgang und zum andern eine erhöhte Belastung des Andrehritzels und des Zahnkranzes, die hierdurch einem größeren mechanischen Verschleiß unterliegen. Außerdem ist dieser Vorgang mit einer unerwünschten Geräuschbildung verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einrückvorgang in einer Startervorrichtung einer Brennkraftmaschine rasch, geräuscharm und mit reduzierter mechanischer Belastung durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf das Einspuren bzw. Einrücken eines Andrehritzels einer Startervorrichtung in einen Zahnkranz einer Brennkraftmaschine, wobei vor dem Einspuren die Drehzahl des Andrehritzels auf die Drehzahl des Zahnkranzes abgestimmt wird. Das Verfahren wird insbesondere in Fällen durchgeführt, in denen der Zahnkranz der Brennkraftmaschine mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit größer Null umläuft. In diesen Fällen wird vorzugsweise auch das Andrehritzel auf eine Mindest-Umlaufgeschwindigkeit beschleunigt, die nicht notwendigerweise identisch ist mit der Umlaufgeschwindigkeit des Zahnkranzes; grundsätzlich sind Abweichungen zwischen den Umlaufgeschwindigkeiten von Andrehritzel und Zahnkranz innerhalb eines zulässigen, festgelegten Maßes möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich somit in bevorzugter Anwendung auf einen dynamischen Einspurvorgang und eignet sich insbesondere für sogenannte Start-Stopp-Systeme von Brennkraftmaschinen, die durch eine Vielzahl von Abschalt- und Startvorgängen gekennzeichnet sind. Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine mit Erreichen bzw. kurz vor einem Halt bereits abgeschaltet werden, zum Beispiel bei Unterschreiten einer Grenzgeschwindigkeit, wobei nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine bereits die Startervorrichtung eingerückt wird, um einen möglichst schnellen Neustart der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Das Andrehritzel der Startervorrichtung ist zu diesem Zweck zwischen einem ausgerückten Zustand außerhalb des Zahnkranzes und einem eingerückten, mit dem Zahnkranz kämmenden Zustand verstellbar, wobei bereits vor dem Einrücken bzw. -spuren die Umlaufgeschwindigkeit des Andrehritzels an die Umlaufgeschwindigkeit des Zahnkranzes der Brennkraftmaschine angepasst wird.
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Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Anwendung des Verfahrens in Betriebszuständen mit stillstehender Brennkraftmaschine.
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Um hohe mechanische Belastungen zu reduzieren, die durch ein Auftreffen der Zähne des Andrehritzels im Moment des Einrückens auf die Zähne des Zahnkranzes der Brennkraftmaschine entstehen, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass eine den Einrück- bzw. Einspurvorgang charakterisierende Schwingung an der Brennkraftmaschine gemessen wird und dass für den Fall, dass eine Schwingungskenngröße außerhalb eines zulässigen Wertebereiches liegt, die Ansteuerung des Andrehritzels bei einem nachfolgenden Einrückvorgang variiert wird. Liegt die Schwingungskenngröße außerhalb des zulässigen Wertebereiches, so deutet dies auf ein Aufeinandertreffen der Zähne von Andrehritzel und Zahnkranz während des Einspurvorganges hin. Durch die Veränderung einer den Einspurvorgang charakterisierenden Kenngröße wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass in dem nachfolgenden Einspurvorgang die Zähne des Andrehritzels in die Lücken zwischen den Zähnen des Zahnkranzes der Brennkraftmaschine treffen, wodurch die hohe mechanische Belastung vermieden wird, die bei einem unmittelbaren Auftreffen von Zahn-auf-Zahn entsteht. Zudem wird die Geräuschbildung reduziert, und der Einspurvorgang kann in kürzerer Zeit durchgeführt werden.
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Grundsätzlich können verschiedene Parameter bzw. Kenngrößen variiert werden, welche die Ansteuerung des Andrehritzels bestimmen. In Betracht kommt die Ritzeldrehzahl oder der Andrehzeitpunkt, zu dem die Ritzeldrehzahl beschleunigt wird. Darüber hinaus kann auch die Stellbewegung des Andrehritzels zwischen ausgerücktem und eingerücktem Zustand verändert werden, beispielsweise die Vorrückgeschwindigkeit oder der Anfangszeitpunkt, zu welchem das axiale Vorrücken des Andrehritzels beginnt. Grundsätzlich möglich ist sowohl nur eine Variation eines dieser Parameter bzw. Kenngrößen oder mehrerer Parameter. Bei einer Änderung der Ritzeldrehzahl kommt sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduzierung der Drehzahl in Betracht.
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Zweckmäßigerweise wird die Variation in der Ansteuerung des Andrehritzels in dem unmittelbar auf einen Einspurvorgang mit aufeinander treffenden Zähnen folgenden Einspurvorgang durchgeführt. Erweist sich in diesem darauf folgenden Einspurvorgang die Veränderung als günstig, indem die Zähne von Andrehritzel und Zahnkranz formschlüssig ineinander greifen, so werden die Parameter des Ansteuervorgangs gespeichert und auch für die weiteren Einspurvorgänge beibehalten. Falls festgestellt wird, dass trotz geänderter Parameter erneut die Zähne des Andrehritzels auf die Zähne des Zahnkranzes während des Einspurvorgangs auftreffen, wird wiederum der Ansteuervorgang variiert, wobei sowohl eine Änderung in der gleichen Kenngröße als auch eine Änderung in einer sonstigen Kenngröße oder eine Änderung in mehreren Kenngrößen in Betracht kommt.
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Grundsätzlich können verschiedenartige Schwingungskenngrößen bei der Entscheidung berücksichtigt werden, ob ein Auftreffen Zahn-auf-Zahn während des Einspurvorganges vorliegt, soweit die betreffende Schwingungskenngröße geeignet ist, auf diesen Vorgang rückschließen zu können. Bei der betreffenden Schwingungskenngröße handelt es sich um die Amplitude, die Frequenz, die Schwingungsanzahl sowie den Schwingungsmittelwert, wobei sowohl eine dieser Kenngrößen als auch mehrere miteinander kombinierte Schwingungskenngrößen betrachtet werden können. Bei der Überprüfung, ob beim Einspuren die Zähne aufeinander treffen, erfolgt eine Abfrage, ob eine oder mehrere der Schwingungskenngrößen innerhalb oder außerhalb eines zulässigen Bereiches liegen. Liegt die Schwingungskenngröße bzw. Schwingungskenngrößen außerhalb des zulässigen Bereichs, muss von einem Aufeinandertreffen der Zähne ausgegangen werden, woraufhin wie vorbeschrieben die Ansteuerung des Einspurvorganges variiert wird.
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Die Erfindung kann in Brennkraftmaschinen mit Startervorrichtung und einem Regel- bzw. Steuergerät eingesetzt werden, in welchem das Verfahren abläuft. Zur Messung der den Einrückvorgang charakterisierenden Schwingungen wird zweckmäßigerweise ein Klopfsensor eingesetzt, der am Kurbelgehäuse oder am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist und über den die von der Brennkraftmaschine ausgehenden Schwingungen messbar sind. Als Klopfsensor wird beispielsweise ein Piezosensor eingesetzt. Anhand eines charakteristischen Messsignalverlaufs kann festgestellt werden, ob die gemessenen Schwingungen tatsächlich von einem Aufeinandertreffen der Zähne von Andrehritzel und Zahnkranz während des Einspurvorgangs herrühren.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine Blockdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Startervorrichtung,
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2 in schematischer Darstellung die Zahnreihen von Andrehritzel an der Startervorrichtung und Zahnkranz an der Brennkraftmaschine während eines Einspurvorganges, wobei mehrere Zähne unmittelbar aufeinander treffen,
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3 verschiedene Schaubilder mit Verläufen des von einem Klopfsensor aufgenommenen Schwingungssignals der Brennkraftmaschine mit jeweils zugehörigem Stellweg des Andrehritzels während des Einspurvorgangs,
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4 ein Ablaufschema mit den einzelnen Verfahrensschritten zum Durchführen des Verfahrens.
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Wie in 1 dargestellt, wird die Brennkraftmaschine 1 mithilfe einer Startervorrichtung 2 gestartet, die einen elektrischen Startermotor 3, ein Stellglied 4 mit einem Einrückhebel 5 zum axialen Verstellen eines Andrehritzels 6 sowie ein Regel- bzw. Steuergerät 7 umfasst. Der Einrück- bzw. Einspurvorgang erfolgt durch Betätigung des Stellgliedes 4, woraufhin der Einrückhebel 5 das im ausgerückten, nicht im Eingriff mit dem Zahnkranz 8 an der Brennkraftmaschine 1 befindliche Andrehritzel 6 axial nach vorne in den eingerückten bzw. eingespurten Zustand verstellt, in welchem die Zähne des Andrehritzels 6 mit den Zähnen des mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Zahnkranzes 8 kämmen. Über den elektrischen Startermotor 3 kann bereits vor dem Einrücken die Drehzahl des Andrehritzels 6 erhöht werden. Die Drehzahl des Andrehritzels 6 bemisst sich hierbei insbesondere nach der Drehzahl des Zahnkranzes 8, wobei Abweichungen in den Drehzahlen von Andrehritzel 6 und Zahnkranz 8 bis zu einem vorgegebenen Maß zulässig sind. Die elektrische Energieversorgung der Startervorrichtung 2 erfolgt über eine Batterie 10.
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Die Betätigung des elektrischen Startermotors 3 und des Stellgliedes zum Ein- und Ausrücken des Andrehritzels 6 erfolgt über Stellsignale des Regel- bzw. Steuergeräts 7, welches mit einem weiteren Steuergerät 9 der Brennkraftmaschine kommuniziert. Bei der Ansteuerung des Andrehritzels 6 werden insbesondere die Ritzeldrehzahl, der Anfangszeitpunkt zur Drehbeschleunigung des Andrehritzels und der Endzeitpunkt bis zum Erreichen der gewünschten Ritzeldrehzahl, der Anfangszeitpunkt zu Beginn des axialen Einrückvorgangs über die Betätigung des Stellgliedes 4 und der Endzeitpunkt mit abgeschlossenem Einrückvorgang festgelegt.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Klopfsensor 11 ausgestattet, der vorzugsweise als Piezosensor ausgebildet ist, bei dem mechanische Schwingungen eine Spannung erzeugen. Die Signale des Klopfsensors 11 werden dem Kraftfahrzeug-Steuergerät 9 und/oder dem Regel- bzw. Steuergerät 7 der Startervorrichtung 2 als Eingangssignale zugeführt. Die Ansteuerung der Startervorrichtung 2, also sowohl des elektrischen Startermotors 3 als auch des elektrischen Stellglieds 4, erfolgt in Abhängigkeit der Messsignale des Klopfsensors 11.
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In 2 ist in schematischer Weise ein Anschlagen der Zähne 6a des Andrehritzels 6 auf die Zähne 8a des Zahnkranzes 8 dargestellt. Dieser Zustand kann während des Einrückens auftreten, wobei grundsätzlich sowohl lediglich ein Zahn 6a des Andrehritzels auf einen Zahn 8a des Zahnkranzes als auch mehrere Zähne 6a auf mehrere Zähne 8a auftreffen können. Im Moment des Auftreffens der Zähne entstehen hohe mechanische Belastungen, die zu einem erhöhten Verschleiß sowohl des Andrehritzels 6 als auch des Zahnkranzes 8 und zu einer erhöhten Geräuschbildung führen.
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In 3 sind verschiedene Diagramme dargestellt, wobei die oberen Diagramme den über den Klopfsensor an der Brennkraftmaschine gemessenen Schwingungsverlauf darstellen, der während des Einrückvorganges in der Brennkraftmaschine entsteht, und die unteren Diagramme den jeweils zugeordneten Stellweg des Andrehritzels wiedergeben. Das Diagramm oben links steht für ein Auftreffen mehrerer Zähne des Andrehritzels auf mehrere Zähne des Zahnkranzes im Moment des Einrückens, so wie dies in 2 dargestellt ist. Dieser Vorgang führt zu mehreren Schwingungen mit einer verhältnismäßig hohen Amplitude. Dem entspricht der Verlauf des Stellwegs 13 des Andrehritzels, wobei der Verlauf zunächst auf einem mittleren Niveau verharrt und um dieses mittlere Niveau schwingt, bis schließlich die Zähne des Andrehritzels in die Lücken zwischen benachbarten Zähnen des Zahnkranzes einragen und das Andrehritzel seine endgültige Position erreicht hat.
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In den beiden mittleren Schaubildern ist die Situation dargestellt, dass lediglich ein Zahn 6a des Andrehritzels auf einen Zahn 8a des Zahnkranzes auftrifft. Die Schwingung klingt im Vergleich zum Aufeinandertreffen mehrerer Zähne schneller ab und weist eine geringere Amplitude auf. In den beiden Schaubildern auf der rechten Seite ist der angestrebte Einrückvorgang dargestellt, bei dem die Zähne 6a des Andrehritzels während des Einrückens sofort in die Lücken zwischen Zähnen 8a des Zahnkranzes treffen; bei diesem Vorgang entsteht praktisch keine Schwingung.
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Dem Ablaufdiagramm nach 4 sind die einzelnen Verfahrensschritte zu entnehmen. Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt 20 über den Klopfsensor die an der Brennkraftmaschine entstehenden Schwingungen gemessen. Im nächsten Verfahrensschritt 21 erfolgt eine Auswertung der gemessenen Schwingungen, insbesondere im Hinblick auf Schwingungskenngrößen wie Amplitude, Anzahl der Schwingungen, Frequenz und Schwingungsmittelwert.
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Im nächsten Verfahrensschritt 22 wird zumindest eine Schwingungskenngröße auf Überschreiten eines zulässigen Wertebereiches abgeprüft. Sofern dies nicht der Fall ist, liegen alle Schwingungskenngrößen im zulässigen Bereich, und es wird der Nein-Verzweigung („N”) folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt, das in zyklischen Abständen wiederholt wird. In diesem Fall kann von einem korrekten Einrückvorgang ausgegangen werden, bei dem auf Anhieb die Zähne des Andrehritzels in die Lücken zwischen Zähnen des Zahnkranzes treffen.
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Sofern jedoch die eine oder mehrere der betrachteten Schwingungskenngrößen außerhalb des zulässigen Bereiches liegen, wird der Ja-Verzweigung („Y”) folgend zum nächsten Verfahrensschritt 23 fortgefahren, in welchem eine Kenngröße der Ansteuerung des Andrehritzels variiert wird. Bei dieser Kenngröße handelt es sich beispielsweise um die Ritzeldrehzahl, die erhöht oder abgesenkt werden kann, um den Andrehzeitpunkt, mit dem der elektrische Startermotor gestartet und das Andrehritzel auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt wird, oder um Parameter, die das axiale Vorrücken des Andrehritzels betreffen, insbesondere den Beginn und den Endzeitpunkt des Stellvorganges. Diese die Ansteuerung der Startervorrichtung betreffenden Parameter werden gespeichert und kommen bei einem darauf folgenden Einrückvorgang zur Anwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006011644 A1 [0002]
- DE 2006011644 A1 [0003]
