-
Stand der Technik
-
Bekannte ritzelbasierte Startersysteme sind in der Regel so konstruiert, dass sie einer Ablaufsteuerung folgen. Zwischenzustände wie beispielsweise das Aufprallen von einen Zahn eines Starterritzels auf einen Zahn eines Anlasserritzels beim Einspuren des Starterritzels in das Anlasserritzel werden über Federwege überbrückt, so dass ein elektrischer Relaiskontakt in einem Magnetschalter des Starters geschlossen werden kann, obwohl das Ritzel noch nicht auf einem Zahnkranz bzw. dem Anlasserritzel einer Motorschwungscheibe eingespurt ist. Ein Elektromotor des Startersystems läuft in diesem Zustand bereits an und durch die Drehbewegung greifen die Zahnräder ineinander ein.
-
Dieser Vorgang ist aufgrund seiner mechanischen Stöße auf den Zähnen und am Endanschlag verschleißanfällig und verursacht Geräuschemissionen. Das führt insbesondere bei Fahrzeugen mit einer Start-/Stoppfunktion zu einem negativen Komfortverhalten des Fahrzeugs beim Anlassen des Motors. Weiterhin muss das Startersystem massiver konstruiert werden, um eine Zyklenfestigkeit bezüglich des Startens, insbesondere bei Fahrzeugen mit einer Start/Stopp-Funktion, zu gewährleisten. Das führt zu erhöhten Kosten und einem erheblichen Fertigungsaufwand.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die bekannten Nachteile überwinden und eine verringerte Geräuschemission beim Anlassen des Fahrzeugs aufweisen.
-
Die Aufgabe wird mittels des Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
-
Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Starters eines Fahrzeugs bereitgestellt. Es wird eine Position eines Starterritzels erfasst und abhängig von der erfassten Position ein Vorschub des Starterritzels geregelt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Starters eines Fahrzeugs bereitgestellt. Die Vorrichtung weist einen Sensor zum Erfassen einer Position eines Starterritzels auf. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Vorschubregelung zum Regeln eines Vorschubs des Starterritzels abhängig von der erfassten Position auf.
-
Es wird also die Lage des Starterritzels erkannt, insbesondere relativ zu einem Anlasserritzel. Ein Vorschub des Starterritzels in Richtung des Anlasserritzels kann insofern derart gesteuert werden, dass ein heftiges Aufeinanderprallen der Zähne der jeweiligen Ritzel vermieden wird. Somit wird in vorteilhafter Weise ein geräuscharmes Einspuren erreicht. Mögliche Stöße können erkannt und/oder vermindert werden. Vorzugsweise wird der Vorschub über eine Leistungselektronik geregelt, insbesondere wird eine mittels des Vorschubs gebildete Kraft geregelt.
-
Nach einer Ausführungsform wird eine Geschwindigkeit des Starterritzels erfasst, wobei abhängig von der erfassten Geschwindigkeit der Vorschub des Starterritzels geregelt wird. Beispielsweise kann eine konstante Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf der Geschwindigkeit erfasst werden. Vorzugsweise wird der zeitlicher Verlauf der Geschwindigkeit integriert, so dass über das Integral der Geschwindigkeit die Position des Starterritzels berechnet werden kann.
-
Nach einer anderen Ausführungsform umfasst das Erfassen der Position des Starterritzels ein Erfassen einer Induktionsänderung beim Vorschub des Starterritzels. Eine Messung einer Induktionsänderung bietet insbesondere den Vorteil, dass sie besonders empfindlich durchgeführt werden kann, beispielsweise ist eine Filterung auf das Messsignal schaltungstechnisch einfach möglich, und dass das entsprechende Messsignal einem Regelalgorithmus zum Berechnen einer Vorschubgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt werden kann.
-
In einer anderen Ausführungsform wird der Vorschub beim Einspuren des Starterritzels in ein Anlasserritzel eines Antriebsmotors des Fahrzeugs geregelt. Insbesondere die Regelung während eines Einspurvorgangs bietet den Vorteil, dass in dieser kritischen Phase mögliche Stöße erkannt und insofern vermieden bzw. vermindert werden können.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Starterritzel beim Einspuren zum Hineintasten in eine Lücke zwischen zwei Zähnen des Anlasserritzels gedreht. Vorzugsweise wird das Starterritzel impulsweise gedreht wird. Die Zähne des Starterritzels tasten sich also in die entsprechenden Lücken des Anlasserritzels hinein. Dieses Hineintasten vermindert in vorteilhafter Weise einen mechanischen Stoß der Zahnräder. Insbesondere wird hierbei ein Startermotor, welcher mit dem Starterritzel gekoppelt ist, gedreht, insbesondere langsam gedreht. Vorzugsweise wird der Startermotor mittels einer Leistungselektronik entsprechend angesteuert.
-
Nach einer Ausführungsform wird kurz vor einem Endanschlag des Starterritzels, also kurz bevor das Starterritzel in das Anlasserritzel eingespurt ist, der Vorschub des Starterritzels reduziert, so dass in vorteilhafter Weise der Endanschlag nicht mit voller Kraft erreicht wird.
-
In einer anderen Ausführungsform wird beim Erfassen eines Kontaktes eines Starterritzelzahns mit einem Anlasserritzelzahn das Starterritzel in eine dem Vorschub entgegen gesetzte Richtung zum Bilden eines Abstands zwischen dem Starterritzelzahn und dem Anlasserritzelzahn bewegt. Anstatt dass das Starterritzel gegen Widerstand weiter vorwärts bewegt wird, wird es etwas zurückbewegt, so dass in vorteilhafter Weise eine Beschädigung des Starterritzels vermieden wird. Beispielsweise wird nach dem Bilden des Abstands das Starterritzel gedreht und in Richtung des Anlasserritzels zum Einspuren in das Anlasserritzel bewegt wird. Es wird also ein neuer Einspurversuch durchgeführt, wobei dieses Mal das Starterritzel im Vergleich zum vorherigen Einspurversuch gedreht ist, so dass eine Möglichkeit besteht, dass bei diesem Einspurversuch der Starterritzelzahn in eine Zahnlücke des Anlasserritzels gefahren werden kann. Dieser Vorgang kann insbesondere solange wiederholt werden, bis das Starterritzel in das Anlasserritzel eingespurt ist.
-
Nach einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Spulenanordnung bzw. Spulenpaket zum Bilden eines magnetischen Flusses für einen induktiven Vorschub des Starterritzels auf. Ein induktiver Vorschub bietet insbesondere den Vorteil, dass eine mechanische Reibung beim Vorschub verringert wird, wodurch ein entsprechender Verschleiß vermindert wird. Vorzugsweise umfasst die Spulenanordnung zwei Spulen, welche auch als Primärspule und als Sekundärspule bezeichnet werden können. Sowohl Primärspule als auch Sekundärspule können auch als Aktorspulen bezeichnet werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor eine in der Spulenanordnung angeordnete Sensorspule zum Erfassen einer Induktionsänderung beim Vorschub des Starterritzels auf. Vorzugsweise ist die Sensorspule in die Primärspule und/oder in die Sekundärspule integriert. Insbesondere sind die Primärspule und/oder die Sekundärspule auch als Sensorspule ausgebildet. Insbesondere wird beim Erfassen der Induktionsänderung eine Induktionsspannung gemessen, welche insbesondere aus der Bewegung des Starterritzels und aus einer Stromänderung in der Spulenanordnung resultiert. Die gemessene Induktionsspannung wird vorzugsweise aus der Bewegung herausgefiltert und einem Regelalgorithmus als Sensorsignal der Geschwindigkeit des Starterritzels zur Verfügung gestellt. Somit kann in vorteilhafter Weise, insbesondere mittels einer Leistungselektronik, ein Spulenstrom so eingestellt werden, dass eine konstante bzw. geregelte Vorschubgeschwindigkeit des Starterritzels erreicht wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Sensorspule auch getrennt von der Primärspule und der Sekundärspule, also den beiden Aktorspulen, gebildet sein. Die Sensorspule ist vorzugsweise getrennt von der Spulenanordnung gebildet. Das heißt insbesondere, dass die Sensorspule nicht als Aktorspule verwendet wird und insofern in diesen Fällen auch nicht aktiv bestromt wird. Trotzdem kann in einer weiteren Ausführungsform trotz getrennter Bildung der Sensorspule von den Aktorspulen bzw. der Spulenanordnung die Sensorspule auch als eine weitere Aktorspule verwendet werden und wird in diesem Fall insbesondere aktiv bestromt, d. h. mit einem elektrischen Strom beaufschlagt.
-
In einer anderen Ausführungsform weist die Spulenanordnung eine Gleitbuchse zum Verlagern eines mit dem Starterritzel gekoppelten Ankers auf. Vorzugsweise weist die Gleitbuchse mindestens einen magnetisierbaren Ring zum Beeinflussen des magnetischen Flusses auf. Somit wird insbesondere in vorteilhafter Weise eine Linearisierung des Streckenverhaltes in Bezug auf den Vorschub bewirkt. Vorzugsweise sind mehrere Ringe vorgesehen. Vorzugsweise ist der Ring bzw. sind die Ringe aus Stahl gebildet. Insbesondere der mindestens eine magnetisierbare ist Ring verlagerbar oder fest in der Gleitbuchse angeordnet. Vorzugsweise können einige Ringe verlagerbar und einige weitere Ringe fest in der Gleitbuchse angeordnet sein. Nach einer weiteren Ausführungsform weisen die Ringe einen gleichen oder unterschiedliche Durchmesser auf. Vorzugsweise ist der Ring integral mit der Gleitbuchse gebildet. Das heißt, dass der Ring ein Teil der Gleitbuchse ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Ring als ein Vorsprung in der Gleitbuchse gebildet, über welchen der Anker während der Axialbewegung entlang der Gleitbuchse fährt. Eine Gleitbuchse kann allgemein insbesondere auch als ein Lineargleitlager bezeichnet werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Feder zum Halten des Starterritzels in einer Ruheposition vorgesehen, wobei die Feder in einer Antriebswelle des Starters angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Feder auch im Bereich der Spulenanordnung angeordnet sein. Insbesondere ist die Feder am Starterritzel angeordnet. Dadurch kann sich die Feder in vorteilhafter Weise direkt am Anker abstützen.
-
Im Folgenden bezeichnet ein Einspurmechanismus, einen Mechanismus, welcher ein Einspuren des Starterritzels in das Anlasserritzel bewirkt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insofern insbesondere auch als ein Einspurmechanismus bezeichnet werden.
-
Vorzugsweise ist der Einspurmechanismus konzentrisch um das Starterritzel angeordnet und berücksichtigt hierbei vorzugsweise die Einbaumaße von Startern, insbesondere von bekannten Startern, im Fahrzeug. Dadurch ist in vorteilhafter Weise ein einfaches Nachrüsten von bekannten Startersystemen ermöglicht. Zusätzlich entfällt in vorteilhafter Weise das als „Huckepack” angeordnete Schaltrelais mit sämtlichen Übertragungselementen wie Gabel, Einspurfeder und dessen Aufhängungen. Der Einspurmechanismus bzw. die Vorrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise bauraumneutral im Starter integrieren. Insbesondere mittels Einlegen von magnetisierbaren Ringen lässt sich die Bewegung des Ankers am Einspurmagnet beeinflussen, so dass sich unterschiedliche Bewegungsprofile ergeben und in Verbindung mit der Regelung der Einspurvorgang in vorteilhafter Weise noch weiter beeinflusst werden kann.
-
Der Kern der Erfindung umfasst insbesondere das elektronische Regeln und das Zusammenspiel der rotatorischen und translatorischen Bewegung eines Startersystems, insbesondere des Starterritzels. Das eine erfindungsgemäße Wirkprinzip, dass gemäß einer Ausführungsform eine Änderung einer Induktionsspannung in einer Sensorspule gemessen wird, um eine Geschwindigkeit und/oder eine Position zu bestimmen, kann allgemein auch auf extern angebauten Mechanismen angewandt werden, wobei sich extern insbesondere relativ zu dem Starter bezieht.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
-
1 eine Vorrichtung zum Betreiben eines Starters eines Fahrzeugs,
-
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Starters eines Fahrzeugs,
-
3a einen Starter mit einem nicht-eingespurten Starterritzel,
-
3b den Starter aus 3a mit einem eingespurten Starterritzel,
-
4 eine vergrößerte Ansicht des Starterritzels,
-
5 eine axiale Ansicht des Starterritzels aus 4,
-
6 einen elektrischen Aufbau des Starters aus 3a,
-
7 eine weitere Ansicht des elektrischen Aufbaus aus 6,
-
8 einen zeitlichen Verlauf eines Einspurstroms,
-
9 einen zeitlichen Verlauf eines Starterstroms,
-
10a einen weiteren Starter mit einem nicht-eingespurten Starterritzel,
-
10b den Starter aus 10a mit einem eingespurten Starterritzel,
-
12 einen zeitlichen Stromverlauf einer Primärspule,
-
13 einen zeitlichen Induktionsspannungsverlauf in einer Sensorspule,
-
14 einen zeitlichen Spannungsverlauf der Starterritzelbewegung,
-
15 einen Luftspaltverlauf eines Hubmagneten,
-
16 einen Kraftverlauf eines Hubmagneten und
-
17 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Kraftverlauf aus 16.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt eine Vorrichtung 101 zum Betreiben eines Starters (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung 101 umfasst einen Sensor 103. Der Sensor 103 ist eingerichtet, eine Position eines Starterritzels (nicht gezeigt) zu erfassen. Die Vorrichtung 101 umfasst ferner eine Vorschubregelung 105, welche eingerichtet ist, einen Vorschub des Starterritzels zu regeln, wobei die Regelung abhängig von der erfassten Position des Starterritzels durchgeführt wird.
-
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Starters eines Fahrzeugs. In einem ersten Schritt 201 wird eine Position eines Starterritzels erfasst. In einem Schritt 203 wird ein Vorschub des Starterritzels abhängig von der erfassten Position geregelt.
-
3a zeigt einen Starter 301 mit einem Starterritzel 303 in einer nicht-eingespurten Position. Das heißt, dass das Starterritzel 303 nicht in ein Anlasserritzel (nicht gezeigt) eingespurt ist. 3b zeigt den Starter 301 aus 3a, wobei das Starterritzel 303 in einer eingespurten Position ist. Das heißt, dass das Starterritzel 303 in das Anlasserritzel (nicht gezeigt) eingespurt ist.
-
Der Starter 301 weist einen Elektromotor 305 auf, welcher Kohlebürsten 307 und Bürsten 309 als Stromabnehmer aufweist. Ferner weist der Elektromotor 305 ein Polgehäuse 311 auf. Des Weiteren umfasst der Elektromotor 305 einen Läufer 313 mit Wicklungen. Um den Läufer 313 sind Magnete 315 gebildet. In einer Symmetrieachse 317 des Elektromotors 305 ist eine Lagerung 319 für eine Elektromotorwelle 321 gebildet. Die Elektromotorwelle 321 ist mit einem Planetengetriebe 323 gekoppelt, das mit einem Freilauf 325 gekoppelt ist. Der Freilauf 325 kann insbesondere als ein Rollenfreilauf gebildet sein.
-
Eine Antriebswelle 326 des Starterritzels 303 wird mittels eines Gleitlagers 327 gelagert, welches mittels eines Lagerschilds 329 gehalten ist. Zwischen dem Freilauf 325 und dem Gleitlager 327 ist noch ein Zwischenlager 331 gebildet. Die Antriebswelle 326 weist vorzugsweise eine Keilwellenverzahnung auf.
-
In einem Anbaubereich 333 ist eine Leistungselektronik eingebaut, welche symbolisch durch einen Transistor 335 dargestellt ist.
-
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Starterritzels 303.
-
Das Starterritzel 303 wird mittels einer Spulenanordnung aufweisend eine Primärspule 401 und eine Sekundärspule 403 induktiv bewegt. Hierbei bestromt die Leistungselektronik die Primärspule 401 und die Sekundärspule 403, wodurch ein magnetischer Fluss aufgebaut wird. Dieser magnetische Fluss bewirkt eine mechanische Kraft an einem Anker 405. Der Anker 405 ist mit dem Starterritzel 303 mechanisch gekoppelt, so dass sich das Starterritzel 303 entsprechen dem magnetischen Fluss entlang der Symmetrieachse 317 vorwärts und rückwärts bewegen kann. Durch diese Bewegung wird die Induktion im Magnetkreis verändert, wodurch als Folge eine Induktionsspannung auf der Sekundärspule 403 resultiert. Die Sekundärspule 403 kann insofern auch als eine Sensorspule bezeichnet werden. Diese Induktionsspannung resultiert insbesondere aus der Bewegung und aus der Stromänderung in den beiden Spulen 401 und 403. Die Induktionsspannung der Bewegung wird herausgefiltert und einem Regelalgorithmus als Sensorsignal der Geschwindigkeit des Starterritzels 303 zur Verfügung gestellt. Somit kann insbesondere mittels der Leistungselektronik ein Spulenstrom so eingestellt bzw. geregelt werden, dass eine konstante bzw. geregelte Vorschubgeschwindigkeit des Starterritzels 303 entsteht. Ebenso kann vorzugsweise über das Integral der Geschwindigkeit auf die Position des Starterritzels 303 geschlossen werden. Dadurch können in vorteilhafter Weise mögliche mechanische Stöße erkannt und/oder vermindert werden. In einer nicht gezeigten Ausführungsform wird lediglich die Primärspule 401 aktiv bestromt, d. h. mit einem elektrischen Strom beaufschlagt. Die Sekundärspule 403 wird also nicht als eine Aktorspule verwendet und insofern nicht aktiv bestromt. Eine aufgrund der Vorschubbewegung des Ankers 405 resultierende Induktionsspannung auf der Sekundärspule 403, welche auch hier als eine Sensorspule bezeichnet werden kann, wird analog gemessen, so dass mittels entsprechender Filterung die Geschwindigkeit und die Position des Ankers 405 erfasst werden kann. Wenn im Folgenden Beispiele mit einer aktiven Bestromung der Primärspule 401 und der Sekundärspule 403 beschrieben werden, so soll auch immer der Fall mit lediglich aktiver Bestromung der Primärspule 401 mit eingeschlossen sein. In diesen Fällen wird die Sekundärspule 403 nicht als Aktorspule verwendet und insofern nicht aktiv bestromt.
-
Die Spulenanordnung umfasst ferner eine Außenhülse 407 und eine eingepresste Hülsenscheibe 409, welche vorzugsweise jeweils aus magnetisierbarem Stahl gebildet sein können. Insofern kann die Außenhülse 407 auch als ein Magnetmantel bezeichnet werden. Die Hülsenscheibe 409 kann insofern auch als eine Magnetscheibe bezeichnet werden. Die Hülsenscheibe 409 und die Außenhülse 407 bilden eine Hülse, in dem die Sensorspule 403 bzw. Sekundärspule und die Primärspule 401 auf einem Wicklungsträger 411 angeordnet sind. Der Wicklungsträger 411 kann auch als ein Spulenkörper bezeichnet werden.
-
Des Weiteren ist am inneren Durchmesser der Primärspule 401 eine Gleitbuchse 413 integriert, in der der Anker 405 während seiner Axialbewegung gleiten kann. Die Gleitbuchse 413 kann vorzugsweise auch so angeordnet werden, dass der Anker 405 am Innendurchmesser geführt wird.
-
Zur Linearisierung des Streckenverhaltens sowie zur Beeinflussung der magnetischen Flusslinien, was insbesondere mittels Einlegen von magnetisierbaren Stahlringen 415 in die Gleitbuchse 413 bewirkt werden kann, kann vorzugsweise eine Funktion in Abhängigkeit der Vorschubrichtung des Starterritzels 303 dargestellt werden, so dass der Regelalgorithmus der Leistungselektronik für die Standardfälle des Einspurens einfacher bzw. auch gesteuert ausgeführt werden kann. Die Stahlringe 415 können insbesondere Teil der Gleitbuchse 413 sein und/oder auch als Vorsprünge gebildet sein, die während der Axialbewegung des Ankers 405 überfahren werden. Weiterhin können die Ringe 415 vorzugsweise ortsfest und/oder auch teilweise bewegbar angeordnet werden. Das heißt, dass sich die bewegbar angeordneten Ringe 415 bei einer Axialbewegung des Ankers 405 mitbewegen. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die Ringe 405 einen größeren, einen kleineren oder auch den gleichen Durchmesser bezogen auf einen Ankerdurchmesser aufweisen. Vorzugsweise weisen alle Ringe 415 den gleichen Durchmesser auf. Insbesondere können die Ringe 415 unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
-
Es ist ferner eine Feder 417 gebildet, welche das Starterritzel 303 über einen Mitnehmer 419 bei inaktivem Starter 301 oder nach dem Startvorgang in definierter Ruhelage halten kann. Die Feder 417 ist in der Antriebswelle 326 des Starters 301 angeordnet. Ein offenes Wellenende, welches der Vorschubrichtung abgewandt ist, wird mit einer Verschlussschraube (nicht gezeigt) geschlossen, wodurch in vorteilhafter Weise eine Einstellung der Haltekraft bewirkt werden kann. Das andere Federende stützt sich über den Mitnehmer 419 ab, der die Federkraft auf das Starterritzel 303 überträgt. Dazu ist die Antriebswelle 326 durch einen Schlitz (nicht gezeigt) im Arbeitsbereich radial geöffnet, um in vorteilhafter Weise eine Kraftübertragung und/oder einen Verstellweg zu gewährleisten.
-
Die Feder 417 kann bei ausreichenden Platzverhältnissen insbesondere auch im Bereich der Spulen 401 und 403 oder vorzugsweise am Starterritzel 303 angeordnet werden und sich so auch vorzugsweise direkt am Anker abstützen. Hierbei wird insbesondere eine axiale Sicherung an Anker 405 und insbesondere am Starterritzel 303 entsprechend ausgeführt, um in vorteilhafter Weise die auftretenden axialen Kräfte und Beschleunigungen sicher abfangen zu können.
-
Das Starterritzel 303 und die Antriebswelle 326 weisen insbesondere eine Geradverzahnung (nicht gezeigt) auf, da die rotatorischen Bewegungen beim Einspuren durch den Elektromotor 305 des Starters 301 realisiert werden. Die Verzahnung kann vorzugsweise als Keilwellen-Verbindung, insbesondere in unterschiedlichster Bauform, ausgeführt sein, welche eine kostengünstige Möglichkeit für eine Drehmomentübertragung ermöglicht.
-
Die Verbindung von dem Starterritzel 303 zu dem Anker 405, der die Axialbewegung des Starterritzels 303 einleitet, wird vorzugsweise mittels einer Ankerscheibe 419 gebildet. Die Ankerscheibe 419 ist vorzugsweise aus einem nicht-magnetisierbaren Material, so dass in vorteilhafter Weise ein magnetischer Nebenschluss über das Starterritzel 303 vermieden wird. Die Ankerscheibe 419 kann beispielsweise aus Metall oder aus einem oder mehrerer Nichtmetalle gebildet sein. Vorzugsweise wird sie stabil und verschleißfest gebildet, so dass sie radiale Bewegungen verkraften kann.
-
Am Außendurchmesser der Ankerscheibe 419 ist die Ankerscheibe 419 in den Anker 405 bis zum einem vorbestimmten Anschlag eingepresst und mit einem Sprengring (nicht gezeigt) zwecks übermäßiger axialer Belastung gegen Rausrutschen gesichert. Am Innendurchmesser der Ankerscheibe 419 stützt sich die Ankerscheibe 419 über eine Gleitscheibe 421 am Starterritzel 303 ab. Auch hier ist ein Sprengring (nicht gezeigt) zwecks Verliersicherung angeordnet, so dass in vorteilhafter Weise ein ungewolltes Abkoppeln vom Starterritzel 303 vermieden wird. Diese axialen Sicherungen können auch vorzugsweise anders ausgeführt werden, sollten aus Bauraumgründen jedoch so kompakt wie möglich sein.
-
Die Abkoppelung von der Drehbewegung des Starterritzels 303 zum feststehenden Anker 405 erfolgt vorzugsweise am Innendurchmesser durch die Gleitscheibe 421 und wird als Verband daher insbesondere verschleißarm ausgebildet.
-
Der Anker 403 ist vorzugsweise mittels einer Passfeder (nicht gezeigt) am Außendurchmesser geführt, der wiederum vorzugsweise im Zwischenlager (331) befestigt ist. Die Verdrehsicherung kann beispielsweise auch in anderer Form mit Passstiften und/oder anderen Normelementen und/oder auch durch gestaltungstechnische Formen von Anker 403 und/oder Zwischenlager 331 und/oder Spulengehäuse ausgeführt sein.
-
Der Freilauf 325, welcher vorzugsweise am Standardgenerator bzw. Elektromotor 305 als einspurendes Element ausgeführt ist, wird vorzugsweise als axial nichtbewegt, also fest, ausgebildet, und ist vorzugsweise Teil des Untersetzungsgetriebes bzw. Planetengetriebes 323 und insbesondere in diesem integriert. Der Freilauf 325 nimmt insbesondere die Achsen der Planetenräder (nicht gezeigt) des Planetengetriebes 323 auf und ist beispielsweise als Element des Planetenträgers (nicht gezeigt) im Zwischenlager 331 integriert. Das Zwischenlager 331 bewirkt auch eine Lagerung des Läufers 311 vom Elektromotor 305 und der Antriebswelle 321 in der Mitte des Starters 301.
-
5 zeigt eine axiale Ansicht von Starterritzel 303, Mitnehmer 419 und der Antriebswelle 326 im Bereich der Verzahnung.
-
6 zeigt einen elektrischen Schaltungsplan des Starters 301 aus 3a und 3b. Ein Regler 601 regelt jeweils einen Spulenstrom der Primärspule 401 und der Sekundärspule 403 bzw. Sensorspule, wobei zwischen den Spulen 401 und 403 jeweils ein Verstärker 603 geschaltet ist. Vor der Primärspule 401 ist zwecks Strombegrenzung ein Widerstand 605 geschaltet. Ferner ist in dem Spulenkreis der Primärspule 401 noch eine Diode 607 geschaltet. Die Induktivitäten der Spulen 401 und 403 sind respektive mit L1 und L2 gekennzeichnet. Vorzugsweise sind L1 und L2 gleich. Beispielsweise kann L1 auch größer als L2 und umgekehrt sein.
-
Der Regler weist eine Schnittstelle 609 zu dem Elektromotor 305 auf, welcher auch als ein Startermotor bezeichnet werden kann. Die Elemente mit den Bezugszeichen 611 kennzeichnen Masseverbindungen des elektrischen Startersystems. Das Element mit dem Bezugszeichen 613 kennzeichnet einen Kondensator. Ein Schalter 615 öffnet oder schließt eine elektrische Verbindung zu einem Dauerplus 617 einer Starterbatterie (nicht gezeigt). Über eine Klemme 619 wird dem Regler 601 ein Startersignal zum Starten des Elektromotors 305 zugeführt.
-
Die beiden Spulen 401 und 403 werden mittels des Reglers 601 bestromt, wodurch sich ein magnetischer Fluss aufbaut, welcher den Anker 405 in Richtung der beiden Spulen 401 und 403 magnetisch anzieht. Der Anker 405 kann insofern auch als ein Magnetanker bezeichnet werden. Vorzugsweise ist der Anker 405 aus Eisen gebildet. Die Vorschubbewegung v des Ankers 405 ist mittels des Pfeils mit dem Bezugszeichen 619 gekennzeichnet. Diese Vorschubbewegung v des Ankers in die mittels der beiden Spulen 401 und 403 gebildete Spulenanordnung erzeugt eine Induktionsspannung in der Spule 403, welche herausgefiltert wird und dem Regelalgorithmus des Reglers 601 zur Verfügung gestellt wird. Abhängig von der gemessenen Induktionsspannung wird ein Vorschub des Ankers 405 geregelt, insbesondere indem ein jeweiliger Spulenstrom entsprechend geregelt wird.
-
7 zeigt eine weitere Ansicht des elektrischen Schaltungsplan aus 6. Der Regler ist als Leistungselektronik 701 ausgebildet und umfasst eine Einspursteuerung 703, welche insbesondere einen Einspurstrom 705 regelt. Ferner umfasst die Leistungselektronik 701 eine Startersteuerung 707, welche insbesondere einen Starterstrom 709 regelt. Ferner umfasst die Leistungselektronik 701 einen Einspurregler 711, einen Starterregler 713, eine Lageerkennung 715, eine Phasenerkennung 717, ein Betriebssystem 719, eine Überwachungs/Diagnose-Einheit 721 und einen Sensoralgorithmus 723. Da der Regler 601 insbesondere einen Vorschub des Starterritzels 303 regeln kann, kann der Regler 601 auch als eine Vorschubregelung bezeichnet werden.
-
Das Element mit dem Bezugszeichen 725 ist eine Starterbatterie, welche mit ihrem Pluspol über den Schalter 615 mit dem Regler 601 verbunden ist. Über eine Stromleitung 727 ist die Starterbatterie 725 mit einem Bordnetz (nicht gezeigt) des Fahrzeugs verbunden.
-
Das Element mit dem Bezugszeichen 729 kennzeichnet ein Anlasserritzel, welches insbesondere ein an einer Schwungscheibe eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) angeordnetes Zahnrad umfasst.
-
Der Übersicht halber sind in 7 nicht alle Bezugszeichen für die einzelnen Elemente des Starters 301 eingezeichnet.
-
8 und 9 zeigen respektive einen zeitlichen Verlauf des Einspurstroms und des Starterstroms. Aufgetragen ist der Strom I in Ampere über die Zeit t in willkürlichen Einheiten.
-
10a und 10b zeigen einen weiteren Starter 1001, welcher ähnlich aufgebaut ist wie der Starter 301. 10a zeigt den Starter 1001 mit dem nicht-eingespurten Starterritzel 303. 10b zeigt den Starter 1001 mit dem eingespurten Starterritzel 303. Das Anlasserritzel ist der Übersicht halber nicht gezeigt.
-
11 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Starterritzels 303 aus 10a und 10b. Eine Leistungselektronik, symbolisch dargestellt mittels des Transistors 335, bestromt ein Spulenpaket 1101 bzw. Spulenanordnung, welches analog zu der 4 eine Primär- und eine Sekundärspule (beide nicht gezeigt) aufweist, wodurch ein magnetischer Fluss gebildet wird, der eine mechanische Kraft auf den Anker 1103 bewirkt. Eine Kopplung zwischen Anker 1103 und dem Starterritzel 303 kann insbesondere analog zu der in 4 gezeigten Ausführungsform sein. Das Starterritzel 303 wird vorwärts bewegt und durch die Magnetkreisänderung erhält man auf der Sekundärspule eine Induktionsspannung resultierend aus der Bewegung und der Stromänderung. Die Induktionsspannung der Bewegung wird herausgefiltert und dem Regelalgorithmus als Sensor der Geschwindigkeit des Einspurrelais zur Verfügung gestellt. Somit kann über die Leistungselektronik der Spulenstrom so geregelt werden, dass eine konstante Vorschubgeschwindigkeit bzw. geregelte Vorschubgeschwindigkeit entsteht. Ebenso kann Ober das Integral der Geschwindigkeit auf die Lage des Starterritzels 303 geschlossen werden und mögliche mechanische Stöße können in vorteilhafter Weise vermindert werden.
-
Zur Linearisierung des Streckenverhaltens ist ein Luftspalt 1105 gebildet, welcher eine Funktion in Abhängigkeit der Vorschubrichtung darstellt, so dass der Regelalgorithmus der Leistungselektronik in vorteilhafter Weise einfacher ausgeführt werden kann.
-
Ferner ist eine Feder 1107 gebildet, welche nach dem Startvorgang das Starterritzel 303 zurückstellt und den Einspurmechanismus mit dem Starterritzel 303 in einer definierten Ruhelage hält. Des Weiteren ist ein Mitnehmer 1109 gebildet, welcher analog zu dem Mitnehmer 419 aufgebaut ist und die gleichen technischen Effekte bewirkt.
-
Ein mechanische Freilauf 1111 kann allgemein sowohl im bewegten Teil als auch im statischen Teil des Einspurmechanismus gebildet sein.
-
12, 13 und 14 zeigen respektive einen zeitlichen Verlauf des Stroms in der Primärspule, einen zeitlichen Verlauf der Induktionsspannung in der Sensorspule und einen zeitlichen Verlauf der herausgefilterten Spannung der Bewegung. Aufgetragen ist in 12 ein Strom I in Ampere A über eine Zeit t in Millisekunden ms. In 13 und 14 ist jeweils eine Spannung U in Volt über eine Zeit t in ms aufgetragen. Zu erkennen ist in allen drei Figuren eine Modulation in den dargestellten Kurven, welche insbesondere daher resultiert, dass das Starterritzel mit Rotationsimpulsen beaufschlagt wird, das heißt, dass es impulsweise gedreht wird.
-
In dem in 15 gezeigten Graphen ist ein Luftspalt in Metern m über einen Hubverlauf in Metern m aufgetragen. Der Hubverlauf entspricht dem Vorwärtshub des Starterritzels. Der Luftspalt stellt also eine Funktion in Abhängigkeit der Vorschubrichtung dar, was eine Linearisierung des Streckenverhaltens bewirkt. Mit dem Bezugszeichen 1501 ist eine Kurve dargestellt ohne eine geometrische Änderung, also ohne einen Luftspalt. Die Kurve mit dem Bezugszeichen 1503 zeigt den Verlauf mit einer geometrischen Änderung, also mit einem Luftspalt.
-
16 zeigt einen Kraftverlauf eines Hubmagneten, welcher insbesondere mittels der Primär- und der Sekundärspule gebildet wird. Aufgetragen ist die Kraft in Newton N, welche mittels des Hubmagneten erzeugt wird, über einen Hub bzw. Hubverlauf in Metern m.
-
17 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Ausschnittes 1601 aus 16.
-
Mittels der Erfindung sind insbesondere folgende Funktionen im Gesamtverbund aus Starter und Verbrennungsmotor ermöglicht.
-
Einspuren in den ausgeschalteten Verbrennungsmotor
-
Im Fall einer Stopp-Funktion bei Start/Stopp Fahrzeugen kann das Starterritzel bereits in den ausgeschalteten Verbrennungsmotor eingespurt werden, damit die Startzeit um die Zeitdauer des Einspurens vermindert werden kann. Dieser Vorgang wird insbesondere aus Komfortgründen möglichst leise und ohne große mechanische Stöße realisiert. Hierfür bewegt sich das Ritzel vorzugsweise langsam auf einen möglichen Zahn auf Zahn Kontakt hin, währenddessen gibt eine Leistungselektronik Drehimpulse auf den Startermotor. Über ein Geschwindigkeitssignal des Einspurvorgangs kann ein Zahn-auf-Zahn Kontakt detektiert und die Funktion des Hinein-Tastens aktiviert werden. Dies geschieht mit einer Kombination aus translatorischer und rotatorischer Bewegung des Starterritzels. Ist dieser Zustand überwunden, so wird mit einer definierten Geschwindigkeit die Endposition angefahren und der Haltestrom auf ein Minimum reduziert. Der Zeitraum der Haltephase ist insbesondere abhängig von Ladezustand und einer Spulentemperatur. In jedem Fall muss eine Startfähigkeit des Verbrennungsmotors gewährleistet sein. Im Startvorgang wird der Haltestrom erhöht, um einen sicheren Zustand der Ritzelposition zu gewährleisten. Nach erfolgtem Startvorgang wird das Ritzel aus der Verzahnung des Starterzahnkranzes gebracht. Dies wird durch das Abschalten des Magnetkreises und über eine Rückstellfeder, insbesondere die Feder 417, hin bis in die Ruhelage des Ritzels realisiert.
-
Schnellstart
-
Im Fall des Erststarts oder bei einer geschädigten Batterie soll der Einspurmechanismus erst beim Startbefehl schnellstmöglich einspuren und den Verbrennungsmotor starten. Hierfür werden die Aktoren bzw. die Primär- und die Sekundärspulen voll bestromt und der Startermotor mit Drehimpulsen beaufschlagt bis der Einspurmechanismus die Endlage erreicht hat. Nun wird der Einspurstrom auf ein Halteniveau gebracht und der Startermotor voll bestromt bis der Verbrennungsmotor erfolgreich gestartet wurde. Nach erfolgtem Startvorgang wird das Starterritzel, wie oben beschrieben, ausgestoßen und über eine Rückstellfeder in die Ruhelage geführt.
-
Einspuren in den auslaufenden Verbrennungsmotor
-
Bei Beginn der Stoppphase wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und läuft aufgrund seiner eigenen Massenträgheit aus. Wird die Wiederbefeuerungsgrenze unterschritten und der Verbrennungsmotor soll schnellstmöglich wieder starten, muss in den auslaufenden Verbrennungsmotor eingespurt und der Verbrennungsmotor mittels Starter auf Drehzahl geschleppt werden, bis er eigenständig den Betrieb wieder aufnehmen kann.
-
Der Startermotor wird hierbei strombegrenzt beschleunigt und der Einspurmechanismus vollzieht eine tastende Bewegung bis das Ritzel in den Anlasserzahnkranz greift. Nun befindet sich der Starter in der Freilaufphase, so dass der Starterstrom nun erhöht werden kann und der Startermotor den Verbrennungsmotor wieder auf die Wiederbefeuerungdrehzahl bringt. Nach erfolgtem Startvorgang wird das Starterritzel wie beschrieben ausgestoßen und über eine Rückstellfeder in die Ruhelage geführt.
-
Funktion „Tasten”
-
Die Funktion Tasten beschreibt das Zusammenspiel von Einspurmechanismus und Startermotor während des Ineinandergreifens der Zahnräder beim Einspuren. Hierbei wird der Startermotor so angesteuert, dass er Drehimpulse an der Starterwelle erzeugt. Währenddessen wird der Einspurmechanismus eine lineare Vorwärtsbewegung bis zum Kontakt Starterritzel und Zahnkranz auf der Schwungscheibe des Verbrennungsmotors bewirken. Eine Zahn-auf-Zahn Konstellation wird erkannt, der Einspurmechanismus macht eine kleine Rückwärtsbewegung, der Starter erhält einen Drehimpuls und der Einspurmechanismus versucht erneut mit verändertem Ritzelwinkel einzuspuren. Dies geschieht so lange, bis das Ritzel ohne großen Kraftaufwand eingespurt ist.
