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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Starter für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Starter für Brennkraftmaschinen, zum Beispiel aus der
DE 317 609 A , bei denen über einen elektrischen Antriebsmotor eine Antriebswelle angetrieben wird, auf der ein Starterritzel zum Starten der Brennkraftmaschine sitzt. Mithilfe eines Einrückrelais wird das Starterritzel zwischen einer axial zurückversetzten Außereingriffsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition verstellt, in der das Starterritzel mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine kämmt. Bei Betätigung des elektrischen Antriebsmotors und Einschalten des Einrückrelais wird das Starterritzel axial vorgeschoben und in Drehung versetzt und treibt den Zahnkranz der Brennkraftmaschine an.
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Bei der Vorrückbewegung kann sich eine Kollisionssituation ergeben, in der die Zähne des Starterritzels stirnseitig auf die Zähne des Zahnkranz treffen. Zwischen dem Einrückrelais und dem Starterritzel ist eine Einspurfeder angeordnet, die bei dem Zahn-auf-Zahn-Auftreffen von Starterritzel und Zahnkranz zusammengedrückt wird, bis durch die Drehung des Starterritzels ein Einspuren ermöglicht wird. Voraussetzung ist jedoch in der Regel, dass sich der Zahnkranz nicht dreht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine elektrische Maschine so auszubilden, dass ein auf einer Antriebswelle der elektrischen Maschine axial verschiebliches Ritzel in unterschiedlichen Betriebssituationen ohne Probleme in einen Zahnkranz eingespurt werden kann.
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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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Die elektrische Maschine weist eine Antriebswelle auf, auf der ein Ritzel axial verschieblich angeordnet ist. Die Antriebswelle kann mit der Motorwelle der elektrischen Maschine identisch sein. Gemäß einer alternativen Ausführung wird die Antriebswelle von der elektrischen Maschine angetrieben, insbesondere über ein zwischenliegendes Getriebe zur Drehzahlunter- oder -übersetzung, beispielsweise über ein Planetengetriebe. Die axiale Verschiebung des Ritzels auf der Antriebswelle kann gegebenenfalls über eine Vorschubeinrichtung erfolgen, beispielsweise ein Einrückrelais, das als elektromechanisches Stellglied oder als ein sonstiger, elektrisch betätigbarer Aktuator ausgeführt ist.
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Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen Starter für eine Brennkraftmaschine handeln, bei dem das Ritzel das Starterritzel bildet, welches zum Starten der Brennkraftmaschine axial vorgerückt und in Eingriff mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine gebracht wird. Durch Drehen des Starterritzels wird die Brennkraftmaschine gestartet. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Anwendung der elektrischen Maschine unabhängig von Startern für Brennkraftmaschinen.
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Bei der elektrischen Maschine ist mindestens ein Ritzelzahn des Ritzels gegenüber mindestens einem weiteren Ritzelzahn axial verschieblich gelagert und von einem Federelement axial kraftbeaufschlagt. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl der Ritzelzähne jeweils axial verschieblich gelagert und von einem Federelement kraftbeaufschlagt, wobei gegebenenfalls sämtliche Ritzelzähne verschieblich gelagert und von einem Federelement kraftbeaufschlagt sein können. Diese Ausführung erlaubt es bei einem axialen Vorschub des Ritzels und einem stirnseitigen Auftreffen des axial verschieblich gelagerten Ritzelzahns auf die Stirnseite eines Zahnes des Zahnkranzes, dass der betreffende Ritzelzahn gegen die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes in einer axial weniger weit vorgeschobenen Position verharrt als dies bei starren Ritzelzähnen der Fall wäre. Auch bleibt der betreffende Ritzelzahn axial weiter zurück als diejenigen Ritzelzähne, die nicht auf die Stirnseite des Zahnkranzes oder ein sonstiges Hindernis auftreffen. Im Ergebnis führt dies dazu, dass nur derjenige Ritzelzahn bzw. diejenigen Ritzelzähne, welche bei der axialen Vorschubbewegung auf ein Hindernis auftreffen, gegen die Kraft des auf den betreffenden Ritzelzahn wirkenden Federelementes zurückbleibt, wohingegen die sonstigen Ritzelzähne, welche kollisionsfrei vorgeschoben werden können, durch die Kraft des auf sie wirkenden Federelementes ihre maximal vorgeschobene Position einnehmen. Es muss lediglich derjenige Ritzelzahn bzw. diejenigen Ritzelzähne, welche in Kollision gelangen, gegen die Kraft des jeweiligen Federelementes nach hinten verschoben werden.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass nur ein oder wenige Ritzelzähne und nicht das gesamte Ritzel in einer axial weniger weit vorgeschobenen Position verharren müssen. Dementsprechend ist auch die stirnseitig auf das Hindernis, beispielsweise auf einen Zahnkranz auftreffende Masse geringer, so dass auch der auf den Zahnkranz auftreffende Impuls herabgesetzt ist. Dadurch ergibt sich eine Verringerung des Auftreffgeräusches bzw. des Schleif- und Ratschgeräusches bei einer Relativdrehbewegung zwischen dem Ritzel und dem Zahnkranz. Vorteilhaft ist des Weiteren, dass ein drehrichtungsabhängiges Anschrägen der Ritzelzähne nicht erforderlich ist. Schließlich ist auch ein Einspuren möglich, wenn der Zahnkranz, auf den das Ritzel auftrifft, nicht stillsteht, sondern sich vorwärts oder rückwärts bewegt. Im Falle eines Starters ist damit ein Einspuren in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine möglich, auch wenn der Zahnkranz nicht stillsteht, sondern in Vorwärtsrichtung ausläuft oder aufgrund eines Pendelns sich in Gegenrichtung, also rückwärts bewegt.
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Im Falle eines Starters für eine Brennkraftmaschine ist es grundsätzlich auch möglich, dass nicht die Zähne des Starterritzels, sondern die Zähne des Zahnkranzes der Brennkraftmaschine in der vorbeschriebenen Weise axial verschieblich gelagert und von einem Federelement axial kraftbeaufschlagt sind. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass sowohl die Zähne des Starterritzels als auch die Zähne des Zahnkranzes jeweils axial verschieblich gelagert und kraftbeaufschlagt sind. In einer einfachen Variante sind dagegen nur die Zähne des Starterritzels axial verschieblich gelagert und von einem Federelement kraftbeaufschlagt.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass nur die verhältnismäßig geringe Masse des axial zurückgebliebenen Ritzelzahns die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes vorwärts beschleunigt werden muss, sobald der betreffende Ritzelzahn in eine Lücke zwischen zwei Zähne des Zahnkranzes trifft. Dieses durch das Federelement verursachte Vorschnellen des Ritzelzahnes kann sehr rasch durchgeführt werden und erfordert eine geringere Federkraft bzw. ein kleiner dimensioniertes Federelement als eine Einspurfeder im Stand der Technik, welche die gesamte Masse des Starterritzels bewegen muss.
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Zweckmäßigerweise ist jedem axial verschieblich gelagerten Ritzelzahn jeweils ein Federelement zugeordnet, das dementsprechend auf die zu bewegende Masse des Ritzelzahns angepasst und verhältnismäßig klein dimensioniert sein kann. Möglich ist es aber auch, mehrere Ritzelzähne, gegebenenfalls sämtliche Ritzelzähne von einem gemeinsamen Federelement abstützen zu lassen, wobei in diesem Fall vorteilhafterweise trotz der Abstützung über das gemeinsame Federelement eine Relativ-Axialbewegung der Ritzelzähne zueinander möglich ist. Beispielsweise kann als Federelement ein nachgiebiges Material wie zum Beispiel Gummi oder ein gummiähnliches Material verwendet werden, insbesondere in Form einer Manschette bzw. eines Ringes, wobei an der axialen Stirnseite des Federelementes die Ritzelzähne abgestützt sind. Dieses Material ermöglicht es, dass ein einzelner Ritzelzahn, der gegen das Hindernis anschlägt, in das Material des Federelementes hineinverschoben wird und dadurch eine entsprechende Federkraft erfährt, wohingegen die Ritzelzähne, welche nicht gegen das Hindernis stoßen, von dem Federelement in ihrer axial vorgerückten Position gehalten werden.
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Die axiale Verschiebbarkeit des Ritzelzahns bzw. der Ritzelzähne wird zweckmäßigerweise über eine axiale Nut gewährleistet, in der der Ritzelzahn geführt ist, insbesondere radial formschlüssig gehalten ist. Auf der der Nut zugewandten Seite kann der Ritzelzahn ein in der Nut formschlüssig aufgenommenes Formschlusselement aufweisen, beispielsweise in Form eines Schwalbenschwanzes oder in T-förmiger Ausführung. Grundsätzlich in Betracht kommt auch eine nichtformschlüssige Aufnahme des Ritzelzahnes in der Nut. Des Weiteren ist es auch möglich, an der radialen Innenseite des Ritzelzahnes eine Nut vorzusehen, in die ein Formschlusselement auf einem Wellenabschnitt, gegenüber dem der Ritzelzahn axial verschieblich ist, eingreift.
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Bei dem Wellenabschnitt, gegenüber dem der Ritzelzahn verschieblich ist, handelt es sich insbesondere um die Ritzelwelle des Ritzels, die auf der Antriebswelle verschieblich und vorteilhafterweise auch verdrehbar aufsitzt. Die Ritzelwelle kann an ihrer Innenseite mit einem Steilgewinde versehen sein, das in ein entsprechendes Gewinde auf der Antriebswelle eingreift, wobei das Steilgewinde sowohl eine axiale Vorschub- als auch eine Rotationsbewegung der Ritzelwelle und damit auch der auf der Ritzelwelle aufsitzenden Ritzelzähne erlaubt.
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Gemäß einer alternativen Ausführung ist der Wellenabschnitt, gegenüber dem die Ritzelzähne axial verschieblich gehalten sind, Teil der Antriebswelle.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist der Verstellweg des axial verschieblichen Ritzelzahns auf der dem Federelement abgewandten Seite von einem Anschlagselement begrenzt, was zweckmäßigerweise fest auf dem Wellenabschnitt angeordnet ist, gegenüber dem der Ritzelzahn axial zu verschieben ist. Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, das Federelement bzw. die Federelemente zur Abstützung der Ritzelzähne von einer Ringwandung am Ritzel übergreifen zu lassen, um sicherzustellen, dass die Federelemente auch bei hohen Drehzahlen und hierbei entstehenden Fliehkräften in ihrer Position bleiben, wodurch eine Drehzahlsicherung realisiert wird. Die Ringwandung zur Sicherung der Federelemente kann von einem Ritzelkörper gebildet sein, welcher ebenfalls Bestandteil des Ritzels ist und auf der Ritzelwelle aufsitzt bzw. gegebenenfalls einteilig mit der Ritzelwelle ausgebildet ist. An dem Ritzelkörper können sich die Federelemente auch axial auf der den Ritzelzähnen abgewandten Seite abstützen.
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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 einen Starter für eine Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Antriebsmotor, einem auf einer Antriebswelle angeordneten Starterritzel und einem Einrückrelais zum axialen Verstellen des Starterritzels,
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2 einen Schnitt quer durch das Starterritzel mit einer Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Ritzelzähnen, die jeweils axial verschieblich auf einer Ritzelwelle angeordnet und von einem Federelement kraftbeaufschlagt sind,
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3 einen Schnitt längs durch das Starterritzel, das gegenüber einem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine in einer axial zurückgezogenen Position sich befindet,
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4 eine 3 entsprechende Darstellung, jedoch mit dem Starterritzel in axial vorgerückter Position, wobei ein Ritzelzahn an einem Zahn des Zahnkranzes anliegt und gegen die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes bezogen auf die übrigen Ritzelzähne nach hinten versetzt ist.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte Starter 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Antriebswelle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Einrückrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Relaiswicklung 7 sowie einen Hubanker 8 umfasst, der bei Bestromung der Relaiswicklung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Hubanker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Hubankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition eingesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung auf die Antriebswelle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Getriebe, das als Planetengetriebe 12 ausgeführt ist, mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Antriebswelle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
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Der Starter 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Einrückrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 8 bei Betätigung des Einrückrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch eine kinematische Kopplung des Schaltgliedes mit der Stellbewegung des Hubankers 8 der elektrische Strom für den Startermotor 11 eingeschaltet, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt.
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In den 2 bis 4 ist das Starterritzel 2 im Schnitt quer zur Längsachse (2) bzw. im Längsschnitt (3, 4) dargestellt. Das Starterritzel 2 umfasst eine Ritzelwelle 13, eine Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Ritzelzähnen 14 sowie einen Ritzelkörper 15. Die Ritzelwelle 13 sitzt auf der Antriebswelle 5 des Starters auf (3) und ist über ein Steilgewinde 16 axial verschieblich und rotatorisch drehbar auf der Welle 5 gehalten. Der Ritzelkörper 15 sitzt auf der Ritzelwelle 13 fest auf und ist mit der Ritzelwelle 13 ohne Relativbewegungsmöglichkeit verbunden; gegebenenfalls bilden die Ritzelwelle 13 und der Ritzelkörper 15 ein einteiliges, gemeinsames Bauteil. Die Ritzelzähne 14 sind auf der Ritzelwelle 13 in Nuten 17 axial verschieblich geführt. Die Nuten 17 erstrecken sich in Achsrichtung auf der Mantelfläche der Ritzelwelle 13. Die radiale Innenseite der Ritzelzähne 14 ist formschlüssig in den Nuten 17 geführt; hierzu weist die radiale Innenseite jedes Ritzelzahns 14 eine Formschlussgeometrie auf, beispielsweise in Form eines Schwalbenschwanzes oder in T-Form. Auf diese Weise sind die Ritzelzähne 14 in Radialrichtung sowie in Umfangsrichtung formschlüssig in den Nuten 17 gehalten.
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Jedem Ritzelzahn 14 ist ein Federelement 18 zugeordnet, das einenends an dem Ritzelkörper 15 abgestützt ist und anderenends die zugewandte Stirnseite des betreffenden Ritzelzahns 14 beaufschlagt und eine in Achsrichtung wirkende Kraft auf den betreffenden Ritzelzahn 14 ausübt. Die sich in Achsrichtung erstreckenden Federelemente 18 sind jeweils als Schraubenfedern ausgebildet und auf der Mantelfläche der Ritzelwelle 13 angeordnet. Die Federelemente 18 werden auf der den Ritzelzähnen 14 gegenüberliegenden Seite radial von einer Ringwandung 19 übergriffen, die einteilig mit dem Ritzelkörper 15 ausgebildet ist und sich in Achsrichtung über eine Teillänge der Federelemente 18 erstreckt. Die Ringwandung 19 bildet eine Drehsicherung, um zu gewährleisten, dass bei hohen Drehzahlen die Federelemente 18 trotz der auf sie wirkenden Fliehkräfte an ihrer Position auf der Ritzelwellenmantelfläche bleiben.
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Im Bereich der freien Stirnseite, auf der den Federelementen 18 abgewandten Seite, ist die axiale Vorschubbewegung der Ritzelzähne 14 von einem ringförmigen Anschlagselement 20 begrenzt, das fest auf der Ritzelwelle 13 aufsitzt. Die Ritzelzähne 14 werden von der axialen Kraft der Federelemente 18 in Richtung auf das Anschlagselement 20 kraftbeaufschlagt.
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Zum Starten der Brennkraftmaschine wird die Welle 5 von dem elektrischen Startermotor angetrieben, zugleich wird über eine Vorschubeinrichtung, beispielsweise ein Einrückrelais, das Starterritzel 2 gegenüber der Welle 5 axial nach vorne verschoben, indem beispielsweise ein Gabelhebel in eine zugeordnete Ausnehmung im Ritzelkörper 15 eingreift und diesen nach vorne in Richtung auf den Zahnkranz 3 verstellt. Sobald ein Ritzelzahn 14 auf die Stirnseite des Zahnkranzes 3 auftrifft (Zahn auf Zahn-Stellung), wird zwar die Ritzelwelle 13 axial weiter nach vorne verstellt; jedoch bleibt dieser Zahn (im Ausführungsbeispiel der Ritzelzahn 14b) gegenüber den übrigen Ritzelzähnen 14a, welche nicht auf Kollision mit dem Zahnkranz 3 liegen, axial zurück. Hierbei wird der auf den Zahnkranz 3 auftreffende Ritzelzahn 14b gegen die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes 18b bezogen auf die übrigen Ritzelzähne 14a axial nach hinten verschoben, wobei die übrigen Ritzelzähne 14a ihre Relativposition gegenüber der Ritzelwelle 13 beibehalten.
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Es genügt somit, lediglich einen Ritzelzahn 14b bzw. eine geringe Anzahl von Ritzelzähnen 14b, die Zahn auf Zahn auf den Zahnkranz 3 auftreffen, gegen die Kraft des jeweiligen Federelementes 18b in einer ortsfesten Position zu halten, so dass der Federweg zwischen dem Ritzelzahn 14b und dem zugeordneten Federelement 18b verkürzt wird, wenn die Ritzelwelle 13 einschließlich der übrigen Ritzelzähne 14a axial weiter nach vorne verschoben wird. Sobald durch eine Drehbewegung der Ritzelwelle 13 der Ritzelzahn 14b, welcher Zahn auf Zahn mit dem Zahnkranz 3 liegt, in eine Lücke zwischen zwei Zähnen des Zahnkranzes gelangt, kann der Ritzelzahn 14b durch die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes 18b in die Zahnlücke vorschnellen, wodurch der Eingriff zwischen dem Starterritzel 2 und dem Zahnkranz 3 realisiert wird; der Ritzelzahn 14b nimmt sodann axial die gleiche Position wie die übrigen Ritzelzähne 14a ein, welche nicht in Richtung auf das jeweilige Federelement 18a verschoben worden sind.
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Das Einrücken in den Zahnkranz 3 ist auch bei einer Drehbewegung des Zahnkranzes möglich, und zwar sowohl bei einer Vorwärtsdrehbewegung als auch bei einer Rückwärtsdrehbewegung des Zahnkranzes.
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In einer alternativen Ausführung sind zusätzlich auch die Zähne des Zahnkranzes 3 axial verschieblich gehalten und federkraftbeaufschlagt. In noch einer weiteren Ausführung sind die Ritzelzähne des Starterritzels fest mit der Ritzelwelle verbunden und nur die Zähne des Zahnkranzes 3 axial verschieblich gehalten und federkraftbeaufschlagt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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