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Die Erfindung betrifft ein Starterrelais für einen Starter, der zum Anlassen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt wird sowie einen solchen Starter.
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Stand der Technik
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Starter, die auch als Anlasser bezeichnet werden, werden in Verbrennungsmotoren eingesetzt, um den Verbrennungsmotor zu starten, da dieser bei Stillstand kein Drehmoment liefert und daher nicht selbst anlaufen kann.
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Starter werden derzeit üblicherweise einstufig ausgeführt, d. h. der Hauptstrom des Starters wird sofort voll durchgeschaltet. Dies führt jedoch zu einer erhöhten Materialbelastung und ggf. zu Störungen beim Schalten des Hauptstroms. Es sind weiterhin zweistufige Systeme bekannt, die einen Vorwiderstand aufweisen, der jedoch thermisch sehr stark belastet wird. Zudem handelt es sich bei dem Vorwiderstand um ein zusätzliches Bauteil mit zusätzlichem Verkabelungsaufwand.
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Zum Schalten des Starters werden in der Regel Leistungsschalter verwendet. Bei mechanischen Leistungsschaltern wird als Aktor meistens ein Tauchspulenrelais mit Schlagbolzen verwendet. Diese Leistungsschalter werden auch als Starterrelais bezeichnet. Bei einem mehrstufige Schalten ist zu berücksichtigen, dass dies bislang nur mit aufwendigen Relais oder durch mehrere Relais möglich ist. Dabei sind oft der Bauraumverbrauch und der Verdrahtungsaufwand nachteilig.
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Es sind Starter- bzw. Schaltrelais mit Kontaktbolzen und Kontaktbrücken bekannt. Bei diesen ist allerdings zu beachten, dass Lichtbögen entstehen können, was hinsichtlich Lebensdauer, Geräusch und Kontakteis problematisch sein kann. Insbesondere haben derartige Anordnungen den Nachteil, dass neben Lichtbögen auch Kontaktpreller entstehen können, die zu einem Verkleben oder Verschweißen des Schaltkontakts führen.
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Aus der Druckschrift
DE 101 10 073 A1 ist eine Starter-Vorrichtung für Verbrennungsmotoren bekannt, die eine Schalteinrichtung zum Schalten großer elektrischer Ströme umfasst, die eine mit einem ersten Anschluss elektrisch leitende Kontaktbahn, einen mit einem zweiten Anschluss elektrisch leitend verbundenen Schaltkontakt, der von einer Aus-Stellung in eine Ein-Stellung verschiebbar ist, und einen Vorwiderstandsabschnitt aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Starterrelais für einen Starter eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 und ein Starter mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt.
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Der beschriebene Starter realisiert ein ein-, zwei- oder mehrstufiges Schalten ohne zusätzlichen Verschaltungsaufwand. Zusätzlich wird das Risiko eines Kontaktschweißens, auch bei Einstufungssystemen, deutlich reduziert. Weiterhin ist neben akustischen Vorteilen auch ein mechanischer Verschleiß gegenüber einem Serienrelais mit Schlagkontakt verbessert.
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Es ist zu beachten, dass der Strom des Starters nicht einstufig geschaltet, sondern zuerst über einen Vorwiderstand ein- bzw. ausgeschaltet wird. Hierdurch wird der zu schaltende Strom verringert, der Starter läuft sanfter an. Ein Verschweißen der Kontakte kann durch die Ausführung einer graphithaltigen Beschichtung in den Widerstandszonen stark reduziert werden. Zusätzlich ist durch die kompakte Ausführung eine Realisierung eines Standardkontakts und eines zweistufigen Kontakts in verschiedenen Anwendungen unter der gleichen Kontaktgeometrie möglich. D. h. in der Standardapplikation wird in der Schaltbaugruppe eine reine Kupferzone verwendet. In kritischen Applikationen wird diese durch die hier beschriebene Variante ersetzt, ohne dass sich die übrige Kontaktgeometrie ändern muss. Dies führt zu einem deutlich verringerten Fertigungsund Logistikaufwand im Werk. Hinzu kommt, dass sich im eingeschalteten Zustand der Kontaktwiderstand nicht ändert, da in dieser Stellung wieder ein reiner Kupfer-Kupfer-Kontakt vorliegt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Starters gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten Starters.
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3 zeigt eine Ausführung eines Starterrelais.
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4 zeigt eine Startanlage mit dem Starterrelais aus 3.
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5 zeigt eine weitere Ausführung eines Starterrelais.
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6 zeigt in einem Graphen einen systematische Stromverlauf bei einem mehrstufigen Starter.
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7 zeigt eine Ausführung eines mehrstufigen Starters.
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8 zeigt eine Ausführung eines Schalterdeckels.
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9 zeigt einen Abschnitt einer Ausführung eines Schalterdeckels.
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10 zeigt eine weitere Ausführung eines Schalterdeckels.
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11 zeigt einen Schalterdeckel als vormontierte Baugruppe in nicht zusammengebautem Zustand.
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12 zeigt den Schalterdeckel aus 11 in zusammengebautem Zustand.
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13 zeigt eine Ausführung eines Starterrelais in schematischer Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist eine Ausführung eines zweistufigen Starters nach dem Stand der Technik gezeigt, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieser zweistufige Starter 10 benötigt im Gegensatz zu einstufigen Ausführungen zusätzliche Aktoren sowie mindestens einen Leistungswiderstand. Bei derzeit eingesetzten Schaltrelais mit Kontaktbolzen und Kontaktbrücke ist zu beachten, dass Lichtbögen entstehen können, was zu einem Verschleiß führt und hinsichtlich der EMV kritisch ist. Weiterhin bestehen Probleme hinsichtlich Lebensdauer, Geräusch und Kontakteis.
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Darüber hinaus ist zu beachten, dass ein mehrstufiges Schalten nur mit aufwendigen und teuren Halbleiterrelais oder durch mehrere mechanische Relais möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist der erhöhte Bauraumverbrauch und der erhebliche Verdrahtungsaufwand.
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Mit dem vorgestellten Starterrelais kann nunmehr ein ein-, zwei- oder mehrstufiges Schalten ohne zusätzlichen Verschaltungsaufwand realisiert werden. Des Weiteren wird das Risiko eines Kontaktschweißens, auch bei einstufigen Systemen, deutlich reduziert. Neben akustischen Vorteilen ist auch der mechanische Verschleiß gegenüber einem Serienrelais mit Schlagkontakt verbessert. Zudem wird der Bauraum eines herkömmlichen Serienstarters eingehalten oder verkleinert.
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In 2 ist eine Ausführung des beschriebenen Starters dargestellt, der mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet ist und bei dem das einstufige Starter- bzw. Schaltrelais durch ein kompaktes Funktionsmodul ersetzt ist, das nachfolgend noch näher erläutert wird.
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In 3 ist ein Starterrelais 30 dargestellt, das das Funktionsmodul aus 2 darstellt und in dem die Eigenschaften eines zweistufigen Start-Stopp-Starters (1) sehr kompakt abgebildet sind. Die Darstellung zeigt einen Kleinmotor 32, eine Vorspurhülse 34 mit Anbindung über Gabelhebel zum Starterritzel, eine Schalttrommel 35 mit einer Isolierzone 36, einer Widerstandszone 38 und einer niederohmigen Hochstromzone 40.
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Gegenüber der Ausführung in 1 werden verschiedene Vorteile erzielt:
- – deutlich verkleinerter Bauraum
- – geringeres Gewicht
- – verringertes Geräusch
- – Ansteuerenergie 2 bis 5 A gegenüber 30 bis 50 A
- – geringerer Haltestrom
- – Schaltgeschwindigkeit ist bei Bedarf sehr leicht zu beeinflussen
- – kein Verschweißen der Schaltkontakte
- – keine Prellneigung
- – aktives Ein- und Ausschalten durch Polaritätsänderung als Alternative einer mechanischen Rückstellung über Federkraft möglich
- – verbesserte Eigenschaft bei Vereisen der Kontakte
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4 zeigt das Starterrelais 30 aus 3 in einer Startanlage, die insgesamt mit Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Kontaktbolzen 52, ein Zahnrad 54 mit Gewindewelle (Nehmerrad), einen Startermotor 56, ein Starterritzel 58, einen Zahnkranz 60, einen Verbrennungsmotor 62 und eine Starterbatterie 64.
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Die gezeigte Schalttrommel 35 besteht bspw. aus einem gestanzten Kupferzylinder mit Widerstand und Isolierringen. Dabei ist die Schalttrommel 35 fest über einen Schlitten mit der Gewindeachse über das Zahnrad 54 verbunden Die Anordnung der Schalttrommel 35 kann durch Länge und Anzahl der verschiedenen Widerstandszonen an die Anwendung angepasst werden. Somit können beliebig viele Schaltzustände und Schaltzeiten dargestellt werden, was einen sanften Anlauf ermöglicht.
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Das Schaltsystem ist konstruktiv so ausgebildet, dass sich bei einem betätigten Starter die Kontaktkohlen auf dem Isoliersektor bzw. der Isolierzone 36 der Schaltwalze bzw. Schalttrommel 35 befindet. Wird der Kleinmotor 32 angesteuert, bewegt sich das Starterritzel 58 in Richtung des Zahnkranzes 56. Dabei schiebt sich die Schalttrommel 35 auf die Widerstandszone 38. Die sich einstellende Drehbewegung des Starterritzels 58 löst eine mögliche Zahn-Zahnstellung zwischen Ritzel und Zahnkranz 60 mit reduziertem Anlaufstrom sanft an.
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Taucht das Starterritzel 58 weiter in den Zahnkranz 60, schiebt sich die Schalttrommel 35 auf die niederohmige Hochstromzone 40, so dass der Starter seine maximale Leistung abgeben kann.
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Kommt der Verbrennungsmotor 62 zum Selbstlauf, wird das Starterrelais 30 stromlos. Das Starterritzel 58 geht bspw. über eine in 4 nicht dargestellte Rückstellfeder, die auf das Nehmerrad wirkt, in seine Ruhestellung zurück. Dabei wird auch die Schalttrommel 35 wieder in die Ausgangsstellung geschoben. Eine weitere Möglichkeit der aktiven Rückstellung ist eine Drehrichtungsumkehr durch Polaritätsänderung des Kleinmotors 32.
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Die in 3 und 4 gezeigte Ausführung der Schalttrommel 35 ist lediglich zweistufig, es sind mit gleichem Prinzip noch weitere Schaltstufen vorstellbar, die in Abhängigkeit der geometrischen Zustände (Ritzeleintauchtiefe) angepasst werden können.
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Nachstehend sind Beispiele gegeben:
| Ritzelweg | 0 mm (Ruhelage) | = isoliert (hochohmig |
| | 1–3 mm (Zahn-Zahn) | = ca 100 A (begrenzt) |
| | > 3 mm (Eingriff) | = ca. 200–300 A |
| | | (sanftes Andrehen, |
| | | Spannungsbegrenzung) |
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Die Stromwerte und Schaltzeiten der einzelnen Stufen können an die jeweilige Starteranwendung angepasst werden. Dies erfolgt z.B. durch Variieren von Spannung und Strom in der Ansteuerung sowie durch Einsatz diverser mechanischer Übersetzungen im Starterrelais 30.
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In 5 ist eine weitere Ausführung eines Starterrelais, insgesamt mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet, wiedergegeben. Die Darstellung zeigt einen Kleinmotor 72, eine Vorspurhülse 74 mit Anbindung über Gabelhebel zum Starterritzel und eine Schalttrommel 75 mit Isolierzone 76, Widerstandszone 78 und niederohmiger Hochstromzone 80. Bei dieser Ausführung wird der Gashebelschlitten mit einem Zahnprofil bewegt.
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In 6 ist ein systematischer Verlauf eines Stroms bei einem mehrstufigen Starter dargestellt. Dabei ist an einer Abszisse 90 die Zeit in ms und an einer Ordinate 92 der Strom in A aufgetragen.
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Zum Zeitpunkt T1 erfolgt der Startwunsch. Zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2 spurt der Starter in den Zahnkranz des Verbrennungsmotors ein. Zum Zeitpunkt T2 erfolgt die Kontaktgabe der ersten Stufe. Zum Zeitpunkt T3 erfolgt die Kontaktgabe der zweiten Stufe. Zwischen dem Zeitpunkt T3 und dem Zeitpunkt T4 wird der Verbrennungsmotor vom Starter bis zum selbstlauf angetrieben. Zum Zeitpunkt T4 erfolgt das Startende.
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In 7 ist eine Ausführung eines mehrstufigen Starterrelais 100 gezeigt. Die Darstellung zeigt eine Schaltachse 110, einen ersten Schaltzylinder 112 mit niedrigem Widerstand, bspw. aus Cu, Ag, Au, einen zweiten Schaltzylinder 114 mit definiertem Widerstand zum sanften Anlaufen, bspw. aus einem Kohlematerial, Konstantan, Manganien, einen dritten hochohmigen Schaltzylinder 116, der einen unendlichen hohen Widerstand aufweist, bspw. aus Kunststoff, Keramik o.ä., eine erste Kontaktkohle 118, einen Kontaktbolzen 120 und eine zweite Kontaktkohle 122. Der erste Schaltzylinder 112, der zweite Schaltzylinder 114 und der dritte Schaltzylinder 116 bilden eine Schalttrommel 130 und entsprechen den Zonen unterschiedlichen Widerstands in den vorherigen Darstellungen.
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Die Schalttrommel 130 besteht bspw. aus einem gestanzten Kupferzylinder (erster Schaltzylinder 112), einem Zylinder (zweiter Schaltzylinder 114) aus einem mit Material mit dem benötigten Widerstand und einem nichtleitenden Isolierteil (dritter Schaltzylinder 116). Dabei ist die Schalttrommel 130 fest mit der Schaltachse 110 verbunden. Die Anordnung der Schaltzylinder 112, 114, 116 kann auch durch Länge und Anzahl der verschiedenen Widerstandszonen an die Anwendung angepasst werden. Somit können beliebig viele und lange Zeiträume geschaltet werden, was einen sanften Anlauf ermöglicht. Das Schaltsystem ist konstruktiv so ausgebildet, dass sich bei einem nicht betätigten Starter die Kontaktkohlen 118, 122 auf dem Isoliersektor (dritter Schaltzylinder 116) der Schalttrommel 130 befindet.
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Wird der Starter angesteuert, bewegt sich das Starterritzel in Richtung Zahnkranz. Dabei schiebt sich die Schalttrommel 130 auf den Widerstandssektor (zweiter Schaltzylinder 114) und löst eine mögliche Zahn-Zahnstellung mit reduziertem Anlaufstrom sanft aus.
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Taucht das Starterritzel weiter in den Zahnkranz, schiebt sich die Schalttrommel 130 auf die niederohmige Zone (erster Schaltzylinder 112), so dass der Starter seine maximale Leistung abgeben kann. Kommt der Verbrennungsmotor zum Selbstlauf, wird das Starterrelais 100 stromlos. Das Ritzel geht in seine Ruhestellung zurück, dabei wird auch die Schalttrommel 130 wieder in die Ausgangsstellung geschoben.
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Die Ausführung der Schalttrommel 130 ist in 7 lediglich zweistufig dargestellt, es sind aber auch mehrere Schaltstufen realisierbar, die abhängig von der Relaisanker- bzw. Ritzeleintauchtiefe geschaltet werden können.
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Nachstehend sind Beispiele gegeben:
| Ritzelweg | 0 mm (Ruhelage) | = isoliert (hochohmig |
| | 1–3 mm (Zahn-Zahn) | = ca 100 A (begrenzt) |
| | > 3 mm (Eingriff) | = ca. 200–300 A |
| | | (sanftes Andrehen, |
| | | Spannungsbegrenzung) |
| | Endposition | = maximaler Strom zum Starten |
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Zu beachten ist, dass die Stromwerte an die jeweilige Starteranwendung (Diesel, Otto) angepasst werden können.
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In 8 ist ein möglicher Aufbau eines Schalterdeckels 140 wiedergegeben. Die Darstellung zeigt eine Kontaktkohle 142, eine Andruckfeder 144, eine Bürstenfassung 146 und einen Kontaktbolzen 148. Bei dieser Ausführung wird der benötigte Strom über den Kontaktbolzen 148, die Bürstenfassung 146 aus leitendem Material, wobei diese Fassung die Kohle an den Kontaktbolzen 148 federnd drückt, sowie die Kontaktkohle 142 auf die Schalttrommel übertragen.
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In 9 ist ein Abschnitt eines weiteren Schalterdeckels 150 wiedergegeben. Die Darstellung zeigt eine Kontaktkohle 152, einen Kontaktbolzen 154, eine Stromschiene 156 und eine Litze 158 zur Kontaktkohle 152. Bei dieser Ausführung wird der benötigte Strom über den Kontaktbolzen 154, die Stromschiene 156 aus leitendem Material und die Litze 158 an die Kontaktkohle 152 auf die Schalttrommel übertragen.
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In 10 ist ein weiterer Schalterdeckel 170 mit einer Kontaktkohle 172, einem Kontaktbolzen 174, einer Litze 176 zur Kohlebürste und einen Bürstenfassung 178 dargestellt. Der benötigte Strom wird über den Kontaktbolzen 174, an dem die Litze 176 angebracht ist, bspw. mittels Schweißen oder Klemmen mit der Kontaktkohle 172 verbunden, auf die Schalttrommel übertragen.
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11 zeigt einen Schalterdeckel 200 als vormontierte Baugruppe, wobei dieser geöffnet wiedergegeben. Die Darstellung zeigt zwei Kontaktbolzen 202, eine Bürstenfassung 204, Litzen 206 und Kontaktkohlen 208.
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12 zeigt den Schalterdeckel 200 in geschlossenem Zustand.
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In 13 ist eine Ausführung eines Starterrelais, das insgesamt mit der Bezugsziffer 250 bezeichnet ist, wiedergegeben Dieses Starterrelais 250 stellt ein Leistungsrelais dar, bei dem der Schlagkontakt durch einen Kohleschleifkontakt ersetzt ist.
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Die Darstellung zeigt eine Schaltachse 252, einen Relaisanker 254, eine Schalttrommel 256 mit einer niederohmigen Hochstrom- bzw. Schaltzone 258, einer Widerstandszone 260 und einer Isolierzone 262, einen Kohleschleifkontakt 264, einen Kontaktbolzen 266 und einen Führungsköcher 268
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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