DE102016218036A1

DE102016218036A1 - Elektrische Maschine, insbesondere Startermotor

Info

Publication number: DE102016218036A1
Application number: DE102016218036.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Siems; Javier Bores
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2018-03-22
Also published as: WO2018054618A1

Abstract

Eine elektrische Maschine weist eine Rotorwelle auf, an deren Stirnseite ein Lagerzapfen angeordnet ist, welcher in einer Lagerbuchse drehbar aufgenommen ist. Die Rotorwelle ist über eine Anlaufscheibe, die separat von der Lagerbuchse ausgebildet ist, an einem Lagergehäuse abgestützt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Startermotor in einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der DE 10 2010 041 797 A1 wird ein Startermotor in einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Rotorwelle im Bereich eines stirnseitig angeordneten Lagerdeckels in einer Lagerbuchse drehbar aufgenommen ist. In den Lagerdeckel ist eine Lagerbohrung für die Lagerbuchse eingebracht. Die Rotorwelle weist an ihrer Stirnseite einen Lagerzapfen kleineren Durchmessers auf, so dass im Übergang von der Rotorwelle zum Lagerzapfen eine umlaufende Ringschulter gebildet ist, die an der Stirnseite der Lagerbuchse anliegt und im Betrieb des Startermotors eine reibungsbehaftete Relativdrehung gegenüber der Lagerbuchse ausführt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird beispielsweise als Startermotor in einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eingesetzt und treibt im Betrieb ein Starterritzel an, das in Eingriff mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht. Zwischen Startermotor und Starterritzel kann ein Getriebe zur Untersetzung der Motordrehzahl angeordnet sein. Das Starterritzel ist vorteilhafterweise zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz zu verstellen. Die Verstellbewegung des Starterritzels wird über ein Starterrelais der Startervorrichtung durchgeführt.
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als Synchronmotor, beispielsweise als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet. Die elektrische Maschine weist eine Rotorwelle im Rotor auf sowie einen Stator, gegenüber dem die Rotorwelle drehbar gelagert ist. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als Innenläufermotor ausgebildet.
An der Stirnseite der Rotorwelle ist ein Lagerzapfen angeordnet, der insbesondere einteilig mit der Rotorwelle ausgebildet ist und dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Rotorwelle, so dass im Übergang von Rotorwelle zu Lagerzapfen eine umlaufende Ringschulter gebildet ist. Der Lagerzapfen ist in einer gehäuseseitigen Lagerbuchse drehbar aufgenommen. Die Lagerbuchse befindet sich in einer Lagerbohrung in einem gehäuseseitigen Bauteil des Lagergehäuses, das insbesondere als ein Lagerdeckel ausgebildet ist.
Die Rotorwelle ist über eine Anlaufscheibe, die separat von der Lagerbuchse ausgebildet ist, an dem Bauteil der Lagergehäuse abgestützt, in dem auch die Lagerbohrung mit der Lagerbuchse enthalten ist. Zugleich ist die Ringschulter im Übergang zwischen Rotorwelle und Lagerzapfen auf Abstand zur Stirnseite der Lagerbuchse angeordnet.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass kein Kontakt zwischen der Ringschulter an der Rotorwelle und der gehäusefest aufgenommenen Lagerbuchse besteht. Dementsprechend besteht auch kein Reibkontakt zwischen der Rotorwelle und der Stirnseite der Lagerbuchse, so dass im Betrieb der elektrischen Maschine ein reibungsbedingter Wärmeeintrag in die Lagerbuchse vermieden wird. Schmieröl an der Lagerbuchse ist demzufolge einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt und unterliegt einer geringeren Alterung. Entsprechend ist auch der Verschleiß der Lagerbuchse reduziert. Das Schmieröl kann einen dauerhaft bestehenden Schmierfilm an der Lagerbuchse ausbilden, die Gefahr eines Abbaus des Schmierfilms aufgrund thermischer Einwirkung ist reduziert. Des Weiteren ist auch die Gefahr einer wärmebedingten Verkokung von Schmieröl an der Lagerbuchse oder von Schmieröl, das in das Material der Lagerbuchse eingedrungen ist, herabgesetzt.
Mithilfe der Anlaufscheibe wird somit ein direkter Kontakt zwischen der Rotorwelle und der Stirnseite der Lagerbuchse vermieden. Zugleich ist eine axiale Abstützung der Rotorwelle an der Anlaufscheibe gegeben. Die Anlaufscheibe besteht vorzugsweise aus einem verschleißfesten und zugleich reibungsarmen Material, insbesondere aus einem verschleißfesten Kunststoffmaterial.
In bevorzugter Ausführung ist die Anlaufscheibe in die Lagerbohrung zur Abstützung des Lagerzapfens an dessen Stirnseite eingesetzt. Die axialen Dimensionierungen von Anlaufscheibe, Lagerbuchse und Lagerzapfen sind so bemessen, dass bei Kontakt des Lagerzapfens zur Anlaufscheibe die Ringschulter axial auf Abstand zur Stirnseite der Lagerbuchse liegt, um beim Umlaufen der Rotorwelle Reibung in diesem Bereich zu vermeiden. Diese Ausführung weist den weiteren Vorteil auf, dass aufgrund der zentrischen Abstützung des Lagerzapfens an der Anlaufscheibe geringstmögliche Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich der Kontaktstelle gegeben sind, so dass auch die entstehende Reibwärme auf ein Minimum reduziert ist.
Gemäß einer alternativen Ausführung ist die Anlaufscheibe ringförmig ausgebildet und sitzt auf der Stirnseite der Lagerbuchse auf, so dass auch in dieser Ausführung ein axialer Abstand zwischen der Ringschulter an der Rotorwelle und der Stirnseite der Lagerbuchse gegeben ist. In die Lagerbohrung kann gegebenenfalls eine weitere Anlaufscheibe eingesetzt sein, wobei in einer alternativen Ausführung auf die Anlaufscheibe in der Lagerbohrung auch verzichtet werden kann.
Die Ausführung von Anlaufscheibe und Lagerbuchse als separate Bauteile erlaubt es, unterschiedliche Materialien für Anlaufscheibe und Lagerbuchse zu verwenden. Die Anlaufscheibe besteht insbesondere aus einem reibungsärmeren Material als die Lagerbuchse. Die Lagerbuchse ist beispielsweise als ein Sinterbauteil ausgebildet, die Anlaufscheibe kann als ein Kunststoffbauteil ausgeführt sein.
Die Anlaufscheibe weist, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, eine zentrale Kontaktfläche zur Abstützung der Lagerzapfenstirnseite auf. Diese Ausführung der Anlaufscheibe eignet sich insbesondere für die Aufnahme der Anlaufscheibe in der Lagerbohrung bei koaxialer Ausrichtung von Rotorwelle und Anlaufscheibe sowie Lagerbuchse. Die Kontaktfläche ist entweder als eine Ebene ausgebildet, welche orthogonal zur Längsachse der Rotorwelle liegt, oder als ballige, konvex geformte Fläche zur Reduzierung des Kontaktes mit der Lagerzapfenstirnseite.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die zentrale Kontaktfläche der Anlaufscheibe gegenüber dem Randbereich der Anlaufscheibe erhaben ausgebildet. Dementsprechend weist die Anlaufscheibe im Bereich ihrer zentralen Kontaktfläche eine größere Dicke auf als im Randbereich, wodurch in Radialrichtung ein loser Kontakt zur Stirnseite des Lagerzapfens gewährleistet ist. In einer alternativen Ausführung ist die Anlaufscheibe an ihrer dem Lagerzapfen zugewandten Seite sowohl im Bereich der zentralen Kontaktfläche als auch im Randbereich eben ausgebildet und weist keine Erhabenheit auf. Gemäß noch einer weiteren Alternative ist es auch möglich, dass die zentrale Kontaktfläche gegenüber dem umlaufenden Randbereich als Senke ausgebildet ist, insbesondere als konkav geformte Senke.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung besitzt die Anlaufscheibe im Bereich ihrer umlaufenden, radial außenliegenden Mantelfläche mindestens eine Bohrung oder Abflachung. Die Bohrung oder Abflachung bezieht sich auf eine kreisförmige Einhüllende der Anlaufscheibe, deren Durchmesser annähernd oder exakt gleich ist wie der Innendurchmesser der aufnehmenden Lagerbohrung. Indem die Anlaufscheibe im Randbereich eine Abflachung aufweist, bleibt die Mantelfläche im Bereich der Bohrung oder Abflachung gegenüber dem Innendurchmesser der Lagerbohrung radial zurück, so dass eine Lücke zwischen der Außenseite der Anlaufscheibe im Bereich der Bohrung oder Abflachung und dem Innendurchmesser der aufnehmenden Lagerbohrung gegeben ist. Diese Lücke dient zu einem besseren Toleranzausgleich und zu einem festen Sitz der Anlaufscheibe in der Lagerbohrung. Außerdem wird über die Bohrung oder Abflachung verhindert, dass mit dem Einsetzen der Anlaufscheibe in die Lagerbohrung, die üblicherweise als Sacklochbohrung ausgeführt ist, Luft hinter der Anlaufscheibe eingeschlossen wird und sich ein unerwünschter Überdruck aufbauen kann.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Anlaufscheibe als ein Mehrkantbauteil ausgebildet. Die Anlaufscheibe besitzt eine der Anzahl der Kanten entsprechende Anzahl an Abflachungen, die über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Anlaufscheibe ist beispielsweise als ein Sechskantbauteil ausgebildet.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen.
1 eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Starterritzel, das über einen elektrischen Startermotor drehend antreibbar ist,
2 eine vergrößerte Darstellung der Lagerung der Rotorwelle des Startermotors in einer Lagerbuchse, wobei ein Lagerzapfen an der Rotorwelle in eine Lagerbohrung hineinragt, in der eine Anlaufscheibe aufgenommen ist,
3 eine perspektivische Ansicht der Anlaufscheibe.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Startvorrichtung 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, beispielsweise über ein Steilgewinde. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 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 umgesetzt wird.
Die drehende Antriebsbewegung auf die Antriebswelle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Getriebe 12, das insbesondere als ein Planetengetriebe ausgeführt ist, mit der Antriebswelle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Antriebswelle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
Der Startvorrichtung 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 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 Antriebswelle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt.
Die Startvorrichtung 1 ist mit einer Freilaufeinrichtung 14 versehen, die als Rollenfreilauf ausgebildet ist. Der Einrückhebel 9 wirkt auf ein Federelement, das einen Mitnehmer 15 der Freilaufeinrichtung 14 axial kraftbeaufschlagt, wobei mit dem Mitnehmer 15 ein Ritzel- bzw. Rollenbund 16 der Freilaufeinrichtung 14 zusammenwirkt und der Rollenbund 16 einteilig mit der Antriebswelle 5 ausgebildet ist. Die Freilaufeinrichtung 14 erlaubt eine Übertragung der Drehbewegung in Antriebsrichtung des elektrischen Startermotors 11. Sobald jedoch nach dem Starten der Brennkraftmaschine 4 die Drehgeschwindigkeit des Zahnkranzes 3 so hoch wird, dass sich die Antriebsrichtung umgekehrt, wird über die Freilaufeinrichtung 14 die kinematische Kopplung zwischen Mitnehmer 15 und Rollenbund 16 aufgehoben.
Wie 2 zu entnehmen, befindet sich an der Stirnseite der Rotorwelle 28 des elektrischen Startmotors 11 – auf der dem Starterritzel axial abgewandten Seite – ein Lagerzapfen 34, der einteilig mit der Rotorwelle 28 ausgebildet ist und zur Lagerung der Rotorwelle 28 in dem gehäuseseitigen Lagerdeckel 29 dient. Der Lagerzapfen 34 weist einen kleineren Außendurchmesser als die Rotorwelle 28 auf, so dass im Übergang von Rotorwelle 28 zu Lagerzapfen 34 eine umlaufende Ringschulter 35 gebildet ist.
In den gehäuseseitigen Lagerdeckel 29 ist eine Lagerbohrung 37 eingebracht, in die eine Lagerbuchse 36 zur Aufnahme des Lagerzapfens 34 eingesetzt ist. Am Boden der als Sacklochbohrung ausgeführten Lagerbohrung 37 befindet sich eine Anlaufscheibe 38, an der sich die Stirnseite 39 des Lagerzapfens 34 abstützt. Die Dicke der Anlaufscheibe 38, die axiale Tiefe der Lagerbohrung 37 sowie die axiale Länge des Lagerzapfens 34 sind in der Weise aufeinander abgestimmt, dass bei einem Kontakt der Stirnseite 39 mit der Anlaufscheibe 38 die Ringschulter 35 axial auf Abstand zur Stirnseite 45 der Lagerbuchse 36 liegt, ebenso zur Stirnseite 46 der Lagerbohrung 37. Dies gewährleistet in allen axialen Spiellagen der Rotorwelle 28 einen Abstand zwischen der Ringschulter 35 und der zugewandten Stirnseite der Lagerbuchse 36 sowie der Lagerbohrung 37, so dass axial ausschließlich ein Kontakt zwischen der Stirnseite 39 des Lagerzapfens 34 und der Anlaufscheibe 38 gegeben ist.
Die Anlaufscheibe 38 besteht vorzugsweise aus einem anderen Material als die Lagerbuchse 36. Die Anlaufscheibe 38 ist beispielsweise aus einem reibungsarmen und verschleißfesten Kunststoffmaterial gefertigt. Die Lagerbuchse 36 ist dagegen vorteilhafterweise als ein Sinterbauteil ausgeführt.
In der Lagerbohrung 37 befindet sich eine umlaufende Stützschulter 40, die die axiale Position der Lagerbuchse 36 nach innen in Richtung des Bodens der Lagerbohrung 37 begrenzt.
Wie der Einzeldarstellung der Anlaufscheibe 38 in 3 zu entnehmen, ist die Anlaufscheibe als ein Sechskantbauteil ausgeführt und weist entsprechend an ihrer umlaufenden Mantelfläche bezogen auf eine kreisförmige Einhüllende insgesamt sechs Abflachungen 41 auf. Der Übergang zwischen zwei benachbarten Abflachungen 41 ist von abgerundeten Kontaktstellen 42 gebildet, die im montierten Zustand an der Innenwand der Lagerbohrung 37 anliegen. Über den Umfang verteilt gibt es entsprechend sechs derartige Kontaktstellen 42. Dies gewährleistet zum einen eine gleichmäßige radiale Abstützung an der Innenwand der Lagerbohrung 37. Zum anderen ist aufgrund der zwischenliegenden Abflachungen 41 sichergestellt, dass in der als Sacklochbohrung ausgeführten Lagerbohrung 37 bei der Montage der Anlaufscheibe 38 keine Luft am Boden der Lagerbohrung 37 eingeschlossen wird.
Die Anlaufscheibe 38 weist zumindest auf der der Rotorwelle 28 zugewandten Seite eine zentrale Kontaktfläche 43 auf, an der im montierten Zustand die Stirnseite 39 des Lagerzapfens 34 anliegt. Die Kontaktfläche 43 ist in sich eben ausgebildet und gegenüber dem Randbereich 44 erhaben ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010041797 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine, insbesondere Startermotor (3) in einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Rotorwelle (28), an deren Stirnseite ein Lagerzapfen (34) angeordnet ist, der einen kleineren Durchmesser als die Rotorwelle (28) aufweist und in einer Lagerbuchse (36) drehbar aufgenommen ist, welche in eine Lagerbohrung (37) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (28) oder ein mit der Rotorwelle (28) verbundenes Bauteil über eine Anlaufscheibe (38), die separat von der Lagerbuchse (36) ausgebildet ist, an einem Lagergehäuse (29) abgestützt ist, wobei eine Ringschulter (35) im Übergang zwischen Rotorwelle (28) und Lagerzapfen (34) auf Abstand zur Stirnseite der Lagerbuchse (36) liegt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (38) in die Lagerbohrung (37) zur Abstützung des Lagerzapfens (34) eingesetzt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (38) eine zentrale Kontaktfläche (43) zur Abstützung der Lagerzapfenstirnseite (39) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontaktfläche (43) gegenüber dem Randbereich (44) der Anlaufscheibe (38) erhaben ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (38) im Bereich ihrer umlaufenden Mantelfläche mindestens eine Bohrung oder Abflachung (41) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (38) als Mehrkantbauteil ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (36) und die Anlaufscheibe (38) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, wobei die Anlaufscheibe (38) einen kleineren Reibungskoeffizienten als die Lagerbuchse (36) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (36) als ein Sinterbauteil ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufscheibe (38) als eine Kunststoffbauteil ausgebildet ist.
Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Startermotor (3).