DE19911161C2 - Elektromechanisches Vor- und Rückspurprinzip für Koaxialstarter - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen, mit den im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Merkmalen.

Es sind Starter für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen sich im Antriebsstrang zwischen Startermotor und Ritzel ein Einrückmechanismus für das Ritzel zum Einspuren in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine befindet, zum Beispiel aus der DE-PS 41 17 681 C2.

Der Einrückmechanismus besteht bei dem dort offenbarten Starter aus einer zur Ankerwelle koaxialen, gehäusefesten, elektrischen Spule, die von einem ersten U-förmigen Kern, der zur Antriebswelle hin offen ist, umgeben ist. Ein mit einem Ritzelschaft verbundenes, dazu koaxiales, ringförmiges Eisen wird als Anker bei Stromfluß durch die Spule so bewegt, daß dabei ein weitgehend geschlossener, zweiteiliger Kern um die Spule entsteht, der aus dem U-förmigen Teil und dem ringförmigen Eisen besteht. Der Ritzelschaft ist mittelbar über eine Druckfeder am Gehäuse abgestützt, um den Verlauf der Kennlinie der am Ritzelschaft wirkenden Einrückkraft wegabhängig zu beeinflussen. Um das Einspuren des Ritzelschafts zu erleichtern, wird beim Vorschieben des Ritzelschafts dieser über ein Steilgewinde zwischen der Ankerwelle des Elektromotors und dem Ritzelschaft etwas verdreht. Mit dem Vorschub des Ritzelschafts, beziehungsweise des Ritzels, wird ein Schalter betätigt, der den Stromkreis des Startermotors schließt und somit zum Andrehen der Brennkraftmaschine bei einspurendem Ritzel führt. Nach dem Anlassen wird der Starter manuell ausgeschaltet. Dabei wird sowohl der Stromkreis des Startermotors geöffnet, als auch der Stromkreis der Spule des Einrückmechanismus. Die Druckfeder spurt nun das Ritzel aus und schiebt den Ritzelschaft in seine Ausgangsstellung zurück.

Aus der DE-PS 39 28 407 C2 ist ein ähnlicher einspuliger Einrückmechanismus bekannt, der an dem, dem Ritzel abgewandten Ende der Startermotorwelle angebracht ist. Die nach dem Einschalten des Starters elektromagnetisch erregte Spule bewegt einen Spulenkern gegen den Widerstand einer Druckfeder. Gleichzeitig wird eine mit dem Spulenkern verbundene Schubstange durch die hohle Ankerwelle des Startermotors geschoben, die dabei mittelbar das Ritzel gegen eine Federkraft vorschiebt. Dabei wird durch einen Kontakt der Stromkreis der Ankerwicklung geschlossen, so daß der Motor sich zu drehen beginnt, wodurch spätestens jetzt das Ritzel in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine einspurt. Nach dem Starten des Motors wird der Stromkreis der elektromagnetisch erregten Spule unterbrochen. Die während des Einspurvorgangs zuvor vorgespannte Feder drückt das Ritzel aus dem Eingriff mit dem Zahnkranz der Brennkraftmaschine heraus und schiebt den Magnetanker und auch das Ritzel in seine Ausgangslage zurück.

Eine weitere Bauartvariante ist zum Beispiel nach DE-OS 40 06 797 A1 die Anordnung eines sich außerhalb des Motorgehäuses parallel zur Ankerwelle des Elektromotors sich befindenden Einrückrelais, wobei die Bewegung des Spulenankers des Einrückrelais über einen Hebelmechanismus an einen Mitnehmer übertragen wird, der das Ritzel vorschiebt. Ruch hier werden bei einer Zahnauf-Zahn- Stellung von Ritzel und Zahnkranz Federn vorgespannt und bei gleichzeitig erfolgender Drehung des Ritzelschafts ein Einspuren kurzfristig ermöglicht. Um den Spulenkern anzuziehen, werden zwei Spulen bestromt, gehalten wird der Spulenanker durch eine der zwei Relaisspulen. Zum Ausspuren wird das Einrückrelais abgeschaltet, der Spulenanker durch die zwei vorgespannten Federn wieder in die Ausgangsposition geschoben, währenddessen wird der Elektromotor abgeschaltet und dabei das Ritzel ausgespurt. Das unbeabsichtigte Vorschieben des Ritzels wird durch Festklemmen eines an sich beweglichen Bunds verhindert, der dadurch das Schwenken des Einrückhebels verhindert.

Alle drei genannten Kontruktionen sind konstruktiv aufwendig, da mit dem Vorspuren auch der Startermotor mit der gleichen Vorrichtung eingeschaltet wird. Dies gilt insbesondere für die Steuerung der Vorspurgeschwindigkeit des Ritzels durch verschiedene mechanische Bauteile wie z. B. Federn. Weiterhin muß der Einspurmechanismus eine gewisse Dynamik aufweisen, damit der durch die Schaltkontakte des Einrückrelais geschlossene Stromkreis des Motorankers ausreichend lange geschlossen ist. Ein Problem in diesem Zusammenhang ist das Prellen der bewegten Schaltkontakte. Das Prellen der bewegten Schaltkontakte ist mit Lichtbogen zwischen den Kontaktstellen verbunden, so daß unter ungünstigen Umständen dies sowohl zum vorzeitigen Abbrand der Kontakte oder auch zum Verschweißen der Kontakte führen kann. In der Folge wäre der Startermotor nicht mehr abschaltbar. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Einrückmechanismen nicht zweiseitig wirken, d. h. daß zwischen den Spulen und dem Spulenkern Kräfte immer nur in eine bestimmte Richtung induziert werden können.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, sind demgegenüber verschiedene Verbesserungen möglich. Die Bauweise ist sehr einfach und umfaßt nur wenige mechanische Teile. Das erfindungsgemäße Einspur- und Ausspurprinzip wirkt in beide Richtungen, so daß für den eigentlichen Aus- und Rückspurvorgang keine Rückstellfedern notwendig sind. Weiterhin wird die Spule durch eine Transistor- Brückenschaltung angesteuert. Diese Schaltung ermöglicht einerseits einen Richtungswechsel der Stromflußrichtung in der Spule und andererseits die getaktete Ansteuerung. Das Vorspuren und Halten des Ritzels wird dabei nur von einer Spule bewältigt. Durch das Takten des Spulenstroms kann die Vorspurgeschwindigkeit des Ritzels beeinflußt werden. Eine Taktung führt zu einem reduzierten mittleren Strom, der eine ebenso reduzierte magnetische Wirkung hervorruft. Ein Verschleiß am Getriebe, gebildet aus Ritzel und Zahnkranz der Brennkraftmaschine, kann durch eine reduzierte Vorspurgeschwindigkeit und eine damit verbundene reduzierte Stoßbelastung der Stirnseiten von Ritzel und Zahnkranz verringert werden.

Als weiteren Vorteil ist anzusehen, daß der Startermotor getrennt vom Vorspurmechanismus kontaktlos über ein Leistungsteil geschaltet werden kann.

Der erfindungsgemäße Vorspurmechanismus aus Spule und Permanentmagnet kann bezüglich seiner konstruktiven Lage zu Ritzel und Elektromotor ähnlich wie die bekannten Einrückrelais an verschiedenen Stellen des Starters angeordnet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Starters im Ruhezustand, mit einer Anordnung des Vorspurmechanismus auf dem Antriebsstrang, wobei die Spule koaxial um den Permanentmagneten angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise den Starter aus Fig. 1 mit vollständig ausgefahrenem und eingespurtem Ritzel,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Starters mit Anordnung des Vorspurmechanismus auf dem Antriebsstrang und mit Reihenanordnung von Spule und Magnet im Ruhezustand,

Fig. 4 zeigt den Starter aus Fig. 3 mit vollständig ausgefahrenem und eingespurtem Ritzel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt des Starters, hier in der Ausführung als Koaxialstarter, und des Vorspurmechanismus 1 im Ruhezustand mit einer Spule 2 in einer Ausführung als Ringspule und einem ringförmigen, permanenterregten Magneten 3 am Antriebsstrang 4 zwischen einem Startermotor 5 und einem Andrehritzel 6. Die Spule 2 ist dabei koaxial um den Permanentmagneten 3 angeordnet. Der Antriebsstrang 4 besteht aus einer Ankerwelle 7 des Startermotors 5, einem dazu axial gleitfähigen und gegen Verdrehen gesicherten, das Drehmoment des Startermotors 5 übertragenden Mitnehmerschaft 8 eines Freilaufs 9, den Freilauf 9 selbst, den mittels eines Lagers 10 im Antriebslager 11 gelagerten Ritzelschaft 12 und das Andrehritzel 6 selbst. Der Vorspurmechanismus 1 besteht erfindungsgemäß aus einer gehäuse- und damit ortsfesten, elektromagnetisch erregbaren Spule 2, deren Windungen in zur Achse des Antriebsstrangs 4 senkrechten Ebenen liegen, sowie dem zum Antriebsstrang 4 ebenfalls koaxialen und auf dem Mitnehmerschaft 8 befestigten Permanentmagneten 3 mit einer in Achsrichtung orientierten Polung, wie bespielsweise in Fig. 1 gezeigt. Dabei ist der Außendurchmesser des Permanentmagneten 3 kleiner als der Innendurchmesser der Spule 2. Der Mitnehmerschaft 8 wird hier durch die dargestellte Erregung der Spule 2 in seiner Ruhestellung gehalten, wobei ein nur relativ kleiner Ruhestrom zum Halten erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt den ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Starter mit vollständig ausgerücktem Andrehritzel 6, das heißt in vollständig in einen Zahnkranz 13, der im übrigen nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespurten Zustand. Man erkennt eine Verschiebung des verschiebbaren Teils des Antriebsstrangs 4 und damit auch die Verschiebung des Permanentmagneten 3 zur Spule 2, die hier in entgegengesetzter Richtung zu Fig. 1 erregt ist.

Durch den in Fig. 1 dargestellten Stromfluß Is durch die Spule 2, wird ein elektrisches Magnetfeld Φs erzeugt, das in Zusammenwirkung mit dem Permanentmagnetfeld Φpm zunächst eine geeignete Zugkraft im Permanentmagnet 3 induziert, die ein Vorspuren des Andrehritzels 6 verhindert. Ein Andrehen der Brennkraftmaschine durch den Starter setzt ein, in den Zahnkranz 13 der Brennkraftmaschine eingespurtes Andrehritzel 6 voraus. Nach dem Einschalten des Starters durch ein Startersteuergerät 16 wird zunächst durch Umkehr des Stromflusses die Kraftwirkung zwischen Spule 2 und Permanentmagnet 3 gemäß Fig. 2 umgekehrt, um den Ritzelschaft 12 aus der Halteposition zu verschieben. Aus der Umkehr des Stromflusses Is folgt ein ebenso umgekehrtes elektrisch erregtes Magnetfeld Φs, das in Zusammenwirkung mit dem Permanentmagnetfeld Φpm eine Abstoßkraft im Permanentmagneten 3 induziert, die zum Abstoßen des Ringmagnets von der Spule führt, so daß das Andrehritzel vorgeschoben wird. Diese Abstoßkraft Fa führt dazu, daß das Andrehritzel 6 entweder an den Zahnkranz 13 der Brennkraftmaschine anstößt, so daß sich die sogenannte Zahn­ auf-Zahn-Stellung ergibt oder in den Zahnkranz 13 einspurt. Im erstgenannten Fall ist zum Einspuren, bei gleichzeitig wirkender Abstoßkraft Fa eine Relativdrehung zwischen Zahnkranz 13 und Andrehritzel 6, notwendig, hierbei ist in geeigneter Weise eine kurzfristige geringe Verdrehung des Antriebstrangs 4 des Starters erforderlich, verursacht durch eine Verdrehung der Ankerwelle 7 des Startermotors 5. Dies kann in bekannter Weise durch eine kurzfristige Bestromung der Ankerwicklung über eine Startermotor-Steuerung 15 im Startersteuergerät 16 erfolgen.

Nach dem vollständigen Einspuren des Andrehritzels 6 in die eine Endstellung, wird bei anhaltendem Wirken der Abstoßkraft Fa der Startermotor 5 zum Andrehen der Brennkraftmaschine bestromt, um ein Andrehmoment im Zahnradgetriebe aus Zahnkranz 13 und Andrehritzel 6 zu bewirken.

Nach dem Andrehen wird wiederum durch Wechsel der Stromflußrichtung in der Spule 2 die Kraftwirkung auf das Andrehritzel 6 umgekehrt, so daß das Andrehritzel 6 mit einer Zugkraft Fz zwischen Spule und Permanentmagnet aus dem Zahnkranz 13 ausspurt. Ist das Andrehritzel 6 vollständig ausgespurt, kann durch Steuerung des Stromflusses Is in der Spule 2 das Andrehritzel 6 mit der notwendigen oder gewünschten Rückspurgeschwindigkeit in die Ruhelage, die andere Endstellung, gebracht werden. In Ruhelage wirkt dann wieder eine Zugkraft Fz. Nach dem Ausspuren kann der Startermotor 5 abgeschaltet werden. Der Haltestrom in der Spule 2 kann dabei gering gehalten werden.

Fig. 3 und 4 zeigen eine alternative Anordnung des am Mitnehmerschaft 8 befestigten, permanenterregten Magneten 3 und der am Gehäuse befestigten Spule 2. Dabei sind der Permanentmagnet 3 und die Spule 2 axial nebeneinander angeordnet. Für gleiche, beziehungsweise gleichwirkende Teile sind die in Fig. 1 und 2 verwendeten Bezugszahlen gewählt worden. Die Wirkung dieser Anordnung des Vorspurmechanismus ist analog dem bisher in den Fig. 1 und 2 vorgestellten System. In Fig. 3 ist die Ruhelage und in Fig. 4 die eingespurte Stellung des Andrehritzels und die entsprechende Stellung des Vorspurmechanismus dargestellt.

Vorteil der Anordnung gemäß der Fig. 3 und 4 ist ein verringerter Außendurchmesser bei allerdings vergrößerter Baulänge des Vorspurmechanismus. Im Gegensatz dazu, ist die Baulänge der Anordnung gemäß der Fig. 1 und 2 verkürzt, während der Durchmesser vergrößert ist.

Die Kraft zum Aus- und Rückspuren des Ritzels 6 kann in an sich bekannter Weise auch durch eine hier nicht gezeigte Rückspurfeder erfolgen bzw. unterstützt werden, die insbesondere das stromlose Halten des Ritzels 6 in der Ruheposition ermöglicht. Dabei kann auf eine zwischen dem Permanentmagneten 3 und der Spule 2 wirkende Zugkraft zumindest in der Rohrlage verzichtet werden. Die Verwendung einer Rückspurfeder ist insbesondere im Falle einer Stromunterbrechung zur Spule 2 von Vorteil, da dadurch eine Ruheposition gesichert ist. Zur Einhaltung der Ruhelage kann alternativ auch ein ortsfestes Metallteil vorgesehen werden, daß den Permanentmagneten 3 in der Ruhelage magnetisch festhält. Zwischen diesem ortsfesten Metallteil und dem Permanentmagneten 3 ist ein Luftspalt einzustellen, um die Haltekraft so zu begrenzen, daß beim Vorspuren die Kraft des Elektromagneten in jedem Falle ausreicht, die Haltekraft zu überwinden.

Der erfindungsgemäße Vorspurmechanismus ist besonders vorteilhaft, wenn ein sogenanntes sanftes Vorspuren erreicht werden soll. Sanftes Vorspuren wird dann erreicht, wenn der Stoß und damit die Auftreffgeschwindigkeit zwischen Andrehritzel und Zahnkranz vor dem Einspuren möglichst gering ist. Erreicht wird dies durch eine geringe Abstoßkraft F_A zwischen Spule 2 und Permanentmagnet 3 und dies wiederum durch einen geringern mittleren Spulenstrom. Ein geringer mittlerer Spulenstrom wird erreicht durch das getaktete Ansteuern der Spule mittels einer Transistorbrückenschaltung, die ein Teil einer Steuerung 14 der Spule ist.

Schließlich soll noch darauf hingewiesen werden, das auch andere Anordnungen des Vorspurmechanismus 1 möglich sind. So sind Anordnungen möglich, bei denen die Bewegung des Permanentmagneten 3 durch ein Getriebe auf den Mitnehmerschaft 8 bzw. den Ritzelschaft 12 mit seinem Ritzel 6 übertragen wird. Als Beispiel kann hier eine Anordnung des Vorspurmechanismus parallel versetzt zur Achse des Ritzelschafts 12 genannt werden, wie sie für Einrückrelais bei Startern in Schub-Schraubtrieb-Bauweise verwendet werden, wobei die Bewegung des Permanentmagneten 3 mittels eines Einrückhebels auf den Mitnehmerschaft 8 übertragen wird. Denkbar ist auch eine Anordnung des erfindungsgemäßen Vorspurmechanismus an dem Ende der Ankerwelle 7, das dem Andrehritzel 6 abgewandt ist. Dabei kann in bekannter Weise die zwischen dem Permanentmagneten 3 und der Spule 2 wirkende Kraft durch eine hohle Ankerwelle 7 mittels einer Stoßstange auf das Andrehritzel 6 übertragen werden.

Es wird deutlich, daß der erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorspurmechanismus 1 mittels einer ortsfesten Spule 2 und eines am Mitnehmerschaft 8 befestigten Permanentmagneten 3, mit einer in Achsrichtung orientierten Polarisierung ein einfaches, mit wenigen mechanischen Bauteilen auskommende Lösung ist, um ein Ritzel 6, beziehungsweise einen Ritzelschaft 12 in den Zahnkranz 13 einer Brennkraftmaschine einzuspuren. Durch die Anordnung einer Spule 2 in Verbindung mit einem Permanentmagneten 3 wirkt dieses Prinzip in beide Achsrichtungen und kommt daher im Prinzip ohne Federn aus. Durch die mechanische Trennung von Schub- und Zugfunktion bezüglich des Ritzels sowie der Schaltfunktion bezüglich des Startermotors 5, kann ein sogenanntes sanftes Vorspuren sehr wirkungsvoll erreicht werden. Dadurch, daß keine bestimmte Dynamik eines Relais zum Schalten des Startermotors 5 erforderlich ist, kann durch eine nur auf die reduzierte Vorspurgeschwindigkeit abgestimmte Schaltung und Steuerung des Spulenstroms I_s der Verschleiß am Ritzel-Zahnkranz- Getriebe sehr gering gehalten werden.

Claims (9)

1. Startvorrichtung, insbesondere Koaxialstarter, zum Andrehen von Brennkraftmaschinen mittels eines Startermotors (5) und mit einem Vorspurmechanismus (1) zum Verschieben eines axial verschiebbaren Ritzelschafts (12) mit vorn angeordnetem Andrehritzel (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspurmechanismus (1) aus einem Permanentmagneten (3) und einer elektromagnetisch erregbaren Spule (2) besteht, wobei eines der beiden Teile in Wirkverbindung mit dem Mitnehmerschaft (8) und das andere gehäusefest angeordnet ist, wobei die Spule (2) bei elektromagnetischer Erregung eine Kraft aufgrund magnetischer Wechselwirkungen zwischen sich und dem Permanentmagneten (3) ausübt, die je nach Flußrichtung des Stroms durch die Spule (2) zu einer Abstoßkraft oder einer Zugkraft zwischen Permanentmagnet (3) und Spule (2) führt und wobei die Kraft zwischen Permanentmagnet (3) und Spule (2) das Andrehritzel (6) in eine seiner Endstellungen axial zu verschieben vermag.

2. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Richtungsumkehr des Stromflusses in der Spule (2) mittels einer Kraftumkehr im Vorspurmechanismus (1) das Andrehritzel (6) jeweils von einer Endlage in eine andere Endlage axial verschiebbar ist.

3. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Vorspurmechanismus (1) auf einer Achse zwischen dem Andrehritzel (6) und dem Startermotor (5) befindet.

4. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) am Mitnehmerschaft (8) und die Spule (2) am Gehäuse der Startvorrichtung befestigt ist.

5. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) ein axial magnetisierter Ringmagnet und die Spule (2) eine Ringspule ist.

6. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) und der Permanentmagnet (3) axial nebeneinander angeordnet sind.

7. Startvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) koaxial um den Permanentmagneten (3) angeordnet ist.

8. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) durch eine Steuerung (14), ausgeführt mit einer Transistorbrückenschaltung, ansteuerbar und umsteuerbar ist.

9. Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) zur Erzielung einer vorgegebenen veränderbaren Magnetkraft getaktet ansteuerbar ist.