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ZWEISTUFIGER STARTER FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN
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Die Erfindung betriftt einen zweistufigen Starter für Verbrennungsmotoren,nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
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Starter dieser Art haben den folgenden Aufbau: ein batteriegespeister
Gleichstrom-Reihenschlußmotor treibt ein Starterritzel an,das mit einem auf der
Schwungscheibe des Verbren -nungsmotors sitzenden Zahnkranz in kämmenden Eingriff
bringbar ist und beim Abschalten des Starters selbsttätig wieder aus seiner Eingriffstellung
ausdrückt.
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Die Einspurbewegung des Ritzels wird von der Ankerbewegung des Einrückrelais
abgelei tet,das eine Einzugswicklung und eine Haltewicklung hat,die durch die Einschaltbewegung
des Startschalters unter Strom gesetzt werden und gleichgerichtete Magnetfelder
erzeugen,unter deren Einfluß der Relais-Anker gegen die Wirkung einer Rückstellfeder
in diejenige Endstellung gezogen wird,in der seine Kontaktbrücke die Erregerwicklung
des Gleichstrom-Motors direkt mit der Batterieanschlußklemme verbindet.Die Bewegung
des Relaisankers wird mittels eines zweiarmigen Einrückhebels auf einen in axialer
Richtung der Ankerwelle des Gleichstrommotors verschiebbaren Mitnehmer übertragen,an
dem das Ritzel befestigt ist.Der Mitnehmer steht mit einem Steilgewinde der Anker
-welle in Eingriff,sodaß eine Verschiebung des Mitnehmers in Richtung auf den Zahnkranz
gleichzeitig eine Drehung des Ritzels bewirkt.Dieses Stellgewinde bewirkt auch,daß
das
Drehmoment des Motors erst dann über das Ritzel auf den Zahnkranz
übertragen wird,wenn das Ritzel bis zu seiner durch einen Anschlag definierten Endstellung
eingespurt ist,weil die Drehbewegung der Ankerwelle vor Erreichen dieser Endstelle
nur eine axiale Verschiebbewegung des Mitnehmers bewirkt.Damit das Ritzel auch dann
in den Zahnkranz einspuren kann,wenn zunächst ein Zahn des Ritzels auf einen Zahn
des Zahnkranzes triftt,muß der Anker des Reihenschlußmotors mit einem gewissen Mindestdrehmoment
durchdrehen,wobei das Drehmoment beim Einspuren und die Ankerdrehzahl nicht zu hoch
sein dürfen,damit ein schonender Einspurvorgang gewährleistet ist.Daher wird der
Reihenschlußmotor in der ersten Startphase mit verminderter Leistung betrieben und
die Hauptstromversorgung über die Kontaktbrücke des Einrückrelais erst dann eingeschaltet,wenn
das Ritzel volständig oder nahezu vollständig eingespurt hat.
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Zu diesem Zweck ist bei einem bekannten Starter der eingangs genannten
Art zusätzlich zur Erregerwicklung eine Hilfsfeldwicklung vorgesehen,die parallel
zur Einzugs -wicklung liegt und ihrerseits in Reihe mit der Erreger -wicklung des
Gleichstrommotors geschaltet ist.Parallel zu diesem,die Einzugswicklung,die Hilfsfeldwicklung
und den Reihenschlußmotor enthaltenden Stromzweig liegt die Haltewicklung zwischen
der Starteranschlußklemme und Masse.Durch die Hilfsfeldwicklung wird,solange die
Strom -versorgung des Motors über den Startschaltkontakt erfolgt, eine Begrenzung
der Stromaufnahme des Reihenschlußmotors erzielt,sodaß dieser ein entsprechend vermindertes
Drehmoment abgibt,das für die Verdrehung des Ritzels zum Einspuren ausreichend ist
und dabei das Ritzel und den Zahnkranz optimal schont.Der die Starteranschlußklemme
mit der
Batterie verbindende Kontakt ist der Arbeitskontakt eines
Startrelais,das die erforderliche relativ hohe Schaltleistung vermittelt.Sobald
die Kontaktbrücke des Einrück -relais den gemeinsamen Anschlußpunkt von Erregerwicklung,
Hilfsfeldwicklung und Einzugswicklung direkt mit der Batterieanschlußklemme verbindet,sind
die Hilfsfeldwicklung und die Einzugswicklung kurzgeschlossen und damit unwirksam.Lediglich
die Haltewicklung,deren Magnetfeld den Anker des Relais in seiner Kontaktgabestellung
und damit das Ritzel in seiner Eingriffstellung hält,zieht weiterhin Strom.Da der
Kurzschluß der Einzugswicklung beim Öffnen des Startkontakts wieder aufgehoben wird,wobei
dann allerdings verglichen mit dem Fall,daß der Startkontakt geschlossen und der
Hauptstromkontakt noch offen ist,der Strom in der Einzugswicklung in entgegengesetzter
Richtung fließt.
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Damit das Einzugsrelais abfallen und das Starterritzel aus seiner
Eingriffstellung mit dem Zahnkranz wieder ausspuren kann,ist es daher erforderlich,daß
die Amperewindungszahlen der Einzugswicklung undder Haltewicklung in einem bestimmten
Verhältnis zueinander stehen,derart,daß sich bei abgeschaltetem Starter ihre Magnetfelder
gegenseitig aufheben.Geht man von gleichen Windungsflächen der Einzugswicklung und
der Haltewicklung aus und vernachlässigt man die Wirkung der Rückstellfeder,die
im Normalfall durch die Kraftwirkung des Feldes der Haltewicklung deutlich Uberkompensiert
ist,dann muß,damit das Einrückrelais abfallen kann,die Bedingung N = M(1+ E) RF
erfüllt sein,worin N die Anzahl der Windungen der Einzugswicklung, die Anzahl der
Windungen der Haltewicklung,RE den Ohm'schen Widerstand der Einzugswicklung und
RF den Ohm'schen Widerstand der Hilfsfeldwicklung bezeichnen.
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Die Erfüllung dieser Bedingung resultiert bei bekannten zweistufigen
Startern im Vergleich mit einstufigen Startern,bei denen man die Ampèrewindungszahlen
der Einzugs-und der Haltewicklung in erster Näherung gleich wählen und diese Wicklungen
aus demselben Leitermaterial neben oder übereinander wicklen kann,in deutlich aufwendigeren
Gestaltungen der Einzugswicklung,wie man am einfachsten anhand der folgenden Betrachtung
zweier Spezialfälle erkennt; Geht man zunächst von dem in praxi bei einstufigen
Startern realisierten Fall aus,daß der Widerstand der Einzugswicklung groß gegen
denjenigen der Haupterregerwicklung ist,dann muß der Widerstand der Hilfsfeldwicklung
zwar deutlich größer sein als derjenige der Hauptwicklung aber auch deutlich geringer
als derjenige der Einzugswicklung, damit der Gleichstrommotor in der ersten Startstufe
ein vernünftig hohes Drehmoment abgibt.Nimmt man an,daß sich die Widerstände RK
der Hilfsfeldwicklung und RE der Einzugswicklung wie 1:3 verhalten,dann ergibt sich
für die erforderliche Windungszahl der Einzugswicklung 4 M,d.h.
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die Einzugswicklung muß die vierfache Win dungszahl der Haltewicklung
haben.Damit diese erhöhte Zahl von Win -dungen nicht zu einem unzulässig hohen Widerstand
der Einzugswicklung führt,muß der Leiterquerschnitt der Einzugswicklung gegebenenfalls
größer gewählt werden als derjenige der Haltewicklung,sodaß man die beiden Wicklungen
nicht aus ein und demselben Leitungsdraht fertigen kann, was natürlich sowohl den
Materialaufwand als auch den Herstellungsaufwand deutlich erhöht.Würde man andererseits
den Widerstand der Einzugswicklung klein gegen denjenigen
der Hilfsfeldwicklung
wählen,dann ergäbe sich zwar,daß die- Haltewicklung und die Einzugswicklung in erster
Näherung dieselbe Anzahl von Windungen benötigen,der durch die Hilfsfeldwicklung
beabsichtigte Effekt einer abgestuften Drehmomententfaltung des Gleichstromelektro
motors wäre aber wieder aufgehoben,und es wäre günstiger,einen einstufigen Starter
mit hohem Widerstand der Einzugswicklung zu benutzen.
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Man erkennt,daß der unter Gesichtspunkten des Arbeits-und Material
aufwandes günstigste Kompromiß bei der Gestaltung der Einzugswicklung bei den bekannten
zweistufigen Startern erheblich aufwendiger ist als bei einstufigen Schub-Schraubtriebstartern.
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VORTEILE DER ERFINDUNG Der erfindungsgemäße Starter mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat dadurch,daß der das Strombe -grenzungsglied enthaltende
Strompfad direkt von der Batterieanschlußklemme über das Strombegrenzungsglied zur
Erregerwicklung des Gleichstrommotors führt,den Vorteil, daß die Abfallbedingung
des Einzugsrelais nicht durch die Dimensionierung der Hilfsfeldwicklung beeinflußt
ist und daher in guter Näherung dadurch erfüllbar ist'daß man die Windungszahlen
der Einzugs- und der Haltewicklung gleich groß wählt.Eine geringfügig größere Windungszahl
der Einzugswicklung kann dadurch erforderlich werden,daß zu dieser die Wicklung
eines Relais parallel liegt,das bei Betätigung des Startschalters den Strompfad
von der Batterieanschlußklemme zum Strombegrenzungsgljed frei gibt bzw.
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wieder sperrt,wenn der Schalter zur Beendigung des Startvorgangs
geöffnet
wird.Da der Ohm'sche Widerstand der Wicklung eines solchen Relais aber im Regelfall
sehr viel größer ist als der Ohm'sche Widerstand der Einzugswicklung,fällt eine
die Relaiswicklung berücksichtigende Korrektur der Windungszahlen des Einrückrelais
praktisch nicht ins Gewicht.Dieses kann vielmehr in erster Näherung dieselbe Dimensionierung
haben wie die bei einstufigen Startern,die mit dem minimalen Herstellungs- und Materialaufwand
verbunden ist.Dies ist umso bedeutsamer,als Starter der erfindungsgemäßen Art in
großen Stückzahlen benötigt werden und typische Massenartikel sind,bei denen schon
verhältnismäßig geringfügige Minderungen der Her -stellungskosten für ein Einzelstück
mit erheblichen Einsparungsbeträgen in der Gesamtkostenrechnung eines Herstellerunternehmens
zu Buche schlagen.
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ZEICHNUNG Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand der Zeichnung näher beschrieben und erläutert.Die Zeichnung zeigt das Schaltbild
eines erfindungsgemäßen Starters mit einer Hilfsfeldwicklung als Strombegrenzungsglied.
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Der in der Zeichnung nur hinsichtlich seines SchaXtungsaufbaues dargestellte
Starter 1 sei als Schub- Schraubtriebstarter mit den bereits eingangs erwähnten
konstruktiven Einzelheiten ausgebildet.
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Der Startermotor 2 ist ein Gleichstrom-Reihenschlußmotor, bei dem
die Ankerwicklung 3 an Masse angeschlossen ist.
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Seine Erregerwicklung 4 ist über die Kontaktbrücke 6 eines Einrückrelais
7 mit der über die Batterieanschlußleitung 8 mit dem Plus-Pol 9 der Fahrzeugbatterie
10 verbundenen Batterieanschlußklemme verbindbar,die entsprechend der in der Kraftfahrzeugtechnik
üblichen Bezeichnungsweise mit der Bezugszahl 30 belegt ist.
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Das Einrückrelais 7 hat eine Einzugswicklung 11 und eine Haltewicklung
12,die in der Zeichnung durch Schrägstriche repräsentiert sind.Die Einzugswicklung
11 liegt in Reihe mit der Erregerwicklung 4 des Startermotors 2,die Halte -wicklung
12 liegt parallel zu der durch die Einzugswicklung 11,die Erregerwicklung 4 und
die Ankerwicklung 3 gebildeten .Reihenschaltung zwischen der Starterklemme 50 und
Masse.
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Parallel zur Einzugswicklung 11 des Einrückrelais 7 liegt die Magnetspule
13 eines als Schließscfialter arbeitenden Schaltrelais 14,über dessen Kontaktbrücke
16 ein von der Batterieanschlußklemme 30 über ein Hilfsfeldwicklung 17 zum gemeinsamten
Anschlußpunkt 18 von Einzugswicklung 11 und Erregerwicklung 4 führender Stromzweig
19 schließbar
ist.Durch Schließen des Startschalters 20 wird der
Startvorgang eingeleitet und durch Öffnen beendet.Die Wicklungen 11,12 und 13 des
Einrückrelais 7 bzw.des Schaltrelais 14 sind so dimensioniert,daß das Schaltrelais
14 eine deutlich geringere Schaltzeit hat als das Einrückrelais 7,und daß der Ohm'sche
Widerstand der Einzugswicklung 11 deutlich größer ist als derjenige des die Hilfsfeldwicklung
17 enthaltenden Stromzweiges 19.Die dargestellte Schaltung arbeitet dann wie folgt:
unmittelbar nach dem Schließen des Startschalters 20 steht der Startermotor 2 nur
über die Einzugswicklung 11 des Einrückrelais 7 unter Strom,der aber sehr gering
ist.Ein für das sichere Einspuren des Starterritzels in den Starter -zahkranz erforderliches
Mindestdrehmoment gibt der Startermotor 2 erst ab,wenn das Schaltrelais 14 angezogen
hat und über dessen Kontaktbrücke 16 und die Hilfsfeldwicklung 17 ein im wesentlichen
durch deren Anschlußwerte begrenzter Strom zur Erregerwicklung 4 fließt.
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Sein volles Drehmoment entfaltet der Startermotor 2 erst dann,wenn
auch das Einrückrelais 7 angezogen hat und somit der Startermotor 2 über die Kontaktbrücke
6 direkt mit der Fahrzeugbatterie 10 verbunden ist.Die Einzugswicklung 11 des Einrückrelais
und die Wicklung 13 des Schaltrelais 14 sind dann kurzgeschlossen,wobei letzteres
abfällt.Lediglich die Haltewicklung 12 ist bei geschlossenem Startschalter 20 weiterhin
stromführend.
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Um nach dem Öffnen des Startschalters 20,um den Start -vorgang zu
beenden,einen Selbsthalteeffekt des Einrückrelais als Folge eines weiterhin über
seine Kontaktbrücke 6 durch die Einzugswicklung 11 und die Haltewicklung 16
fließenden
Stromes zu vermeiden,darf die durch die Haltewicklung 16 vermittelte Haltekraft
nicht größer sein als die Summe der Beträge der durch die Rückstellfeder und jetzt
auch durch die Einzugswicklung 11 vermittelten Rückstellkräfte.Diese Bedingung ist
jedenfalls dann mit Sicherheit erfüllt,wenn sich in einem solchen Fall die Wirkungen
der Einzugswicklung 11 und der Haltewicklung 16 für sich allein betrachtet aufheben.Diese
Bedingung ist bei dem dargestellten erfindungsgemäßen Starter bei gleicher Windungsgeometrie
von Einzugs- und Haltewicklung praktisch durch gleiche Windungszahlen erfüllbar.
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Es versteht sich,daß zur zweckentsprechenden Begrenzung des Starterdrehmoments
anstelle einer Hilfsfeldwicklung 17 auch ein Ohm'scher Widerstand eingesetzt werden
kann,und daß man anstelle des Schaltrelais 14 auch ein anderes Schaltelement,beispielsweise
einen Thyristor einsetzen könnte.
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Da über den Startschalter 20 ein nennenswerter Strom nur solange fließt,bis
das Einrückrelais angezogen hat und danach seine Einzugswicklung 11 über die Kontaktbrücke
6 kurzgeschlossen ist,ist die gestrichelt eingezeichnete Variante der Schaltung
mit einem Verstärkerrelais 21 und einem in dessen Haltekreis sitzenden handbetätigten
Schalter 22 nur für die Starter im oberen Leistungsbereich erforderlich..