DE4301067C1 - Anlasser mit einer Schutzeinrichtung gegen Schäden durch schnellen Wiederholstart - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Anlasser mit einer Schutz­ einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, müssen durch einen Anlasser gestartet werden, da sie nicht wie Elek­ tromotoren aus eigener Kraft anlaufen können. Der Anlasser muß den Verbrennungsmotor mit einer Mindest-Startdrehzahl durch­ drehen und nach den ersten Zündungen beim Hochlaufen auf die Mindest-Selbstdrehzahl unterstützen. Dabei sind die beträcht­ lichen Widerstände von Verdichtung, Kolbenreibung und Lager­ reibung zu überwinden. Als Anlasser werden bevorzugt elek­ trische Gleichstrom-Reihenschlußmotoren eingesetzt, da sie das erforderliche Anfangsdrehmoment entwickeln. Das Drehmoment wird über ein Ritzel und einen Zahnkranz auf das Schwungrad an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen. Sobald der Ver­ brennungsmotor anspringt und aus eigener Kraft über die Start­ drehzahl hinaus beschleunigt, muß zum Schutz des Anlassers die Verbindung zwischen Anlasserwelle und Kurbelwelle selbsttätig aufgehoben und das Ritzel ausgespurt werden. Deshalb sind An­ lasser mit einem Freilauf und einer Einspur- und Rückführme­ chanik ausgerüstet.

Die hohe Beanspruchung des Anlassers beim Einspuren des Ritzels in den Zahnkranz führt bei Fehlbedienung zu Zahnkranzschäden. Als Ursachen sind zwei mögliche Fehlbedienungen festzustellen.

Eine erste Ursache ist der schnelle Wiederholstart nach einem Fehlstart: Durch einen schnellen Wiederholstart, nach einem erfolglosen vorangehenden Startversuch, trifft das nachlaufende Ritzel auf den bereits stehenden Anlasserkranz und kann deshalb nicht einspuren. Daraus resultiert ein mechanischer Abrieb der Zähne mit einem typischen Schadensbild für den Zahnkranz. Der Abrieb ist an den 2 Auspendelstellungen beim 4-Zylinder- bzw. den 3 Auspendelstellungen beim 6-Zylinder-Motor erkennbar.

Die zweite Ursache ist ein Wiederholstart bei bereits laufendem Motor: Hat der Fahrer das Anspringen des Motors nicht bemerkt, und versucht einen erneuten Start, so trifft das Ritzel auf den sich drehenden Zahnkranz und kann ebenfalls nicht einspuren. Daraus ergibt sich ein ebenso typisches Schadensbild, bei dem der Abrieb über den ganzen Umfang des Zahnkranzes verteilt ist.

Es ist ein Anlasser mit einer Schutzeinrichtung bekannt BOSCH, Technische Unterrichtung: Startanlagen, 1984, insb. S9 u. S32), bei dem ein Startsperrelais verhindert, daß der Anlaß­ motor bei laufendem oder nach einem Fehlstart bei auslaufendem Motor eingeschaltet wird. Ein Wiederholstart ist erst nach Ablauf einer im Relais integrierten Sperrzeit möglich. Das Startsper­ relais arbeitet in Abhängigkeit von der Spannung eines Strom­ generators oder eines Drehzahlgebers.

Eine weitere Schutzeinrichtung ist aus der DE-OS 22 08 045 be­ kannt, bei der zusätzlich eine durch die Drehung der Ankerwelle des Anlaßmotors hervorgerufene Spannung ausgewertet wird. Diese Spannung kann induktiv beispielsweise in einer Hilfswicklung oder bei einem Reihenschluß-Gleichstrommotor in der Erreger­ wicklung durch die Drehung der Ankerwelle generiert werden. Die Spannung wächst mit der Drehzahl der Ankerwelle und wird auf den Eingang eines Schwellwertschalters geführt, der den Anlaß­ motor bei Erreichen der Mindest-Selbstdrehzahl des Verbrennungsmotors abschaltet. Um nach einem Fehlstart zu ver­ hindern, daß bei noch auslaufendem Anlaßmotor das Ritzel in den Zahnkranz eingespurt wird, ist wie bei dem bereits oben ge­ nannten Startsperrelais eine durch einen Kondensator bestimmte Sperrzeit vorgesehen, innerhalb derer ein Startversuch igno­ riert wird.

Beide Schutzeinrichtungen sind in der Lage, Schäden am Zahn­ kranz und am Ritzel zu verhindern, die durch die beiden oben erläuterten Fehlbedienungen verursacht sind. Allerdings sind diese Schutzeinrichtungen durch die Vielzahl der verwendeten Relais und Bauelemente im Aufbau aufwendig und teuer. Da sie als ein vom Anlaßmotor getrenntes, separates Modul ausgeführt sind, verlangen sie zudem einen erhöhten Verkabelungsaufwand, wobei zusätzliche Zuleitungen vom Generator oder Drehzahlmesser und gegebenenfalls von einer Hilfswicklung im Anlaßmotor er­ forderlich sind. Dieser Aufwand ist dann vertretbar, wenn der Startvorgang akustisch nicht sicher wahrgenommen werden kann, z. B. bei Nutzfahrzeugen mit Unterflur- oder Heckmotor.

Insbesondere für Personenkraftwagen steht die Vermeidung von Schäden aufgrund eines zu schnellen Wiederholstarts nach einem Fehlstart im Vordergrund, da der Startvorgang akustisch über­ wacht werden kann und ein Wiederholstart bei bereits laufendem Motor daher weniger häufig auftritt. Ein gattungsgemäßer An­ lasser mit einer einfachen Schutzeinrichtung, welche dieses leistet, ist aus dem JP-Abstract 63-302174 (A), M-809 4. April 1989 Vd. 13/No. 133, bekannt. Darin ist eine Schutzeinrichtung beschrieben, bei der die Sperrzeit für einen Wiederholstart durch eine Spannung gesteuert wird, die durch das Nachdrehen der Ankerwelle indu­ ziert wird. Dazu wird die Schutzeinrichtung nach einem abge­ brochenen oder erfolglosen Startversuch und dabei unterbro­ chener Hauptstromversorgung des Anlaßmotors von einer Spannung versorgt, die durch die Drehung der Ankerwelle des nachlaufenden Anlaßmotors induziert wird. Solange die Anker­ welle nachdreht und eine Spannung an der Schutzeinrichtung an­ liegt, bleibt eine Kontaktbrücke in der Hauptstromversorgungs­ leitung geöffnet, so daß kein Wiederholstart erfolgen kann.

Nachteilig an dieser Schutzeinrichtung ist die vergleichsweise lange Sperrzeit aufgrund der Auslaufzeit des Anlaßmotors und, daß zur Unterbrechung der Hautstromversorgung ein zusätzliches Leistungsschaltrelais erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Anlasser mit einer ein­ fachen und kostengünstigen Schutzeinrichtung auszubilden, die einen schnellen Wiederholstart nach einem Fehlstart ermöglicht und gleichzeitig sicherstellt, daß beim Einspuren das Ritzel ruht.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung besteht darin, nach einem abgebrochenen Start und unterbrochener Hauptstromversorgung des nachlaufenden Anlaßmotors, diesen als Generator zu nutzen, um mit der induzierten Spannung eine Schutzeinrichtung zu speisen, welche das Ritzel für die Zeit des Nachlaufes noch im Eingriff mit dem Zahnkranz hält. Dadurch wird das Ritzel erst dann aus­ gespurt, wenn der Anlaßmotor zum Stillstand gekommen ist. Bei einem schnellen Wiederholstart ist das Ritzel daher entweder noch eingespurt oder es ruht. Die Ursache, die zum ersten oben genannten Schadensbild führt - ein sich noch drehendes Ritzel trifft auf einen ruhenden Zahnkranz - ist damit ausgeschlossen.

Auch das zweite Schadensbild - verursacht durch einen Einspur­ versuch in einen sich drehenden Zahnkranz des bereits ange­ sprungenen Verbrennungsmotors - ist reduziert: Nach einem er­ folgreichen Start, spurt das Ritzel erst dann aus, wenn auf­ grund des Freilaufs zwischen Ankerwelle und Ritzel, die Anker­ welle des abgeschalteten Anlaßmotors zum Stehen gekommen ist und die Schutzeinrichtung nicht mehr bestromt wird. Vorläufige Messungen ergeben, daß das Ritzel 1-2 Sekunden länger im Zahnkranz eingespurt bleibt. Während dieses Zeitraumes ist ein irrtümlicher Wiederholstart in den laufenden Motor möglich, ohne daß es zu einem Abrieb am Zahnkranz kommt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung besteht darin, daß die Zeit verkürzt ist, nach der ein Wieder­ holstart bei gleichen Ausgangsbedingungen wie ein Erststart stattfinden kann. Die Ankerwelle des Anlaßmotors wird nämlich durch den auslaufenden Verbrennungsmotor sehr schnell abge­ bremst. Normalerweise wäre die Ritzelauslaufzeit 5-6 mal so lang wie die Auslaufzeit des Verbrennungsmotors. Die Verkürzung der Wartezeit bis zum einem möglichen Wiederholstart ist auch unter Sicherheitsaspekten wichtig, da die Verkehrssituation oftmals einen schnellen Wiederholstart fordert.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus dem Inhalt der nachfolgenden Beschreibung. Besondere Aus- und Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. In dem Ausführungsbeispiel ist die Schutzein­ richtung auf sehr einfache und robuste Weise durch einen An­ schlaganker mit elektromagnetischem Antrieb realisiert.

Nachstehend ist die Erfindung anhand des in Fig. 1 bis Fig. 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Anlasser in Ruhestellung,

Fig. 2 den erfindungsgemäßen Anlasser beim Einspuren,

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Anlasser beim Andrehen,

Fig. 4 den erfindungsgemäßen Anlasser beim Ausspuren.

Die Fig. 1 zeigt innerhalb der strichpunktierten Linie, welche ein Anlassergehäuse 12 andeutet, in vereinfachter Darstellung einen Anlasser in Ruhestellung, wie er in der bereits oben zi­ tierten Schrift (BOSCH, Technische Unterrichtung: Start­ anlagen, 1984, insb. S20) beschrieben ist. Dabei handelt es sich um einen Schub-Schraubtrieb-Starter, bestehend aus einem An­ laßmotor 9, dessen Ankerwelle 10 über einen Freilauf 6 das Ritzel 7 antreibt. Der Freilauf 6 verhindert, daß der Anker des Anlaßmotors 9 bei Anspringen des Verbrennungsmotors auf unzu­ lässig hohe Drehzahlen beschleunigt wird. Der Anlaßmotor 9 ist ein Gleichstrom-Reihenschlußmotor, bei dem die Erregerwicklung 4 mit der Ankerwicklung des Anlaßmotors 9 in Reihe geschaltet ist. Auf dem Anlaßmotor 9 aufgebaut ist ein Einrückrelais 2 mit einer Einzugs- und einer Haltewicklung, die auf der einen Seite über die Klemme 50 mit dem Startschalter 1 und auf der anderen Seite mit der Erregerwicklung 4 beziehungsweise mit Masse ver­ bunden sind. Weitere Bestandteile des Einrückrelais 2 sind die Kontaktbrücke 2.1 und der Einrückanker 2.2. Die Kontaktbrücke 2.1 ist in Ruhestellung geöffnet und schließt in Schließstel­ lung den Hauptstromkreis (dicker Strich) über die Klemme 30 zur Batterie 8 zur Versorgung des Anlaßmotors 9. Eine Einzugsbewegung des Einrückankers 2.2, bei Bestromung des Einrückrelais 2, wird mittels eines Einrückhebels 5 auf ein Schub-Schraubgetriebe zum Einspuren des Ritzels 7 übertragen.

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung 13 besteht aus einem Anschlaganker 14 mit elektromagnetischem Antrieb (Wicklung) und selbsttätigem Rückgang (Rückstellfeder). Die Schutzeinrichtung 13 wird am Anlassergehäuse 12 derart befestigt (angeflanscht), daß der Anschlaganker 14 in Anschlagstellung, also wenn er - bei Bestromung der Schutzeinrichtung 13 - ausgefahren ist, Fig. 2 bis 4, sich einer Rückstellbewegung des eingezogenen Einrückankers 2.2 entgegenstellt. Die Schutzeinrichtung 13 ist an die Erreger­ wicklung 4 elektrisch angeschlossen und wird damit vom Haupt­ stromkreis (dicker Strich) mitversorgt.

Zunächst wird die an sich bekannte Arbeitsweise des Anlassers anhand der Fig. 2 und Fig. 3 erläutert:

Bei einem Startvorgang, Fig. 2, der mit dem Schließen des Startschalters 1 eingeleitet wird, werden die Einzugs- und die Haltewicklung des Einrückrelais 2 bestromt, worauf - entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 3 - der Einrückanker 2.2 den Einrückhebel 5 anzieht. Dieser schiebt das Ritzel 7 auf der Ankerwelle 10 in Richtung des Zahnkranzes 11. Dabei dreht sich das Ritzel 7 durch die Schraubwirkung eines Einspurgetriebes nach vorne, bis das Ritzel 7 in den Zahnkranz 11 eingespurt ist und zum Anschlag kommt.

In der Endstellung des Einrückankers 2.2, Fig. 3, wird die Kontaktbrücke 2.1 geschlossen. Über die geschlossene Kontakt­ brücke 2.1 fließt der Hauptversorgungstrom (dicker Strich) zur Erregerwicklung 4 des Anlaßmotors 9, der über das in den Zahn­ kranz 11 eingespurte Ritzel 7 den (nicht dargestellten) Ver­ brennungsmotor andreht. Gleichzeitig wird mit dem Schließen der Kontaktbrücke 2.1 die Einzugswicklung im Einrückrelais 2 kurz­ geschlossen. Nun wirkt nur noch die Haltewicklung im Einrück­ relais 2, deren schwächere Magnetkraft jedoch ausreicht, um den Einrückanker 2.2 bis zum Abschluß des Startvorgangs in der ein­ gezogenen Stellung festzuhalten. Wenn zum Abbrechen des Start­ vorganges der Startschalter 1 geöffnet wird und die Bestromung der Haltewicklung entfällt, gibt der Einrückanker 2.2 der Feder­ kraft der Rückstellfeder 3 nach und geht in die Ruhestellung zurück, wobei zunächst die Kontaktbrücke 2.1 geöffnet wird und anschließend das Ritzel 7 ausgespurt wird.

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung 13 greift in den ge­ schilderten Ablauf wie folgt ein: In Ruhestellung Fig. 1 ist die Schutzeinrichtung 13 nicht bestromt, so daß der Anschlag­ anker 14 sich in Ruhestellung befindet, bei der auch der Ein­ rückanker 2.2 ungehindert seine Ruhestellung einnimmt. Unmit­ telbar nachdem der Startschalter 1 betätigt wurde, Fig. 2, wird die Schutzeinrichtung 13 über den durch die Wicklungen des Einrückrelais 2 fließenden Strom nur schwach versorgt und es kann dahin gestellt sein, in wie weit dadurch der Anschlaganker 14 ausgefahren wird. Erst nachdem das Ritzel 7 eingespurt und die Kontaktbrücke 2.1 geschlossen ist, Fig. 3, wird die Schutz­ einrichtung 13 über den Hauptstrom (dicker Strich) versorgt, der ausreicht den Anschlaganker 14 in die Anschlagstellung auszufahren. Die Anschlagstellung muß jedoch so bemessen sein, daß wenn der Startschalter 1 geöffnet wird, Fig. 4, der Einrück­ anker 2.2 derart weit ungehindert der Rückstellfeder 3 nachgeben kann, daß die Kontaktbrücke 2.1 sofort geöffnet wird. Damit wird zwar die Hauptstromversorgung für den Anlaßmotor 9 und die Schutzeinrichtung 13 unterbrochen; solange die Ankerwelle 10 aber noch nachläuft und nicht zum Stillstand gekommen ist, wird in der Erregerwicklung 4 eine Spannung induziert, die den An­ schlaganker 14 in Anschlagstellung hält. Damit wird für die Zeit des Nachlaufens des Anlaßmotors 9 der Einrückanker 2.2 in einer Zwischenposition gehalten, bei der das Ritzel 7 noch in den Zahnkranz 11 eingespurt ist. Dies hat, je nachdem ob der Startversuch erfolgreich war oder nicht, die folgende Wirkung:

Bei einem Fehlstart kommt der Verbrennungsmotor sehr schnell zur Ruhe und bremst synchron die Ankerwelle 10 des Anlaßmotors mit ab, da sich Ritzel 7 und Zahnkranz 11 in Eingriff befinden. Erst wenn die Bestromung der Schutzeinrichtung 13 entfallen und deren Anschlaganker 14 in die Ruhelage zurückgekehrt ist, wird das Ritzel 7 von dem Einrückrelais 2 ausgespurt. Die Schutzein­ richtung 13 bewirkt also zum einen ein Verkürzung der Ritzel­ auslaufzeit und zum anderen, daß das Ritzel erst bei Stillstand des Verbrennungsmotors und des Anlaßmotors 9 ausgespurt wird. Danach liegen gleiche Anfangsbedingungen vor wie bei einem Neustart.

Bei einem erfolgreichen Startversuch kommt der Verbrennungsmo­ tor zum Selbstlauf, worauf der Freilauf 6 die kraftschlüssige Verbindung zwischen Ankerwelle 10 und Kurbelwelle des Verbren­ nungsmotors löst, sobald die Motordrehzahl höher ist als die Anlasserdrehzahl. Die Ankerwelle 10 läuft daher durch Reibungs­ kräfte gebremst langsam aus, währenddessen - durch den Freilauf 6 von der Ankerwelle 10 entkoppelt - das Ritzel 7 und der Zahnkranz 11 in Eingriff sind. Die Schutzeinrichtung 13 hat somit die Wirkung, daß während dieser freien Auslaufzeit der Ankerwelle 10 schadlos ein Wiederholstart in den laufenden Verbrennungsmotor versucht werden kann.

Die Schutzeinrichtung 13 bietet dagegen keinen Schutz bei einem Wie­ derholstart in den laufenden Verbrennungsmotor, wenn schon ei­ nige Zeit vergangen und das Ritzel 7 aus dem Zahnkranz 11 ausgespurt ist. Beim Einspuren träfe dann das Ritzel 7 auf einen sich drehenden Zahnkranz 11 und es käme zum weiter oben erläuterten Abrieb. Für die Praxis ist dieser Fall von unter­ geordneter Bedeutung: Denn je mehr der Fahrer sich Zeit läßt, umso sicherer kann er erkennen, ob der Verbrennungsmotor an­ gesprungen ist.

Trotzdem ist es ohne Schwierigkeiten möglich, die Schutzein­ richtung dahingehend zu erweitern, daß ein Signal eines vom Verbrennungsmotor angetriebenen Stromgenerators ausgewertet wird, um bei einem Selbstlauf den Anlasser zu sperren. Der Aufwand insbesondere durch eine zusätzliche Zuführung scheint jedoch nicht gerechtfertigt angesichts der bereits zufrieden­ stellenden Leistung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung 13. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung 13 stellt einen opti­ malen Kompromiß zwischen benötigter Schutzfunktion und dazu erforderlichem Aufwand dar.

Eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann auch in der Weise realisiert werden, daß der zugehörige elektromagnetische An­ trieb in Form einer dritten Wicklung in das Einrückrelais 2 integriert wird. Der Anschlaganker könnte als ein vorne abge­ schlossenes Rohr ausgeführt sein, in welchem sich der Einrück­ anker 2.2 bewegt wobei der vordere Abschluß des Rohres als Anschlag dient. Damit es nicht von den anderen Wicklungen im Einrück­ relais 2 beeinflußt werden kann, muß in dem entsprechenden Be­ reich das Rohr aus unmagnetischem Material hergestellt sein.

Eine durch Drehung der Ankerwelle 10 hervorgerufene Spannung zur Ansteuerung der Schutzeinrichtung 13 kann auch auf andere Weise als durch Abgriff der in der Erregerwicklung 4 induzierten Spannung bereitgestellt werden. Es kann bespielsweise auch die in einer Hilfswicklung des Anlaßmotors induzierte Spannung herangezogen werden.

Eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung bietet neben den ge­ ringen Kosten den Vorteil, daß sie direkt, ohne weitere externe Zuleitungen an den Anlasser angebaut werden kann. Somit können Fahrzeuge, lediglich durch Austausch des vorhandenen mit dem erfindungsgemäßen Anlasser ohne Schwierigkeiten nachgerüstet werden.

Claims (3)

1. Anlasser mit einer elektrischen Schutzeinrichtung gegen Schäden durch schnellen Wiederholstart für einen Verbrennungs­ motor,

• - mit einem Startschalter zur Einleitung eines Startvorgangs, in dessen Verlauf mittels eines Einrückrelais ein Ritzel auf der Ankerwelle eines elektrischen Anlaßmotors vorgeschoben und in einen Zahnkranz des Verbrennungsmotors eingespurt wird, wobei zuletzt durch einen Einrückanker des Einrückrelais eine Kontaktbrücke zur Hauptstromversorgung des Anlaßmotors ge­ schlossen wird,
• - wobei die Schutzeinrichtung nach einem abgebrochenen Start­ versuch, also bei geöffnetem Startschalter und unterbrochener Hauptstromversorgung des Anlaßmotors, von einer Spannung ver­ sorgt wird, welche durch die Drehung der Ankerwelle des nach­ laufenden Anlaßmotors induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (13) Mittel (14) aufweist, welche nach einem abgebrochenen Startversuch das Ritzel (7) solange im Zahnkranz (11) eingespurt halten, wie die Schutzeinrichtung (13) von der durch die Drehung der nachlaufenden Ankerwelle (10) induzierten Spannung versorgt wird, wobei die Kontaktbrücke (2.1) unterbrochen bleibt.

2. Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (13) eine Wicklung aufweist, welche bei Bestromung einen zugehörigen Anschlaganker (14) in eine Posi­ tion rückt, bei der dieser dem, durch eine Rückstellfeder (3) bewirkten, Rückgang des Einrückankers (2.2) des Einrückrelais (2) in seine Ausgangsstellung derart entgegensteht, daß das Ritzel (7) im Zahnkranz (11) noch eingespurt ist, während die Kontaktbrücke (2.1) zur Schaltung der Hauptversorgung des An­ laßmotors (9) unterbrochen ist.

3. Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaßmotor (9) ein Reihenschluß-Gleichstrommotor ist und die Spannung zur Ansteuerung der Schutzeinrichtung (13) eingangs­ seitig, an der Erregerwicklung (4) des Anlaßmotors (9) abge­ griffen wird.