DE4302854C1 - Andrehvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Andrehvorrichtung für BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer elektromotorisch angetriebenen An
drehvorrichtung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Zur Dämpfung von Kompressions- und Dekompressionsstößen im Antriebs
strang von Andrehvorrichtungen, auch Starter genannt, für Brenn
kraftmaschinen ist es gemäß DE-OS 32 25 957 bekannt, das Hohlrad
eines als Vorgelege für den Andrehmotor verwendeten Planetengetrie
bes über Dämpfungsmittel in Form von Gummikissen am Gehäuse des
Starters aufzunehmen. Eine Freilaufkupplung hat hierbei die Aufgabe
der mechanischen Entkopplung von Startermotor und Verbrennungsmotor,
wenn dieser hochläuft und sich über die Starterdrehzahl beschleu
nigt. Ein unerwünschter Nebeneffekt in der sog. Durchdrehphase, bei
der der Verbrennungsmotor ohne beschleunigende Verbrennungen durch
die Andrehvorrichtung in Drehung versetzt wird, ist das periodische
Öffnen und Schließen der Freilaufkupplung aufgrund der Gasfedermo
mente der Brennkraftmaschine durch die Kolbenbewegung in den Zylin
dern der Maschine. Dieses periodische Öffnen und Schließen der Frei
laufkupplung ist abhängig von den auf die Ritzelwelle umgerechneten
Werten der Trägheitsmomente des Starters und der Brennkraftmaschine
sowie vom Antriebsmoment des Starters und vom Lastmoment an der Kur
belwelle der Maschine. Grundsätzlich ist bei Startern mit einem
Vorgelege durch das dadurch erhöhte Starterträgheitsmoment die Öff
nungsphase für die Freilaufkupplung größer als bei Startern ohne
Vorgelege. Eine vergrößerte Öffnungsphase ergibt sich auch bei
höheren Temperaturen, da dann das Kurbelwellenreibmoment abnimmt,
während das Gasfedermoment der Maschine ansteigt.
Da im gesamten Antriebsstrang des Starters bei eingespurtem Ritzel
ein Drehspiel auftritt, ist nach jedem Lastwechsel beim Schließen
der Freilaufkupplung ein Durchlauf dieses Spiels und danach eine
Stoßbeanspruchung an den Zahnflanken des Andrehritzels zu erwarten.
Diese Zahnflankenstöße sind abhängig von den umgerechneten Träg
heitsmomenten des Starters und der Kurbelwelle, von dem gesamten
Verdrehspiel, von der Steifigkeit des Starter-Antriebsstrangs, von
den Differenz-Winkelgeschwindigkeiten zwischen dem Zahnkranz der
Brennkraftmaschine und dem Andrehritzel sowie von den dann am Ritzel
wirkenden Antriebs- und Lastmomenten.
Die bekannte elastische Abstützung des Hohlrades am Startergehäuse
mit Gummikissen oder mit einem polygonal geformten zwischen Hohlrad
und Gehäusewand gemäß EP 0 375 396 A1 eingesetzten
Gummikörper ist zumindest bei Andrehvorrichtungen mittlerer und
größerer Bauart unzureichend, da ein derartiger Dämpfungsgummi eine
stark progressive Kennlinie aufweist und daher bereits bei einem
minimalen Verformungsweg viel zu hart wird. Entsprechendes gilt auch
für die aus der DE-OS 38 21 023 bekannte Andrehvorrichtung, bei der
zur Dämpfung der im Antriebsstrang beim Andrehvorgang auftretenden
Drehmomentstöße die mit dem Ritzel verbundene Abtriebswelle des Ge
triebes mit einem Getriebehohlrad über ein elastisches Verbindungs
element aus Gummi oder dergleichen verbunden ist. Außerdem würde bei
Andrehvorrichtungen mittlerer und größerer Bauart durch die dort
sehr hohen Stoßbeanspruchungen das Dämpfungselement im Laufe der
Zeit zerstört werden. Andrehvorrichtungen größerer Leistung werden
daher wegen zu hohen Stoßbelastungen überwiegend ohne Vorgelege aus
gerüstet. Dabei muß dann ein entsprechend größer bauender, teurer
Startermotor verwendet werden und die pulsierend ansprechende Frei
laufkupplung muß die Stoßbelastung aufnehmen, wodurch außerdem
eine starke Geräuschentwicklung auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Form von
Drehimpulsen auftretenden Stöße und Lastmomentspitzen während des
Andrehvorgangs, insbesondere in der Durchdrehphase beim Schließen
der Freilaufkupplung wirksam zu dämpfen, um auch bei Andrehvorrich
tungen größerer Leistung den Verschleiß, die mechanischen Leistungs
verluste, die Geräuschbildung und die Eigenfrequenz des Antriebs
stranges herabzusetzen.
Durch den erfindungsgemäßen Federspeicher im Antriebsstrang der An
drehvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan
spruchs 1 lassen sich auch bei Andrehvorrichtungen größerer Leistung
die auftretenden Stoßbelastungen, insbesondere die Spitzendrehmo
mente beim Schließen der Freilaufkupplung in der Durchdrehphase re
duzieren. Dadurch können auch für Andrehvorrichtungen größerer Lei
stung Vorgelege mit großen Untersetzungen verwendet werden. Dies
bedeutet, daß die Baugröße der Andrehvorrichtung bei gleicher Lei
stung durch Drehzahlsteigerung des Andrehmotors verkleinert werden
kann. Auch wird durch die Verwendung vorgespannter Federn die
Schwingneigung des Andreh-Antriebsstranges drastisch reduziert,
wodurch sich der Federweg gegenüber einem Federspeicher ohne
Vorspannung deutlich verkleinert. Dadurch kann anstelle der bekann
ten Gummikissen als Dämpfungselemente gegebenenfalls bei gleichen
Gehäuseabmessungen der wesentlich wirkungsvollere lineare
Federspeicher gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil ist eine deutliche Herabsetzung der
Eigenfrequenz des Andreh-Antriebsstrangs durch den erfindungsgemäßen
Federspeicher und die dadurch erzielte Stoß- und Geräuschdämpfung.
Ferner ist es von Vorteil, daß auch an der Freilaufkupplung und den
Zähnen der Zahnräder der durch harte Drehimpulse verursachte
Verschleiß nunmehr deutlich herabgesetzt wird.
Als weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Andrehvor
richtung ergibt sich durch den stark verlangsamten Drehmomentanstieg
bei den gedämpften Stößen über das Steilgewinde im Antriebsstrang
auch eine verringerte axiale Kraftkomponente, die ermöglicht, den
Winkel des Steilgewindes wesentlich zu verringern und damit den
Einspurvorgang insbesondere bei erhöhter Reibung, beispielsweise bei
verpasteter Ritzelbuchse, zu erleichtern. Außerdem hat ein ver
kleinerter Steilgewindewinkel den Vorteil, daß in der Überholphase
ein vermindertes Ausspuren und damit bei Kraftschluß beim Schließen
der Freilaufkupplung ein geringerer axialer Stoß auftritt, was
auch eine wesentliche Geräuschreduzierung zur Folge hat.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Merkmale. So ist es besonders vorteilhaft, wenn der An
triebsstrang der Andrehvorrichtung zwischen Andrehmotor und Frei
laufkupplung ein Vorgelege enthält, so daß Federelemente des Feder
speichers am Vorgelege und/oder an der Freilaufkupplung angreifen
können. Zur Geräuschdämpfung und Verschleißverringerung ist es be
sonders zweckmäßig, die Eigenfrequenz der Drehschwingung des An
triebsstranges durch die Federsteifigkeit des Federspeichers auf
weniger als 1/2 gegenüber der Eigenfrequenz ohne Federspeicher
herabzusetzen.
Eine besonders günstige Anordnung des Federspeichers ergibt sich,
wenn dieser am Vorgelege des Antriebsstranges angreift, insbesondere
am größten Radius des Vorgeleges, da dort die Stoßbelastung des vor
gespannten Federspeichers am geringsten ist. Hierbei ist es beson
ders vorteilhaft, wenn der Federspeicher zwischen einem Hohlrad
eines Planetengetriebes als Vorgelege und einem feststehenden Teil
des Gehäuses der Andrehvorrichtung eingesetzt wird. Dort steht auch
genügend Raum zur Verfügung, um den Federspeicher aus mehreren am
Umfang des Hohlrades verteilt angreifenden Federelementen auszubil
den, die sich am feststehenden Gehäuseteil jeweils abstützen. Hier
durch wird die Stoßenergie gleichmäßig auf einzelne Federelemente
verteilt, die dem großen Radius entsprechend für kleinere Feder
kräfte und größere Federwege dimensioniert ausgelegt werden können.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine Andrehvorrichtung im Längsschnitt und ver
kleinerten Maßstab mit einem erfindungsgemäßen Federspeicher und
einem Planetengetriebe, Fig. 2 das Planetengetriebe aus Fig. 1 mit
drei zwischen Gehäuse und Hohlrad eingesetzten vorgespannten
Schraubenfedern, Fig. 3 ein Diagramm über den zeitlichen Verlauf
der Drehzahl an der Fliehkraftkupplung nach a) bisheriger Ausfüh
rung, b) erfindungsgemäßer Ausführung. Fig. 4 zeigt ein Diagramm
der Steifigkeit des Andreh-Antriebsstrangs mit dem Verdrehwinkel des
Antriebsstranges in Abhängigkeit vom Drehmoment bezogen auf das
Andrehritzel. Fig. 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein
über mäanderförmig gebogene Blattfedern als Federspeicher im Gehäuse
aufgenommenes Hohlrad, Fig. 6 zeigt eine mäanderförmig gebogene
Blattfeder als Zug- und Druckfeder für eine beidseitige gehäusefeste
Einspannung des Hohlrades und Fig. 7 zeigt zwei unter Vorspannung
zwischen Hohlrad und Gehäuse eingesetzte Blattfedern nach Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Andrehvorrichtung im Längsschnitt mit einem
Lamellenfederpaket als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Federspeichers, Fig. 9 zeigt den Querschnitt einer Feder
lamelle mit Haken und Fig. 10 den Querschnitt nach X-X aus Fig. 9
mit zwei ineinandergreifenden Federlamellen; Fig. 11 zeigt einen
Teil einer Federlamelle mit Loch bzw. Ausprägung an den Enden der
Federzungen und Fig. 12 den Querschnitt von zwei Lamellen nach
XII-XII aus Fig. 11. Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt des Antriebs
strangs eines erfindungsgemäßen Starters mit Vorgelege, Fig. 14
drei Federn als Federspeicher zwischen Planetenträger und Abtriebs
welle des Vorgeleges aus Fig. 13 als weiteres Ausführungsbeispiel.
Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Federspeicher zwi
schen Freilaufnabe und Ritzel teilweise im Längsschnitt und Fig. 16
zeigt die Freilaufkupplung aus Fig. 15 in Vorderansicht mit einem
Ausbruch.
Fig. 1 zeigt eine mit 10 bezeichnete Andrehvorrichtung für Brenn
kraftmaschinen im wesentlichen im Längsschnitt. Sie enthält einen
Gleichstrommotor als Andrehmotor 11, dessen Läufer 12 über seine
Läuferwelle 13 mit einem als Planetengetriebe ausgebildeten Vorge
lege 14 im Eingriff steht. Ein Hohlrad 15 des Vorgeleges 14 ist am
Gehäuse 16 der Andrehvorrichtung 10 aufgenommen und der Planeten
träger 17 ist mit einer Abtriebswelle 18 des Vorgeleges 14 fest ver
bunden. Über ein nicht dargestelltes Steilgewinde ist die Abtriebs
welle 18 in an sich bekannter Weise mit einem Mitnehmer 19 einer
Freilaufkupplung 20 in Wirkverbindung, wobei die Rollen-Freilauf
kupplung 20 mit ihrer Nabe 21 mit einem Einspurritzel 22 fest ver
bunden ist. Für den Andrehvorgang einer Brennkraftmaschine wird das
Einspurritzel 22 von einem Einrückrelais 23 über einen Einrückhebel
24 in Achsrichtung vorgespurt, wobei sich das Ritzel 22 über die
Freilaufkupplung 20 und den Mitnehmer 19 durch das Steilgewinde
dreht und in einen Zahnkranz 25 der Brennkraftmaschine einspurt. Der
Einrückhebel 24 greift dabei mit seinem unteren Ende an einem Füh
rungsring 26 an, der sich über eine Einspurfeder 27 gegen das Gehäu
se der Freilaufkupplung 20 abstützt. Sämtliche drehenden Teile vom
Einspurritzel 22 bis zum Läufer 12 des Andrehmotors bilden einen
Starter-Antriebsstrang 100 mit einem durch dessen rotierenden Masse
vorgegebenen Trägheitsmoment. Dieser Antriebsstrang 100 wirkt wäh
rend des Andrehvorgangs über den Zahnkranz 25 mit einer Brennkraft
maschine zusammen, dessen sich drehende Massen ebenfalls ein Träg
heitsmoment bilden, das im Fall des Vorgelegestarters im allgemeinen
wesentlich kleiner ist, als das des Starter-Antriebsstranges.
Während des Andrehvorganges treten durch unterschiedliche Beschleu
nigungen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten zwischen Einspurritzel 22 und
Antriebswelle 18 Stöße auf, die abhängig von der Steilheit der Stoß
flanke und dem maximalen Stoßdrehmoment die Teile im Antriebsstrang
der Andrehvorrichtung 10 mehr oder weniger stark mechanisch und
dynamisch beanspruchen. Dies ist insbesondere in der sogenannten
Durchdrehphase dann der Fall, wenn nach dem Öffnen der Freilaufkupp
lung 20 beim Überholen der Andrehvorrichtung die Freilaufkupplung
mehrfach kurzfristig hintereinander öffnet und schließt, bevor die
Brennkraftmaschine von der Andrehvorrichtung erneut in eine sog.
Kompressionsphase gedreht wird.
Um die stoßförmigen Drehmomentänderungen und Belastungsänderungen
sowie dadurch verursachte Geräusche zu dämpfen, ist im Antriebs
strang 100 zwischen Einspurritzel 22 und Antriebswelle 13 des
Andrehmotors 11 ein Federspeicher 28 angeordnet. Der Federspeicher
28 ist hier am Vorgelege 14 des Antriebsstranges angeordnet, der
zwischen dem Hohlrad 15 des Planetengetriebes und einem als Zwi
schenlager 29 für das Planetengetriebe vorgesehenen Teil des Gehäu
ses 16 eingesetzt ist.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß der Federspeicher 28 aus mehreren, am
Umfang des Hohlrades 15 verteilt angreifenden Federelementen 30 be
steht, die sich am feststehenden Gehäuseteil 29 einerseits abstützen
und andererseits das Hohlrad 15 an jeweils einem radial nach außen
gerichteten Vorsprung 31 unter Vorspannung Pv entgegen dem Antriebs
moment des Andrehmotors 11 gegen jeweils einen Gehäuseanschlag 32
andrücken. Über die im Planetengetriebe eingezeichneten Richtungs
pfeile ist erkennbar, daß der Andrehmotor 11 mit seiner Verzahnung
am Ende der Antriebswelle 13 mit der Drehrichtung nach rechts in
drei Planetenräder 33 eingreift, die in Drehrichtung nach links auf
Lagerbolzen 34 des Planetenträgers 17 umlaufen und dabei das An
triebsmoment in Drehrichtung nach links auf das Hohlrad 15 übertra
gen. Die Planetenräder 33 rollen am Hohlrad 15 ab und drehen dadurch
den Planetenträger 17 nach rechts. Da der Planetenträger 17 über die
Freilaufkupplung 20 mit dem Einspurritzel 22 verbunden ist, handelt
es sich hier um eine rechtsdrehende Andrehvorrichtung 10.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Federelemente 30
durch vorgenannte Schraubendruckfedern 35 realisiert. Ferner ist
aus Fig. 2 erkennbar, daß das Hohlrad 15 des Planeten-Vorgeleges 14
beim Auftreten von Stoßbeanspruchungen in Antriebsrichtung entgegen
der Kraft der Schraubenfedern 35 um einen Winkel β von etwa 10°-15°
verdrehbar ist, ehe ein weiterer, am Umfang des Hohlrades 15 ange
formter Anschlag 36 als Überlastschutz des Federspeichers 288 an
einer Schulter 37 des Zwischenlagers 29 anstößt.
Mit Hilfe der Fig. 3 und 4 werden nunmehr die Wirkungsweise und
Dimensionierung des Federspeichers 28 in Verbindung mit der Andreh
vorrichtung 10 näher erläutert. Die Andrehvorrichtung hat im ausge
führten Beispiel einen Andrehmotor 11 mit 1,4 kW Leistung. Das am
Einspurritzel 22 wirksame Kurzschlußdrehmoment Mk - zum Beispiel
beim Andrehversuch der Brennkraftmaschine mit eingelegtem großen
Gang - beträgt am Einspurritzel 20 Nm. Die Verdreh-Federsteifigkeit
CSt0 des Antriebsstranges 100 der Andrehvorrichtung 10 beträgt
ohne Federspeicher 28 ritzelseitig etwa 700 Nm/rad.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Ritzeldrehzahl nR als ausgezogene
Linie und der Drehzahl nF1 am Mitnehmer 19 der Freilaufkupplung 20
als gestrichelte Linie. Auf der Zeitachse t ist bei a) der Drehzahl
verlauf der Andrehvorrichtung 10 dargestellt, wie er sich ohne den
erfindungsgemäßen Federspeicher 28 ergibt. Dort ist erkennbar, daß
mit Beginn der Dekompressionsphase in einem Zylinder der Brennkraft
maschine das vom Zahnkranz 25 dann angetriebene Ritzel 22 die Frei
laufkupplung 20 öffnet, indem sie den Antriebsmotor 11 mit der Dreh
zahl nF1 überholt. Mit der anschließenden Kompressionsphase fällt
nun die Ritzeldrehzahl nF1 überholt. Mit der anschließenden Kompressionsphase fällt
nun die Ritzeldrehzahl nR unter die Drehzahl nF1, so daß nun die
Freilaufkupplung 20 nach dem Durchlauf des gesamten Spiels der Andreh
vorrichtung 10 mit einem Stoß schließt. Nachfolgend treten nun
mehrere abklingende Schwingungen in der Ritzeldrehzahl nR auf,
wobei sich die Freilaufkupplung 20 teilweise kurz öffnet und
schließt.
Durch den Federspeicher 28 wird eine nahezu sinusförmige Schwingung
mit deutlich reduzierter Grundwelle erzeugt, so daß der Stoß beim
Schließen der Freilaufkupplung 20 zur Zeit tx wesentlich abgedämpft
und das mehrfache Öffnen der Kupplung reduziert wird. Bei b) ist auf
der Zeitachse t dieser Vorgang erkennbar. Da die Steigung der
Rätseldrehzahl nR beim Schließen der Freilaufkupplung 20 zur Zeit
tx wesentlich geringer ist, ergibt sich ein entsprechend ver
mindertes Stoßmoment.
Dieser Verlauf wird dadurch erreicht, daß der Federspeicher 28 mit
einem in Antriebsrichtung wirksamen Vorspannmoment Mv zwischen dem
Einspurritzel 22 und der Antriebswelle 13 des Andrehmotors angeord
net ist, das ritzelseitig zwischen 15 und 50 Prozent des auf die
Ritzelwellendrehung bezogenen Kurzschlußdrehmomentes Mk des Andreh
motors 11 beträgt. Ferner muß ritzelseitig das Verhältnis der Ver
drehsteifigkeit CF des Federspeichers 28 auf das Kurzschlußdreh
moment Mk bezogenen, zur Verdrehsteifigkeit CSt0 des vom Einspur
ritzel 22 bis zum Andrehmotor 11 gebildeten Antriebsstranges 100 der
Andrehvorrichtung 10 bei unwirksamem Federspeicher 28 einen Faktor
F<4 vorzugsweise <10 bilden.
In Fig. 4 ist hierzu der auf die Ritzelwelle bezogene Verdrehwinkel
ϕR des Antriebsstrangs 100 wirksamen Drehmoment MR dargestellt. Die
Steigung der gestrichelt dargestellten Kurve CSt0 zeigt die Ver
drehsteifigkeit des Antriebsstranges der Andrehvorrichtung 10 ohne
Federspeicher in Antriebsrichtung. Die ersten zwei Winkelgrade der
Ritzelverdrehung werden durch die verschiedenen, zwischen Zahnkranz
25, Kupplung und Antriebswelle 13 vorhandenen nichtlinearen Vorgänge
(Spiele, Lose) durchlaufen. Ohne
Federspeicher 28 folgt nun mit zunehmendem Drehmoment ein linearer
Anstieg der gestrichelten Kurve, der die effektive Verdrehsteifig
keit des Starter-Antriebsstranges wiedergibt. Im oberen Bereich der
gestrichelten Kurve gibt schließlich die Freilaufkupplung 20 nach,
wodurch die Kurve steil ansteigt, bis sie schließlich bei einem
maximalen Drehmoment Mmax durchdreht. Zur Erzielung reproduzier
barer Werte wird bei der Ermittlung der Verdrehsteifigkeit CSt0
des Antriebsstranges 100 das Kurzschlußdrehmoment Mk der Andrehvor
richtung 10 zugrundegelegt, da in diesem Bereich (in dem geraden
Ast) der gestrichelten Kennlinie die Verdrehsteifigkeit CSt0 des
Antriebsstranges einen definierten gleichbleibenden Wert hat, der
beim Ausführungsbeispiel mit 700 Nm/rad beträgt. Die Steilheit der
strichpunktierten Kurve CF gibt die auf das Ritzel 22 bezogene
Verdrehsteifigkeit des Federspeichers 28 wieder. Das Vorspanndreh
moment Mv des Federspeichers 28 beträgt bezogen auf das Ritzel 7 Nm,
das sind im Beispielsfall 35% des Kurzschlußdrehmomentes Mk von
20 Nm. Der Federspeicher 28 wird daher erst beim Überschreiten die
ses Wertes ansprechen. Seine Verdrehsteifigkeit beträgt
CF = 60 Nm/rad. Aus dem Verhältnis der Verdrehsteifigkeit des An
triebsstranges 100 zur Verdrehsteifigkeit des Federspeichers 28 er
gibt sich somit im Beispielsfall ein Faktor
F = CSt0/CF = 700/60 = 11,66.
Daraus ergibt sich, daß bei normalen Andrehvorgängen, insbesondere
in der Durchdrehphase, die dort beim Schließen der Freilaufkupplung
20 jeweils auftretenden Stöße durch die geringere Verdrehsteifigkeit
der Ausführung mit Federspeicher 28 so weit gedämpft werden, daß sie
den durch den Anschlag 36 vorgegebenen maximalen Verdrehwinkel ϕR
von etwa 15° Ritzeldrehung nicht erreichen. Dieser vom Federspeicher
28 maximal aufnehmbare Verdrehwinkel benötigt am Ritzel ein Dreh
moment MFmax von etwa 25 Nm, das knapp oberhalb des Kurzschluß
drehmomentes Mk liegt und das nur im Falle von sogenannten
Rückzündungen überschritten wird.
Die tatsächliche Verdrehsteifigkeit CSt des Starter-Antriebs
stranges 100 mit dem Federspeicher 28, die in Fig. 4 durch die aus
gezogene Kurve dargestellt ist, ergibt sich aus der Überlagerung der
Verdrehsteifigkeit CF des Federspeichers 28 mit der Verdrehstei
figkeit CSt0 des federspeicherlosen Starter-Antriebsstranges.
Diese Kurve zeigt, daß im Bereich bis zum Moment Mv der Federspei
cher 28 durch seine Vorspannung zunächst nicht anspricht, daß in dem
Bereich von Mv bis MB1 sich die Verdrehung des Ritzels 22 durch
den Federspeicher 28 und den Antriebsstrang addiert und daß beim
Erreichen des Blockiermomentes MB1, bei dem sich der Anschlag 36
an die Schulter 39 des Zwischenlagers 29 anlegt, wieder die ur
sprüngliche Verdrehsteifigkeit des Starter-Antriebsstranges 100
wirksam wird, bis schließlich mit weiter zunehmendem Drehmoment die
Freilaufkupplung 20 beginnt durchzudrehen.
Die Wirksamkeit des Federspeichers 28 wird durch die jeweils gewähl
te Vorspannung und durch die Federkonstanten CFe der für den
Federspeicher 28 verwendeten Federelemente 30 bestimmt. Bei drei
Federelementen 30 gemäß Fig. 2 ergibt sich aus der Vorspannung
Pv = 77 N bei einem Abstand A = 30 mm zur Achse 38 ein Vorspanndreh
moment Mv = 3Pv × A ≈ 7 Nm und aus der Federkonstante CFe = 22 N/m
der Federelemente 30 ergibt sich für den Federspeicher 28 eine Ver
drehsteifigkeit CF = CFe · 3 · A² ≈ 60 nm/rad.
Das Vorspanndrehmoment Mv des Federspeichers 28 sollte nicht kleiner
als 15% des Kurzschlußdrehmomentes Mk sein, da sonst der benötigte
Federweg und Verdrehwinkel zur Aufnahme der Stöße in der Andrehvor
richtung für eine kompakte Bauweise zu groß wird und da die Feder
elemente dann u. U. durch Schwingungen Eigengeräusche verursachen
können. Das Vorspanndrehmoment Mv sollte auch nicht über 50% des
Kurzschlußdrehmomentes Mk liegen, da sonst der Federspeicher 28
durch die beim normalen Andrehvorgang auftretenden Stöße nur wenig
oder gar nicht beansprucht wird und somit die Dämpfung der Stöße
verloren geht.
Die Wirksamkeit des Federspeichers 28 geht außerdem durch eine zu
hohe Verdrehsteifigkeit CF verloren. Der Faktor F für das Verhält
nis von Verdrehsteifigkeit des Starter-Antriebsstranges an sich und
der Drehsteifigkeit des Federspeichers 28 ist daher < 4 zu wählen.
Die Eigenfrequenz foSt der Drehschwingung des Antriebsstranges 100
hängt von seinem Trägheitsmoment JSt (auf die Ritzelwelle bezogen)
sowie von seiner Verdrehsteifigkeit CSt0 ab nach der Gleichung:
(Brennkraftmaschine als starr betrachtet)
Bei unverändertem Trägheitsmoment des Starter-Antriebsstrangs wird
durch den Federspeicher 28 die Eigenfrequenz foSt1 der Drehschwin
gung des Antriebsstrangs auf weniger als die Hälfte gegenüber der
Eigenfrequenz foSt ohne Federspeicher herabgesetzt. Sie beträgt im
Beispielsfall
das heißt weniger als 1/3 der Eigenfrequenz des Antriebsstranges ohne
Federspeicher 28.
Fig. 5 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel für Linkslauf
ein als Planetengetriebe ausgebildetes Vorgelege 14 der Andrehvor
richtung 10, bei dem der Federspeicher 28 aus zwei sich diametral
gegenüberliegenden Federelementen 30 gebildet ist. Diese Feder
elemente 30 bestehen aus mäanderförmig gebogenen Blattfedern 40, die
als vorgespannte Druckfedern ausgebildet zwischen Hohlrad 15 und
Zwischenlager 29 eingesetzt sind. Die Blattfedern 40 sind dabei mit
ihren Enden spangenförmig jeweils auf einen Rastvorsprung 41 am
Außenumfang des Hohlrades 15 und einen weiteren Rastvorsprung 42 am
Zwischenlager 29 derart aufgeklemmt, daß sie in Antriebsrichtung
wirksam werden können. Durch die Vorspannung der Blattfedern 40 wird
das Hohlrad 15 mit den zwei Rastvorsprüngen 41 jeweils gegen einen
Anschlag 43 am Zwischenlager 29 angedrückt. Beide Blattfedern 40
bilden hierbei den Federspeicher 28, dessen auf das Einspurritzel 22
bezogenes Vorspanndrehmoment und Verdrehsteifigkeit durch die Stärke
und Gestalt der Blattfedern 40 bestimmt wird.
In Fig. 6 und 7 ist als weiteres Ausführungsbeispiel des Feder
speichers 28 auf den einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen
des Hohlrades 15 jeweils als Federelement 30 eine mäanderförmig ge
bogene Blattfeder 45 angeordnet, deren Enden spangenförmig auf
jeweils einen Vorsprung 43 und 46 am Zwischenlager 29 aufgeklemmt
sind. Im mittleren Bereich ist die Blattfeder 45 jeweils auf den
Rastvorsprung 41 am Außenumfang des Hohlrades 15 aufgeklemmt. Zur
Einstellung der Vorspannung der Blattfedern 45 ist das Hohlrad 15
aus der neutralen Stellung der Blattfedern 45 in Antriebsrichtung um
einen Winkel γ verdreht und dort jeweils an dem Anschlag 43 des Zwi
schenlagers 29 abgestützt. Dadurch wirkt die Blattfeder 45 mit ihrem
vor dem Anschlag 43 liegenden Bereich 45a als Druckfeder und mit
ihren hinter dem Anschlag 43 liegenden Bereich 45c als Zugfeder. Je
nach Größe des Verdrehwinkels ϕR in der Anschlagstellung läßt sich
die Vorspannung der Blattfeder 45 einstellen.
Die Fig. 8 bis 12 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der erfin
dungsgemäßen Andrehvorrichtung 10 mit einem Federspeicher 28 im
Antriebsstrang. Hierbei wird der Federspeicher 28 durch ein an sich
bekanntes Schenkelfederpaket 50 realisiert. Aus Fig. 8 ist in der
Schnittdarstellung der Andrehvorrichtung 10 erkennbar, daß das
Schenkelfederpaket 50 vor dem Hohlrad 15 auf einem Kragen 51 des
einen Teil des Gehäuses 16 bildenden Zwischenlagers 29 angeordnet
ist und aus mehreren axial nebeneinander geschichteten Federlamellen
52 besteht.
Fig. 9 zeigt eine der Federlamellen 52, die aus Federstahlblech
gestanzt ist und zwei einander gegenüberliegende Bohrungen 53 auf
weist. An den Enden der beidseitig einer jeden Bohrung 53 an ihrem
Umfang freigestanzten Schenkelfedern 54 sind jeweils gemäß Fig. 10
Rastmittel 55 angeformt, die jeweils mit den Rastmitteln 55 der be
nachbarten Federlamelle 52 im Eingriff stehen. Aus dem in Fig. 10
dargestellten Schnitt der Federlamellen 52 nach der Linie X-X aus
Fig. 9 ist ferner erkennbar, daß die Enden 54a der Schenkelfedern
54 abwechselnd zu der einen oder zu der anderen Seite hin zu Haken
54a abgekröpft sind, so daß die nebeneinander liegenden Schenkel
federn 54 an ihren Enden ineinandergreifen. Das am Vorgelege 14
konzentrisch angeordnete Schenkelfederpaket 50 ist in der Weise
unter Vorspannung in die Andrehvorrichtung 10 eingesetzt, daß gemäß
Fig. 8 die rechte Endlamelle 52a mit den Bohrungen 53 an Bolzen 56
im Hohlrad 15 des Vorgeleges 14 einrastet und daß die linke Endla
melle 52a mit ihren Bohrungen 53 auf entsprechende Bolzen 57 ver
rastet wird. Über die miteinander verhakten Enden 54a wirkt nun
jeweils die Vorspannkraft Pv auf die Schenkelfedern 54, wobei sich
die Enden der Schenkelfedern 54 jeweils um ihre Biegeachse Y auf der
strichpunktierten Linie Z nach innen biegen.
Durch diese Ausführung der Federelemente 30 in Form von leicht
stanzbaren Federlamellen 52 läßt sich ein axial kurz bauender Feder
speicher 28 aus gleichen Teilen aufbauen. Die äußeren Federlamellen
52a werden zur Übertragung der Federkräfte mit den übrigen Federla
mellen 52 der Anordnung über die Rastmittel 55 verbunden. Die Kraft
übertragung an den Endlamellen 52a über die Bohrungen 53 ist beson
ders zweckmäßig, da sich die Enden der Schenkelfedern 54 bei stei
gender Belastung nach innen bewegen und somit Reibung und eventuell
Verschleiß bei einer Verrastung der Schenkelfederenden 54a am Hohl
rad 15 bzw. am Zwischenlager 29 auftreten würde. Die innere Durch
gangsbohrung 58 der Federlamellen 52 weist einen kleinen Bund 59
auf, der als Abstandshalter zwischen den einzelnen Federlamellen 52
dient, d. h. daß zwischen den Federlamellen 52 nur eine minimale
Reibung auftritt. Zur Versteifung der Schenkelfederenden 54a können
diese zusätzlich mit einer Sicke 60 versehen werden.
Anstelle der abgekröpften Schenkelfederenden 54a zeigen Fig. 11 und
12 eine andere Ausführungsform der Rastmittel 55, indem dort die
Enden 54b abwechselnd mit einer Warze 61 und einem entsprechenden
Mitnehmerloch 62 versehen sind. Mit diesen Rastmitteln 55 kön
nen - wie in Fig. 12 dargestellt - die axial nebeneinanderliegenden
Enden 54b der benachbarten Schenkelfedern 54 durch Warze 61 und Mit
nehmerloch 62 ineinandergreifen. Auch hierbei wird das kompakter
bauende Schenkelfederpaket durch Verdrehen der Endlamellen in
Richtung des Antriebsdrehmomentes zwischen dem gehäusefesten Bolzen
57 des Zwischenlagers 29 und dem Bolzen 56 des Hohlrades 15 vorge
spannt montiert. Auch hier liegt das Hohlrad in der vorgespannten
Stellung an einem gehäusefesten Anschlag an.
Da diese Federelemente über die innere Durchgangsbohrung 58 zen
triert werden, ist ein Federspeicher 28 mit solchen Federelementen
30 auch für rotierende Anordnungen, zum Beispiel zwischen dem Ab
trieb des Planetengetriebes 14 und der Freilaufkupplung 20 oder
zwischen der Freilaufkupplung 20 und dem Einspurritzel 22 gut einzu
setzen. Unwuchtprobleme durch Massenverlagerungen als Folge von Ver
schleiß sind dabei weitgehend ausgeschlossen. Wie auch bei den an
deren Ausführungen des Federspeichers 28 ist auch hier ein Überlast
schutz durch einen Verdrehanschlag zwischen Hohlrad 15 und gehäuse
festem Zwischenlager 29 sicherzustellen, wie dies in Fig. 2 bei
spielsweise dargestellt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 13 und 14 darge
stellt, wobei der Federspeicher 28 einerseits am Vorgelege 14 und
andererseits an der Abtriebswelle 18 angreift, die über das Steil
gewinde 70 mit dem Mitnehmer 19 der Freilaufkupplung 20 zusammen
wirkt. Auch hier bildet das Vorgelege 14 ein Planetengetriebe, des
sen Planetenträger 17 eine zentrische Öffnung 71 zur Aufnahme der
Abtriebswelle 18 aufweist. Aus Fig. 14 ist erkennbar, daß diese
zentrische Öffnung 71 drei am Umfang verteilte Ausnehmungen 72
aufweist, in welche jeweils eine radial nach außen gerichtete Rippe
73 der Abtriebswelle 18 hineinragt. Ferner sind in diesen Ausneh
mungen 72 Federelemente 30 des Federspeichers 28 in Form von Schrau
bendruckfedern 74 eingesetzt, die sich unter Vorspannung jeweils
einerseits an einer Rippe 73 und andererseits an einer Schulter 75
der Ausnehmungen 72 abstützen.
Fig. 15 und 16 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel den vorderen
Teil des Antriebsstrangs der Andrehvorrichtung mit dem Führungsring
26, der Einspurfeder 27, dem Mitnehmer 19, die Freilaufkupplung 20
und dem Einspurritzel 22. Dort greift der Federspeicher 28 zum einen
an der Freilaufkupplung 20 und zum anderen am Einspurritzel 22 an.
Aus Fig. 16 ist erkennbar, daß auch hier als Federelemente 30 meh
rere am Umfang verteilte Schraubendruckfedern 80 zwischen der Nabe
21 der Freilaufkupplung 20 und dem Einspurritzel 22 angeordnet sind,
in dem die Schraubendruckfedern 80 ähnlich wie in Fig. 14 jeweils
an einer radial nach außen gerichteten Rippe 81 am Einspurritzel 22
und einer Schulter 82 in jeweils einer Ausnehmung 83 der Nabe 21
unter Vorspannung eingesetzt sind.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind jeweils für eine Andreh
vorrichtung 10 vorgesehen, die eine bestimmte Drehrichtung hat. Der
Federspeicher 28 ist somit nur für die Antriebsrichtung der Andreh
vorrichtung wirksam.
Claims (19)
1. Andrehvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Andrehmotor,
dessen Antriebswelle über eine Freilaufkupplung mit einem axial ver
schiebbaren Einspurritzel verbunden ist, welches in einem Zahnkranz
der Brennkraftmaschine einspurt, und mit einem bei Drehung, insbe
sondere in Antriebsrichtung, ansprechenden Federspeicher im An
triebsstrang zwischen Einspurritzel und Antriebswelle des Andreh
motors, der Drehmomentanstöße zwischen Einspurritzel und Antriebs
welle dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß der Federspeicher (28) mit
einem in Antriebsrichtung wirksamen Vorspanndrehmoment (Mv) im An
triebsstrang (100) angeordnet ist, welches 15% bis 50% des auf die
Ritzeldrehung (ϕR) bezogenen Kurzschlußdrehmomentes Mk des An
drehmotors (11) beträgt und daß das Verhältnis der Verdrehsteifig
keit (CSt0) des vom Andrehmotor (11) bis zum Einspurritzel (22)
gebildeten Antriebsstranges (100) der Andrehvorrichtung (10) ohne
Federspeicher (28) und auf das Kurzschlußmoment (Mk) bezogen zu der
am Einspurritzel (22) wirksamen Verdrehsteifigkeit (CF) des Feder
speichers (28) größer 4 ist.
2. Andrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Eigenfrequenz der Drehschwingung des Antriebsstranges (100)
durch die Verdrehsteifigkeit (CF) des Federspeichers (28) weniger
als 1/2 gegenüber der Eigenfrequenz ohne Federspeicher (28) beträgt.
3. Andrehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Antriebsstrang (100) der Antriebsvorrichtung (10) ein der Frei
laufkupplung (20) vorgeschaltetes Vorgelege (14) enthält, wobei der
Federspeicher (28) am Vorgelege (14) und/oder an der Freilaufkupp
lung (20) unter Vorspannung angreift.
4. Andrehvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Federspeicher (28) zwischen einem Hohlrad (15) eines Planeten
getriebes als Vorgelege (14) und einem feststehenden Teil (29) des
Gehäuses (16) der Andrehvorrichtung (10) angeordnet ist.
5. Andrehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Federspeicher (28) aus mehreren, am Umfang des Hohlrades (15)
verteilt angreifenden Federelementen (30) besteht, die sich am fest
stehenden Gehäuseteil (29) abstützen.
6. Andrehvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Federelemente (30) das Hohlrad (15) mit mindestens einem daran
ausgebildeten Vorsprung (41) unter Vorspannung (Pv) entgegen der
Antriebsrichtung der Andrehvorrichtung (10) gegen mindestens einen
gehäusefesten Anschlag (32) drücken.
7. Andrehvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorsprünge (31) am Hohlrad (15) radial nach außen gerichtet und
die Federelemente (30) am Außenumfang des Hohlrades (15) angeordnet
sind.
8. Andrehvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Federelemente (30) Schraubendruckfedern (35) sind.
9. Andrehvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Federelemente (30) mäanderförmig gebogene Blatt
federn (40, 45) sind.
10. Andrehvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Blattfedern (40) als Druckfedern ausgebildet sind,
deren Enden spangenförmig auf Rastvorsprünge (41, 42) am Hohlrad
(15) und am Gehäuseteil (29) aufgeklemmt sind.
11. Andrehvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Blattfedern (45) an beiden Enden am Gehäuseteil (29) befestigt
sind und im mittleren Bereich jeweils auf einen Rastvorsprung (41)
am Hohlrad (15) aufgeklemmt sind, wobei das Hohlrad (15) aus der
neutralen Stellung der Blattfedern (45) heraus in Antriebsrichtung
verdreht an einem gehäusefesten Anschlag (43) unter Vorspannung (Pv)
anliegt.
12. Andrehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Federspeicher (28) aus einem Schenkelfederpaket (50) gebildet
ist, bei dem mehrere nebeneinander geschichtete Federlamellen (52)
mit den Enden (54a; 54b) der an ihrem Umfang frei gestanzten Schen
kelfedern (54) mit den Schenkelfederenden der benachbarten Feder
lamellen (52) über Rastmittel (55) im Eingriff stehen.
13. Andrehvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Federlamellen (52) des Schenkelfederpaketes (50) mit einer in
neren Durchgangsbohrung (58) konzentrisch am Vorgelege (14) angeord
net sind, wobei die eine Endlamelle (52a) am Hohlrad (15) und die
andere Endlamelle (52) am Gehäuseteil (29) angreift.
14. Andrehvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Enden (54a) der Schenkelfedern (54) abwechselnd zu der einen
oder anderen Seite abgekröpft sind, so daß die nebeneinanderliegen
den Schenkelfedern (54) an ihren Enden (54a) hakenförmig ineinander
greifen.
15. Andrehvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Enden (54b) der Schenkelfedern (54) abwechselnd mit einer Warze
(61) und einem entsprechenden Mitnehmerloch (62) versehen sind, so
daß die nebeneinanderliegenden Schenkelfedern (54) an ihren Enden
(54b) ineinandergreifen.
16. Andrehvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schenkelfederpaket (50) durch Verdrehen der
Endlamellen (52a) in Antriebsrichtung beim Einsetzen des Hohlrades
(15) auf einen gehäusefesten Anschlag (29) vorgespannt sind.
17. Andrehvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als Federspeicher (28) mehrere am Umfang verteilte Federelemente
(30) zwischen einem Planetenradträger (17) und der Abtriebswelle (18)
des Vorgeleges (14) angeordnet sind.
18. Andrehvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als Federspeicher (28) mehrere am Umfang verteilte Federelemente
(30) zwischen einer Nabe (21) der Freilaufkupplung (20) und dem
Einspurritzel (22) angeordnet sind.
19. Andrehvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Federspeicher (28) mit einem Anschlag
(36/37) als Überlastschutz versehen ist.
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