DE60225594T2

DE60225594T2 - Elektrischer starter für ein kraftfahrzeug mit einem startermotor mit verbesserten keilverzahnungen

Info

Publication number: DE60225594T2
Application number: DE60225594T
Authority: DE
Inventors: Gerard Vilou
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: FR2833043B1; EP1461528B1; DE60225594D1; EP1461528A1; PL201139B1; BR0206597A; WO2003046371A1; ATE389108T1; FR2833043A1; PL368822A1

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Anlasser für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor, umfassend:

– einen Elektromotor, dessen Stromversorgung über ein Einrückrelais mit Elektromagnet erfolgt und der einen an eine Ausgangswelle gekoppelten Rotor aufweist,
– eine Einspurvorrichtung mit einem Ritzel für den Antrieb eines Zahnkranzes des Schwungrads des Verbrennungsmotors, wobei das besagte Ritzel axial verschiebbar auf der Ausgangswelle zwischen einer Ruheposition, in der es aus dem Zahnkranz ausgerückt ist, und einer aktiven Arbeitsposition, in der es an dem besagten Zahnkranz eingreift, gelagert ist,
– eine Übertragungsvorrichtung, die zwischen dem Ritzel und einer Antriebsnabe angeordnet ist und die aus zwei Reihen von Schraubennuten mit komplementären Formen besteht, die auf der Ausgangswelle bzw. in einer zylindrischen Innenhülse der Nabe angeordnet sind, wobei die besagte Übertragungsvorrichtung Mittel umfasst, um das Ritzel während der normalen Anlassphase drehend anzutreiben und um die mechanische Antriebsverbindung auszurücken, wenn die Drehzahl des Ritzels größer als die der Nabe ausfällt,
– und einen mit dem Einrückrelais verbundenen Steuermechanismus für die geradlinige Verschiebebewegung der Einspurvorrichtung zwischen den beiden durch Anschlagmittel definierten Ruhe- und Arbeitspositionen.

Stand der Technik
Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Kraftfahrzeuganlasser herkömmlicherweise, wie dies zum Beispiel in der FR-A-2 673 247 beschrieben ist, einen rotierenden Elektromotor 10 mit einem Rotor, der an eine Ausgangswelle 12 gekoppelt ist, die mit einem beweglichen Ritzel 14 bestückt ist, dessen Aufgabe darin besteht, mit einem Anlasszahnkranz 16 zusammenzuwirken, um das Anlassen des (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs herbeizuführen. Das Ritzel 14 ist gleitend verschiebbar auf der Ausgangswelle 12 zwischen einer Ruheposition, in der es aus dem Zahnkranz 16 ausgerückt ist, und einer aktiven Arbeitsposition gelagert, in der es an dem besagten Zahnkranz 16 eingreift, der seinerseits drehfest mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbunden ist.
Im Einzelnen gehört der Zahnkranz 16 zu einem Schwungrad, das starr oder elastisch drehfest mit der Kurbelwelle des Fahrzeugmotors verbunden ist. Der Elektromotor 10 umfasst eine Ausgangswelle, die mit der Ausgangswelle 12 zusammenfällt oder die mit dieser, wie in dieser 1 zu erkennen, über ein Planetenuntersetzungsgetriebe verbunden ist. In allen Fällen haben die Ausgangswelle 12 und die Ausgangswelle des Elektromotors 10 die gleiche axiale Symmetrieachse. Dieser Elektromotor umfasst bekannterweise einen Erregerstator, der einen fest mit der Ausgangswelle des Motors 10 verbundenen erregten Rotor umgibt. Der Rotor umfasst ein Blechpaket aus genuteten Blechen für die Aufnahme von Wicklungen, die mit einem in 1 nicht durch eine Bezugsnummer bezeichneten Kommutator verbunden sind.
Der Elektromotor 10 des Anlassers ist mit einem Einrückrelais 18 mit Elektromagnet 17 verbunden, das hier über dem Elektromotor 10 angeordnet ist und eine zweifache Funktion zur Stromversorgung des Elektromotors 10 und zur Verschiebung des beweglichen Ritzels 14 zwischen den beiden Positionen Ruhe- und Arbeitsposition erfüllt. Die Erregung des Elektromagneten 17 des Einrückrelais 18 wird durch die Betätigung des Zündschlüssels gesteuert, wodurch der Stromkreis zur Batterie im Anschluss an das Schließen des Hauptleistungskontakts 19 des Einrückrelais 18 hergestellt wird.
Dieses elektromagnetische Einrückrelais 18 umfasst einen ortsfesten Kern 46, eine in 1 durch Kreuze angedeutete Betätigungsspule eines beweglichen Kerns 20, der auf einen als Hauptkontakt bezeichneten beweglichen Kontakt 19 einwirken kann, um diesen in Kontakt mit (in 1 nicht durch Bezugsnummern bezeichneten) Klemmen zu verschieben und den Elektromotor mit Strom zu versorgen. Die Kerne 46 und 20 sowie die Betätigungsspule gehören zum Elektromagneten 17.
Im Einzelnen ist der Kontakt 19 an einem (nicht durch eine Bezugsnummer bezeichneten) Stift angebracht, der gleitend verschiebbar im ortsfesten Kern 46 gelagert ist, während die Klemmen an einer Abdeckkappe angebracht sind, wobei eine der Klemmen mit der Plusklemme der Batterie und die andere mit dem Elektromotor verbunden ist.
Der Steuermechanismus ist mit dem beweglichen Kern verbunden und umfasst hier einen Einrückhebel. Im Einzelnen ist der bewegliche Kern 20 des Einrückrelais 18 durch einen Einrückhebel 22 mechanisch mit einer Einspurvorrichtung 24 verbunden, die eine Nabe 30, das Ritzel 14 und eine Übertragungsvorrichtung, hier in der Ausführung mit Freilauf 26, umfasst. Der in Form einer Gabel ausgeführte Einrückhebel 22 ist drehbar auf einer Achse 28 gelagert, die an einem Stift angebracht ist, der über eine Feder 48 elastisch mit dem beweglichen Kern 20 verbun den ist, während der Freilauf 26 axial zwischen dem Ritzel 14 und der durch den Einrückhebel 22 betätigten Antriebsnabe 30 eingefügt ist. Die Ausgangswelle 12 und die Ausgangswelle des Elektromotors 12 sind über eine Lagerung 34 und ein Wälzlager 36 drehbar in einem Gehäuse 32 gelagert. Das Gehäuse 32 umfasst einen vorderen Teil, der das Wälzlager 36 trägt und dazu bestimmt ist, an einem ortsfesten Teil des Fahrzeugs befestigt zu werden, und einen hinteren Teil in Form eines Jochs, der anhand von Zugankern, von denen einer in 1 zu erkennen ist, am vorderen Teil angefügt ist. Der vordere Teil des Gehäuses 32 trägt das Wälzlager 36 und weist eine Ausnehmung für den Durchgang des Zahnkranzes 16 auf, während der hintere Teil des Gehäuses 32 die Lagerung 34 sowie den Stator des Elektromotors 10 trägt und als Aufnahme für den Rotor dieses Elektromotors 10 dient.
Zwischen den beiden Positionen Ruhe- und Arbeitsposition wird das Ritzel 14 der Einspurvorrichtung 24 über ein Lager 38 gleitend verschiebbar auf einem glatten Teilstück der Ausgangswelle 12 geführt.
Die Antriebsnabe 30 wird über zwei Reihen von Schraubennuten 40, 42 mit komplementären Formen drehend betätigt, die am äußeren Umfang der Ausgangswelle 12 bzw. im inneren Umfang einer zylindrischen Innenhülse 31 der Antriebsnabe 30 angeordnet sind.
Das Ritzel 14 ist daher mit der Antriebsnabe 30 durch die ausrückbare Übertragungsvorrichtung mit Freilauf 26 fest verbunden, die es ermöglicht, das Ritzel 14 während der normalen Anlassphase in einer Drehrichtung entsprechend derjenigen der Ausgangswelle 12 anzutreiben und die mechanische Drehantriebsverbindung auszurücken, wenn die Drehzahl des Ritzels 14 größer als die der Antriebsnabe 30 ausfällt. Am Ende des Startens des Verbrennungsmotors verhindert das Vorhandensein der Übertragungsvorrichtung mit Freilauf 26, dass das mit dem Zahnkranz 16 im Eingriff befindliche Ritzel 14 den Rotor 44 des Elektromotors 10 mit einer zu hohen Drehzahl antreibt, die dessen Beschädigung zur Folge haben könnte. Eine solche Situation kann sich einstel len, wenn der Fahrer die Stromversorgung des Einrückrelais 18 nicht unmittelbar nach dem Starten unterbricht.
Bei dem in den 1 und 2 veranschaulichten Freilauf 26 handelt es sich um einen Rollenfreilauf; es kann aber natürlich auch jede andere in einer Richtung wirkende ausrückbare Übertragungsvorrichtung verwendet werden, vor allem eine Reibkegelkupplung, wie sie in den Druckschriften FR-A-2 772 433 und FR-A-2 826 696 der Anmelderin beschrieben ist.
Die Funktionsweise einer solchen herkömmlichen Einspurvorrichtung 24 lässt sich folgendermaßen beschreiben:
Wenn die Antriebsspule des Elektromagneten 17 aktiviert ist, wird der bewegliche Kern 20 zum ortsfesten Kern 46 des Einrückrelais 18 angezogen, was die geradlinige Verschiebung der Einspurvorrichtung 24 zur Arbeitsposition bewirkt. Wenn das Ritzel 14 in die Zahn-auf-Zahn-Stellung am Zahnkranz 16 gelangt, wird die im Innern des beweglichen Kerns 20 angeordnete Feder 48 zusammengedrückt, wobei sie die Fortsetzung der Anzugsbewegung des beweglichen Kerns 20 freigibt, der den Hauptkontakt 19 am Ende des Verstellwegs zur Erregung des Elektromotors 10 schließt.
Zu diesem Zeitpunkt ermöglicht das Anlaufen des Elektromotors 10 in Kombination mit dem Druck der Feder 48 das Eindringen des Ritzels 14, sobald ein Zahn dieses Ritzels vor eine Zahnlücke des Zahnkranzes 16 gelangt. Die treibende Flanke des Zahns des Ritzels 14 gerät in Kontakt mit der getriebenen Flanke des Zahns des Zahnkranzes 16, aber mit einem unvollständigen Eindringen des Ritzels 14, das in der Größenordnung von 0,5 bis 2 mm liegt. Das durch den Elektromotor 10 an das Ritzel 14 übertragene Drehmoment erzeugt die Kontaktkraft am Zahn des Zahnkranzes 16, was wiederum eine Reibkraft hervorbringt, die dem weiteren Eindringen des Ritzels 14 am Zahnkranz 16 entgegenwirkt, da der Gegendruck der Feder 48 nicht ausreicht, um die Reibkraft zu überwinden. Die Übertragung des gesamten Drehmoments in dieser Position mit unvollständigem Eindringen des Ritzels 14 würde hohe Kontaktdrücke verursachen, die eine schnelle Beschädigung der Zahnungen zur Folge haben könnten.
Die Schraubenform der Nuten 40, 42 der Antriebsnabe 30 hat es ermöglicht, die Einführungsphase des Ritzels 14 zu verbessern, da die Schraubenlinie eine Kraft erzeugt, deren axiale Komponente zusammen mit dem Druck der Feder 48 das Ritzel 14 in den Zahnkranz 16 drückt. Daraus resultiert eine Einschraubwirkung der Einspurvorrichtung 24, bis das Ritzel 14 zum axialen Anschlag an einer auf der Welle 12 in der Nähe des Wälzlagers 36 angebrachten Sperre 50 gelangt. Während dieses Einspurwegs des Ritzels 14 fällt der Kontaktdruck an den Zähnen relativ niedrig aus.
Am Ende des Eindringwegs der Einspurvorrichtung 24, das der Arbeitsposition entspricht, treibt das Ritzel 14 den Zahnkranz 16 drehend an. Das Drehmoment erhöht sich dann schnell, da das Widerstandsmoment des Verbrennungsmotors überwunden werden muss. Der Kontaktdruck bleibt jedoch akzeptabel, da die Eingrifflänge zwischen dem Zahn des Ritzels 14 und dem Zahn des Zahnkranzes 16 maximal ausfällt.
Am Ende des Anlassvorgangs erreicht der Verbrennungsmotor seine Leerlaufdrehzahl, wobei er das Ritzel 14 der Einspurvorrichtung 24 mit einer sehr hohen Drehzahl antreibt. Der Freilauf 26 bzw. die Kegelkupplung wird dann in entgegengesetzter Richtung beansprucht, wobei sie freigegeben wird, um den Elektromotor 10 vor einer Überdrehzahl zu schützen. Die Einspurvorrichtung 24 tendiert dann dazu, sich an den Nuten 40 der Welle 12 auszuschrauben, wodurch eine axiale Kraft erzeugt wird, die auf eine Rückführung der Einspurvorrichtung 24 zu einem Anschlag 52 hinwirkt, der entgegengesetzt zur Sperre 50 angeordnet und in 1 am Planetenuntersetzungsgetriebe angebracht ist. Diese axiale Gegendruckkraft kommt zu den Rückstellkräften des beweglichen Kerns 20 des Elektromagneten 17 nach der Unterbrechung der Stromversorgung des Einrückrelais 18 hinzu. Das Ritzel 14 löst sich rasch aus dem Zahnkranz 16 mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um einen Verschleiß und eine Beschädigung der Enden der Zähne zu vermeiden.
Das Vorhandensein der Schraubennuten 40, 42 der Einspurvorrichtung 24 der 1 und 2 weist somit einen zweifachen Vorteil auf:

– Sie vereinfachen das Eindringen des Ritzels 14 in den Zahnkranz 16, wobei ein vorzeitiger Verschleiß der Zahnflanken verhindert wird.
– Sie erhöhen die Austrittsgeschwindigkeit des Ritzels 14, wobei die Beschädigung der Stirnflächen der Zahnungen vermieden wird.

Die Nuten 40, 42 einer herkömmlichen Einspurvorrichtung weisen abgewickelt geradlinige Flanken auf, die einen konstanten Neigungswinkel bezogen auf die Achse der Welle 12 haben (siehe 2).
Es wurde festgestellt, dass diese Vorteile umso ausgeprägter sind, je größer der Neigungswinkel der Nuten 40, 42 im Verhältnis zur Längsachse ausfällt. Die Vergrößerung des Neigungswinkels der Nuten 40, 42 verursacht aber eine Vergrößerung der durch die Drehmomentspitzen beim Antrieb des Verbrennungsmotors erzeugten axialen Kraft. Diese Kraft wird gegen die Sperre 50 ausgeübt, die dementsprechend ausgelegt sein muss, um einen vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden. Die Sperre 50 umfasst in der Regel einen elastischen Ring 54, der in einer ringförmigen Auskehlung der Ausgangswelle 12 aufgenommen ist, und einen kreisförmigen Ring 56, der den Ring 54 konzentrisch abdeckt. Am Ende des Arbeitswegs kommt das Ritzel 14 an der Stirnfläche des Rings 56 zum Anschlag.
Die Nachteile eines zu großen Winkels der Schraubennuten lassen sich wie folgt zusammenfassen:

– Verschleißgefahr an der Oberfläche des Rings 54 in Kontakt mit der Welle 12;
– Verschleißgefahr an der Oberfläche des Rings 54 in Kontakt mit dem Ring 56;
– Schergefahr des elastischen Rings 54;
– Verschleiß- bzw. Bruchgefahr beim Ring 56;
– Beschädigung der Auskehlung zur Aufnahme des Rings 54;
– Bruchgefahr bei der Welle 12 im Bereich der Auskehlung.

Um diese Risiken zu verringern, kollidiert eine Verstärkung der mechanischen Festigkeit der Sperre 50 durch Vergrößerung ihrer Auslegung mit einem Problem im Zusammenhang mit dem Bauraumbedarf. Denn der Außendurchmesser des Rings 56 darf nicht größer als der Durchmesser des Ritzels 14 sein, um jeden Kontakt mit dem Zahnkranz 16 zu verhindern. Eine Vergrößerung des Querschnitts des Rings 54 würde eine größere Auskehlung erforderlich machen, wodurch wiederum die mechanische Festigkeit der Welle 12 verringert würde.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Geräuschentwicklung, die durch das mechanische Anstoßen des Ritzels 14 beim Anschlag an der Sperre 50 erzeugt wird. Je größer der Neigungswinkel der Schraubennuten 40, 42 ausfällt, umso stärker wird dieses Anstoßen und damit auch die Geräuschentwicklung. Diese Geräuschentwicklung tritt auch bei jeder Kompressions- und Dekompressionsphase des Verbrennungsmotors auf, wenn dieser durch den Anlasser angetrieben wird. Denn bei jeder Dekompression treibt der Verbrennungsmotor das Ritzel 14 mit einer Drehzahl an, die größer als die der Ausgangswelle 12 ist. Daraus resultiert ein kurzzeitiger Freilaufbetrieb mit Ausgleich der Zahnspiele und Rückstellung des Ritzels 14. Bei der nachfolgenden Kompression wird der Anlasser wieder treibend mit einem Ausgleich des Zahnspiels und des Spiels an der Sperre 50, was wiederum zu einem mechanischen Anstoßen und einer Geräuschentwicklung führt.
Gegenstand der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und einen Anlasser auszuführen, der das Eindringen des Ritzels der Einspurvorrichtung in den Zahnkranz erleichtert und die mechanischen Beanspruchungen während des Betriebs verringert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schraubennuten der Antriebsnabe einen Kontaktwinkel aufweisen, der in Abhängigkeit von der axialen Position der Einspurvorrichtung zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition veränderlich ist, wobei der besagte Kontaktwinkel durch die Neigung der Tangente am Eingriffspunkt eines Nabenzahns mit einer der Flanken von zwei aufeinanderfolgenden Wellenzähnen bestimmt ist.
Der Kontaktwinkel ist vorteilhafterweise auf der Seite der Ruheposition größer als auf der Seite der Arbeitsposition.
Eine derartige Einspurvorrichtung ermöglicht es daher, eine zweifache Zielsetzung zu erreichen, die darin besteht, einerseits das Eindringen des Ritzels in den Zahnkranz und anschließend sein Austreten zum Zeitpunkt des Ausspurens zu erleichtern und andererseits die mechanischen Rückwirkungen zu verringern, die durch das Ritzes auf den Halteanschlag am Ende des Eingreifens in den Zahnkranz ausgeübt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart liegt der Kontaktwinkel zum Zeitpunkt des Eindringens des Ritzels und zum Zeitpunkt seines Austritts aus dem Zahnkranz zwischen 15° und 30°. Wenn das Ritzel in der Arbeitsposition an der Sperre zum Anschlag kommt, und während des Antriebs des Verbrennungsmotors liegt der Kontaktwinkel zwischen 0° und 20°.
Um ein sanftes Eindringen und Austreten des Ritzels in den bzw. aus dem Zahnkranz herbeizuführen, kann die Vorrichtung vorteilhafterweise durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale ergänzt werden:

– Der Kontaktwinkel kann stetig oder unstetig veränderlich sein.
– Bei einer vorbestimmten axialen Position der Einspurvorrichtung fällt der Kontaktwinkel unterschiedlich aus, je nachdem, ob der Nabenzahn mit der Flanke eines Wellenzahns oder mit der gegenüberliegenden Flanke des benachbarten Wellenzahns zusammenwirkt.
– Jeder Nabenzahn ist so gestaltet, dass ein Betriebsspiel zwischen den entsprechenden Flanken der Wellenzähne definiert wird, wobei das besagte Spiel minimal ausfällt, wenn sich die Einspurvorrichtung in der Arbeitsposition befindet.
– Die Flanken der Wellenzähne und der Nabenzähne weisen aufeinander abgestimmte Formen auf, insbesondere geradlinige oder gekrümmte Segmente, um die Kontaktfläche im Eingriff zu vergrößern.
– Jeder Nabenzahn weist ein abgerundetes und entlang der Verschieberichtung in der Wellennut gestrecktes Profil auf.
– Jeder Nabenzahn weist eine Prismenform auf, die mit geneigten Geradensegmenten zusammenwirkt, die zu den Flanken der Wellenzähne gehören.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsarten der Erfin dung, die als Beispiele ohne einschränkende Wirkung angeführt werden und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Darin zeigen im Einzelnen:
1 eine schematische Schnittansicht eines bekannten Anlassers nach dem Stand der Technik;
2 eine Ansicht der Einspurvorrichtung, mit welcher der in 1 dargestellte Anlasser ausgerüstet ist;
die 3 bis 7 abgewickelte schematische Ansichten einer ersten Ausführungsart einer erfindungsgemäßen Einspurvorrichtung, wobei sich die Nuten der Welle und der Einspurvorrichtung bei den Eingriffs- und Austrittsphasen des Ritzels in unterschiedlichen Positionen befinden;
die 8 bis 12 ähnliche Ansichten wie die 3 bis 7 zu einer Ausführungsvariante der Nuten.
Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsarten
Zur Bezeichnung gleichartiger oder identischer Teile wie in den 1 und 2 werden jeweils die gleichen Bezugsnummern verwendet.
Unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 basiert die vorliegende Erfindung auf Schraubennuten 40, 42 mit einem veränderlichen Neigungswinkel in Abhängigkeit von der jeweiligen axialen Position der Einspurvorrichtung 24 entlang der Ausgangswelle, die in 1 bei 12 dargestellt ist.
In 3, die der Ruheposition der Einspurvorrichtung 24 entspricht, ist die geometrische Achse der Ausgangswelle 12 des Anlassers bei XX' dargestellt. Zwei der Wellenzähne 40a, 40b umfassen jeweils gekrümmte Flanken AB, CD, die eine Wellennut 40 begrenzen, die eine veränderliche Neigung bezogen auf die Achse XX' aufweist, im Gegensatz zu den geradlinigen Flanken mit konstantem Neigungswinkel, die bei den Anlassern nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet werden. Der Zahn 42a einer Nut 42 der Antriebsnabe 30 ist durch ein abgerundetes Profil angedeutet, das insgesamt entlang einer Richtung gestreckt ist, die in etwa derjenigen der Wellennut 40 benachbart ist. Das Profil ist hier insgesamt oval ausgeführt. Mehrere Zähne 40a, 40b, 42a sind in gleichmäßigen Abständen am Umfang der Welle 12 verteilt, um die Kontaktbeanspruchungen beim Betrieb des Anlassers zu verringern.
Die axiale Position des Mittelpunkts des Zahns 42a der Nabe 30 ist durch X₀ auf der Achse x parallel zur Achse XX' der Welle 12 dargestellt. Diese Position X₀ entspricht der axialen Ruheposition der Einspurvorrichtung, in der sich der Zahn 42a in K1 in Kontakt mit der treibenden Flanke AB befindet. Die Tangente in K1 bildet einen Winkel a1 mit der Achse XX'.
In 4 gelangt das Ritzel 14 zum Anschlag gegen den Zahnkranz 16, wobei sich die Einspurvorrichtung 24 zu diesem Zeitpunkt in der axialen Position X₁ befindet. Der Abstand X₀X₁ stellt den Zwischenraum zwischen dem Zahnkranz 16 und der Einspurvorrichtung 24 im Ruhezustand dar. Der Elektromotor 10 fängt an zu laufen (siehe Pfeil R zur Veranschaulichung der Drehung der Welle 12), wodurch der Zahn 42a gegen die treibende Flanke AB im Punkt K2 gehalten wird. Die Tangente im Punkt K2 bildet einen Winkel a2 mit der Achse XX', der das Eindringen des Ritzels 14 in den Zahnkranz 16 begünstigt. Der Wert des Winkels a2 wird vorzugsweise zwischen 15° und 30° gewählt.
Wenn ein Zahn des Ritzels 14 vor eine Zahnlücke des Zahnkranzes 16 gelangt, beginnt das Ritzel 14 sein Eindringen in den Zahnkranz 16. Das Drehen des Elektromotors 10 begünstigt dann das weitere Eindringen beim Vorliegen eines großen Winkels a2.
In 5 gelangt das Ritzel 14 in Anschlag gegen die Sperre 50, wobei sich die Einspurvorrichtung 24 zu diesem Zeitpunkt in der axialen Position X2 entsprechend ihrer Endlage befindet. Der Abstand X₀X₂ stellt den axialen Gesamtverstellweg des Ritzels 14 zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition dar. Da der Verbrennungsmotor angetrieben werden soll, befindet sich der Zahn 42a der Antriebsnabe 30 weiterhin in Kontakt mit der treibenden Flanke AB im Punkt K3. Die Tangente im Punkt K3 bildet einen Winkel a3 mit der Achse der Welle 12. Der Wert des Winkels a3 ist kleiner als der Winkel a2, so dass der Kontaktdruck gegen die Sperre 50 verringert wird. Der Wert des Winkels a3 wird vorzugsweise zwischen 0° und 20° gewählt.
Die Anlaufgeschwindigkeit des Ritzels 14 gegen die Sperre 50 verringert sich somit aufgrund der Verkleinerung des Steigungswinkels von a2 zu a3. Das Anstoßen und die Geräuschentwicklung werden dadurch verringert, wodurch wiederum die Beanspruchungen und der Verschleiß der Sperre 50 verringert werden.
In 6 befindet sich die Einspurvorrichtung 24 im Freilaufbetrieb, da sich das Ritzel 14 schneller dreht als die Welle 12. Die Reibkräfte und das Freilaufrestmoment bringen den Zahn 42a der Antriebsnabe 30 in Kontakt mit der Flanke CD des Zahns 40b, der durch die Nut 40 von der Flanke 40a getrennt ist. Die Tangente im Kontaktpunkt K4 bildet einen Winkel a4 mit der Achse der Welle 12.
Der Wert des Winkels a4 wird vorzugsweise zwischen 0° und 20° gewählt, das heißt in der gleichen Größenordung wie der Wert des Winkels a3. Daraus ergibt sich eine Verringerung der Ausschraubkräfte an den Nuten 40, 42, welche die Ursache für die Hin- und Herbewegungen gegen die Sperre 50 im Anschluss an die Kompressions- und Dekompressionsphasen während des Antriebs des Verbrennungsmotors bilden. Ein solcher Wert a4 ermöglicht außerdem eine Verringerung der Geräuschentwicklung und des Verschleißes.
In 7 löst sich das Ritzel 14 der Einspurvorrichtung 24 vom Zahnkranz 16 im Anschluss an die Unterbrechung der Stromversorgung des Einrückrelais 18. Durch die Einwirkung der Rückstellkräfte der Feder 48 des beweglichen Kerns 20 und der Ausschraubkräfte der Einspurvorrichtung 24 wird diese zur Ruheposition zurückgebracht. Wenn der Zahn 42a der Nabe 30 in die axiale Position X₁ gelangt, ist das Ritzel 14 aus dem Zahnkranz 16 ausgetreten. Der Zahn 42a befindet sich im Punkt K5 in Kontakt mit der Flanke CD des Zahns 40b, wobei die Tangente mit der Achse XX' einen Winkel a5 bildet, der vorzugsweise zwischen 15° und 30° ausgewählt wird. Dieser hohe Wert des Winkels a5 sorgt für ein schnelles Austreten des Ritzels 14 aus dem Zahnkranz 16, wodurch die Verschleißerscheinungen durch Reibung der Zahnflächen verringert werden.
Es ist festzustellen, dass zum Zeitpunkt des Eindringens des Ritzels 14 und zum Zeitpunkt seines Austretens aus dem Zahnkranz 16 der Schraubennutwinkel ausreichend groß ist (in der Größenordnung von 15° bis 30°), während beim Anschlag gegen die Sperre 50 am Ende des Eingreifens in den Zahnkranz 16 und während des Antriebs des Verbrennungsmotors der Schraubennutwinkel deutlich kleiner ausfällt (in der Größenordung von 0° bis 20°). Die Veränderung der Neigung des Schraubennutwinkels zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition erfolgt allmählich und stetig.
Es liegt auf der Hand, dass das Profil der Flanke CD anders als das der Flanke AB ausfallen kann. Das Spiel j zwischen dem Zahn 42a und der Flanke AB kann in Abhängigkeit von der Position der Einspurvorrichtung und von den gewählten Profilen der Einspurvorrichtung und der Welle veränderlich sein. Dieses Spiel ist vorzugsweise größer als 0,05 mm, um ein gutes Gleiten ohne Verkantungsrisiko sicherzustellen. Zu große Spiele sind zu vermeiden, insbesondere in der Arbeitsposition, um die Spielausgleichstöße während der Phase des Antriebs des Verbrennungsmotors zu begrenzen.
Unter Bezugnahme auf die 8 bis 12 zu einer Ausführungsvariante weist der Zahn 142a der Antriebsnabe 30 eine Prismenform MNPQRS auf, die durch Formen, Strangpressen oder Kaltprägen hergestellt wird. Jede Flanke der Wellenzähne 140a, 140b besteht aus zwei Segmenten von geneigten Geraden AA1, A1B; CC1, C1D.
Das Segment AA1 bildet einen Winkel a1 mit der Achse der Welle 12, der vorzugsweise zwischen 15° und 30° liegt. Das Segment A1B bildet einen Winkel a3 mit der Achse der Welle 12, der vorzugsweise zwischen 0° und 20° liegt.
Das Segment DC1 bildet einen Winkel a4 mit der Achse der Welle 12, der vorzugsweise zwischen 0° und 20° liegt. Das Segment CC1 bildet einen Winkel a5 mit der Achse der Welle 12, der vorzugsweise zwischen 15° und 30° liegt.
Die Wahl des Werts der Winkel entspricht der vorstehend im Zusammenhang mit den 3 bis 7 beschriebenen Auswahl.
8 entspricht der Ruheposition, in der sich die Kante NM des Zahns 142a der Antriebsnabe 30 in Kontakt mit dem Segment AA1 des Wellenzahns 140a befindet.
9 entspricht dem Kontakt des Ritzels 14 mit dem Zahnkranz 16. Der Kontaktsteigungswinkel zwischen Einspurvorrichtung 24 und Welle 12 bleibt gleich a1, bis der Punkt N zum Zwischenpunkt A1 gelangt.
In 10 erhält der Kontaktsteigungswinkel den Wert a3 bis zum Anlaufen des Ritzels 14 gegen die Sperre 50. Die Kante PN des Zahns 142a der Antriebsnabe 30 befindet sich in Kontakt mit dem Segment BA1 des Wellenzahns 140a.
11 entspricht der Anschlagposition gegen die Sperre 50. Die Kante RS des Zahns 142a der Antriebsnabe 30 befindet sich in Kontakt mit dem Segment DC1 des Wellenzahns 140b.
12 entspricht der Freilaufphase für die Rückstellung der Einspurvorrichtung zur Ruheposition. Der Kontaktsteigungswinkel verändert sich von a4 zu a5, wenn der Punkt R über den Punkt C1 hinaus gelangt ist.
Daraus ergibt sich eine maximale Kontaktfläche, insbesondere in der Arbeitsposition und beim Spielausgleich während des Antriebs des Verbrennungsmotors.
Der Anlasser kann natürlich auch eine andere Struktur aufweisen. So kann insbesondere die Feder 48 von 1 zwischen der Gabel und der Übertragungsvorrichtung 26 zum Einsatz kommen. Als Variante kann diese Feder zwischen der Sperre 50 und dem Ritzel 14 zum Einsatz kommen, wie dies beispielsweise in der US A 2 960 879 zu erkennen ist. Das Ritzel 14 kann sich außerhalb des Gehäuses 32 erstrecken, wie dies in der FR A 2 745 855 beschrieben ist. In diesem Fall befindet sich die Sperre außerhalb des Gehäuses.
Das elektromagnetische Einrückrelais ist als Variante in der axialen Verlängerung des Elektromotors angebracht, wie dies in 6 der am 03.07.2002 eingereichten Patentanmeldung FR 02 08306 zu erkennen ist. In diesem Fall verläuft das Einrückrelais koaxial mit dem Ritzel, und die Spule des Elektromagneten umgibt die Einspurvorrichtung, wobei sie am vorderen Teil des Gehäuses gelagert ist. Die Einspurvorrichtung übernimmt die Funktion des beweglichen Kerns, so dass das Vorhandensein des Einrückhebels nicht unbedingt erforderlich ist. Der Steuermechanismus für die geradlinige Verschiebung der Einspurvorrichtung umfasst daher nicht notwendigerweise einen Hebel. Dieser Mechanismus umfasst als Variante eine Betätigungsvorrichtung, wie sie in der FR A 2 710 696 beschrieben ist. In diesem Fall fällt die Aus gangswelle mit der Ausgangswelle des Elektromotors zusammen, und das Einrückrelais verläuft koaxial mit der Betätigungsvorrichtung, wobei es vor dem Motor 10 angebracht ist.
Als Variante erstreckt sich das Einrückrelais hinter dem Elektromotor senkrecht zu diesem, wie dies in der am 03.07.2002 eingereichten Patentanmeldung FR 02 08356 beschrieben ist. In diesem Fall muss ein Umlenkmechanismus zwischen dem gabelförmigen Einrückhebel und dem beweglichen Kern des Einrückrelais vorgesehen sein. Dieser Mechanismus umfasst einen Stift, der sich parallel zum Elektromotor erstreckt und über diesem verläuft. Dieser Stift kommt zwischen der Einrückgaben und einem Umlenkhebel zum Einsatz, auf den der bewegliche Kern einwirkt.

Claims

Elektrischer Anlasser für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor, umfassend: – einen Elektromotor (10), dessen Stromversorgung über ein Einrückrelais (18) mit Elektromagnet (17) erfolgt und der einen an eine Ausgangswelle (12) gekoppelten Rotor (44) aufweist, – eine Einspurvorrichtung (24) mit einem Ritzel (14) für den Antrieb eines Zahnkranzes (16) des Schwungrads des Verbrennungsmotors, wobei das besagte Ritzel axial verschiebbar auf der Ausgangswelle (12) zwischen einer Ruheposition, in der es aus dem Zahnkranz (16) ausgerückt ist, und einer aktiven Arbeitsposition, in der es an dem besagten Zahnkranz (16) eingreift, gelagert ist, – eine Übertragungsvorrichtung, die zwischen dem Ritzel (14) und einer Antriebsnabe (30) angeordnet ist und die aus zwei Reihen von Schraubennuten (40, 42) mit komplementären Formen besteht, die auf der Ausgangswelle (12) bzw. in einer zylindrischen Innenhülse (31) der Nabe (30) angeordnet sind, wobei die besagte Übertragungsvorrichtung Mittel umfasst, um das Ritzel (14) während der normalen Anlassphase drehend anzutreiben und um die mechanische Antriebsverbindung auszurücken, wenn die Drehzahl des Ritzels (14) größer als die der Nabe (30) ausfällt, – und einen mit dem Einrückrelais (18) verbundenen Steuermechanismus (22) für die geradlinige Verschiebebewegung der Einspurvorrichtung (24) zwischen den beiden durch Anschlagmittel definierten Ruhe- und Arbeitspositionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubennuten (40, 42) der Antriebsnabe (30) einen Kontaktwinkel (a1, a2, a3, a4, a5) aufweisen, der in Abhängigkeit von der axialen Po sition der Einspurvorrichtung (24) zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition veränderlich ist, wobei der besagte Kontaktwinkel durch die Neigung der Tangenten am Punkt des Eingriffs eines Nabenzahns (42a) mit einer der Flanken (AB, CD) von zwei aufeinanderfolgenden Wellenzähnen (40a, 40b) bestimmt ist.
Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel auf der Seite der Ruheposition größer als auf der Seite der Arbeitsposition ist.
Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel stetig oder unstetig veränderlich ist.
Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel zum Zeitpunkt des Eindringens des Ritzels (14) und zum Zeitpunkt seines Austritts aus dem Zahnkranz (16) zwischen 15° und 30° liegt.
Anlasser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwinkel, wenn das Ritzel (14) in der Arbeitsposition an der Sperre (50) zum Anschlag kommt, und während des Antriebs des Verbrennungsmotors zwischen 0° und 20° liegt.
Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorbestimmten axialen Position der Einspurvorrichtung (24) der Kontaktwinkel unterschiedlich ausfällt, je nachdem, ob der Nabenzahn (42a) mit der Flanke (AB) des Wellenzahns (40a) oder mit der Flanke (CD) des benachbarten Wellenzahns (40b) zusammenwirkt.
Anlasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nabenzahn (42a) so gestaltet ist, dass ein Betriebsspiel zwischen den entsprechenden Flanken (AB, CD) der Wellenzähne (40a, 40b) definiert wird.
Anlasser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Spiel minimal ausfällt, wenn sich die Einspurvorrichtung (24) in der Arbeitsposition befindet.
Anlasser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Wellenzähne (40a, 40b; 140a, 140b) und der Nabenzähne 42a, 142b) aufeinander abgestimmte Formen, insbesondere geradlinige oder gekrümmte Segmente, aufweisen, um die Kontaktfläche im Eingriff zu vergrößern.
Anlasser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nabenzahn (42a) ein abgerundetes und entlang der Verschieberichtung in der Wellennut (40) gestrecktes Profil aufweist.
Anlasser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nabenzahn (142a) eine Prismenform (MNPQRS) aufweist, die mit geneigten Geradensegmenten (AA1, A1B; CC1, C1D) zusammenwirkt, die zu den Flanken der Wellenzähne (140a, 140b) gehören.