EP0960276A1 - Schaltungsanordnung für ein einrückrelais - Google Patents

Schaltungsanordnung für ein einrückrelais

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EP0960276A1
EP0960276A1 EP97949879A EP97949879A EP0960276A1 EP 0960276 A1 EP0960276 A1 EP 0960276A1 EP 97949879 A EP97949879 A EP 97949879A EP 97949879 A EP97949879 A EP 97949879A EP 0960276 A1 EP0960276 A1 EP 0960276A1
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EP
European Patent Office
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relay
current
circuit arrangement
engagement
control
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EP97949879A
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EP0960276B1 (de
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Stefan Renner
Claus Kramer
Karl-Otto Schmidt
Uwe Daurer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F02N15/067—Gearing between starting-engines and started engines; Engagement or disengagement thereof the gearing including disengaging toothed gears the toothed gears being moved by axial displacement the starter comprising an electro-magnetically actuated lever
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    • F02N2200/04—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the starter motor
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    • F02N2200/00—Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/06—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter
    • F02N2200/066—Relay temperature

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for an engagement relay of a starter device of an internal combustion engine, which engages two gears.
  • a circuit arrangement for an engagement relay which has a control and / or regulating circuit influencing the operating current of an auxiliary relay.
  • the auxiliary relay in the prior art is used to decouple the current flowing from an ignition start or travel switch during the starting process of an internal combustion engine via the relay coil of the engagement relay. This happens because the auxiliary relay switches the current required for the engagement relay, which can be approximately 80 to 100 A.
  • the auxiliary relay requires a small Ren operating current, which can be switched with the ignition start or travel switch with this version.
  • the controlled or regulated current makes it possible to reduce the size of the auxiliary relay.
  • the drive pinion is set relative to the gear to be driven during a starting process in such a way that two teeth of the respective gear wheels are directly opposite one another, the two gear wheels cannot be brought into engagement with one another. If the drive pinion, which is very strongly accelerated via the engagement relay and the lever mechanism, hits the gear to be driven, the two gears must be very high Forces are compensated. These high forces can lead to complete destruction of the gear teeth.
  • the invention relates to a circuit arrangement for a two-wheel engaging engagement relay of a starting device of an internal combustion engine, which comprises a control device that lowers a relay current after a first time period before the engagement of the two gear wheels to a specific current value during a second time period.
  • the circuit arrangement according to the invention has the advantage that the control device provided lowers the relay current to a predetermined current value after a first time period before the engagement of the two gears during a second time period, as a result of which lower magnetic forces occur which act on the relay armature.
  • Hyperbolic force-displacement characteristic of the relay prevents an unnecessarily high acceleration of the drive pinion when the air gap between the relay armature and relay coil decreases and the relay current decreases.
  • the circuit arrangement according to the invention achieves a reduction in noise when the drive pinion is engaged in the gearwheel to be driven.
  • the noise reduction is achieved in that when the teeth meet, the starting motor of the starting device rotates at a greatly reduced speed, so that the so-called "ratcheting" of the two gear elements is avoided.
  • a further advantage results from the fact that the drive pinion is accelerated less strongly during the second period, and when the drive pinion strikes a suitable pinion travel limiting device, for example a stop ring attached to the rotor shaft, no high forces arise which "bounce back" the drive pinion. .
  • a suitable pinion travel limiting device for example a stop ring attached to the rotor shaft.
  • the control and regulating device by means of a single control end stage controls the current of the engagement relay as well as that of the starter motor during the engagement process.
  • the relay winding is designed so that the number of turns is reduced while increasing the conductor cross-section. From this, the same force-displacement characteristic of the relay can be derived as that of a standard relay, however, the relay current must be increased to a current in the order of 100 A to 150 A, the relay current being controlled and regulated by the circuit arrangement according to the invention .
  • the relay is connected in series with the field winding or armature winding, for example in the case of a series motor.
  • the relay current reaches a level necessary for starting the rotor during a starting process, the relay current "flows" through the series connection of the relay winding and the excitation winding or armature winding mentioned above, and the rotor starts to move at a lower speed.
  • the drive pinion is mounted on the rotor shaft in a rotationally fixed manner, the drive pinion rotates relative to the gear to be driven during the engagement process and can thereby mesh into a gap between two teeth of the gear to be driven.
  • Another advantageous embodiment of the invention results in an embodiment which is distinguished in that both the relay current and the starter motor current are decoupled can be regulated or controlled from each other, both a temporal decoupling of the axial and rotational movement of the pinion and a force decoupling can take place. It is thereby advantageously possible to apply a higher axial force for engaging or engaging the drive pinion while simultaneously reducing the drive torque of the rotor.
  • FIG. 1 shows a starting device for an internal combustion engine connected to a first exemplary embodiment of the circuit arrangement
  • FIG. 2 shows a graphical representation of the axial path of the drive pinion, the motor current and the pulse-width-modulated relay voltage over time, the respective graph resulting from the fact that the starting device is operated with the circuit arrangement according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a block diagram of a starter device of an internal combustion engine in connection with a second exemplary embodiment of the circuit arrangement
  • FIG. 4 shows a graphical representation of the axial path of the drive pinion, the motor current and the relay current over time, the respective graph resulting from the fact that the starting device is operated with the circuit arrangement according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a block diagram of a starter device of an internal combustion engine in connection with a third exemplary embodiment of the circuit arrangement
  • FIG. 6 shows a graphical representation of the axial path of the drive pinion, the motor current and the relay current over time, the respective graph resulting from the fact that the starter device is operated with the circuit arrangement according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a block diagram of a starting device of an internal combustion engine in connection with a further exemplary embodiment of the circuit arrangement
  • Figure 8 is a graphical representation of the axial path of the drive pinion, the motor current and the relay current over time, the respective graph resulting from the fact that the starter is operated with the circuit arrangement according to Figure 7.
  • a thrust screw drive starter without a countershaft is provided as an example.
  • the drive pinion is engaged in the gear ring to be driven in the case of a thrust screw drive starter in the axial direction, the drive pinion being displaceably guided on the rotor axis of the starter motor and the axial displacement simultaneously causing the rotational movement of the pinion on the rotor shaft.
  • the drive pinion is slidably mounted on the rotor axis, but is directly on the rotor shaft during the starting process driven, whereby the pinion rotates at the same speed as the rotor of the starter motor.
  • the aforementioned push-screw drive starter without a countershaft is also assumed by way of example, but a mechanical single-track transmission can be dispensed with here. This means that the drive pinion does not have to be rotated on the rotor axis during an engagement process.
  • a series motor is provided for the exemplary embodiments mentioned at the beginning, that is to say an armature winding and an excitation winding of the starter motor are connected in series.
  • embodiments with a permanently excited motor are also conceivable.
  • Design variants of the starter device are also conceivable which translate a countershaft arranged between the rotor axis and the drive pinion, which in a suitable manner translates the engine speed to another speed at which the pinion is driven.
  • FIG. 1 shows a starting device 1, which comprises a control device 2, which is a component of a complex starting process control device (not shown here), and a starter 3 of an internal combustion engine, of which only a ring gear 6 to be driven is shown here. Furthermore, an ignition start or driving switch ter - hereinafter referred to as the start switch 4 - and a battery 5 of a motor vehicle, not shown here.
  • the starter 3 comprises an engagement relay 7, a starting motor 51, a single-track gear 52 and a contact bridge 10.
  • the engagement relay 7 is composed of a relay armature 8, a pull-in winding 9 and a holding winding 53.
  • the contact bridge 10 can be actuated via the engagement relay.
  • the engagement relay 7 is held by a web 11 within a housing 12 of the starter 3.
  • a return spring 14 is provided on a relay armature 8 between the web 11 and a ring 13.
  • an engagement lever 15 is articulated.
  • the engagement lever 15 is pivotally mounted in a bearing 16 which is fastened to the housing 12.
  • the engagement lever 15 is also connected to a guide ring 17.
  • the guide ring 17 is displaceably mounted on an extension 18 which is part of a roller freewheel 19. On the peripheral surfaces of the extension 18, an engagement spring 20 is attached.
  • the drive pinion 21 is assigned to the roller freewheel 19.
  • the roller freewheel 19 is slidably mounted on a rotor shaft 22, which is part of the starting motor 51, in the longitudinal direction of the rotor shaft.
  • a stop ring 23 is mounted on the rotor shaft 22 in such a way that the displaceability of the roller freewheel 19 in the longitudinal direction of the rotor shaft is limited, but engagement of the drive pinion 21 with the ring gear 6 is possible.
  • An armature 25 is also attached to the rotor shaft 22.
  • a commutator 26 is associated with the armature 25, on which carbon brushes 27 loaded by spring pressure lie. The commutator 26 is in a known manner in conductive connection with an armature winding 27. At a distance, referred to as an air gap 28, the armature 25 is assigned an excitation winding 29, which is attached to
  • bearings 31 are also introduced, in which the rotor shaft 22 is rotatably but essentially axially immovable.
  • the control device 2 assigned to the starting device 1 is connected in electrical connection with the starter 3 in such a way that it is in conductive connection on the one hand with the start switch 4 and on the other hand with a contact 32 of the pull-in winding 9 and the holding winding 53.
  • the graphic representation in FIG. 2 shows in the upper diagram a qualitative course of the relay voltage U rl over time t, in the middle diagram a qualitative course of the motor current I ⁇ over time and in the lower diagram the path s that the drive pinion 21 in has covered the axial direction on the rotor shaft 22 as a function of time.
  • Figure 3 shows the second embodiment of the circuit arrangement according to the invention, wherein -how already mentioned at the beginning - the starter 3 is in the same embodiment as in the first exemplary embodiment, therefore its components are not described again, so that only modifications of the circuit arrangement in relation to the exemplary embodiment 1 are discussed here.
  • FIG. 3 shows a starter la, the control device 2a, the starter 3, the
  • Start switch 4 a battery connector 34 and a current sensor 33 comprises.
  • control device 2a is connected to the starter device la, in that it is in an electrically conductive connection with the start switch 4 on the one hand and with the relay contact 32 on the other hand. Furthermore, a current sensor 33 is attached, which is arranged between the electrical connection of the control device 2a and the relay contact 32. The current sensor 33 is connected via an electrical connection 35 to a feedback input 36 of the control device 2a.
  • the control device 2a is designed here as a two-point controller 37.
  • the graphs in Figure 4 show in the upper diagram a qualitative course of the relay current I 2 i n a function of time t, in the middle diagram a time-dependent, qualitative course of the motor current I m2 and in the lower diagram illustrates a qualitative variation of the axial pinion path s a function of time t.
  • FIG. 5 shows a starter device 1b with a third exemplary embodiment of the circuit arrangement in connection with a starter 3b, the starter 3b here having a modified engagement relay 7b. 5 also shows a starter switch 4, a control device 2b and a battery connection 34.
  • the modification of the engagement relay 7b with respect to the engagement relay 7 in Figure 1 is that the number of turns of the pull-in winding 9b is reduced, but the conductor cross-section of the pull-in winding 9b is increased. This results in an increased current requirement of the engagement relay 7b in order to apply the same force as that of an engagement relay 7 from FIG.
  • the required current strength is, for example, in the range between 100 A to 150 A.
  • the control device 2b the same functioning results as that of the control device 2 from FIG. 1, but with an actuation output stage, not shown here, which is part of the control device 2b, for an increased level Current carrying capacity is formed.
  • a modification is that the single-track spring 20, as shown in FIG. 1, can be omitted. This modification results from the function of the starting device 1b, which will be dealt with at a later point in time.
  • the graphic representations in FIG. 6 show in the upper diagram a qualitative course of a relay current I r3 as a function of time t, in the middle diagram a qualitative, time-dependent course of a motor current I m3 of the modified starter 3b from FIG. 5 and the lower diagram a qualitative course of the path s which the drive pinion 21 of the starter 3b travels axially and as a function of time.
  • FIG. 7 shows the fourth exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention of a starter device lc, which comprises a battery connection 34, a start switch 4, a control device 2c and a starter 3c.
  • the starter 3c has a modification in comparison to the starter 3 from FIG. 1, which is distinguished by the fact that the engagement spring 20 from FIG. 1 can advantageously be dispensed with. Furthermore, the starter 3c has an additional connection 38 which is electrically connected to a second output 39 of the control device 2c. The second output 39 is a control output for the starter motor 51.
  • the graphic representations in FIG. 8 show in the upper diagram a qualitative course of a relay current I r4 over time t, the middle diagram shows a qualitative course of a motor current I m4 over time t and the lower diagram shows a time-dependent, qualitative course of the axial pinion travel s.
  • the respective mode of operation is explained below using the exemplary embodiments. If the start switch 4 shown in FIG. 1 is actuated as a result of a desired starting process of the internal combustion engine, the battery voltage is applied to the control device 2 via the closed start switch 4.
  • the control device 2 provides a control signal in pulse width modulated form with a fixed clock frequency.
  • the pulse width ratio D which indicates the duty cycle of a switching transistor in relation to the clock period within a clock period, is set to "1" in a first time period 40 — shown in FIG. 2 in the upper diagram. This means that the duty cycle corresponds to the period of the clock frequency.
  • a switching transistor which is part of the control device 2 switches the full battery voltage through to the engagement relay 7, so that the relay current increases in accordance with the ohmic resistances and inductances which have flowed through.
  • the engagement relay 7 develops in this time period 40 the full relay force which is necessary for “tearing away”, for example in the case of low outside air temperature, of the relay armature 8 and also for overcoming the static friction and the first spring forces.
  • the relay armature 8 is drawn into the pull-in winding 9 of the engagement relay 7 with reduced force, as a result of which the drive pinion 21 approaches the ring gear 6 at a reduced speed.
  • the length of the second time segment 41 must be dimensioned such that the drive pinion 21 always reaches the ring gear 6.
  • the relay armature 8 of the engagement relay 7 is drawn so deep into the pull-in winding 9 that it closes the contact bridge 10 via a linkage, which is shown in broken lines in FIG. 1 and is in mechanical connection with the contact bridge 10, so that a conductive connection between the battery 5 and the excitation winding 29 is formed.
  • the holding winding 53 is switched on via the closed contact bridge 10 and the pull-in winding 9 is short-circuited.
  • the movement of the engagement lever 15 to the left causes the Overcoming the spring force of the engagement spring 20 and setting the drive pinion into a rotary movement via the engagement gear 52. This is done by moving the guide ring 17 to the left in cooperation with the driver (not shown here), which engages in the steep thread 24, as a result of which the drive pinion 21 rotates in the manner described at the beginning and thereby engages the drive pinion 21 with the ring gear 6 is made possible.
  • the exemplary embodiment of the circuit arrangement shown in FIG. 3 has the same functional sequence as the starter 3 shown in relation to the mechanical components of the starter 3. In this respect, only the functioning of the control device 2a is explained.
  • the start switch 4 is closed, so that a conductive connection between the battery, represented by the battery connection 34, and the control device 2a is established.
  • the relay current I j is not changed via the pulse-width-modulated relay voltage, but rather by means of a two-point regulator 37 known here in the prior art.
  • the two-point controller 37 allows the relay current I r 2 to be set to two values.
  • the two-point controller 37 enables a current sensor 33, which is connected via an electrical connecting line 35 to the feedback input of the two-point controller 37, to detect the current value specified by the control device 2a by means of the current sensor 33 and the actual value to the target value to adapt the current I r2 .
  • the relay current I r2 is shown in the upper diagram in FIG. A current value is set for the starting process in the first time segment 40, which results inevitably after the battery voltage applied to the engagement relay 7 as a function of the ohmic resistances and inductances.
  • the engagement relay 7 develops the force required to "tear away" the relay armature 8.
  • the two-point controller 37 reduces the relay current I r2 to a lower value. If the drive pinion 21 is fully engaged in the ring gear 6, the third time period 42 begins during which the two-point regulator 37 raises the relay current I ⁇ to the increased value again. At the same time, the motor current I m 2 is switched on via the contact bridge 10 at the beginning of the third time period, so that the actual starting process of the internal combustion engine takes place.
  • the drive pinion 21 is extracted from the ring gear 6 in a known manner, all mechanical components of the starter 3 being returned to their starting position. As described in the first embodiment, the motor and relay current are switched off.
  • the function of the third exemplary embodiment is described below with reference to FIG. 5.
  • a modified starter 3b is used for the third exemplary embodiment of the circuit arrangement 2.
  • the modification of the starter 3b is to change the pull-in winding 9b of the engagement relay 7b in such a way that the same force-travel characteristic curve is ensured as in the case of an engagement relay 7 according to FIG. 1, but a higher current intensity of the relay current I r 3 is necessary for this. As already mentioned, this is done by reducing the number of turns of the pull-in winding 9b while simultaneously increasing the conductor cross section.
  • the pull-in winding 9b is connected in series with the excitation winding 29 and the armature winding 27 in the same way. Due to the increased current requirement of the engaging relay 7b, which, according to the circuit, also "flows" over the excitation winding 29 and the armature windings 27, it is advantageously possible for the armature of the starter 3b. To have a greatly reduced speed during the engagement process of the drive pinion 21 in the ring gear 6 rotates. Due to this advantageous embodiment, the single-track spring 20, which is shown in FIG. 1, can be omitted in this third exemplary embodiment, and the steep thread 24 can also be dispensed with, that is, the single-track gear 52 can be omitted. However, it must be ensured that the drive pinion 21 continues to move axially on the rotor shaft 22. remains slidable, but suitable measures must be taken so that the drive pinion 21 is forcibly rotated when the armature rotates.
  • the third time period 42 begins when the contact bridge 10 is closed.
  • the full battery voltage is applied to the excitation winding 29 and the armature winding 27 via the contact bridge 10, so that the motor current I m 3 can increase to its nominal value. Due to the "flowing" rated motor current in the third time segment, the drive pinion 21 rotates at the speed that is necessary to turn an internal combustion engine (not shown here) via the ring gear 6.
  • the drive pinion 21 is sensed in a known manner by the roller freewheel. As already mentioned, the mechanical components are returned to their starting position and the relay current and the motor current are switched off.
  • the fourth exemplary embodiment of the circuit arrangement shown in FIG. 7 differs with respect to the first exemplary embodiment according to FIG. 1 by an expanded control device 2c and a modified starter 3c.
  • the starter 3c here has a connection 38 which forms a bypass to the contact bridge 10 in connection with the additional output 39 of the control device 2c, the connection 38 being part of the contact bridge 10, so that advantageously no additional terminal on the starter 3c is necessary .
  • the output 39 is connected within the control device 2c to a further control output stage, which is decoupled from the output which controls the engagement relay 7.
  • the resulting functioning of the starter device lc results in an advantageous manner in that the engagement relay 7 is energized by closing the start switch 4, as a result of which the engagement process of the drive pinion 21 in the gearwheel wreath 6 is initiated.
  • the excitation winding 29 and the armature windings 27 are supplied with current by means of the additional control output stage of the control device 2c.
  • the motor current I ⁇ provided via the additional control output stage at the output 39 of the control device 2c causes the armature 25 to rotate at a reduced speed.
  • Such a current profile of the motor current I 4 is shown in FIG. It can be seen that during the first time interval 40, the engagement relay 7 is energized in a known manner, while the starter motor remains switched off. Only during the second time period 41, while the engagement relay 7 is operated with reduced power, is the control device 2c providing a low motor current I ⁇ . After the drive pinion 21 is in engagement with the ring gear 6, the motor current I m4 is increased at the beginning of the third time period 42 by closing the contact bridge 10, so that the armature 25 rotates at the nominal speed, the drive pinion 21 attached to the rotor shaft 22 drives the ring gear 6 at the rotor speed.
  • the drive pinion 21 is disengaged from the ring gear 6 in a known manner, and all mechanical components continue to move back to their starting positions, the relay current and the motor current being switched off.
  • circuit arrangement in the fourth exemplary embodiment is not just a temporal che decoupling of the axial and rotary movement of the drive pinion 21, but also enables a force decoupling.
  • the first and second exemplary embodiments differ only in the differing supply of current, the relay voltage being pulse-width-modulated in the first exemplary embodiment and the relay current in the second exemplary embodiment being able to be influenced by a two-point controller.
  • a modified embodiment of the starter is provided for each of the third and fourth exemplary embodiments.
  • the control devices 2b and 2c differ from each other.
  • the control device 2b is characterized by an increased current carrying capacity of the control output stage, whereas the control device 2b has an additional control output stage for the power supply of the starter motor.
  • control devices in the third and fourth exemplary embodiments either use a pulse-width-modulated relay voltage or a Provide controllable current.
  • a combination of the two current variants provided is also conceivable for the fourth exemplary embodiment.
  • Such state variables can be, for example, the engagement relay temperature or the temperature of the armature winding.
  • the four exemplary embodiments mentioned can include a delay circuit, not shown here.
  • This delay circuit makes it possible to block the starting device after a false start of the internal combustion engine, so that before a further starting process it is ensured that the drive pinion 21 and the ring gear 6 are no longer rotating.
  • the circuit arrangement according to the invention is suitable for minimizing wear on the drive pinion 21 and ring gear 6, which results in an extension of the life of the starter device by a factor of 5 to 10 times.
  • the circuit arrangement enables noise reduction when the drive pinion 21 is engaged in the ring gear 6, since "ratcheting" is prevented.
  • a major advantage of the circuit arrangement according to the invention results from the fact that no significant mechanical changes have to be made to the starter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrückrelais einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Regelvorrichtung (2), die einen Relaisstrom nach einem ersten Zeitabschnitt (40) vor dem Ineingriffbringen der beiden Zahnräder auf einen bestimmten Stromwert während eines zweiten Zeitabschnitts (41) absenkt.

Description

Schaltungsanordnung- für ein Einrückrelais
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrückrelais einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine .
Aus der Druckschrift DE 195 035 36 ist eine Schaltungsanordnung für ein Einrückrelais bekannt, die eine den Betriebsstrora eines Hilfsrelais beeinflussende Steuer- und/oder Regelschaltung aufweist. Das Hilfsrelais im Stand der Technik dient dazu, den während des Startvorgangs einer Brennkraftmaschine über die Relaisspule des Einrückrelais fließenden Strom von einem Zündstart- beziehungsweise Fahrtschalter zu entkoppeln. Das geschieht dadurch, daß das Hilfsrelais den für das Einrückrelais notwendigen Strom schaltet, der ca. 80 bis 100 A betragen kann. Hierbei benötigt das Hilfsrelais einen im Verhältnis zum Einrückrelaisstrom kleine- ren Betriebsstrom, der mit dieser Ausführung über den Zündstart- beziehungsweise Fahrtschalter geschaltet werden kann.
Durch den gesteuerten beziehungsweise geregelten Strom ist es möglich, das Hilfsrelais hinsichtlich seiner Baugröße zu verkleinern.
Bei der im Stand der Technik bekannten Ausführung ist nachteilig, daß nur der Betriebsstrom des Hilfsrelais gesteuert oder geregelt werden kann. Eine Regelung des Stroms des Einrückrelais ist nicht vorgesehen. Demzufolge arbeitet das Einrückrelais während des Startvorganges einer Brennkraftmaschine stets mit einem konstanten Strom, der so bemessen ist, daß das Einrückrelais in jedem Fall eine ausreichende magnetische Kraft entwickelt. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Ausführung ergibt sich aufgrund einer hyperbolischen Kraft-Wegkennlinie eines Relais, nämlich bei kleiner werdendem Luftspalt wird eine unnötig hohe Beschleunigung des Einrückrelaisankers erzielt. Da der Einrückrelaisanker mittels einer Hebelmechanik das Antriebsritzel der Andrehvorrichtung axial bewegt, ergibt sich folglich auch eine hohe Beschleunigung des Antriebsritzels. Ist bei einem Startvorgang das Antriebsritzel relativ zum anzutreibenden Zahnrad so gestellt, daß sich zwei Zähne der jeweiligen Zahnräder direkt gegenüberstehen, können die beiden Zahnräder nicht in Eingriff zueinander gebracht werden. Trifft dabei das über das Einrückrelais und den Hebelmechanismus sehr stark beschleunigte Antriebsritzel auf das anzutreibende Zahnrad, so müssen beim Auftreffen der beiden Zahnräder sehr hohe Kräfte kompensiert werden. Diese hohen Kräfte können zu einer vollständigen Zerstörung der Zahnradzähne führen.
Weiterhin sind im Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, die bei einem Aufeinandertreff n zweier Zahnradzähne ein Zahnrad relativ zum anderen drehen. Diese Einrichtungen sind als Einspurgetriebe bekannt. Nachteilig ist hierbei, daß das relativ zu einem Zahnrad bewegte Antriebsritzel mit einem Einrückrelais über eine Hebelmechanik -wie bereits erwähnt- sehr stark beschleunigt wird. Demzufolge wird der Zahnradverschleiß durch die Kombination der hohen Kräfte, die über das Einrückrelais zum Antriebsritzel übertragen werden, und der Drehbewegung, die über das Einspurgetriebe herbeigeführt wird, noch erhöht, da die beiden Zahnradelemente durch die Kraft und die Drehbewegung aneinanderreihen. Das führt zu dem bekannten "Ratschen".
Eine weitere Ausführungsform im Stand der Technik ist bekannt, bei der der Startermotor der Andrehvorrichtung die Aufgabe des Einspurgetriebes übernimmt. Treffen bei dieser Ausführungsform die Zähne des Antriebsritzels auf die des anzutreibenden Zahnrads, so wird der Motor der Andrehvorrichtung mit seinem Nennstrom bestromt, so daß das Antriebs- ritzel relativ zum anzutreibenden Zahnrad schnell drehbewegt und eingespurt wird. Die durch das Einrückrelais auf das Antriebsritzel wirkende Kraft in Kombination mit der hohen Motordrehzahl führt zu einem hohen Verschleiß oder gar zu deren Zerstörung, hervorgerufen durch das "Ratschen" der Zahnradelemente. Bei Fahrzeugen, die im Zuge der Benzin-Verbrauchsminderung für einen Start -Stopp-Betrieb vorgesehen sind und demzufolge eine erhöhte Anzahl von Startvorgängen aufweisen, wäre die Lebensdauer der Andrehvorrichtung gering.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrückrelais einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine, die eine Steuer- und Regelvorrichtung umfaßt, die einen Relaiεstrom nach einem ersten Zeitabschnitt vor dem Ineingriffbringen der beiden Zahnräder auf einen bestimmten Stromwert während eines zweiten Zeitabschnitts absenkt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß die vorgesehene Steuer- und Regelvorrichtung den Relaisstrom nach einem ersten Zeitabschnitt vor dem Ineingriffbringen der beiden Zahnräder während eines zweiten Zeitabschnitts auf einen vorbestimmten Stromwert absenkt, wodurch geringere magnetische Kräfte entstehen, die auf den Relaisanker wirken. Durch die. hyperbolische Kraft- Wegkennlinie des Relais wird bei einem kleiner werdenden Luftspalt zwischen Relaisanker und Relaisspule und gleichzeitig geringer werdendem Relaisstrom eine unnötig hohe Beschleunigung des Antriebsritzels vermieden.
Daraus ergibt sich für die Andrehvorrichtung eine Verschleißminderung durch geringere Kräfte, die beim Aufeinandertreffen der Zahnradelemente wirken, so daß für das Starterritzel und den Zahnradkranz eine Lebensdauerverlängerung erzielt wird. Dadurch lassen sich die möglichen Startanzahlen dieser Andrehvorrichtung auf den 5- bis 10-fachen Wert steigern.
Weiterhin wird mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine Geräuschreduzierung beim Einspuren des Antriebsritzels in das anzutreibende Zahnrad erreicht . Die Geräuschreduzierung erfolgt dadurch, daß bei einem Aufeinandertreffen der Zähne der Andrehmotor der Andrehvorrichtung mit einer stark verminderten Drehzahl dreht, so daß das sogenannte "Ratschen" der beiden Zahnradelemente vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil folgt daraus, daß das Antriebsritzel während des zweiten Zeitabschnitts weniger stark beschleunigt wird, wobei bei einem Anschlag des Antriebsritzels an einer geeigneten Rit- zelwegbegrenzungseinrichtung, beispielsweise einem auf der Rotorwelle angebrachten Anschlagring, keine hohen Kräfte entstehen, die das Antriebsritzel "zurückprellen". Das heißt, der Einspurvorgang wird bei einer "Zahn-auf-Lücke" -Stellung der beiden Zahnräder sicher durchgeführt; so daß das Ritzel nicht durch große, bei einem Auftreffen des Ritzels auf den Anschlagring auftretende Kräfte in seiner Einrückbewegung zurückgeworfen und dabei eventuell wieder aus dem anzutreibenden Zahnrad ausgespurt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Steuer- und Regelvorrichtung mittels einer einzigen Ansteuerendstu e sowohl den Strom des Einrückrelais als auch den des Andrehmotors während des Einrückvorganges steuert beziehungsweise regelt. Dabei ist die Relaiswicklung so ausgelegt, daß die Windungsanzahl reduziert wird bei gleichzeitiger Vergrößerung des Leiterquerschnitts. Daraus läßt sich die gleiche Kraft-Wegkennlinie des Relais ableiten wie die bei einem Standard-Relais, jedoch muß dazu der Relaisstrom auf eine Stromstärke in der Größenordnung 100 A bis 150 A erhöht werden, wobei der Relaisstrom selbstverständlich durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gesteuert und geregelt wird.
Das Relais wird in dieser Ausführungsform, beispielsweise bei einem Reihenschlußmotor, in Serie mit der Erregerwicklung beziehungsweise Ankerwicklung geschaltet.
Erreicht bei einem Startvorgang der Relaisstrom eine Höhe, die zum Anlaufen des Rotors notwendig ist, "fließt" der Relaisstrom durch die oben erwähnte Serienschaltung der Relaiswicklung und der Erregerwicklung beziehungsweise Ankerwicklung und der Rotor setzt sich mit einer geringeren Drehzahl in Bewegung. Dadurch, daß das Antriebsritzel auf der Rotorwelle drehfest angebracht ist, dreht sich beim Einrückvorgang das Antriebsritzel relativ zum anzutreibenden Zahnrad und kann dabei in eine Lücke zwischen zwei Zähnen des anzutreibenden Zahnrades einspuren.
Durch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich eine Ausführungsform, die sich dadurch auszeichnet, daß sowohl der Relaisstrom als auch der Startermotorstrom entkoppelt voneinander geregelt beziehungsweise gesteuert werden können, wobei sowohl eine zeitliche Entkopplung der Axial- und Drehbewegung des Ritzels als auch eine kräftemäßige Entkopplung erfolgen kann. Es ist dadurch in vorteilhafter Weise möglich, eine höhere Axialkraft zum Einrücken beziehungsweise Einspuren des Antriebsritzels aufzubringen bei gleichzeitiger Reduzierung des Antriebsdrehmoments des Rotors.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine in Verschaltung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung,
Figur 2 eine grafische Darstellung des zurückgelegten axialen Weges des Antriebsritzels, des Motorstroms und der pulsweitenmodu- lierten Relaisspannung über der Zeit, wobei sich der jeweilige Graph daraus ergibt, daß die Andrehvorrichtung mit der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 betrieben wird, Figur 3 ein Blockschaltbild einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine in Ver- schaltung mit einem zweiten Ausführungs- beispiel der Schaltungsanordnung,
Figur 4 eine grafische Darstellung des zurückgelegten axialen Weges des Antriebsritzels, des Motorstroms und des Relaisstroms über der Zeit, wobei sich der jeweilige Graph daraus ergibt, daß die Andrehvorrichtung mit der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 betrieben wird,
Figur 5 ein Blockschaltbild einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine in Ver- schaltung mit einem dritten Ausführungs- beispiel der Schaltungsanordnung,
Figur 6 eine grafische Darstellung des zurückgelegten axialen Weges des Antriebsritzels, des Motorstroms und des Relaisstroms über der Zeit, wobei sich der jeweilige Graph daraus ergibt, daß die Andrehvorrichtung mit der Schaltungsanordnung gemäß Figur 5 betrieben wird,
Figur 7 ein Blockschaltbild einer Andreheinrichtung einer Brennkraftmaschine in Ver- schaltung mit einem weiteren Ausführungs- beispiel der Schaltungsanordnung, und Figur 8 eine grafische Darstellung des zurückgelegten axialen Weges des Antriebsritzels, des Motorstroms und des Relaisstroms über der Zeit, wobei sich der jeweilige Graph daraus ergibt, daß die Andrehvorrichtung mit der Schaltungsanordnung gemäß Figur 7 betrieben wird.
Ausführungsbeispiele
Für das erste und zweite Ausführungsbeispiel der Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine ist beispielhaft ein Schub-Schraubtrieb-Starter ohne Vorgelege vorgesehen. Das heißt, das Einspuren des Antriebsritzels in den anzutreibenden Zahnradkranz erfolgt bei einem Schub-Schraubtrieb-Starter in axialer Richtung, wobei das Antriebsritzel verschiebbar auf der Rotorachse des Andrehmotors geführt ist und die axiale Verschiebung gleichzeitig die Drehbewegung des Ritzels auf der Rotorwelle hervorruft. Beispielsweise erfolgt dies bei einem mechanischen Einspurgetriebe durch ein auf der Ro- torachsenoberflache eingebrachtes Steilgewinde, in das ein Mitnehmer eingreift, der durch die Axialbewegung des Ritzels die Drehbewegung des Antriebsritzels auf der Rotorachse bewirkt, da die Drehbewegung des auf der Rotorwelle drehtest angebrachten Ritzels unmittelbar vom Motor ausgeht. In dieser beispielhaften Ausführung des Schub-Schraubtrieb- Starters ohne Vorgelege ist das Antriebsritzel zwar verschiebbar auf der Rotorachse angebracht, ist aber beim Andrehvorgang direkt über die Rotorwelle angetrieben, wodurch sich das Ritzel mit gleicher Drehzahl wie der Rotor des Andrehmotors dreht.
Für das dritte und vierte Ausführungsbeispiel wird beispielhaft ebenfalls der erwähnte Schub-Schraubtrieb-Starter ohne Vorgelege angenommen, jedoch kann hierbei auf ein mechanisches Einspurgetriebe verzichtet werden. Das heißt, daß das Antriebsritzel während eines Einrückvorgangs auf der Rotorachse nicht drehbewegt werden muß.
Weiterhin ist für die eingangs angeführten Ausfüh- rungsbeispiele ein Reihenschlußmotor vorgesehen, das heißt, eine Ankerwicklung und eine Erregerwicklung des Andrehmotors sind in Serie geschaltet. Selbstverständlich sind jedoch auch Ausführungsformen mit permanenterregtem Motor denkbar. Auch sind Ausführungsvarianten der Andrehvorrichtung denkbar, die ein zwischen Rotorachse und Antriebsritzel angebrachtes Vorgelege, welches die Motordrehzahl in geeigneter Weise auf eine andere Drehzahl, mit der das Ritzel angetrieben wird, übersetzt. Natürlich ist es auch denkbar, daß für die Andrehvorrichtung auch andere Ausführungsformen möglich sind. Es wird also deutlich, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf alle gängigen ≤tartertypen anwendbar ist.
Figur 1 zeigt eine Andrehvorrichtung 1, die eine Steuervorrichtung 2, welche Bestandteil einer hier nicht dargestellten komplexen Startvorgang-Steuereinrichtung ist, und einen Starter 3 einer Brennkraftmaschine, von der hier lediglich ein anzutreibende Zahnkranz 6 dargestellt ist, umfaßt. Weiterhin ist ein Zündstart- beziehungsweise Fahrtschal- ter -im folgenden als Startschalter 4 bezeichnet- und eine Batterie 5 eines hier nicht dargestellten Kraftf hrzeugs dargestellt.
Der Starter 3 umfaßt ein Einrückrelais 7, einen Andrehmotor 51, ein Einspurgetriebe 52 sowie eine Kontaktbrücke 10.
Das Einrückrelais 7 setzt sich aus einem Relaisan- ker 8, einer Einzugswicklung 9 und einer Haltewicklung 53 zusammen. Die Kontaktbrücke 10 ist über das Einrückrelais betätigbar. Das Einrückrelais 7 ist durch einen Steg 11 innerhalb eines Gehäuses 12 des Starters 3 gehalten. Zwischen Steg 11 und einem Ring 13 ist auf einem Relaisanker 8 eine Rückstellfeder 14 vorgesehen. Am Ende des Relaisankers 8 ist ein Einrückhebel 15 angelenkt. Der Einrückhebel 15 ist in einem Lager 16, das am Gehäuse 12 befestigt ist, schwenkbeweglich gelagert. Der Einrückhebel 15 steht weiterhin in Verbindung mit einem Führungs- ring 17. Der Führungsring 17 ist auf einem Fortsatz 18, der Bestandteil eines Rollenfreilaufs 19 ist, verschieblich gelagert. Auf den Umfangsflachen des Fortsatzes 18 ist eine Einspurfeder 20 angebracht. Dem Rollenfreilauf 19 ist das Antriebsritzel 21 zugeordnet. Der Rollenfreilauf 19 ist auf einer Rotorwelle 22, die Bestandteil des Andrehmotors 51 ist, in Rotorwellen-Längserstreckung verschieblich aufgebracht. Auf der Rotorwelle 22 ist ein Anschlagring 23 so angebracht, daß die Verεchiebbar- keit des Rollenfreilaufs 19 in Rotorwellen-Längsrichtung begrenzt wird, jedoch ein Ineingriffbringen des Antriebsritzels 21 mit dem Zahnkranz 6 möglich ist. Auf der Rotorwellenoberfläche ist ein Steilgewinde 24 eingearbeitet, in das ein hier nicht dargestellter Mitnehmer des Rollenfreilaufs 19 eingreift. Weiterhin ist auf der Rotorwelle 22 ein Anker 25 angebracht. Dem Anker 25 ist ein Kommutator 26 zugeordnet, auf dem durch Federdruck belastete Kohlebürsten 27 aufliegen. Der Kommutator 26 steht in bekannter Weise in leitender Verbindung mit einer Ankerwicklung 27. In einem Abstand, als Luftspalt 28 bezeichnet, ist dem Anker 25 eine Erregerwicklung 29, die auf einem Polschuh 30 angebracht ist, zugeordnet.
Im Gehäuse 12 des Starters 3 sind weiterhin Lager 31 eingebracht, in denen die Rotorwelle 22 drehbar, im wesentlichen aber axial unverschieblich gelagert ist .
Die der Andrehvorrichtung 1 zugeordnete Steuervorrichtung 2 ist in elektrischer Verbindung mit dem Starter 3 so verschaltet, daß sie einerseits mit dem Startschalter 4 und andererseits mit einem Kontakt 32 der Einzugswicklung 9 und der Haltewicklung 53 in leitender Verbindung steht.
Die grafische Darstellung in Figur 2 zeigt im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf der Relaisspannung Url über der Zeit t, im mittleren Schaubild einen qualitativen Verlauf des Mo- torstroms I ^ über der Zeit sowie im unteren Diagramm den Weg s, den das Antriebsritzel 21 in axialer Richtung auf der Rotorwelle 22 zeitabhängig zurückgelegt hat .
Figur 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei -wie bereits eingangs erwähnt- der Starter 3 in der gleichen Ausführungsform wie im ersten Ausführungs- beispiel vorliegt, daher werden seine Bestandteile nicht wieder beschrieben, so daß hier nur auf Abwandlungen der Schaltungsanordnung in bezug auf das Ausführungsbeispiel 1 eingegangen wird.
Figur zeigt 3 zeigt eine Andrehvorrichtung la, die eine Steuervorrichtung 2a, den Starter 3, den
Startschalter 4, einen Batterieanschluß 34 und einen Stromsensor 33 umfaßt.
Die Steuervorrichtung 2a ist wie die Steuervorrichtung 2 in Figur 1 mit der Andrehvorrichtung la verschaltet, indem sie einerseits mit dem Startschalter 4 und andererseits mit dem Relaiskontakt 32 elektrisch leitend in Verbindung steht. Weiterhin ist ein Stromsensor 33 angebracht, der zwischen der elektrischen Verbindung der Steuervorrichtung 2a und dem Relaiskontakt 32 angeordnet ist. Der Strom- sensor 33 ist über eine elektrische Verbindung 35 mit einem Rückkoppeleingang 36 der Steuervorrichtung 2a verbunden. Die Steuervorrichtung 2a ist hier als Zweipunkt-Regler 37 ausgebildet.
Die grafischen Darstellungen in Figur 4 zeigen im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf des Relaisstrom I 2 in Abhängigkeit der Zeit t, im mittleren Diagramm einen zeitabhängigen, qualitativen Verlauf des Motorstroms Im2 und im unteren Diagramm einen qualitativen Verlauf des axialen Ritzelweges s über der Zeit t .
Figur 5 zeigt eine Andrehvorrichtung lb mit einem dritten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung in Verschaltung mit einem Starter 3b, wobei hier der Starter 3b ein abgewandeltes Einrückrelais 7b aufweist . Weiterhin zeigt die Andrehvorrichtung lb in Figur 5 einen Startschalter 4 , eine Steuervorrichtung 2b und einen Batterieanschluß 34.
Die Abwandlung des Einrückrelais 7b in bezug auf das Einrückrelais 7 in Figur 1 besteht darin, daß die Windungszahl der Einzugswicklung 9b reduziert ist, jedoch der Leiterquerschnitt der Einzugswicklung 9b vergrößert ist. Es ergibt sich somit ein erhöhter Strombedarf des Einrückrelais 7b, um die gleiche Kraft wie die eines Einrückrelais 7 aus Figur 1 aufzubringen. Die benötigte Stromstärke liegt beispielsweise im Bereich zwischen 100 A bis 150 A. Für die Steuervorrichtung 2b ergibt sich die gleiche Funktionsweise wie die der Steuervorrichtung 2 aus Figur 1, wobei jedoch eine hier nicht dargestellte Ansteuerendstufe, die Bestandteil der Steuervorrichtung 2b ist, für eine erhöhte Stromtragfähigkeit ausgebildet ist.
Bei der hier dargestellten Ausführung des Starters 3b besteht eine Abwandlung darin, daß die Einspur- feder 20 -wie in Figur 1 dargestellt- entfallen kann. Diese Abwandlung resultiert aus der Funktion der Andrehvorrichtung lb, auf die aber zu einem späteren Zeitpunkt eingegangen wird.
Die grafischen Darstellungen in Figur 6 zeigen im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf eines Relaisstroms Ir3 in Abhängigkeit der Zeit t, im mittleren Diagramm einen qualitativen, zeitabhängigen Verlauf eines Motorstroms Im3 des abgewandelten Starters 3b aus Figur 5 und das untere Diagramm einen qualitativen Verlauf des Weges s, den das Antriebsritzel 21 des Starters 3b axial und zeitabhängig zurücklegt .
Figur 7 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einer Andrehvorrichtung lc, die einen Batterieanschluß 34, einen Startschalter 4, eine Steuervorrichtung 2c und einen Starter 3c umfaßt.
Der Starter 3c weist im Vergleich zu dem Starter 3 aus Figur 1 eine Abwandlung auf, die sich dadurch auszeichnet, daß auf die Einspurfeder 20 -aus Figur 1- vorteilhafterweise verzichtet werden kann. Weiterhin weist der Starter 3c einen zusätzlichen Anschluß 38 auf, der mit einem zweiten Ausgang 39 der Steuervorrichtung 2c elektrisch verbunden ist. Der zweite Ausgang 39 ist ein Ansteuerausgang für den Startermotor 51.
Ansonsten wird auf die Bestandteile des Starters 3 aus Figur 1 verwiesen.
Die grafischen Darstellungen in Figur 8 zeigen im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf eines Relaisstroms Ir4 über der Zeit t, das mittlere Diagramm einen qualitativen Verlauf eines Motorstroms Im4 über der Zeit t und das untere Diagramm einen zeitabhängigen, qualitativen Verlauf des axialen Ritzelweges s.
Im folgenden wird anhand der Ausführungsbeispiele die jeweils dazugehörende Funktionsweise erläutert. Wird der in Figur 1 dargestellte Startschalter 4 in Folge eines gewünschten Anlaßvorganges der Brennkraftmaschine betätigt, so liegt über dem geschlossenen Startschalter 4 die Batteriespannung an der Steuervorrichtung 2 an. Die Steuervorrichtung 2 stellt ein Ansteuersignal in pulsweitenmodulierter Form mit fester Taktfrequenz zur Verfügung. Das Pulsbreitenverhältnis D, das die Einschaltdauer eines Schalttransistors im Verhältnis zur Taktperiodendauer innerhalb einer Taktperiode angibt, wird in einem ersten Zeitabschnitt 40 -in Figur 2 im oberen Diagramm dargestellt- zu "1" gesetzt. Das heißt, die Einschaltdauer entspricht der Periodendauer der Taktfrequenz . In diesem ersten Zeitabschnitt 40, bei dem das Pulsbreitenverhältnis D = 1 ist, schaltet ein Schalttransistor , der Bestandteil der Steuervorrichtung 2 ist, die volle Batteriespannung an das Einrückrelais 7 durch, so daß der Relaisstrom entsprechend den durchflossenen ohmschen Widerständen und Induktivitäten ansteigt. Das Einrückrelais 7 entwickelt in diesem Zeitabschnitt 40 die volle Relaiskraft, die zum "Losreißen", beispielsweise bei geringer Luft -Außentemperatur, des Relaisankers 8 und auch zur Überwindung der Haftreibung und der ersten Federkräfte, notwendig ist .
In diesem Zeitabschnitt 40 wird der Relaisanker 8 im Bild nach rechts bewegt, also in die Einzugswicklung 9 des Einrückrelais 7 hineingezogen. Dieser Vorgang bewirkt, daß der Einrückhebel 15 um sein Lager 16 im Uhrzeigersinn schwenkbewegt wird, wodurch der Einrückhebel 15 den Rollenfreilauf 19 zusammen mit dem Antriebsritzel 21 mit Hilfe des Führungsrings 17 im Bild nach links, also in Richtung des Zahnkranzes 6 bewegt wird. Es ergibt sich dadurch für das Antriebsritzel 21 ein zurückgelegter Weg s, wie er zeitabhängig in Figur 2 im unteren Diagramm dargestellt ist.
Es folgt nun ein zweiter Zeitabschnitt 41, während dem das Pulsbreitenverhältnis D auf einen Wert kleiner 1 herabgesetzt wird, so daß der Relaisstrom auf einen Wert absinkt, der geringer als der Relaisstrom im ersten Zeitabschnitt 40 ist.
In diesem Zeitabschnitt 41 wird der Relaisanker 8 mit verminderter Kraft in die Einzugswicklung 9 des Einrückrelais 7 hineingezogen, wodurch sich das An- triebsritzel 21 mit reduzierter Geschwindigkeit dem Zahnkranz 6 nähert . Die Länge des zweiten Zeitabschnitts 41 muß so bemessen sein, daß das Antriebsritzel 21 in jedem Fall den Zahnkranz 6 erreicht. Der Relaisanker 8 des Einrückrelais 7 ist dabei so tief in die Einzugswicklung 9 hineingezogen, daß er über ein Gestänge, welches in Figur 1 gestrichelt dargestellt ist und mit der Kontakbrücke 10 in mechanischer Verbindung steht, die Kontaktbrücke 10 schließt, so daß eine leitende Verbindung zwischen der Batterie 5 und der Erregerwicklung 29 entsteht. Gleichzeitig wird über die geschlossene Kontaktbrücke 10 die Haltewicklung 53 eingeschaltet und die Einzugswicklung 9 kurzgeschlossen.
Durch den über die Kontaktbrücke 10 fließenden Motorstrom Iml wird die Drehbewegung des Ankers 25 hervorgerufen, wodurch über die Rotorwelle 22 und das Antriebsritzel 21 die Drehbewegung des Ankers 25 auf den Zahnkranz 6 übertragen wird. Gleichzei- tig mit Beginn der Drehbewegung des Ankers 25 wird in einem dritten Zeitabschnitt 42 das Pulsbreitenverhältnis D innerhalb der Steuervorrichtung 2 wieder auf den Wert D = 1 gesetzt. Dadurch kann das Einrückrelais 7 wieder seine volle Kraft entfalten, damit das Antriebsritzel 21 sicher in Eingriff mit dem Zahnkranz 6 bleibt.
Ergibt sich während des Einspurvorganges eine An- triebsritzelstellung, die es nicht ermöglicht, daß das Antriebsritzel 21 mit dem Zahnkranz 6 in Eingriff gebracht werden kann -stehen sich beispielsweise zwei Zähne der Zahnradelemente direkt gegenüber- , wird durch die Bewegung des Einrückhebels 15 nach links die Federkraft der Einspurfeder 20 überwunden und über das Einspurgetriebe 52 das Antriebsritzel in eine Drehbewegung versetzt. Das erfolgt durch eine Bewegung des Führungsrings 17 nach links im Zusammenwirken mit dem hier nicht dargestellten Mitnehmer, der in das Steilgewinde 24 eingreift, wodurch die Drehbewegung des Antriebs- ritzels 21 in eingangs beschriebener Art erfolgt und dadurch ein Ineingriffbringen des Antriebsritzels 21 mit dem Zahnkranz 6 ermöglicht wird.
Ist der Startvorgang der- Brennkraftmaschine zunächst beendet, das heißt, wird kein Drehmoment vom Starter 3 zum Zahnrad 6 übertragen, erfolgt die Drehmomentübertragung vom Zahnkranz 6 zum Antriebs- ritzel 21, wird das Antriebsritzel 21 in einer im Stand der Technik bekannten Weise über den Rollenfreilauf 19 wieder ausgespurt. Eine Drehmomentübertragung vom Zahnkranz 6 zum Antriebsritzel 21 erfolgt dann, wenn die Drehzahl der Brennkraftma- schine größer als die des Andrehmotors 51 ist. Nach dem Anlaßvorgang kehren alle mechanischen Elemente, die zum Startvorgang verschwenkt oder bewegt wurden, wieder in ihre Ausgangsstellung zurück und der Motor- und Relaisstrom werden abgeschaltet. Der Relaisstrom wird über den Startschalter 4 abgeschaltet, so daß das Einrückrelais 7 "abfällt" und dabei die Kontaktbrücke 10 öffnet.
Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung hat in bezug auf die mechanischen Komponenten des Starters 3 den gleichen Funktionsablauf wie der in Figur 1 dargestellte Starter 3. Insofern wird nur die Funktionsweise der Steuervorrichtung 2a erläutert .
Für den gewünschten Startvorgang wird der Startschalter 4 geschlossen, so daß eine leitende Verbindung zwischen der Batterie -dargestellt durch den Batterieanschluß 34- mit der Steuervorrichtung 2a hergestellt wird. Im Gegensatz zu der Steuervorrichtung 2 in Figur 1 wird der Relaisstrom I j nicht über die pulsweitenmodulierte Relaisspannung verändert, sondern durch einen hier verwendeten im Stand der Technik bekannten Zweipunkt-Regler 37.
Der Zweipunkt-Regler 37 erlaubt es, den Relaisstrom Ir2 auf zwei Werte einzustellen. In vorteilhafter Weise ermöglicht es der Zweipunkt-Regler 37 mittels eines Stromsensors 33, der über eine elektrische Verbindungsleitung 35 mit dem Rückkoppeleingang des Zweipunkt-Reglers 37 verbunden ist, den von der Steuervorrichtung 2a vorgegebenen Stromwert mittels des Stromsensors 33 zu erfassen und den Istwert dem Sollwert des Stromes Ir2 anzupassen. Im oberen Diagramm in Figur 4 ist der Relaisstrom Ir2 dargestellt. Für den Startvorgang im ersten Zeitabschnitt 40 stellt sich ein Stromwert ein, der sich zwangsweise nach der angelegten Batteriespannung an das Einrückrelais 7 in Abhängigkeit der ohmschen Widerstände und Induktivitäten ergibt. Das Einrückrelais 7 entwickelt dabei die zum "Losreißen" des Relaisankers 8 benötigte Kraft.
Während dem nun folgenden zweiten Zeitabschnitt reduziert der Zweipunkt-Regler 37 den Relaisstrom Ir2 auf einen niedrigeren Wert. Ist das Antriebsritzel 21 vollständig in den Zahnkranz 6 eingespurt, beginnt der dritte Zeitabschnitt 42, während dem der Zweipunkt -Regler 37 den Relaisstrom I ^ wieder auf den erhöhten Wert anhebt. Gleichzeitig wird mit Beginn des dritten Zeitabschnitts der Motorstrom Im2 über die Kontaktbrücke 10 eingeschaltet, so daß der eigentliche Andrehvorgang der Brennkraftmaschine abläuft .
Für den Fall einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, erfolgt analog zum ersten Ausführungsbeispiel eine mechanische Antriebsritzelverdrehung .
Ist der Startvorgang abgeschlossen, wird in bekannter Weise das Antriebsritzel 21 aus dem Zahnkranz 6 ausgespürt, wobei alle mechanischen Komponenten des Starters 3 in ihre Ausgangslage zurückgebracht werden. Dabei werden -wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben- der Motor- und der Relaisstrom abgeschaltet . Anhand von Figur 5 wird im folgenden die Funktion des dritten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Für das dritte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 2 wird ein abgewandelter Starter 3b eingesetzt .
Die Abwandlung des Starters 3b besteht darin, die Einzugswicklung 9b des Einrückrelais 7b so zu verändern, daß die gleiche Kraft-Wegkennlinie wie bei einem Einrückrelais 7 nach Figur 1 gewährleistet ist, dazu jedoch eine höhere Stromstärke des Relaisstroms Ir3 notwendig ist. Das geschieht, wie bereits erwähnt, durch eine Reduzierung der Windungsanzahl der Einzugswicklung 9b bei einer gleichzeitigen Vergrößerung des Leiterquerschnittes .
Wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist die Einzugswicklung 9b in gleicher Weise mit der Erregerwicklung 29 sowie der Ankerwicklung 27 in Serie geschaltet . Durch den erhöhten Strombedarf des Einrückrelais 7b, der εchaltungsgemäß auch über die Erregerwicklung 29 und die Ankerwicklungen 27 "fließt", ist es in vorteilhafter Weise möglich, daß der Anker des Starters 3b .mit stark verringerter Drehzahl während des Einspurvorganges des An- triebsritzels 21 in den Zahnkranz 6 dreht. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann die Einspur- feder 20, die in Figur 1 dargestellt ist, bei diesem dritten Ausführungsbeispiel entfallen, ebenso kann auf das Steilgewinde 24 verzichtet werden, das heißt, das Einspurgetriebe 52 kann entfallen. Dabei muß jedoch gewährleistet sein, daß das Antriebsritzel 21 auf der Rotorwelle 22 weiterhin axial ver- schieblich bleibt, jedoch geeignete Maßnahmen getroffen werden müssen, damit das Antriebsritzel 21 zwangsweise bei einer Drehbewegung des Ankers mitgedreht wird.
Um dieses Ausführungsbeispiel praktisch realisieren zu können, ist es notwendig, die nicht dargestellte Ansteuerendstufe der Steuervorrichtung 2b mit erhöhter Stromtragfähigkeit auszubilden.
Die Funktionsweise dieses dritten Ausführungsbei- spiels ergibt sich aus dem vorher Gesagten derart, daß bei einer Betätigung des Startschalters 4 das Einrückrelais 7b in bekannter Weise betätigt wird, so daß die axiale Bewegung des Antriebsritzels 21 erfolgt. Das Einspuren des Antriebsritzels 21 in den Zahnkranz 6 bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung wird dann dadurch ermöglicht, daß der Anker 25 des Starters 3b durch den über die Steuervorrichtung 2b bereitgestellten Relaisstrom Ir3 während den Zeitabschnitten 40 und 41 mit verminderter Drehzahl dreht. Nachdem das Antriebsritzel 21 vollständig mit dem Zahnkranz 6 in Eingriff gebracht ist und dabei der Relaisanker 8 vollständig in die Einzugswicklung 9b hineingezogen ist, wird die Kontaktbrücke 10 -über die gestrichelt dargestellte mechanische Verbindung zum Einrückrelais 7- geschlossen. Mit dem Schließen der Kontaktbrücke 10 beginnt der dritte Zeitabschnitt 42. Dabei liegt über die Kontaktbrücke 10 die volle Batteriespannung an der Erregerwicklung 29 und der Ankerwicklung 27 an, so daß der Motorstrom Im3 auf seinen Nennwert ansteigen kann. Durch den "fließenden" Motornennstrom im dritten Zeitabschnitt dreht das Antriebsritzel 21 mit der Drehzahl, die nötig ist, um eine hier nicht dargestellte Brennkraftmaschine über den Zahnkranz 6 anzudrehen.
Ist der Startvorgang beendet, wird das Antriebsritzel 21 durch den Rollenfreilauf in bekannter Weise ausgespürt. Hierbei werden, wie bereits erwähnt, die mechanischen Komponenten in ihre Aus- gangslage zurückgeführt und der Relaisstrom und der Motorstrom abgeschaltet.
Das in Figur 7 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung unterscheidet sich in bezug auf das erste Ausführungsbeispiel nach Figur 1 durch eine erweiterte Steuervorrichtung 2c und einen abgewandelten Starter 3c.
Der Starter 3c weist hierbei einen Anschluß 38 auf, der ein Bypass zur Kontaktbrücke 10 in Verbindung mit dem zusätzlichen Ausgang 39 der Steuervorrichtung 2c bildet, wobei der Anschluß 38 Bestandteil der Kontaktbrücke 10 ist, so daß vorteilhafter Weise keine zusätzliche Klemme am Starter 3c notwendig ist. Der Ausgang 39 -steht innerhalb der Steuervorrichtung 2c mit einer weiteren Ansteuerendstufe in Verbindung, die vom Ausgang, der das Einrückrelais 7 ansteuert, entkoppelt ist.
Die daraus resultierende Funktionsweise der Andrehvorrichtung lc ergibt sich in vorteilhafter Weise derart, daß durch Schließen des Startschalters 4 das Einrückrelais 7 bestro t wird, wodurch der Einrückvorgang des Antriebsritzels 21 in den Zahnrad- kranz 6 eingeleitet wird. Mittels der zusätzlichen Ansteuerendstufe der Steuervorrichtung 2c werden die Erregerwicklung 29 sowie die Ankerwicklungen 27 mit Strom versorgt. Der über die zusätzliche Ansteuerendstufe am Ausgang 39 der Steuervorrichtung 2c bereitgestellte Motorstrom I ^ ruft eine Drehbewegung des Ankers 25 mit verminderter Drehzahl hervor.
In Figur 8 ist ein solcher Stromverlauf des Mo- torεtroms I 4 dargestellt. Es zeigt sich, daß während des ersten Zeitabεchnittε 40 das Einrückrelaiε 7 in bekannter Weise bestromt wird, der Startermotor dagegen ausgeschaltet bleibt. Erst während des zweiten Zeitabschnitts 41, während das Einrückrelais 7 mit verminderter Leistung betrieben wird, wird durch die Steuervorrichtung 2c ein geringer Motorstrom I ^ bereitgestellt. Nachdem das Antriebsritzel 21 in Eingriff mit dem Zahnkranz 6 steht, wird zu Beginn des dritten Zeitabschnitts 42 der Motorstrom Im4 durch Schließen der Kontakt- brücke 10 erhöht, so daß der Anker 25 mit Nenndrehzahl dreht, wobei das auf der Rotorwelle 22 angebrachte Antriebsritzel 21 den Zahnkranz 6 mit der Rotordrehzahl antreibt .
Ist der Startvorgang abgeschlossen, wird das An- triebεritzel 21 in bekannter Weise aus dem Zahnkranz 6 ausgespurt, weiterhin bewegen sich alle mechanischen Komponenten in ihre Ausgangsläge zurück, wobei der Relaisstrom und der Motorstrom abgeschaltet werden.
Es wird deutlich, daß die Schaltungsanordnung im vierten Ausführungsbeispiel nicht nur eine zeitli- che Entkopplung von Axial- und Drehbewegung des Antriebsritzels 21, sondern auch eine kräftemäßige Entkopplung ermöglicht.
Es ist dadurch in vorteilhafter Weise möglich, eine hohe Axialkraft mittels des Einrückrelais 7 zum Einrücken des Antriebsritzelε 21 in den Zahnkranz 6 aufzubringen, und gleichzeitig daε Antriebεdrehmo- ment des Ankers 25 durch eine Reduzierung des Mo- torstroms Im4 zu verringern. Es ist dadurch möglich, den Verschleiß zwischen Antriebsritzel 21 und Zahnkranz 6 auf ein Minimum zu reduzieren.
Zusammenfaεεend ist feεtzuεtellen, daß sich das erste und daε zweite Ausführungsbeispiel nur durch die abweichende Strombereitstellung unterscheiden, wobei die Relaisspannung im ersten Ausführungsbeispiel pulsweitenmoduliert und im zweiten Ausführungsbeispiel der Relaisstrom über einen Zweipunkt- Regler beeinflußbar ist.
Für das dritte und vierte Ausführungεbeispiel ist jeweils eine abgewandelte Ausführungsform des Starters vorgesehen. Zusätzlich unterscheiden sich die Steuervorrichtung 2b und 2c voneinander. Die Steuervorrichtung 2b zeichnet sich durch eine gesteigerte Stromtragfähigkeit der Ansteuerendstufe aus, wohingegen die Steuervorrichtung 2b eine zusätzliche Ansteuerendstufe für die Stromversorgung des Startermotors aufweist.
Ausdrücklich sei aber darauf hingewiesen, daß die Steuervorrichtungen im dritten und vierten Ausführungsbeispiel entweder eine pulsweitenmodulierte Relaisspannung oder einen über einen Zweipunkt-Reg- ler beeinflußbaren Strom bereitstellen. Für das vierte Auεführungsbeispiel ist auch eine Kombination der beiden bereitgeεtellten Stromvarianten denkbar .
Weiterhin ist eine Einrichtung denkbar, die den Relais und/oder Motorstrom zustandsabhängig regelt oder steuert. Solche Zustandεgrößen können bei- spielsweise die Einrückrelaistemperatur oder die Temperatur der Ankerwicklung sein.
Die vier angeführten Ausführungεbeispiele können eine hier nicht dargestellte Verzögerungsschaltung beinhalten. Diese Verzögerungsεchaltung ermöglicht es, nach einem Fehlstart der Brennkraftmaschine die Andrehvorrichtung zu blockieren, so daß vor einem weiteren Startvorgang gewährleistet ist, daß sich das Antriebsritzel 21 und der Zahnkranz 6 in keiner Drehbewegung mehr befinden.
Nach alledem ist erkennbar, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dazu geeignet ist, den Verschleiß am Antriebsritzel 21 und Zahnkranz 6 zu minimieren, wodurch sich eine Lebensdauerverlängerung der Andrehvorrichtung um ein 5- bis 10 -fa- ches ergibt. Gleichzeitig ermöglicht die Schaltungsanordnung eine Geräuschreduzierung beim Einspuren des Antriebsritzels 21 in den Zahnkranz 6, da ein "Ratschen" verhindert wird.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich daraus, daß keine wesentlichen mechanischen Änderungen am Starter erfolgen müssen.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrückrelais einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Regelvorrichtung (2) , die einen Relaisstrom nach einem ersten Zeitabschnitt (40) vor dem Ineingriffbringen der beiden Zahnräder auf einen bestimmten Stromwert während eines zweiten Zeitabschnitts (41) absenkt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) in einem dritten Zeitabschnitt (42) den Relaisstrom (Ir) auf einen vorbestimmten Wert erhöht, wobei der dritte Zeitabschnitt (42) beginnt, wenn das eine Zahnrad das andere erreicht.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) einen Stromsensor (33) umfaßt, der den Relaisstrom erfaßt.
4. Schaltungεanordnung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) abhängig von einem Meßsignal des Stromsensorε (33) den Relaiεstrom regelt, vorzugsweise mittels eines Zweipunkt -Reglers (37) .
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- rückrelaiε (7) in Serie mit einer Anker- und/oder Erregerwicklung (27,29) eineε Andrehmotors (51) geschaltet iεt, der zumindeεt im zweiten und/oder dritten Zeitabεchnitt (42) durch den Relaisstrom mit geringer Leistung aktiviert wird.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) so ausgebildet ist, daß sie einen Andrehmotor (51) zumindest im zweiten und/oder dritten Zeitabschnitt (41,42) aktiviert .
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Steuer- und Regelvorrichtung (2) an das Einrückrelais (7) geführtes Ansteuersignal pulsweiten- moduliert ist.
8. Steuer- und Regelvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung des Relaisstroms durch Änderung eines Tastverhältniεses des Ansteuersignals erfolgt.
9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspurvorrichtung vorgesehen ist, die zumindest im zweiten oder dritten Zeitabschnitt (41,42) eines der beiden Zahnräder mit geringer Geschwindigkeit relativ zueinander dreht .
10. Schaltungεanordnung nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) ein Zeitglied umfaßt, das einen Neustart der Andrehvorrichtung (1) vor Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach einem letzten Start unterbindet.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) abhängig von bestimmten Zustandsgrößen den Relaisstrom regelt.
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