EP2379874B1 - Verfahren und vorrichtung für start-stopp-anlagen von brennkraftmaschinen in kraftfahrzeugen - Google Patents

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EP2379874B1
EP2379874B1 EP09737426.8A EP09737426A EP2379874B1 EP 2379874 B1 EP2379874 B1 EP 2379874B1 EP 09737426 A EP09737426 A EP 09737426A EP 2379874 B1 EP2379874 B1 EP 2379874B1
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EP
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pinion
internal combustion
gear rim
combustion engine
ring gear
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Sven Hartmann
Juergen Gross
Stefan Tumback
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SEG Automotive Germany GmbH
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    • F02N2019/008—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation the engine being stopped in a particular position

Definitions

  • the invention relates to a starting method for internal combustion engines in motor vehicles with a start-stop system according to the preamble of claim 1 and a starting device for carrying out the method according to the preamble of claim 4.
  • Internal combustion engines of motor vehicles are usually turned on with a starter motor, with a pinion of the starter device initially meshing into a ring gear of the internal combustion engine before the starter motor is switched on.
  • the internal combustion engine is also automatically switched off when the vehicle is stopped for a longer period of time and the machine is then automatically restarted at the end of the stop phase in order to be able to continue the journey.
  • the aim of the present invention is to ensure that the starter pinion is engaged in the still rotating ring gear in a simple manner by simple mechanical means after the internal combustion engine has been switched off at the start of a stop operation.
  • start-stop systems for internal combustion engines for carrying out the method according to the characterizing features of claim 1 and in a starting device with start-stop system and internal combustion engine with the labeling feature of claim 4 can be achieved with simple mechanical means a shorter start-up time by engaging the starter pinion in the outgoing sprocket of the machine. This significantly simplifies the electronic control of the start-stop system. Furthermore, in this way it is achieved that, compared to an unsprung engagement of the starter pinion in a still rotating sprocket, no damage occurs due to setbacks occurring on the freewheel or planetary gear of the starter.
  • a selected spring characteristic of the pressure spring ensures that the pinion initially indented a little bit into the ring gear and is initially only taken along by correspondingly small contact surfaces of the teeth of the pinion and ring gear.
  • the pinion can be fully engaged in the ring gear by the force of the pressure spring.
  • the teeth of the starter pinion are pushed out of the ring gear again if the circumferential speed of the ring gear is too high.
  • the starter pinion which now rotates slowly, is then, if necessary, pushed several times into the next gap again until the starter pinion is finally fully engaged in the ring gear as the speed increases.
  • crankshaft can be rotated from the starter motor to the optimal starting position by the engine control unit before the machine comes to a standstill, in order to shorten the subsequent restart time.
  • the pressure spring is in the form of a helical compression spring clamped between a shoulder of the pinion shaft and the rear of the pinion formed ring shoulder, the pinion as a pinion is axially displaceably received by means of sliding teeth on the pinion shaft.
  • the pressure spring advantageously has a smaller spring constant than the engagement spring.
  • the teeth of the pinion and / or the toothed ring are advantageously provided on their front faces with a bevel on the tooth flanks and with a bevel on the tooth head.
  • the bevels are in particular attached to the front tooth flanks of the ring gear in the direction of rotation of the ring gear and to the rear tooth flanks of the pinion.
  • the pinion shaft is preferably axially displaceable with a freewheel via a sliding toothing without steep thread with a drive shaft of the starting device.
  • adjacent teeth of the pinion and of the ring gear each have a different axial length in the region of the front end faces, which lie opposite one another in the disengaged state.
  • the engagement of the pinion in the ring gear can also be shortened at high rotational speeds by the projecting teeth of the pinion and ring gear now being spaced apart from one another by double tooth pitch, so that the pinion teeth are still sufficiently deep through that even at high speeds of the ring gear axial pressure spring can penetrate into the tooth gaps to be taken along.
  • every second tooth of the pinion and ring gear is shortened compared to the pinion or ring gear width.
  • the not shortened teeth are expediently provided on their front end faces with a bevel on the tooth head, which is preferably shorter than the tooth projection.
  • bevels are provided on the front tooth flanks of the foregoing in the direction of rotation of the ring gear
  • Teeth of the ring gear and on the rear tooth flanks of the protruding teeth of the pinion are provided.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a start-stop system for internal combustion engines in motor vehicles in a schematic representation. It comprises a starter device 10 with a starter motor 11, a starter relay 12 and a pinion 13 for axial engagement in a ring gear 14 of an internal combustion engine 15.
  • the starter relay 12 has a relay winding 16, a plunger 17 and a switching contact 18 for switching the main current for the starter motor 11 on.
  • the start-stop system further comprises an engine control unit 19 which, like the switch contact 18 of the starter relay 12, is connected to the vehicle electrical system, not shown, with a positive connection.
  • Various sensor signals are also supplied to the engine control unit 19 via a plurality of signal inputs, with which, for example, a clutch actuation, a brake actuation, the position of a gear selector lever, the engine and wheel speed and the like are detected.
  • the motor control unit 19 is also connected via an output to the relay winding 16, with which the pinion 13 is engaged in the ring gear 14 of the internal combustion engine 15 via an engagement lever 20 and the starter motor 11 is switched on via the switch contact 18 to start the internal combustion engine 15.
  • the starter motor 11 drives a drive shaft 22 via a planetary gear 21, which is usually coupled to a freewheel 23 via a steep thread.
  • the freewheel 23 is connected in one piece on the output side to a pinion shaft to which the pinion 13 is fastened axially displaceably by means of sliding teeth by means of stops.
  • the starter relay 12 When the machine 15 is cold started, the starter relay 12 is first activated by a start signal triggered by the driver of the motor vehicle via the engine control unit 19, the starter motor 11 being controlled directly by the engine control unit 19 and slightly rotated via a further connection.
  • the pinion 13 Through the relay winding 16, the pinion 13 is also advanced to the ring gear 14 of the machine via the plunger 17 and the engagement lever 20.
  • an engagement spring 24 inserted between the freewheel 23 and the engagement lever 20 is tensioned in a known manner, so that by slightly rotating the starter motor 11, the teeth of the pinion 13 into the next tooth gap of the ring gear 14 until a stop the drive shaft 22 can engage.
  • the start-stop system of the motor vehicle is now activated during driving operation, with the internal combustion engine being switched off at the start of each stop phase of the vehicle, for example by detecting the speed at the front wheels of the vehicle.
  • a meshing operation of the pinion 13 in the still-running ring gear 14 of the machine 15 is triggered by a metered excitation current being applied to the starter relay 12 via the motor control unit 19.
  • the pinion 13 is now axially advanced with the engagement lever 17 for engagement in the ring gear 14.
  • the pinion 13 In order to make the internal combustion engine 15 ready to start again as soon as it is switched off, the pinion 13 must now be engaged in the still rotating ring gear 14 by means of an axial pressure spring 25 before the internal combustion engine 15 comes to a standstill when the starter motor 11 is stationary.
  • the axial pressure spring 25 is arranged between the pinion 13 and the pinion shaft 26 and axially biased.
  • Figure 2 shows a spatial representation of a structural unit 27, consisting of the pinion 13, the axial pressure spring 25 and the pinion shaft 26 with a freewheel base body 23a, the pinion 13 being designed as a plug-in pinion.
  • Figure 3 shows these parts in an explosive arrangement, namely a stop ring 28 as an axial stop for the pinion 13, a snap ring 29 for fixing the stop ring 28, the pinion 13 with a spline inner bore 30a, with a bearing bush 31, the axial pressure spring 25, the pinion shaft 26 with a spline toothing 30b and the freewheel base 23a and finally with a further bearing bush 31.
  • the pinion shaft 26 forms with its spline toothing 30b together with the spline inner bore 30a of the pinion 13 according to the axial sliding toothing 30 Figure 2 for pinion mounting.
  • the two bearing bushes 31 are inserted on both sides into a central bore 26a of the pinion shaft, into which the starting device 10 is assembled Figure 1 the drive shaft 22 is received.
  • the axial pressure spring 25 is placed concentrically on a thickening 26b which is arranged behind the spline toothing 30b of the pinion shaft 26 and which bears with its rear end against an annular shoulder 33 of the pinion shaft 26.
  • the front end of the axial pressure spring 25 designed as a helical spring rests on the rear side of the pinion.
  • the bevel 35 is attached to those tooth flanks 13a, 14a which come into contact with one another when the pinion 13 is engaged in the still rotating ring gear 14.
  • the teeth 13a of the pinion 13 have a beveled end face 13c in the region of their tooth head, which further facilitates the engagement process.
  • the pinion 13 is either immediately entrained by the force of the pressure spring 25 when it is engaged in the still rotating ring gear 14 of the machine and then is fully engaged or the pinion 13 is first carried along by one of the teeth 14a of the ring gear 14 and the tooth 13a of the pinion 13 which comes into engagement with the ring gear 14 initially slips again on the bevel 35 of the tooth flanks 13b, 14b, in order now to slower rotation into the next tooth gap of the ring gear 14 to advance further.
  • the pinion shaft 26 is entrained by the pinion 13 and the planetary gear 21 and the starter motor 11 are uncoupled via the freewheel 23.
  • crankshaft is rotated by means of the motor control unit 19 from the starter motor via the ring gear 14 into an optimal starting position for the subsequent restart.
  • Figure 5 shows on an enlarged scale a longitudinal section of a modified embodiment of the invention, in which a helical spring 36 inserted behind the sliding toothing 30 between the pinion 13 and the pinion shaft 26 as an axial pressure spring for the pinion 13 in an annular recess 38 of the pinion shaft 26 in the region of the freewheel base body 23a is partially received and wherein the bottom 38a of the ring recess 38 forms the support surface for the rear end of the coil spring 36.
  • the helical spring 36 presses the pinion 13 against the front stop ring 28, as a result of which axial spring travel y occurs between the rear of the pinion 13 and the front end face of the freewheel base body 23a, via which the pinion 13 counteracts the axial force of the prestressed coil spring 26 the sliding toothing 30 is axially displaceable.
  • the axial suspension of the helical spring 36 is designed such that the suspension is softer than that of the engagement spring 24 of the starting device 10 Figure 1 , It is thus possible for the bevels 35 on the front end face of the teeth 13a of the pinion 13 to slip back with a metered force during the engagement process in the ring gear 14 of the machine.
  • the so-called steep thread which is conventional per se, between the freewheel and the drive shaft 22 of the starting device 10 is designed as an axial sliding toothing 40, so that undesired twisting in the wrong direction is avoided in order to engage the pinion.
  • the Figure 6 shows a further embodiment of the invention, which relates to a special design of the teeth of the pinion 13 and the ring gear 14. These are in Figure 6 in an enlarged spatial representation, an outbreak of the ring gear 14 of the internal combustion engine 10 Figure 1 as well as the pinion 13 of the starter device 10 are shown in relation to one another in the tracked-out state.
  • the difference to the embodiment according to Figure 5 consists in the fact that the adjacent teeth 13a and 14a of the pinion 13 and the ring gear 14 have an axial length which is different by the same amount in the region of those end faces which lie opposite one another. Every second tooth 13a1 of the pinion 13 and every second tooth 14a1 of the ring gear 14 is shortened compared to the pinion width or the ring gear width.
  • the axially not shortened teeth 13a and 14a of the pinion 13 and the ring gear 14 have in the same way as in Figure 4
  • a bevel 35 on the tooth flanks 13b and 14b on their front, opposite end faces The bevel 35 is arranged on those tooth flanks 13b and 14b which come into contact with one another in the direction of rotation of the still running toothed ring 14 represented by an arrow when the pinion 13 is engaged.
  • the front tooth flanks 14b of the projecting teeth 14a of the ring gear 14 and the rear tooth flanks 13b of the projecting teeth 13a of the pinion 13 in the direction of rotation.
  • the not shortened teeth 13a and 14a of the pinion 13 and the ring gear 14 have beveled front end faces which are located in the tracked state opposite. It is sufficient for the end faces to be chamfered only in the area 13c of the tooth tips.
  • the pinion 13 is also initially prearranged by the starter relay 12 via the engagement lever 20 to the ring gear 14 with the starter relay 12 at the start of a stop cycle of the internal combustion engine 10 after it has been switched off and before the internal combustion engine has come to a standstill.
  • the pinion 13 is initially pushed a small distance into the ring gear 14 by means of the pressure spring 25.
  • two not shortened teeth 13a and 14a of pinion 13 and ring gear 14 come into contact with their beveled tooth flanks 13b and 14b.
  • the pinion is initially only over a correspondingly small contact area the bevels 35 taken away.
  • the pinion 13 Since the next uncut tooth 14b of the ring gear 14 is spaced from the preceding uncut tooth by twice the tooth pitch, the pinion 13 now has a distance twice as long along the teeth to continue into the ring gear 14 with the force of the pressure spring 25 to be able to engage. In this position, it is now completely taken along and fully engaged in the ring gear 14 with the force of the engagement spring 24. This can ensure that a sufficient depth of penetration of the toothing is achieved for the pinion 13 even with low feed forces.
  • the pinion 13 When using relatively low-mass sprockets, due to the shortened teeth 13a1 and 14a1 and due to the feed force of the engagement spring 20, the pinion 13 is sufficiently inserted into the ring gear 14 to be immediately taken away from the ring gear 14 without slipping and springing back. Slipping and axially springing back of the pinion 13 on the ring gear 14 therefore only occurs when there is a large speed difference between the ring gear 14 and the pinion 13.
  • the invention is not limited to the illustrated and described embodiments, but also includes alternative solutions that, depending on the design of the starting device 10 Figure 1 can be customized. It is also possible within the scope of the invention to modify the sliding toothing between pinion 13 and pinion shaft 26 in such a way that the pinion 13 as a pinion for a so-called pointed-mouth starter at the rear end with external teeth and the pinion shaft with the freewheel base body with internal teeth Mistake. Since it is initially only at the end face at high peripheral speeds of the ring gear If the teeth of the ring gear and the pinion come into contact, energy is exchanged between the pinion and the ring gear in such a way that the peripheral speeds equalize.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Startverfahren für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen mit einer Start-Stopp-Anlage nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie eine Startvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung des Anspruchs 4.
  • Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise mit einem Startermotor angedreht, wobei zunächst ein Ritzel der Startvorrichtung in einen Zahnkranz der Brennkraftmaschine einspurt, bevor der Startermotor eingeschaltet wird. Mit einer Start-Stopp-Anlage in Kraftfahrzeugen wird außerdem bei einem längeren Halt des Fahrzeugs die Brennkraftmaschine automatisch abgeschaltet und am Ende der Stopp-Phase wird dann die Maschine automatisch wieder gestartet, um die Fahrt fortsetzen zu können.
  • Aus der EP 08 48 159 A1 ist es bekannt, dass Starterritzel bereits mit Beginn eines Stopp-Zustandes der Maschine in die Einspurstellung zu bringen, um danach mit Beginn des Start-Vorgangs den Startermotor unverzüglich mit voller Kraft einzuschalten. Auf diese Weise wird die Zeit für den Startvorgang deutlich verringert. Diese Lösung hat jedoch noch den Nachteil, dass zum Einspuren des Starterritzel am Beginn der Stopp-Phase zunächst noch der Stillstand der Maschine abgewartet werden muss, was bei sehr kurzen Stopp-Phasen eine Verzögerung bedeutet, die zum Beispiel bei einem Verkehrsstau durch zu schnelle nachfolgende Fahrzeuge kritisch werden kann.
  • Um den Einspurvorgang mit Beginn einer Stopp-Phase zu verkürzen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Ritzeldrehzahl durch eine elektronische Ansteuerung des Startermotors mit der Drehzahl des Zahnkranzes der Maschine zu synchronisieren, um auf diese Weise das Starterritzel bereits in den noch drehenden Zahnkranz der Maschine einzuspuren. Dabei ist nachteilig, dass zur Synchronisation der Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes und des Starterritzels ein erheblicher elektronischer Steuerungsaufwand getrieben werden muss, da sich die Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes beim Auslaufen der abgeschalteten Brennkraftmaschine aufgrund von Kompressionen in den Zylindern der Maschine stark verändert.
  • Aus der WO 2008/131983 A1 , der DE 10 2005 004 326 A1 , der US 2004/250784 A1 (D3), der JP 2002-250428 A , der JP H04-60172 A (D5), der US 1 753 591 A (D6) und der JP 2006-132343 A sind jeweils weitere Verfahren bzw. Vorrichtung zum Starten von Brennkraftmaschine bekannt.
  • Insbesondere ist dabei aus der WO 2008/131983 A1 ein Verfahren zur Kurbelwellenpositionierung bekannt, bei dem das Ritzel in den drehenden Zahnkranz einspurt, sodass das Ritzel in Eingriff ist, wenn der Zahnkranz steht.
  • Aus der DE 10 2005 004 326 A1 ist insbesondere ein Verfahren bekannt, bei dem das Ritzel in den drehenden, bereits auslaufenden Zahnkranz einspurt, sodass das Ritzel in Eingriff ist, wenn der Zahnkranz steht.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, dass Einspuren des Starterritzels nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine am Beginn eines Stopp-Vorgangs in einfacher Weise in den noch drehenden Zahnkranz mit einfachen mechanischen Mitteln zu gewährleisten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Bei Start-Stopp-Anlagen für Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie bei einer Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine mit dem Kennzeichnungsmerkmal des Anspruchs 4 erzielt man mit einfachen mechanischen Mitteln einen zeitlich verkürzten Start-Vorgang durch das Einspuren des Starterritzels in den auslaufenden Zahnkranz der Maschine. Die elektronische Steuerung der Start-Stopp-Anlage lässt sich dadurch wesentlich vereinfachen. Des Weiteren wird auf diese Weise erreicht, dass gegenüber einem ungefederten Einspuren des Starterritzels in einen noch drehenden Zahnkranz keine Beschädigungen durch dabei auftretende Rückschläge am Freilauf oder Planetengetriebe des Starters auftreten.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Patentanspruch 1 und 4 angegebenen Merkmale.
  • Da bei einer axialen Andrückfederung des Starterritzels ein Einspuren in den umlaufenden Zahnkranz nur bei langsamen Drehungen des Zahnkranzes mit der erst besten Zahn-auf-Lücke-Position erfolgt, wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch eine ausgewählte Federcharakteristik der Andrückfeder erreicht, dass das Ritzel zunächst ein kleines Stück weit in den Zahnkranz eingerückt und dabei zunächst nur über entsprechend kleine Kontaktflächen der Zähne von Ritzel und Zahnkranz mitgenommen wird. Bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten kann das Ritzel durch die Kraft der Andrückfeder vollständig in den Zahnkranz eingespurt werden. Dagegen werden die Zähne des Starterritzels bei zu großer Umfangsgeschwindigkeit des Zahnkranzes wieder aus den Zahnkranz herausgedrückt. Das nunmehr langsam drehende Starterritzel wird danach gegebenenfalls mehrfach erneut in die nächste Lücke ein Stück weiter eingerückt, bis das Starterritzel bei zunehmender Drehzahl schließlich vollständig in den Zahnkranz eingespurt wird.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Kurbelwelle bereits vor dem Stillstand der Maschine mittels der Motorsteuereinheit vom Startermotor in die optimale Startposition gedreht werden kann, um so den nachfolgenden Neustart zeitlich zu verkürzen.
  • In einer besonders einfachen und zweckmäßigen Ausführungsform zur Durchführung des Startverfahrens mit einem auf einer Ritzelwelle axial verschiebbaren Starterritzel ist die Andrückfeder als Schrauben-Druckfeder zwischen einer Schulter der Ritzelwelle und der Rückseite des Ritzels ausgebildeten Ringschulter eingespannt, wobei das Ritzel als Steckritzel mittels einer Schiebeverzahnung an der Ritzelwelle axial verschiebbar aufgenommen ist. Bei einer zusätzlichen Anordnung einer an sich bekannten Einspurfeder hat die Andrückfeder in vorteilhafter Weise eine kleinere Federkonstante als die Einspurfeder.
  • Um das Einspuren des Ritzels zu erleichtern, sind in vorteilhafter Weise die Zähne des Ritzels und/oder des Zahnkranzes an ihren vorderen Stirnseiten mit einer Anschrägung der Zahnflanken sowie mit einer Anschrägung am Zahnkopf versehen. In vorteilhafter Weise sind dabei die Anschrägungen insbesondere an den in Drehrichtung des Zahnkranzes vorderen Zahnflanken des Zahnkranzes und an den hinteren Zahnflanken des Ritzels angebracht. Außerdem ist die Ritzelwelle vorzugsweise mit einem Freilauf über eine Schiebeverzahnung ohne Steilgewinde mit einer Antriebswelle der Startvorrichtung axial verschiebbar.
  • Erfindungsgemäß haben benachbarte Zähne des Ritzels und des Zahnkranzes jeweils im Bereich der vorderen, im ausgespurtem Zustand sich gegenüber liegenden Stirnseiten eine um den gleichen Betrag unterschiedliche axiale Länge. Bei dieser Ausführungsform kann das Einspuren des Ritzels in den Zahnkranz auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten verkürzt werden, indem die vorstehenden Zähne von Ritzel und Zahnkranz nunmehr mit der doppelten Zahnteilung voneinander beabstandet sind, so dass die Ritzelzähne auch bei hohen Drehzahlen des Zahnkranzes noch ausreichend tief durch die axiale Andrückfeder in die Zahnlücken vordringen können um mitgenommen zu werden. In einfachster Ausführungsform ist dabei jeder zweite Zahn von Ritzel und Zahnkranz gegenüber der Ritzel- bzw. der Zahnkranzbreite verkürzt. Zweckmäßigerweise sind auch hier die nicht verkürzten Zähne an ihren vorderen Stirnseiten mit einer Anschrägung am Zahnkopf versehen, die vorzugsweise kürzer als der Zahnvorsprung ist. Um auch hierbei die Möglichkeit zu schaffen, das Ritzel zum Anlaufen zunächst einmal an den Zähnen des Zahnkranzes abrutschen zu lassen, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, Anschrägungen an den in Drehrichtung des Zahnkranzes vorderen Zahnflanken der vorstehenden
  • Zähne des Zahnkranzes sowie an den hinteren Zahnflanken der vorstehenden Zähne des Ritzels anzubringen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden beispielsweise anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Start-Stopp-Anlage für Kraftfahrzeugen mit einer Startvorrichtung in schematischer Darstellung,
    Figur 2
    Ritzel, Ritzelwelle und Freilaufkörper der Startvorrichtung in raumbildlicher Darstellung nach dem Zusammenbau mittels einer Schiebeverzahnung,
    Figur 3
    die Teile aus Figur 2 explosionsartig angeordnet,
    Figur 4
    eine vergrößerte Darstellung der Verzahnung des Ritzels und des Zahnkranzes der Maschine vor dem Einspuren,
    Figur 5
    Ritzel, Ritzelwelle und Freilauf im Längsschnitt und vergrößerter Darstellung und
    Figur 6
    einen Ausbruch des Zahnkranzes und des Ritzels mit versetzten Zähnen in raumbildlicher, vergrößerter Darstellung als Ausführungsbeispiel
  • Ein Ritzel und ein Zahnkranz mit Zähnen unterschiedlicher axialer Länge, wie nach Ansprüchen 1 und 4, sind nur in Figur 6 ausdrücklich dargestellt.
    • Ausführungsformen der Erfindung
  • Figur 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Start-Stopp-Anlage für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen in schematischer Darstellung. Sie umfasst eine Startvorrichtung 10 mit einem Startermotor 11, einem Starterrelais 12 und einem Ritzel 13 zum axialen Einspuren in einen Zahnkranz 14 einer Brennkraftmaschine 15. Das Starterrelais 12 weist eine Relaiswicklung 16, einen Stößel 17 und einen Schaltkontakt 18 zum Schalten des Hauptstromes für den Startermotor 11 auf. Die Start-Stopp-Anlage umfasst ferner eine Motorsteuereinheit 19, die ebenso wie der Schaltkontakt 18 des Starterrelais 12 mit einem Plus-Anschluss an das nicht dargestellte Bordnetz des Kraftfahrzeuges angeschlossen ist. Der Motorsteuereinheit 19 werden ferner über mehrere Signaleingänge verschiedene Sensorsignale zugeführt, mit denen zum Beispiel eine Kupplungsbetätigung, eine Bremsbetätigung, die Stellung eines Gangwählhebels, die Motor- und die Raddrehzahl und dergleichen erfasst wird. Die Motorsteuereinheit 19 ist ferner über einen Ausgang mit der Relaiswicklung 16 verbunden, mit der über einen Einrückhebel 20 das Ritzel 13 in den Zahnkranz 14 der Brennkraftmaschine 15 eingespurt und der Startermotor 11 über den Schaltkontakt 18 zum Starten der Brennkraftmaschine 15 eingeschaltet wird. Der Startermotor 11 treibt dabei über ein Planetengetriebe 21 eine Antriebswelle 22, die in der Regel über ein Steilgewinde mit einem Freilauf 23 gekoppelt ist. Der Freilauf 23 ist abtriebsseitig einstückig mit einer Ritzelwelle verbunden, an der das Ritzel 13 mittels einer Schiebeverzahnung durch Anschläge begrenzt axial verschiebbar befestigt ist.
  • Bei einem Kaltstart der Maschine 15 wird zunächst mit einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgelösten Startsignal über die Motorsteuereinheit 19 das Starterrelais 12 aktiviert, wobei der Startermotor 11 über eine weitere Verbindung direkt von der Motorsteuereinheit 19 angesteuert und leicht gedreht wird. Durch die Relaiswicklung 16 wird dabei außerdem über den Stößel 17 und den Einrückhebel 20 das Ritzel 13 bis zum Zahnkranz 14 der Maschine vorgeschoben. Bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung wird in bekannter Weise eine zwischen Freilauf 23 und Einrückhebel 20 eingesetzte Einrückfeder 24 gespannt, so dass durch leichtes Drehen des Startermotors 11 die Zähne des Ritzels 13 in die nächste Zahnlücke des Zahnkranzes 14 bis zu einem Anschlag an der Antriebswelle 22 einrücken können.
  • Während des Fahrbetriebs ist nun die Start-Stopp-Anlage des Kraftfahrzeugs aktiviert, wobei mit Beginn einer jeder Stopp-Phase des Fahrzeugs zum Beispiel durch Erfassen der Drehzahl an den Vorderrädern des Fahrzeugs die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird. Zugleich wird in einer ersten Stufe zur Vorbereitung eines späteren Neustarts der Maschine ein Einspurvorgang des Ritzels 13 in den noch laufenden Zahnkranz 14 der Maschine 15 ausgelöst, indem über die Motorsteuereinheit 19 ein dosierter Erregerstrom auf das Starterrelais 12 gegeben wird. Über den Stößel 17 wird nun mit dem Einrückhebel 17 das Ritzel 13 axial zum Einspuren in den Zahnkranz 14 vorgeschoben. Um die Brennkraftmaschine 15 möglichst rasch nach dem Abschalten wieder startklar zu machen, muss nun das Ritzel 13 noch vor dem Stillstand der Brennkraftmaschine 15 bei ruhendem Startermotor 11 in den noch drehenden Zahnkranz 14 mittels einer axialen Andrückfeder 25 eingespurt werden. Die axiale Andrückfeder 25 ist hierbei zwischen dem Ritzel 13 und der Ritzelwelle 26 angeordnet und axial vorgespannt.
  • Figur 2 zeigt in raumbildlicher Darstellung eine Baueinheit 27, bestehend aus dem Ritzel 13, der axialen Andrückfeder 25 und der Ritzelwelle 26 mit einem Freilaufgrundkörper 23a, wobei das Ritzel 13 als Steckritzel ausgebildet ist.
  • Figur 3 zeigt diese Teile in explosionsartiger Anordnung und zwar einen Anschlagring 28 als axialen Anschlag für das Ritzel 13, einen Sprengring 29 zur Fixierung des Anschlagringes 28, das Ritzel 13 mit einer Keilwellen-Innenbohrung 30a, mit einer Lagerbuchse 31, der axialen Andrückfeder 25, der Ritzelwelle 26 mit einer Keilwellen-Verzahnung 30b und dem FreilaufGrundkörper 23a und schließlich mit einer weiteren Lagerbuchse 31. Die Ritzelwelle 26 bildet mit ihrer Keilwellen-Verzahnung 30b gemeinsam mit der Keilwellen-Innenbohrung 30a des Ritzels 13 die axiale Schiebeverzahnung 30 gemäß Figur 2 für die Ritzelmontage. Die beiden Lagerbuchsen 31 werden beidseitig in eine zentrale Bohrung 26a der Ritzelwelle eingesetzt, in die beim Zusammenbau der Startvorrichtung 10 aus Figur 1 die Antriebswelle 22 aufgenommen wird. Die axiale Andrückfeder 25 wird auf eine hinter der Keilwellen-Verzahnung 30b der Ritzelwelle 26 angeordnete Verdickung 26b konzentrisch aufgesetzt, die mit ihrem hinteren Ende an einer Ringschulter 33 der Ritzelwelle 26 anliegt. Das vordere Ende der als Schraubenfeder ausgebildeten axiale Andrückfeder 25 liegt an der Ritzelrückseite an.
  • In Figur 4 ist ausbruchsweise das Ritzel 15 der Startvorrichtung 10 aus Figur 1 bis 3 und der dazu axial versetzte Zahnkranz 14 der Brennkraftmaschine 15 in raumbildlicher Ausführung vergrößert dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass beim axialen Vorrücken des Ritzels 13 an den noch in Pfeilrichtung drehenden Zahnkranz 14 der Maschine das Ritzel 13 in Richtung des Pfeiles 34 mitgenommen wird. Um das Einrücken des Ritzels 13 in den Zahnkranz 14 der Maschine dabei zu erleichtern, sind sowohl die Zähne 13a des Ritzels 13 als auch die Zähne 14a des Zahnkranzes 14 an den Zahnstirnseiten, die sich im ausgespurtem Zustand gegenüber liegen, mit einer Anschrägung 35 der Zahnflanken 13b und 14b versehen. Die Anschrägung 35 wird dabei an denjenigen Zahnflanken 13a, 14a angebracht, die miteinander beim Einspuren des Ritzels 13 in den noch drehenden Zahnkranz 14 in Kontakt treten. Außerdem haben hier die Zähne 13a des Ritzels 13 im Bereich ihres Zahnkopfes eine angeschrägte Stirnseite 13c, wodurch der Einspurvorgang weiter erleichtert wird. Dabei könnte es einerseits ausreichen, die Anschrägung 35 nur an den Zähnen 14b des Zahnkranzes 14 oder an den Zähnen 13a des Ritzels 13 anzubringen. Andererseits kann es sinnvoll sein, die angeschrägten Stirnseiten 13c nicht nur am Ritzel 13 sondern auch am Zahnkranz 14 vorzusehen. Durch diese Maßnahmen wird einzeln oder in ihrer Kombination erreicht, dass das Ritzel 13 beim Einspuren in den noch drehenden Zahnkranz 14 der Maschine entweder sogleich durch die Kraft der Andrückfeder 25 mitgenommen und sodann vollständig eingespurt wird oder das Ritzel 13 wird zunächst von einem der Zähne 14a des Zahnkranzes 14 mitgenommen und der in Eingriff mit dem Zahnkranz 14 kommende Zahn 13a des Ritzels 13 rutscht zunächst noch einmal an der Anschrägung 35 der Zahnflanken 13b, 14b ab, um nun mit langsamer Drehung in die nächste Zahnlücke des Zahnkranzes 14 bereits weiter einzurücken. Die Ritzelwelle 26 wird dabei vom Ritzel 13 mitgenommen und über den Freilauf 23 wird das Planetengetriebe 21 und der Startermotor 11 abgekoppelt.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird nun vor dem Stillstand der Maschine 15 die Kurbelwelle mittels der Motorsteuereinheit 19 vom Startermotor über den Zahnkranz 14 in eine für den nachfolgenden Neustart optimale Startposition gedreht.
  • Figur 5 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine hinter der Schiebeverzahnung 30 zwischen dem Ritzel 13 und der Ritzelwelle 26 eingesetzte Schraubenfeder 36 als axiale Andrückfeder für das Ritzel 13 in einer Ringaussparung 38 der Ritzelwelle 26 im Bereich des Freilauf-Grundkörpers 23a teilweise aufgenommen ist und wobei der Boden 38a der Ringaussparung 38 die Abstützfläche für das hintere Ende der Schraubenfeder 36 bildet. Die Schraubenfeder 36 drückt im Ruhezustand das Ritzel 13 gegen den vorderen Anschlagring 28, wodurch zwischen der Rückseite des Ritzels 13 und der vorderen Stirnseite des Freilauf-Grundkörpers 23a in axialer Federweg y auftritt, über den das Ritzel 13 entgegen der Axialkraft der vorgespannten Schraubenfeder 26 an der Schiebeverzahnung 30 axial verschiebbar ist. Die Axialfederung der Schraubenfeder 36 wird dabei so ausgelegt, dass die Federung weicher ist als die der Einrückfeder 24 der Startvorrichtung 10 nach Figur 1. Damit ist es möglich, dass die Anschrägungen 35 an der vorderen Stirnseite der Zähne 13a des Ritzels 13 beim Einspurvorgang in den Zahnkranz 14 der Maschine mit dosierter Kraft zurückfedernd abrutschen kann. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, das an sich übliche so genannte Steilgewinde zwischen dem Freilauf und der Antriebswelle 22 der Startvorrichtung 10 als axiale Schiebeverzahnung 40 auszubilden, damit zum Einspuren des Ritzels eine unerwünschte Verdrehung in falscher Richtung vermieden wird.
  • Die Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine besondere Ausbildung der Zähne des Ritzels 13 und des Zahnkranzes 14 betrifft. Dazu sind in Figur 6 in vergrößerter raumbildlicher Darstellung ein Ausbruch des Zahnkranzes 14 der Brennkraftmaschine 10 aus Figur 1 sowie das Ritzel 13 der Startvorrichtung 10 im ausgespurten Zustand zueinander dargestellt. Der Unterschied zur Ausführungsform nach Figur 5 besteht darin, dass die benachbarten Zähne 13a und 14a des Ritzels 13 und des Zahnkranzes 14 im Bereich derjenigen Stirnseiten, die sich gegenüber liegen, eine um den gleichen Betrag unterschiedliche axiale Länge haben. Dabei ist jeder zweite Zahn 13a1 des Ritzels 13 und jeder zweite Zahn 14a1 des Zahnkranzes 14 gegenüber der Ritzelbreite beziehungsweise der Zahnkranzbreite verkürzt. Die axial nicht gekürzten Zähne 13a und 14a des Ritzels 13 und des Zahnkranzes 14 haben in gleicher Weise wie in Figur 4 beim ersten Ausführungsbeispiel an ihren vorderen, sich gegenüber liegenden Stirnseiten eine Anschrägung 35 an den Zahnflanken 13b und 14b. Die Anschrägung 35 ist dabei an denjenigen Zahnflanken 13b und 14b angeordnet, die in der durch einen Pfeil dargestellten Drehrichtung des noch laufenden Zahnkranzes 14 beim Einspuren des Ritzels 13 miteinander in Kontakt treten. Dies sind gemäß Figur 6 die vorderen Zahnflanken 14b der vorstehenden Zähne 14a des Zahnkranzes 14 und die in Drehrichtung hinteren Zahnflanken 13b der vorstehenden Zähne 13a des Ritzels 13. Des Weiteren haben die nicht gekürzten Zähne 13a und 14a des Ritzels 13 und des Zahnkranzes 14 angeschrägte vordere Stirnseiten, die sich im ausgespurten Zustand gegenüber liegen. Dabei reicht es aus, dass die Stirnseiten nur im Bereich 13c der Zahnköpfe angeschrägt sind.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst ebenfalls mit Beginn eines Stopp-Zykluses der Brennkraftmaschine 10 das Ritzel 13 nach dem Abschalten und vor dem Stillstand der Brennkraftmaschine bei ruhendem Startermotor 11 durch das Starterrelais 12 über den Einrückhebel 20 zum Zahnkranz 14 hin vorgespurt. Mit dem Erreichen einer Zahn-auf-Lücke-Position wird das Ritzel 13 zunächst mittels der Andrückfeder 25 ein kleines Stück weit in den Zahnkranz 14 eingerückt. Dabei gelangen zunächst zwei nicht gekürzte Zähne 13a und 14a von Ritzel 13 und Zahnkranz 14 mit ihren angeschrägten Zahnflanken 13b und 14b in Kontakt. Das Ritzel wird dabei zunächst nur über eine entsprechend kleine Kontaktfläche der Anschrägungen 35 mitgenommen. Bei langsamer Drehung des Zahnkranzes 14 reicht dabei die Vorspannung der Andrückfeder 25 sowie die Kraft der Einrückfeder 24 der Startvorrichtung 10 aus, um das massearme Ritzel 13 mitzunehmen und sodann vollständig in den Zahnkranz 14 einzuspuren. Dabei wird der Startermotor 11 und das Getriebe 21 der Startvorrichtung 10 durch den Freilauf 23 abgekoppelt. Bei größerer Drehzahl des Zahnkranzes 14 sowie bei Ritzeln mit größerer Masse wird dagegen das Ritzel 13 vom Zahnkranz 14 nicht sogleich vollständig mitgenommen, sondern es rutscht über die Anschrägung 35 der miteinander kontaktierten ungekürzten Zähne 13a und 14a axial federnd ab, in dem das Ritzel 13 gegen die Kraft der Andrückfeder 25 wieder aus dem Zahnkranz 14 axial heraus gedrückt wird. Da der nächste nicht gekürzte Zahn 14b des Zahnkranzes 14 vom voraus gehenden ungekürzten Zahn um die doppelte Zahnteilung beabstandet ist, hat das Ritzel 13 nunmehr eine doppelt so große Strecke entlang der Zähne zur Verfügung, um in den Zahnkranz 14 mit der Kraft der Andrückfeder 25 weiter einrücken zu können. In dieser Stellung wird es nun vollständig mitgenommen und mit der Kraft der Einrückfeder 24 vollständig in den Zahnkranz 14 eingespurt. Damit lässt sich sicherstellen, dass auch mit geringen Vorschubkräften am Ritzel 13 eine für eine hohe Lebensdauer ausreichende Eindringtiefe der Verzahnung erreicht wird. Bei der Verwendung von relativ massearmen Steckritzeln wird aufgrund der verkürzten Zähne 13a1 und 14a1 sowie aufgrund der Vorschubkraft der Einrückfeder 20 das Ritzel 13 ausreichend weit in den Zahnkranz 14 eingerückt, um ohne ein Abrutschen und Zurückfedern sogleich vom Zahnkranz 14 mitgenommen zu werden. Ein Abrutschen und axiales Zurückfedern des Ritzels 13 am Zahnkranz 14 tritt daher lediglich bei großer Drehzahldifferenz zwischen Zahnkranz 14 und Ritzel 13 auf.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sondern umfasst auch alternative Lösungen, die je nach Ausführung der Startvorrichtung 10 aus Figur 1 angepasst werden können. So ist es im Rahmen der Erfindung ebenso möglich, die Schiebeverzahnung zwischen Ritzel 13 und Ritzelwelle 26 derart abzuwandeln, dass das Ritzel 13 als Steckritzel für einen so genannten Spitzmaul-Starter am hinteren Ende mit einer Außenverzahnung und die Ritzelwelle mit dem FreilaufGrundkörper mit einer Innenverzahnung zu versehen. Da es bei großen Umfangsgeschwindigkeiten des Zahnkranzes zunächst nur stirnseitig zwischen den Zähnen des Zahnkranzes und des Ritzels zu einer Berührung kommt, wird durch die dabei auftretenden Stoßkontakte Energie zwischen Ritzel und Zahnkranz in der Weise ausgetauscht, so dass sich die Umfangsgeschwindigkeiten angleichen. Sobald dies vollständig geschehen ist, kann das Ritzel in einer Zahn-Lücke-Stellung soweit in den Zahnkranz vorgeschoben werden, dass es nicht mehr herausgedrückt wird. Im Fall einer angeschrägten Kontaktfläche bedeutet dies, dass das Ritzel sodann über die Anschrägung hinaus in den Zahnkranz vorgeschoben wird und eine Stellung erreicht, in der das Ritzel vollständig eingerückt werden kann. Selbstverständlich müssen alle diese Alternativen die Merkmale der folgenden unabhängigen Ansprüche 1 und 4 beinhalten.

Claims (9)

  1. Startverfahren für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen mit einer Start-Stopp-Anlage, deren Startermotor (11) über einen Freilauf (23) ein Ritzel (13; 40), vorzugsweise ein Steckritzel, zum Starten der Brennkraftmaschine (15) antreibt und welches mit Beginn einer Stopp-Phase von einer Einrückvorrichtung (12, 20) vorzugsweise mit einer zwischengeschalteten Einrückfeder (24) in einen Zahnkranz (14) der Brennkraftmaschine axial eingespurt wird, wobei mit Beginn der Stopp-Phase das Ritzel (13) nach dem Abschalten und vor dem Stillstand der Brennkraftmaschine (15) vorzugsweise bei ruhendem Startermotor (11) in den noch drehenden Zahnkranz (14) mit einer axialen Andrückfederung eingespurt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zähne (13a) des Ritzels (13) und benachbarte Zähne (14a) des Zahnkranzes (14) jeweils im Bereich der vorderen, im ausgespurten Zustand einander gegenüberliegenden Stirnseiten eine um den gleichen Betrag (x) unterschiedliche axiale Länge haben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einspuren des Ritzels (13) in den noch drehenden Zahnkranz (14) mit dem Erreichen einer Zahn-auf-Lücke-Position das Ritzel (13) zunächst mittels der Andrückfederung ein kleines Stück weit in den Zahnkranz (14) eingerückt und dabei zunächst nur über entsprechend kleine Kontaktflächen (35) der Zahnflanken (13b, 14b) von Ritzel (13) und Zahnkranz (14) mitgenommen wird, und dass bei zu großer Differenz der Umfangsgeschwindigkeit von Zahnkranz (14) und Ritzel (13) das Ritzel (13) gegebenenfalls mehrfach wieder aus dem Zahnkranz (14) herausgedrückt und danach mit verringerter Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten in die nächste Lücke weiter beziehungsweise schließlich vollständig in den Zahnkranz (14) eingerückt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Stillstand der Brennkraftmaschine (15) die Kurbelwelle mittels der Motorsteuereinheit (19) vom Startermotor (11) in die optimale Startposition für den nachfolgenden Neustart gedreht wird.
  4. Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem auf der Ritzelwelle (26) axial zwischen zwei Anschlägen verschiebbaren Ritzel (13), dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zähne (13a) des Ritzels (13) und benachbarte Zähne (14a) des Zahnkranzes (14) jeweils im Bereich der vorderen, im ausgespurten Zustand einander gegenüberliegenden Stirnseiten eine um den gleichen Betrag (x) unterschiedliche axiale Länge haben.
  5. Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweite Zahn (13a, 14a) vom Ritzel (13) und vom Zahnkranz (14) gegenüber der Ritzelbreite beziehungsweise Zahnkranzbreite verkürzt ist.
  6. Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axial nicht verkürzten Zähne (13a und 14a) des Ritzels (13) und/oder des Zahnkranzes (14) an ihrer vorderen Stirnseite mit einer Anschrägung (35) der Zahnflanken (13b, 14b) versehen sind.
  7. Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschrägung (35) an der in Drehrichtung des Zahnkranzes (14) vorderen Zahnflanke (14b) und an der in Drehrichtung hinteren Zahnflanke (13b) des Ritzels (13) angebracht sind.
  8. Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine nach Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht verkürzten Zähne (13a, 14a) des Ritzels (13) und/oder des Zahnkranzes (14) an ihren vorderen Stirnseiten zumindest im Zahnkopfbereich (13c) angeschrägt sind.
  9. Startvorrichtung mit Start-Stopp-Anlage und Brennkraftmaschine nach Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ritzelwelle (26) mit dem dahinter angeordneten Freilauf (23) über eine Schiebeverzahnung (40) ohne Steilgewinde auf einer Antriebswelle (22) axial verschiebbar ist.
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