WO2002016763A1 - Elektrische startvorrichtung für brennkraftmaschinen mit überlastschutz - Google Patents

Elektrische startvorrichtung für brennkraftmaschinen mit überlastschutz Download PDF

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Roger Ferwagner
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    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/02—Starting of engines by means of electric motors the motors having longitudinally-shiftable rotors

Definitions

  • the invention relates to an electrical starting device for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • Such starting devices are also used, for example, in large motor vehicles such as buses and the like, such as in cars.
  • the starting devices are partially automatically controlled or remotely controlled so that the driver cannot acoustically monitor the starting process and therefore cannot immediately end in the event of a fault or thermal overload.
  • the starting device can heat up to such an extent, as in the case of an improperly long activation of the starter by hand, that the connecting cable between the terminal 45 of the starting relay and the starter motor becomes glowing and melts in the limit case. There is a risk that parts in the immediate vicinity of the cable in the motor vehicle will be damaged, which in extreme cases could lead to a vehicle fire.
  • the aim of the present solution is to achieve fully effective protection against overheating of external parts, even with starting systems of smaller sizes, without using additional, expensive means.
  • the starting device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that, in the event of an overload of the main circuit by responding to the fuse arranged in the starter motor, the risk of overheating of motor vehicle parts in the area of the starting device and thus the risk of consequential damage is reliably avoided.
  • the heating can advantageously be concentrated almost selectively on the area of the fuse integrated in the starter, so that the rest Do not damage any parts of the starter when the fuse is activated.
  • a cost-neutral fuse in the starter motor can be implemented without additional means in that at least one of the carbon brushes has a connecting lead designed as a fuse. This is through material selection or through a connection technology with z. B. lower melting point and / or realizable by a smaller cross section of the connecting strand.
  • a particularly cost-effective solution results from the fact that the cross-section of the connecting wire of the at least one carbon brush is so greatly weakened compared to the cross-section of the other areas of the main circuit that this connecting wire melts when the starter motor is subjected to excessive loads.
  • a reliable, effective fuse can already be achieved by the fact that of the at least two carbon brushes connected in series in the main circuit via the commutator rotor, the stranded wire of one carbon brush has a cross section which is more than 10%, preferably 25% weaker than the other carbon brush.
  • the connecting strands of two opposing carbon brushes have a cross-section weakened by more than 10% than that of the two other opposing carbon brushes.
  • the connecting strands can also be provided with insulation which prevents rapid heat dissipation.
  • FIG. 1 shows the structure of a starting device for internal combustion engines with starter relay and starter motor and
  • FIG. 2 shows a brush plate of the starter motor with carbon brush connecting strands as overload protection.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the structure of a starting device 10, the starter motor 11 of which is a four-pole DC motor with permanent magnet excitation.
  • a commutator rotor 12 of the starter motor 11 is mounted several times with its output shaft 13.
  • the output shaft 13 carries a high helix thread 14 which interacts with a nut thread (not shown) of a driving shaft 15.
  • the driver shaft 15 is fixedly connected to an outer ring of a freewheel 16, the inner ring of which carries a starter pinion 17 at the front.
  • the starter pinion 17 is via the steep thread 14 up to a stop 18 axially displaceable and thereby engages in a ring gear 19 of an internal combustion engine, not shown.
  • the starter pinion is engaged and engaged by a starter relay 20 which acts on the freewheel 16 via a bell crank 21 and an engagement spring 22.
  • the start relay 20 is also a switch contact in the main circuit 23 of the starter device.
  • a switch contact 24 shown in dashed lines is connected via a connection terminal 30 to the positive pole of an accumulator battery of the motor vehicle.
  • a connecting cable 25 leading to the starter motor 11 is fastened to the second connecting terminal 45 of the switching contact 24.
  • the connecting cable 25 is welded at its other end to a connecting bar 26, which is accommodated in a bushing 27 made of insulating material in the housing 28 of the starter motor 11.
  • the rotor 12 of the starter motor 11 carries at its rear end a commutator 29, on the circumference of which four carbon brushes 31 are arranged.
  • the carbon brushes 31a to 31d are each received in a brush holder 32 made of plastic, which is fixedly mounted on a metallic brush support plate 33.
  • the support plate 33 is fastened to the rear end plate 34 of the starter motor 11 by means of screws.
  • springs 35 arranged in the rear part of the brush holder 32, the carbon brushes 31 are pressed against the surface of the commutator 29 in the assembled state of the starter motor 11.
  • the two upper carbon brushes 31a, 31b are welded to the connecting bar 26 with their connecting strands 36a, 36b and thus form the plus-side carbon brushes.
  • the two lower carbon brushes 31c, 31d are welded with their connecting strands 36c, 36d to a bent connection angle 37 of the brush support plate 33.
  • the two lower carbon brushes 31c, 31d form the brushes on the ground side.
  • the carbon brushes 31a and 31b are connected to one another in parallel to form a group; likewise the lower carbon brushes 31c and 31d.
  • the main circuit 23 of the starting device 10 thus runs via the switch contact 24 of the starting relay 20, the connecting cable 25, the connecting rail 26 and from there via the connecting leads 36a, 36b to the carbon brushes 31a and 31b; then via the commutator 29 and the rotor 12 to the lower carbon brushes 31c and 31d and then via their connecting wires 36c and 36d to the brush support plate 33 lying on the ground.
  • the cross-sections of the connecting strands 36a and 36b of the plus-side carbon brushes 31a, 31b are designed 25% weaker than the cross-sections of the connecting leads 36c and 36d of the ground-side carbon brushes 31c, 31d.
  • the connecting strands 36a, 36b of the plus-side carbon brushes 31a, 31b have a cross section of 3 mm 2
  • the connecting leads 36c, 36d of the ground-side carbon brushes 31c, 31d have a cross section of 4 mm 2 .
  • these can additionally be secured by a known electronic overload cutoff, so that the fuse in the starter motor only responds in the event of an acute overheating on the starter.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Startermotor (11) und einem Startrelais (20). Im Hauptstromkreis (23) der Startvorrichtung liegen die Schaltkontakte (24) des Startrelais (20) in Reihe mit dem Kommutatorläufer (12) des Startermotors (11) und dessen Kohlebürsten (31). Ein Überlastschutz unterbricht den Hauptstromkreis bei Überlast des Startermotors in Abhängigkeit von Stromstärke und Zeitdauer. Um einen kostengünstigen und zuverlässigen Überlastschutz der Startvorrichtung zu erzielen, ist mindestens ein innerhalb des Startermotors (11) liegender Abschnitt des Hauptstromkreises (23), vorzugsweise mindestens eine Anschlusslitze (36) der Kohlebürsten (31) als Schmelzsicherung ausgebildet.

Description

Elektrische Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Überlastschütz
Die Erfindung betrifft eine elektrische Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Derartige Start orrichtungen kommen beispielsweise bei großen Kraftfahrzeugen wie Omnibussen und dergleichen ebenso zum Einsatz, wie beispielsweise bei Pkws . Die Startvorrichtungen werden dabei teilweise automatisch angesteuert bzw. ferngesteuert, so dass der Fahrer den Startvorgang nicht akustisch überwachen und somit bei einer Störung oder einer thermischen Überlastung nicht unverzüglich beenden kann. Dabei kann die Startvorrichtung ebenso wie bei einem mißbräuchlich zu langem Ansteuern des Starters von Hand sich so stark erwärmen, dass das Verbindungskabel zwischen der Klemme 45 des Startrelais und dem Startermotor glühend wird und im Grenzfall abschmilzt. Dabei besteht die Gefahr, dass in unmittelbarer Nähe des Kabels befindliche Teile im Kraftfahrzeug beschädigt werden, was im Extremfall zu einem Fahrzeugbrand führen könnte.
Gemäß der DE 30 02 232 C2 ist es bei Startvorrichtungen bekannt, zur thermischen Absicherung der Startvorrichtung in dem Verbindungskabel zwischen Startrelais und Startermotor ein Steuerteil einzufügen, das über einen Thermoschalter das Startrelais beim Überschreiten einer Grenztemperatur abschaltet und damit den Startvorgang unterbricht. Diese Lösung ist jedoch sehr aufwendig und kommt daher in erster Linie nur für leistungsstarke Startvorrichtungen in Betracht, da ein derartiger Überlastschutz nicht nur eine örtliche Überhitzung im Fahrzeug durch ein Wegschmelzen des Kabels beseitigt, sondern außerdem einen Defekt der Startvorrichtung verhindert. Bei einem Defekt am Steuerteil oder am Thermoschalter würde ein solcher Überlastschutz jedoch wirkungslos werden. Ebenso schützt er nicht, wenn das Leistungsrelais selbst eine Kontaktverschweißung hat, da er nur die Spule des Leistungsrelais spannungsfrei schaltet.
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, auch bei Startanlagen kleinerer Baugrößen einen voll wirksamer Schutz gegen eine Überhitzung außen liegender Teile zu erzielen, ohne hierfür zusätzliche, aufwendige Mittel einzusetzen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Startvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei einer Überlastung der Hauptstromkreis durch Ansprechen der im Startermotor angeordneten Schmelzsicherung die Gefahr einer Überhitzung von Kraftfahrzeugteilen im Bereich der Startvorrichtung und damit die Gefahr eines Folgeschadens zuverlässig vermieden wird. Durch eine entsprechend ausreichend starke Dimensionierung der übrigen im HauptStromkreis liegenden Teile kann ferner in vorteilhafter Weise die Erhitzung nahezu punktuell auf den Bereich der im- Starter integrierten Schmelzsicherung konzentriert werden, so dass die übrigen Teile der Startvorrichtung beim Ansprechen der Schmelzsicherung keinen Schaden nehmen.
So läßt sich ohne zusätzliche Mittel eine kostenneutrale Schmelzsicherung im Startermotor dadurch realisieren, dass zumindest eine der Kohlebürsten eine als Schmelzsicherung ausgebildete Anschlusslitze aufweist. Dies ist durch Materialauswahl oder durch eine Verbindungstechnik mit z. B. niedrigerem Schmelzpunkt oder/und durch einen geringeren Querschnitt der Anschlusslitze realisierbar. Eine besonders kostengünstige Lösung ergibt sich dadurch, dass der Anschlusslitzen-Querschnitt der mindestens einen Kohlenbürste gegenüber dem Querschnitt der übrigen Bereiche des Hauptstromkreises so stark geschwächt ist, dass diese Anschlusslitze bei zu hoher Belastung des Startermotors durchschmilzt. Eine zuverlässig wirksame Schmelzsicherung läßt sich bereits dadurch erzielen, dass von den mindestens zwei im HauptStromkreis über den Kommutatorläufer in Reihe geschalteten Kohlebürsten die Anschlusslitze der einen Kohlebürste gegenüber der anderen Kohlebürste einen um mehr als 10%, vorzugsweise um 25% schwächeren Querschnitt hat.
Da bei einem vier- oder mehrpoligen Startermotor vier oder mehr Kohlebürsten über den Umfang des Kommutators verteilt angeordnet sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn dabei die eine Gruppe der dann jeweils parallel geschalteten Kohlebürsten gegenüber der anderen Gruppe Anschlusslitzen einen geschwächten Querschnitt hat. Um sicherzustellen, dass bei Überlastung möglichst nahe der spannungsführenden Zuleitung (Litze oder Stromschiene an Klemme 45) abgeschaltet wird, ist vorgesehen, dass die plusseitig im Hauptstromkreis liegenden Kohlebürsten Anschlusslitzen mit geschwächtem Querschnitt aufweisen. Alternativ kann es jedoch in Sonderfällen auch zweckmäßig sein, wenn bei einem vierpoligen Startermotor mit vier über den Umfang des Kommutators verteilten Kohlebürsten die Anschlusslitzen zweier einander gegenüberliegender Kohlebürsten einen um mehr als 10% geschwächten Querschnitt haben als die der zwei anderen einander gegenüberliegenden Kohlebürsten. Anstelle einer Querschnittschwächung oder zusätzlich dazu können die Anschlusslitzen auch mit einer Isolation versehen werden, die eine rasche Wärmeableitung verhindert .
Zeichnung
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert . Es zeigen:
Figur 1 den Aufbau einer Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Startrelais und Startermotor und Figur 2 eine Bürstenplatte des Startermotors mit Kohlebürsten-Anschlusslitzen als Überlastschutz.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
In Figur 1 ist in schematischer Darstellung der Aufbau einer Startvorrichtung 10 dargestellt, deren Startermotor 11 ein vierpoliger Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Erregung ist . Ein Kommutatorläufer 12 des Startermotors 11 ist mit seiner Abtriebswelle 13 mehrfach gelagert. Die Abtriebswelle 13 trägt ein Steilgewinde 14, welches mit einem nicht dargestellten Muttergewinde eines Mitnehmerschaftes 15 zusammenwirkt. Der Mitnehmerschaft 15 ist mit einem Außenring eines Freilaufs 16 fest verbunden, dessen Innenring vorn ein Starterritzel 17 trägt. Das Starterritzel 17 ist über das Steilgewinde 14 bis zu einem Anschlag 18 axial verschiebbar und spurt dabei in einen Zahnkranz 19 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine ein. Das Vor- und Einspuren des Starterritzels erfolgt durch ein Startrelais 20, welches über einen Umlenkhebel 21 und einer Einspurfeder 22 am Freilauf 16 angreift. Das Startrelais 20 liegt ferner mit einem Schaltkontakt im Hauptstromkreis 23 der Start orrichtung. Dabei ist ein gestrichelt dargestellter Schaltkontakt 24 über eine Anschlussklemme 30 mit dem Plus-Pol einer Akkumulatorbatterie des Kraftfahrzeugs verbunden. An der zweiten Anschlussklemme 45 des Schaltkontaktes 24 ist ein zum Startermotor 11 führendes Anschlusskabel 25 befestigt. Das Anschlusskabel 25 ist mit seinem anderen Ende an eine Anschlussschiene 26 festgeschweißt, die in einer aus Isoliermaterial hergestellten Durchführung 27 im Gehäuse 28 des Startermotors 11 auf enommen ist . Der Läufer 12 des Startermotors 11 trägt an seinem hinteren Ende einen Kommutator 29, auf dessen Umfang vier Kohlebürsten 31 verteilt angeordnet sind.
Aus Figur 2 ist erkennbar, dass die Kohlebürsten 31a bis 31d jeweils in einem Bürstenhalter 32 aus Kunststoff aufgenommen sind, der auf einer metallischen Bürstentragplatte 33 fest montiert ist. Die Tragplatte 33 ist mittels Schrauben an der hinteren Stirnplatte 34 des Startermotors 11 befestigt. Mittels im hinteren Teil der Bürstenhalter 32 angeordneter Federn 35 werden die Kohlebürsten 31 jeweils im montierten Zustand des Startermotors 11 gegen die Oberfläche des Kommutators 29 gedrückt. Die beiden oberen Kohlebürsten 31a, 31b sind mit ihren Anschlusslitzen 36a, 36b mit der Anschlussschiene 26 verschweißt und bilden somit die plusseitigen Kohlebürsten. Die zwei unteren Kohlebürsten 31c, 31d sind mit ihren Anschlusslitzen 36c, 36d an einen hochgebogenen Anschlusswinkel 37 der Bürstentragplatte 33 festgeschweißt. Da die Bürstentragplatte 33 über das Gehäuse 28 des Startermotors auf Masse liegt, bilden die beiden unteren Kohlebürsten 31c, 31d die masseseitigen Bürsten. Die Kohlebürsten 31a und 31b sind zu einer Gruppe zueinander parallel geschaltet; ebenso die unteren Kohlebürsten 31c und 31d. Der Hauptstromkreis 23 der Startvorrichtung 10 verläuft somit über den Schaltkontakt 24 des Startrelais 20 , das Anschlusskabel 25, die Anschlussschiene 26 und von dort über die Anschlußlitzen 36a, 36b zu den Kohlebürsten 31a und 31b; sodann über den Kommutator 29 und den Läufer 12 zu den unteren Kohlebürsten 31c und 31d und dann über deren Anschlusslitzen 36c und 36d zu der auf Masse liegenden Bürstentragplatte 33.
Um innerhalb des Startermotors 11 einen Überlastschütz in Form einer Schmelzsicherung zu erhalten, sind im Beispielsfall die Querschnitte der Anschlusslitzen 36a und 36b der plusseitigen Kohlebürsten 31a, 31b um 25% schwächer als die Querschnitte der Anschlusslitzen 36c und 36d der masseseitigen Kohlebürsten 31c, 31d ausgelegt. Im Beispielsfall eines 2,0 kW-Starters haben die Anschlusslitzen 36a, 36b der plusseitigen Kohlebürsten 31a, 31b einen Querschnitt von 3 mm2, wogegen die Anschlusslitzen 36c, 36d der masseseitigen Kohlebürsten 31c, 31d einen Querschnitt von 4 mm2 haben. Da alle übrigen Bereiche im Hauptstromkreis 23 der Startvorrichtung 10 eine wesentlich größere Dimensionierung der Querschnitte am Anschlusswinkel 37, an der Anschlussschiene 26 sowie am Anschlusskabel 25 mit beispielsweise 16 mm2 aufweisen, werden bei einer Überlastung der Startvorrichtung gezielt nur die beiden parallel geschalteten Anschlusslitzen 36a, 36b der plusseitigen Kohlebürsten 31a, 31d überhitzt, so dass sie als Schmelzsicherung, gleichzeitig oder kurz hintereinander abschmelzen, bevor beispielsweise durch eine Erhitzung des Anschlusskabels 25 oder des Batteriekabels benachbarte Fahrzeugteile gefährdet werden. Damit wird zwar der Startermotor beim Ansprechen des Überlastschutzes defekt, ein Folgeschaden wird jedoch zuverlässig vermieden.
Bei wertvollen, größeren Startvorrichtungen können diese zusätzlich auch noch durch eine an sich bekannte elektronische Überlastabschaltung gesichert werden, so dass die Schmelzsicherung im Startermotor nur im Falle einer akuten Überhitzung am Starter anspricht.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Startvorrichtung (10) für Brennkraftmaschinen mit einem Startermotor (11) , in dessen von einer Stromquelle versorgten Hauptstromkreis (23) die Schaltkontakte (24) eines Startrelais (20) mit einem Kommutatorläufer (12) des Startermotors über Kohlebürsten
(31) in Reihe geschaltet sind, wobei ein Überlastschutz der Startvorrichtung den HauptStromkreis bei Überlast in Abhängigkeit von Stromstärke und Zeitdauer zu unterbrechen vermag, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein innerhalb des Startermotors (11) liegender Abschnitt (36) des Hauptstromkreises (23) als Schmelzsicherung ausgebildet ist.
2. Elektrische Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kohlebürsten (31) des Startermotors (10) eine als Schmelzsicherung ausgebildete Anschlusslitze (36a oder 36b) aufweist.
3. Elektrische Startvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusslitzen-Querschnitt der mindestens einen Kohlebürste (31) gegenüber dem Querschnitt der übrigen Bereiche des Hauptstromkreises (23) so stark geschwächt und/oder isoliert ist, dass diese Anschlusslitze (36a oder 36b) bei zu hoher Belastung des Startermotors durchschmilzt.
Elektrische Startvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den mindestens zwei im HauptStromkreis (23) über den Kommutatorläufer (12) in Reihe geschalteten Kohlebürsten (31) die Anschlusslitze (36a) der einen Kohlebürste (31a, 31b) einen um mehr als 10% schwächeren Querschnitt hat.
Elektrische Startvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei vier- oder mehrpoligem Startermotor (11) die eine Gruppe der dann jeweils parallel geschalteten Kohlebürsten (31a, 31b) gegenüber der anderen Gruppe (31c, 31d) Anschlusslitzen (36a, 36b) mit geschwächtem Querschnitt haben.
Elektrische Startvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plusseitig im HauptStromkreis (23) liegenden Kohlebürsten (31a, 31b) Anschlusslitzen (36a, 3βb) mit geschwächtem Querschnitt aufweisen.
Elektrische Startvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vierpoligen Startermotor (11) mit vier über den Umfang des Kommutators (29) verteilten Kohlebürsten (31) die Anschlusslitzen (36a, 36c) zweier einander gegenüberliegender Kohlebürsten (31a und 31c) einen um mehr als 10% schwächeren Querschnitt haben als die der zwei anderen einander gegenüberliegenden Kohlebürsten (31b und 31d) .
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