DE19702932A1 - Schaltungsanordnung für ein Einrückrelais - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrück­ relais einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftma­ schine

Aus der Druckschrift DE 195 03 536 ist eine Schal­ tungsanordnung für ein Einrückrelais bekannt, die eine den Betriebsstrom eines Hilfsrelais beein­ flussende Steuer- und/oder Regelschaltung aufweist. Das Hilfsrelais im Stand der Technik dient dazu, den während des Startvorgangs einer Brennkraftma­ schine über die Relaisspule des Einrückrelais fließenden Strom von einem Zündstart- beziehungs­ weise Fahrtschalter zu entkoppeln. Das geschieht dadurch, daß das Hilfsrelais den für das Einrückre­ lais 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 ge­ schaltet 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 Einrück­ relais während des Startvorganges einer Brennkraft­ maschine 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 er­ gibt sich aufgrund einer hyperbolischen Kraft-Weg­ kennlinie eines Relais, nämlich bei kleiner werden­ dem Luftspalt wird eine unnötig hohe Beschleunigung des Einrückrelaisankers erzielt. Da der Einrückre­ laisanker mittels einer Hebelmechanik das Antriebs­ ritzel der Andrehvorrichtung axial bewegt, ergibt sich folglich auch eine hohe Beschleunigung des An­ triebsritzels. Ist bei einem Startvorgang das An­ triebsritzel relativ zum anzutreibenden Zahnrad so gestellt, daß sich zwei Zähne der jeweiligen Zahn­ räder direkt gegenüberstehen, können die beiden Zahnräder nicht in Eingriff zueinander gebracht werden. Trifft dabei das über das Einrückrelais und den Hebelmechanismus sehr stark beschleunigte An­ triebsritzel auf das anzutreibende Zahnrad, so müs­ sen beim Auftreffen der beiden Zahnräder sehr hohe Kräfte kompensiert werden. Diese hohen Kräfte kön­ nen zu einer vollständigen Zerstörung der Zahnrad­ zähne führen.

Weiterhin sind im Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, die bei einem Aufeinandertreffen zweier Zahnradzähne ein Zahnrad relativ zum anderen dre­ hen. Diese Einrichtungen sind als Einspurgetriebe bekannt. Nachteilig ist hierbei, daß das relativ zu einem Zahnrad bewegte Antriebsritzel mit einem Ein­ rückrelais über eine Hebelmechanik - wie bereits er­ wähnt - sehr stark beschleunigt wird. Demzufolge wird der Zahnradverschleiß durch die Kombination der hohen Kräfte, die über das Einrückrelais zum Antriebsritzel übertragen werden, und der Drehbewe­ gung, die über das Einspurgetriebe herbeigeführt wird, noch erhöht, da die beiden Zahnradelemente durch die Kraft und die Drehbewegung aneinanderrei­ ben. Das führt zu dem bekannten "Ratschen".

Eine weitere Ausführungsform im Stand der Technik ist bekannt, bei der der Startermotor der Andreh­ vorrichtung die Aufgabe des Einspurgetriebes über­ nimmt. 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 Ein­ rückrelais auf das Antriebsritzel wirkende Kraft in Kombination mit der hohen Motordrehzahl führt zu einem hohen Verschleiß oder gar zu deren Zerstö­ rung, hervorgerufen durch das "Ratschen" der Zahn­ radelemente.

Bei Fahrzeugen, die im Zuge der Benzin-Verbrauchs­ minderung für einen Start-Stopp-Betrieb vorgesehen sind und demzufolge eine erhöhte Anzahl von Start­ vorgängen aufweisen, wäre die Lebensdauer der An­ drehvorrichtung gering.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrück­ relais einer Andrehvorrichtung einer Brennkraftma­ schine, die eine Steuer- und Regelvorrichtung um­ faßt, die einen Relaisstrom nach einem ersten Zeit­ abschnitt 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 Regelvor­ richtung den Relaisstrom nach einem ersten Zeitab­ schnitt vor dem Ineingriffbringen der beiden Zahn­ räder während eines zweiten Zeitabschnitts auf einen vorbestimmten Stromwert absenkt, wodurch ge­ ringere magnetische Kräfte entstehen, die auf den Relaisanker wirken. Durch die hyperbolische Kraft-Weg­ kennlinie des Relais wird bei einem kleiner wer­ denden Luftspalt zwischen Relaisanker und Relais­ spule und gleichzeitig geringer werdendem Relais­ strom eine unnötig hohe Beschleunigung des An­ triebsritzels 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 An­ drehvorrichtung auf den 5- bis 10fachen Wert stei­ gern.

Weiterhin wird mit der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung eine Geräuschreduzierung beim Ein­ spuren 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 soge­ nannte "Ratschen" der beiden Zahnradelemente ver­ mieden wird.

Ein weiterer Vorteil folgt daraus, daß das An­ triebsritzel während des zweiten Zeitabschnitts we­ niger stark beschleunigt wird, wobei bei einem An­ schlag des Antriebsritzels an einer geeigneten Rit­ zelwegbegrenzungseinrichtung, beispielsweise einem auf der Rotorwelle angebrachten Anschlagring, keine hohen Kräfte entstehen, die das Antriebsritzel "zu­ rückprellen". 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 Regelvorrich­ tung mittels einer einzigen Ansteuerendstufe sowohl den Strom des Einrückrelais als auch den des An­ drehmotors während des Einrückvorganges steuert be­ ziehungsweise regelt. Dabei ist die Relaiswicklung so ausgelegt, daß die Windungsanzahl reduziert wird bei gleichzeitiger Vergrößerung des Leiterquer­ schnitts. Daraus läßt sich die gleiche Kraft-Weg­ kennlinie 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 selbst­ verständlich durch die erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnung gesteuert und geregelt wird.

Das Relais wird in dieser Ausführungsform, bei­ spielsweise bei einem Reihenschlußmotor, in Serie mit der Erregerwicklung beziehungsweise Ankerwick­ lung geschaltet.

Erreicht bei einem Startvorgang der Relaisstrom eine Höhe, die zum Anlaufen des Rotors notwendig ist, "fließt" der Relaisstrom durch die oben er­ wähnte 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 Relais­ strom als auch der Startermotorstrom entkoppelt voneinander geregelt beziehungsweise gesteuert wer­ den 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. Da­ bei zeigen:

Fig. 1 eine Andrehvorrichtung einer Brennkraft­ maschine in Verschaltung, mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanord­ nung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung des zurückge­ legten axialen Weges des Antriebsritzels, des Motorstroms und der pulsweitenmodu­ lierten Relaisspannung über der Zeit, wo­ bei sich der jeweilige Graph daraus er­ gibt, daß die Andrehvorrichtung mit der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 betrie­ ben wird,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Andrehvor­ richtung einer Brennkraftmaschine in Ver­ schaltung mit einem zweiten Ausführungs­ beispiel der Schaltungsanordnung,

Fig. 4 eine grafische Darstellung des zurückge­ legten 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 Fig. 3 betrieben wird,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Andrehvor­ richtung einer Brennkraftmaschine in Ver­ schaltung mit einem dritten Ausführungs­ beispiel der Schaltungsanordnung,

Fig. 6 eine grafische Darstellung des zurückge­ legten 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 Fig. 5 betrieben wird,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Andrehein­ richtung einer Brennkraftmaschine in Ver­ schaltung mit einem weiteren Ausführungs­ beispiel der Schaltungsanordnung, und

Fig. 8 eine grafische Darstellung des zurückge­ legten 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 Fig. 7 betrieben wird.

Ausführungsbeispiele

Für das erste und zweite Ausführungsbeispiel der Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine ist bei­ spielhaft ein Schub-Schraubtrieb-Starter ohne Vor­ gelege vorgesehen. Das heißt, das Einspuren des An­ triebsritzels in den anzutreibenden Zahnradkranz erfolgt bei einem Schub-Schraubtrieb-Starter in axialer Richtung, wobei das Antriebsritzel ver­ schiebbar auf der Rotorachse des Andrehmotors ge­ führt 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 torachsenoberfläche eingebrachtes Steilgewinde, in das ein Mitnehmer eingreift, der durch die Axialbe­ wegung des Ritzels die Drehbewegung des Antriebs­ ritzels auf der Rotorachse bewirkt, da die Drehbe­ wegung des auf der Rotorwelle drehfest angebrachten Ritzels unmittelbar vom Motor ausgeht. In dieser beispielhaften Ausführung des Schub-Schraubtrieb-Star­ ters 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-Schraub­ trieb-Starter ohne Vorgelege angenommen, jedoch kann hierbei auf ein mechanisches Einspurgetriebe verzichtet werden. Das heißt, daß das Antriebsrit­ zel während eines Einrückvorgangs auf der Rotor­ achse nicht drehbewegt werden muß.

Weiterhin ist für die eingangs angeführten Ausfüh­ rungsbeispiele ein Reihenschlußmotor vorgesehen, das heißt, eine Ankerwicklung und eine Erregerwick­ lung des Andrehmotors sind in Serie geschaltet. Selbstverständlich sind jedoch auch Ausführungsfor­ men mit permanenterregtem Motor denkbar. Auch sind Ausführungsvarianten der Andrehvorrichtung denkbar, die ein zwischen Rotorachse und Antriebsritzel an­ gebrachtes 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 Schaltungs­ anordnung auf alle gängigen Startertypen anwendbar ist.

Fig. 1 zeigt eine Andrehvorrichtung 1, die eine Steuervorrichtung 2, welche Bestandteil einer hier nicht dargestellten komplexen Startvorgang-Steuer­ einrichtung ist, und einen Starter 3 einer Brenn­ kraftmaschine, von der hier lediglich ein anzutrei­ bende Zahnkranz 6 dargestellt ist, umfaßt. Weiter­ hin ist ein Zündstart- beziehungsweise Fahrtschal­ ter - im folgenden als Startschalter 4 bezeichnet - und eine Batterie 5 eines hier nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dargestellt.

Der Starter 3 umfaßt ein Einrückrelais 7, einen An­ drehmotor 51, ein Einspurgetriebe 52 sowie eine Kontaktbrücke 10.

Das Einrückrelais 7 setzt sich aus einem Relaisan­ ker 8, einer Einzugswicklung 9 und einer Haltewick­ lung 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 Rückstell­ feder 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 Umfangsflächen des Fortsatzes 18 ist eine Einspurfeder 20 angebracht. Dem Rollenfreilauf 19 ist das Antriebsritzel 21 zu­ geordnet. Der Rollenfreilauf 19 ist auf einer Ro­ torwelle 22, die Bestandteil des Andrehmotors 51 ist, in Rotorwellen-Längserstreckung verschieblich aufgebracht. Auf der Rotorwelle 22 ist ein An­ schlagring 23 so angebracht, daß die Verschiebbar­ keit des Rollenfreilaufs 19 in Rotorwellen-Längs­ richtung begrenzt wird, jedoch ein Ineingriffbrin­ gen des Antriebsritzels 21 mit dem Zahnkranz 6 mög­ lich 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 Kom­ mutator 26 zugeordnet, auf dem durch Federdruck be­ lastete 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 Er­ regerwicklung 29, die auf einem Polschuh 30 ange­ bracht 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 Steuervor­ richtung 2 ist in elektrischer Verbindung mit dem Starter 3 so verschaltet, daß sie einerseits mit dem Startschalter 4 und andererseits mit einem Kon­ takt 32 der Einzugswicklung 9 und der Haltewicklung 53 in leitender Verbindung steht.

Die grafische Darstellung in Fig. 2 zeigt im obe­ ren Diagramm einen qualitätiven Verlauf der Re­ laisspannung U_r1 über der Zeit t, im mittleren Schaubild einen qualitativen Verlauf des Mo­ torstroms I_m1 über der Zeit sowie im unteren Dia­ gramm den Weg s, den das Antriebsritzel 21 in axi­ aler Richtung auf der Rotorwelle 22 zeitabhängig zurückgelegt hat.

Fig. 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 Ab­ wandlungen der Schaltungsanordnung in bezug auf das Ausführungsbeispiel 1 eingegangen wird.

Figur zeigt 3 zeigt eine Andrehvorrichtung 1a, die eine Steuervorrichtung 2a, den Starter 3, den Startschalter 4, einen Batterieanschluß 34 und einen Stromsensor 33 umfaßt.

Die Steuervorrichtung 2a ist wie die Steuervorrich­ tung 2 in Fig. 1 mit der Andrehvorrichtung 1a ver­ schaltet, indem sie einerseits mit dem Startschal­ ter 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 Steuervorrich­ tung 2a verbunden. Die Steuervorrichtung 2a ist hier als Zweipunkt-Regler 37 ausgebildet.

Die grafischen Darstellungen in Fig. 4 zeigen im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf des Re­ laisstrom I_r2 in Abhängigkeit der Zeit t, im mitt­ leren Diagramm einen zeitabhängigen, qualitativen Verlauf des Motorstroms I_m2 und im unteren Diagramm einen qualitativen Verlauf des axialen Ritzelweges s über der Zeit t.

Fig. 5 zeigt eine Andrehvorrichtung 1b 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 1b in Fig. 5 einen Startschalter 4, eine Steuervor­ richtung 2b und einen Batterieanschluß 34.

Die Abwandlung des Einrückrelais 7b in bezug auf das Einrückrelais 7 in Fig. 1 besteht darin, daß die Windungszahl der Einzugswicklung 9b reduziert ist, jedoch der Leiterquerschnitt der Einzugswick­ lung 9b vergrößert ist. Es ergibt sich somit ein erhöhter Strombedarf des Einrückrelais 7b, um die gleiche Kraft wie die eines Einrückrelais 7 aus Fig. 1 aufzubringen. Die benötigte Stromstärke liegt beispielsweise im Bereich zwischen 100 A bis 150 A. Für die Steuervorrichtung 2b ergibt sich die glei­ che Funktionsweise wie die der Steuervorrichtung 2 aus Fig. 1, wobei jedoch eine hier nicht darge­ stellte Ansteuerendstufe, die Bestandteil der Steu­ ervorrichtung 2b ist, für eine erhöhte Stromtragfä­ higkeit ausgebildet ist.

Bei der hier dargestellten Ausführung des Starters 3b besteht eine Abwandlung darin, daß die Einspur­ feder 20 - wie in Fig. 1 dargestellt - entfallen kann. Diese Abwandlung resultiert aus der Funktion der Andrehvorrichtung 1b, auf die aber zu einem späteren Zeitpunkt eingegangen wird.

Die grafischen Darstellungen in Fig. 6 zeigen im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf eines Relaisstroms I_r3 in Abhängigkeit der Zeit t, im mittleren Diagramm einen qualitativen, zeitabhängi­ gen Verlauf eines Motorstroms I_m3 des abgewandelten Starters 3b aus Fig. 5 und das untere Diagramm einen qualitativen Verlauf des Weges s, den das An­ triebsritzel 21 des Starters 3b axial und zeitab­ hängig zurücklegt.

Fig. 7 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einer Andreh­ vorrichtung 1c, 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 Fig. 1 eine Abwandlung auf, die sich dadurch auszeichnet, daß auf die Einspurfeder 20 - aus Fig. 1 - vorteilhafterweise verzichtet werden kann. Wei­ terhin weist der Starter 3c einen zusätzlichen An­ schluß 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 Fig. 1 verwiesen.

Die grafischen Darstellungen in Fig. 8 zeigen im oberen Diagramm einen qualitativen Verlauf eines Relaisstroms I_r4 über der Zeit t, das mittlere Dia­ gramm einen qualitativen Verlauf eines Motorstroms I_m4 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 Fig. 1 dargestellte Startschalter 4 in Folge eines gewünschten Anlaßvorganges der Brenn­ kraftmaschine betätigt, so liegt über dem geschlos­ senen 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 ei­ nes Schalttransistors im Verhältnis zur Taktperi­ odendauer innerhalb einer Taktperiode angibt, wird in einem ersten Zeitabschnitt 40 - in Fig. 2 im oberen Diagramm dargestellt - zu "1" gesetzt. Das heißt, die Einschaltdauer entspricht der Peri­ odendauer der Taktfrequenz. In diesem ersten Zeit­ abschnitt 40, bei dem das Pulsbreitenverhältnis D = 1 ist, schaltet ein Schalttransistor, der Bestand­ teil der Steuervorrichtung 2 ist, die volle Batte­ riespannung an das Einrückrelais 7 durch, so daß der Relaisstrom entsprechend den durchflossenen ohmschen Widerständen und Induktivitäten ansteigt. Das Einrückrelais 7 entwickelt in diesem Zeitab­ schnitt 40 die volle Relaiskraft, die zum "Los­ reißen", beispielsweise bei geringer Luft-Außentem­ peratur, des Relaisankers 8 und auch zur Überwin­ dung der Haftreibung und der ersten Federkräfte, notwendig ist.

In diesem Zeitabschnitt 40 wird der Relaisanker 8 im Bild nach rechts bewegt, also in die Einzugs­ wicklung 9 des Einrückrelais 7 hineingezogen. Die­ ser 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 Rich­ tung des Zahnkranzes 6 bewegt wird. Es ergibt sich dadurch für das Antriebsritzel 21 ein zurückgeleg­ ter Weg s, wie er zeitabhängig in Fig. 2 im unte­ ren 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 Re­ laisstrom im ersten Zeitabschnitt 40 ist.

In diesem Zeitabschnitt 41 wird der Relaisanker 8 mit vermindert er 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 Zeitab­ schnitts 41 muß so bemessen sein, daß das Antriebs­ ritzel 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 Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist und mit der Kontaktbrücke 10 in me­ chanischer 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 Kontakt­ brücke 10 die Haltewicklung 53 eingeschaltet und die Einzugswicklung 9 kurzgeschlossen.

Durch den über die Kontaktbrücke 10 fließenden Mo­ torstrom I_m1 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 Pulsbreiten­ verhältnis D innerhalb der Steuervorrichtung 2 wie­ der 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 Ein­ griff gebracht werden kann - stehen sich beispiels­ weise zwei Zähne der Zahnradelemente direkt gegen­ über-, wird durch die Bewegung des Einrückhebels 15 nach links die Federkraft der Einspurfeder 20 über­ wunden und über das Einspurgetriebe 52 das An­ triebsritzel in eine Drehbewegung versetzt. Das er­ folgt durch eine Bewegung des Führungsrings 17 nach links im Zusammenwirken mit dem hier nicht darge­ stellten Mitnehmer, der in das Steilgewinde 24 ein­ greift, wodurch die Drehbewegung des Antriebs­ ritzels 21 in eingangs beschriebener Art erfolgt und dadurch ein Ineingriffbringen des Antriebsrit­ zels 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 Rollen­ freilauf 19 wieder ausgespurt. Eine Drehmomentüber­ tragung vom Zahnkranz 6 zum Antriebsritzel 21 er­ folgt 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 wur­ den, wieder in ihre Ausgangsstellung zurück und der Motor- und Relaisstrom werden abgeschaltet. Der Re­ laisstrom wird über den Startschalter 4 abgeschal­ tet, so daß das Einrückrelais 7 "abfällt" und dabei die Kontaktbrücke 10 öffnet.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung hat in bezug auf die mechani­ schen Komponenten des Starters 3 den gleichen Funk­ tionsablauf wie der in Fig. 1 dargestellte Starter 3. Insofern wird nur die Funktionsweise der Steuer­ vorrichtung 2a erläutert.

Für den gewünschten Startvorgang wird der Start­ schalter 4 geschlossen, so daß eine leitende Ver­ bindung zwischen der Batterie - dargestellt durch den Batterieanschluß 34 - mit der Steuervorrichtung 2a hergestellt wird. Im Gegensatz zu der Steuervor­ richtung 2 in Fig. 1 wird der Relaisstrom I_r2 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 I_r2 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 I_r2 anzupassen.

Im oberen Diagramm in Fig. 4 ist der Relaisstrom I_r2 dargestellt. Für den Startvorgang im ersten Zeitabschnitt 40 stellt sich ein Stromwert ein, der sich zwangsweise nach der angelegten Batteriespan­ nung an das Einrückrelais 7 in Abhängigkeit der ohmschen Widerstände und Induktivitäten ergibt. Das Einrückrelais 7 entwickelt dabei die zum "Los­ reißen" des Relaisankers 8 benötigte Kraft.

Während dem nun folgenden zweiten Zeitabschnitt re­ duziert der Zweipunkt-Regler 37 den Relaisstrom I_r2 auf einen niedrigeren Wert. Ist das Antriebsritzel 21 vollständig in den Zahnkranz 6 eingespurt, be­ ginnt der dritte Zeitabschnitt 42, während dem der Zweipunkt-Regler 37 den Relaisstrom I_r2 wieder auf den erhöhten Wert anhebt. Gleichzeitig wird mit Be­ ginn des dritten Zeitabschnitts der Motorstrom I_m2 über die Kontaktbrücke 10 eingeschaltet, so daß der eigentliche Andrehvorgang der Brennkraftmaschine abläuft.

Für den Fall einer Zahn-auf-Zahn-Stellung, wie be­ reits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, erfolgt analog zum ersten Ausführungsbeispiel eine mechanische Antriebsritzelverdrehung.

Ist der Startvorgang abgeschlossen, wird in bekann­ ter Weise das Antriebsritzel 21 aus dem Zahnkranz 6 ausgespurt, wobei alle mechanischen Komponenten des Starters 3 in ihre Ausgangslage zurückgebracht wer­ den. Dabei werden - wie im ersten Ausführungsbei­ spiel beschrieben - der Motor- und der Relaisstrom abgeschaltet.

Anhand von Fig. 5 wird im folgenden die Funktion des dritten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Für das dritte Ausführungsbeispiel der Schaltungs­ anordnung 2 wird ein abgewandelter Starter 3b ein­ gesetzt.

Die Abwandlung des Starters 3b besteht darin, die Einzugswicklung 9b des Einrückrelais 7b so zu ver­ ändern, daß die gleiche Kraft-Wegkennlinie wie bei einem Einrückrelais 7 nach Fig. 1 gewährleistet ist, dazu jedoch eine höhere Stromstärke des Re­ laisstroms I_r3 notwendig ist. Das geschieht, wie bereits erwähnt, durch eine Reduzierung der Win­ dungsanzahl der Einzugswicklung 9b bei einer gleichzeitigen Vergrößerung des Leiterquerschnit­ tes.

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 schaltungsgemäß auch über die Erregerwicklung 29 und die Ankerwicklungen 27 "fließt", ist es in vorteilhafter Weise möglich, daß der Anker des Starters 3b mit stark verringer­ ter Drehzahl während des Einspurvorganges des An­ triebsritzels 21 in den Zahnkranz 6 dreht. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann die Einspur­ feder 20, die in Fig. 1 dargestellt ist, bei die­ sem 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 Antriebsrit­ zel 21 auf der Rotorwelle 22 weiterhin axial ver­ schieblich bleibt, jedoch geeignete Maßnahmen ge­ troffen werden müssen, damit das Antriebsritzel 21 zwangsweise bei einer Drehbewegung des Ankers mit­ gedreht wird.

Um dieses Ausführungsbeispiel praktisch realisieren zu können, ist es notwendig, die nicht dargestellte Ansteuerendstufe der Steuervorrichtung 2b mit er­ höhter 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 I_r3 während den Zeit­ abschnitten 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 Einzugs­ wicklung 9b hineingezogen ist, wird die Kontakt­ brücke 10 - über die gestrichelt dargestellte mecha­ nische Verbindung zum Einrückrelais 7 - geschlossen. Mit dem Schließen der Kontaktbrücke 10 beginnt der dritte Zeitabschnitt 42. Dabei liegt über die Kon­ taktbrücke 10 die volle Batteriespannung an der Er­ regerwicklung 29 und der Ankerwicklung 27 an, so daß der Motorstrom I_m3 auf seinen Nennwert anstei­ gen kann.

Durch den "fließenden" Motornennstrom im dritten Zeitabschnitt dreht das Antriebsritzel 21 mit der Drehzahl, die nötig ist, um eine hier nicht darge­ stellte Brennkraftmaschine über den Zahnkranz 6 an­ zudrehen.

Ist der Startvorgang beendet, wird das Antriebs­ ritzel 21 durch den Rollenfreilauf in bekannter Weise ausgespurt. Hierbei werden, wie bereits er­ wähnt, die mechanischen Komponenten in ihre Aus­ gangslage zurückgeführt und der Relaisstrom und der Motorstrom abgeschaltet.

Das in Fig. 7 dargestellte vierte Ausführungsbei­ spiel der Schaltungsanordnung unterscheidet sich in bezug auf das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 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 Steuer­ vorrichtung 2c bildet, wobei der Anschluß 38 Be­ standteil der Kontaktbrücke 10 ist, so daß vorteil­ hafter Weise keine zusätzliche Klemme am Starter 3c notwendig ist. Der Ausgang 39 steht innerhalb der Steuervorrichtung 2c mit einer weiteren Ansteuer­ endstufe in Verbindung, die vom Ausgang, der das Einrückrelais 7 ansteuert, entkoppelt ist.

Die daraus resultierende Funktionsweise der Andreh­ vorrichtung 1c ergibt sich in vorteilhafter Weise derart, daß durch Schließen des Startschalters 4 das Einrückrelais 7 bestromt wird, wodurch der Ein­ rückvorgang 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 An­ steuerendstufe am Ausgang 39 der Steuervorrichtung 2c bereitgestellte Motorstrom I_m4 ruft eine Drehbe­ wegung des Ankers 25 mit verminderter Drehzahl her­ vor.

In Fig. 8 ist ein solcher Stromverlauf des Mo­ torstroms I_m4 dargestellt. Es zeigt sich, daß wäh­ rend des ersten Zeitabschnitts 40 das Einrückrelais 7 in bekannter Weise bestromt wird, der Startermo­ tor dagegen ausgeschaltet bleibt. Erst während des zweiten Zeitabschnitts 41, während das Einrückre­ lais 7 mit verminderter Leistung betrieben wird, wird durch die Steuervorrichtung 2c ein geringer Motorstrom I_m4 bereitgestellt. Nachdem das An­ triebsritzel 21 in Eingriff mit dem Zahnkranz 6 steht, wird zu Beginn des dritten Zeitabschnitts 42 der Motorstrom I_m4 durch Schließen der Kontakt­ brücke 10 erhöht, so daß der Anker 25 mit Nenndreh­ zahl dreht, wobei das auf der Rotorwelle 22 ange­ brachte Antriebsritzel 21 den Zahnkranz 6 mit der Rotordrehzahl antreibt.

Ist der Startvorgang abgeschlossen, wird das An­ triebsritzel 21 in bekannter Weise aus dem Zahn­ kranz 6 ausgespurt, weiterhin bewegen sich alle me­ chanischen Komponenten in ihre Ausgangslage zurück, wobei der Relaisstrom und der Motorstrom abgeschal­ tet werden.

Es wird deutlich, daß die Schaltungsanordnung im vierten Ausführungsbeispiel nicht nur eine zeitli­ che Entkopplung von Axial- und Drehbewegung des An­ triebsritzels 21, sondern auch eine kräftemäßige Entkopplung ermöglicht.

Es ist dadurch in vorteilhafter Weise möglich, eine hohe Axialkraft mittels des Einrückrelais 7 zum Einrücken des Antriebsritzels 21 in den Zahnkranz 6 aufzubringen, und gleichzeitig das Antriebsdrehmo­ ment des Ankers 25 durch eine Reduzierung des Mo­ torstroms I_m4 zu verringern. Es ist dadurch mög­ lich, den Verschleiß zwischen Antriebsritzel 21 und Zahnkranz 6 auf ein Minimum zu reduzieren.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß sich das er­ ste und das zweite Ausführungsbeispiel nur durch die abweichende Strombereitstellung unterscheiden, wobei die Relaisspannung im ersten Ausführungsbei­ spiel pulsweitenmoduliert und im zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der Relaisstrom über einen Zweipunkt-Regler beeinflußbar ist.

Für das dritte und vierte Ausführungsbeispiel ist jeweils eine abgewandelte Ausführungsform des Star­ ters vorgesehen. Zusätzlich unterscheiden sich die Steuervorrichtung 2b und 2c voneinander. Die Steu­ ervorrichtung 2b zeichnet sich durch eine gestei­ gerte Stromtragfähigkeit der Ansteuerendstufe aus, wohingegen die Steuervorrichtung 2b eine zusätzli­ che Ansteuerendstufe für die Stromversorgung des Startermotors aufweist.

Ausdrücklich sei aber darauf hingewiesen, daß die Steuervorrichtungen im dritten und vierten Ausfüh­ rungsbeispiel entweder eine pulsweitenmodulierte Relaisspannung oder einen über einen Zweipunkt-Reg­ ler beeinflußbaren Strom bereitstellen. Für das vierte Ausführungsbeispiel ist auch eine Kombina­ tion der beiden bereitgestellten Stromvarianten denkbar.

Weiterhin ist eine Einrichtung denkbar, die den Re­ lais und/oder Motorstrom zustandsabhängig regelt oder steuert. Solche Zustandsgrößen können bei­ spielsweise die Einrückrelaistemperatur oder die Temperatur der Ankerwicklung sein.

Die vier angeführten Ausführungsbeispiele können eine hier nicht dargestellte Verzögerungsschaltung beinhalten. Diese Verzögerungsschaltung 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 erfin­ dungsgemäße Schaltungsanordnung dazu geeignet ist, den Verschleiß am Antriebsritzel 21 und Zahnkranz 6 zu minimieren, wodurch sich eine Lebensdauerverlän­ gerung der Andrehvorrichtung um ein 5- bis 10fa­ ches ergibt. Gleichzeitig ermöglicht die Schal­ tungsanordnung eine Geräuschreduzierung beim Ein­ spuren 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 er­ folgen müssen.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung für ein zwei Zahnräder in Eingriff bringendes Einrückrelais einer Andrehvor­ richtung 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 zwei­ ten Zeitabschnitts (41) absenkt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) in einem dritten Zeitabschnitt (42) den Relais­ strom I_r auf einen vorbestimmten Wert erhöht, wo­ bei der dritte Zeitabschnitt (42) beginnt, wenn das eine Zahnrad das andere erreicht.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) einen Stromsensor (33) umfaßt, der den Relaisstrom erfaßt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) abhängig von einem Meßsignal des Stromsensors (33) den Relaisstrom regelt, vorzugsweise mittels eines Zweipunkt-Reglers (37).

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein­ rückrelais (7) in Serie mit einer Anker- und/oder Erregerwicklung (27, 29) eines Andrehmotors (51) ge­ schaltet ist, der zumindest im zweiten und/oder dritten Zeitabschnitt (42) durch den Relaisstrom mit geringer Leistung aktiviert wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den 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) ak­ tiviert.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Steuer- und Regelvorrichtung (2) an das Ein­ rückrelais (7) geführtes Ansteuersignal pulsweiten­ moduliert ist.

8. Steuer- und Regelvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung des Re­ laisstroms durch Änderung eines Tastverhältnisses des Ansteuersignals erfolgt.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspurvorrichtung vorgesehen ist, die zumindest im zweiten oder drit­ ten Zeitabschnitt (41, 42) eines der beiden Zahnrä­ der mit geringer Geschwindigkeit relativ zueinander dreht.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) ein Zeitglied um­ faßt, das einen Neustart der Andrehvorrichtung (1) vor Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach einem letz­ ten Start unterbindet.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelvorrichtung (2) abhängig von be­ stimmten Zustandsgrößen den Relaisstrom regelt.