DE19924980A1

DE19924980A1 - Anlasserlichtmaschine

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Publication number: DE19924980A1
Application number: DE1999124980
Authority: DE
Original assignee: SCHWOJER KARL
Current assignee: SCHWOJER KARL
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-07

Abstract

Bereits seit den 30er Jahren ist die Anlasserlichtmaschine in verschiedenen Bauformen bekannt. Bevorzugt wird derzeit eine Bauform, bei der das Schwungrad eines Verbrennungsmotors als Läufer und ein umschließendes Blechpaket mit der Ständerwicklung den Starter bzw. Generator bildet. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist sicher, dass keine zusätzlichen beweglichen Teile für die Anlasserlichtmaschine benötigt werden und eine in die Verbrennungsmotor-Getriebeeinheit integrierte Bauweise gegeben ist. Da keine verschleißanfälligen Bauteile vorhanden sind, kann beliebig oft gestartet werden. Diese Möglichkeit kann zur Kraftstoffeinsparung genutzt werden. DOLLAR A Nachteilig ist jedoch die relativ große Baugröße des Motorgenerators, das damit verbundene hohe Gewicht, und der bei langsam laufenden, hochpoligen Elektromaschinen dieser Baugröße relativ niedrige Wirkungsgrad. Nicht unwesentlich ist auch der relativ zur Leistung hohe Preis dieser Bauart. DOLLAR A Die im Nachfolgenden beschriebene Anlasserlichtmaschine soll diese Nachteile vermeiden. DOLLAR A Ein hoher Wirkungsgrad und kleine Bauform bei gegebener Leistung (ca. 1,1 bis 2,2 KW) werden durch eine höchstens 4-polige elektrische Maschine erreicht. Um die nötige Starterleistung (> = 1,1 KW) zu erreichen, ist eine Drehzahl von ca. 1500 U/min nötig. Dies ist auch die Drehzahl bei der im Generatorbetrieb die volle Leistung erreicht werden soll. Da jedoch zum Starten eines Verbrennungsmotors, wie er üblicherweise in PKWs verwendet wird, ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlasserlichtmaschine mit einem über Freilauf- Überholkupplungen zugeschalteten bzw. überbrückten Untersetzungsgetriebe.

In der Literatur beschrieben und auch technisch realisiert sind Anlasserlichtmaschinen verschiedener Bauart.

1. Ein speziell konstruierter Anlasser ist in dauerndem Eingriff mit dem Verbrennungsmotor und dient sowohl als Anlasser als auch als Lichtmaschine. Diese Maschine ist auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeflanscht und dreht sich mit gleicher Drehzahl. Um das nötige, relativ hohe Drehmoment zu erzeugen ist eine relativ große elektrische Gleichstrommaschine nötig gewesen. Ein vielpoliger Kollektor diente der Kommutierung. Eine derartige Bauart fand z. B. in einem PKW der Firma DKW in den 50er Jahren Anwendung.
2. Die neueste Entwicklung ist grundsätzlich der in 1. erwähnten baugleich. Es wird jedoch der technisch aufwendige und verschleissanfällige Kollektor dadurch vermieden, daß eine elektronisch über einen Umrichter angesteuerte Asynchronmaschine Anwendung findet. Bekannt sind diese Entwicklungen durch Schriften der Firmen Conti und Siemens (AT).

Die Kombination von Anlasser und Lichtmaschine verfolgt mehrere Ziele:

- Nur noch eine elektrische Maschine und damit Einsparung von Kosten, Material und Gewicht.
- Vermeidung des Schubtriebantriebes herkömmlicher Anlasser. Anlasser dieser Bauart dürfen nur betätigt werden, wenn der Verbrennungsmotor stillsteht. Andernfalls kann es zu Schäden auf der Verzahnung kommen. Überdies ist diese Konstruktion in der Anzahl der möglichen Startvorgänge begrenzt. Ein beliebiges Stoppen und wieder Starten des Verbrennungsmotors bei kurzzeitigen Stillständen z. B. an Ampeln zum Zwecke der Kraftstoffeinsparung, ist nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun die oben genannten Anforderungen mit einem möglichst niedrigen technischen Aufwand zu realisieren.

Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anlasserlichtmachine der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnende Beschreibung der Patentansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5 möglich.

Die Unteransprüche kennzeichnen jeweils mögliche Ausgestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Bauweise einer Anlasserlichtmaschine erlaubt die Beibehaltung der standardmäßigen Anordnung einer Lichtmaschine seitlich neben dem Verbrennungsmotor und deren Antrieb über einen Riementrieb. Zugleich liegt die vorteilhafte Ausnutzung der Lichtmaschine als Anlasser aufgrund der mit zunehmender Elektrifizierung von PKWs benötigten Lichtmaschinenleistung, welche die Größe der benötigten Anlasserleistung erreicht, nahe.

Ermöglicht wird diese Doppelausnutzung der Lichtmaschine und der anderen für den Lichtmaschinenbetrieb nötigen Bauteile mithilfe eines Untersetzungsgetriebes.

Das Untersetzungsgetriebe hat somit mehrere Funktionen:

- Es reduziert die Abtriebsdrehzahl der elektrischen Maschine so, daß (unter Berücksichtigung der Untersetzung des Riementriebes) die notwendige Untersetzung von ca. 1/18 erreicht wird. Diese Gesamtuntersetzung wird aufgrund der gewählten Drehzahl von ca. 1450 U/min der elektrischen Maschine erforderlich
- Damit Bereitstellung des um den Faktor der Untersetzung erhöhten Abtriebsdrehmoments im Anlasserbetrieb.
- Bestmögliche Ausnutzung der elektrischen Maschine für beide Aufgabenstellungen. Die Baugröße der elektrischen Maschinen wird im wesentlichen durch die (nicht durch ein Getriebe beeinflusste) Drehzahl im Lichtmaschinenbetrieb bestimmt und ist so im Bezug auf die nötige Leistung minimal.

Die einzelnen Patentansprüchen beschreiben nun verschiedene Ausführungen der Anlasserlichtmachine, deren grundlegende Bauteile ein von zwei entgegengesetzt wirkenden Freiläufen geschaltetes Untersetzungsgetriebe ist.

1. Anlasserlichtmaschine mit Stirnradgetriebe (siehe Fig. 1)
Besonderes Kennzeichen dieser Bauform ist eine durchgehenden Antriebswelle bzw. Abtriebswelle (1). Mit dieser Bauform wird ein minimaler konstruktiver Aufwand dadurch erreicht, daß die Anzahl der Lagerstellen am geringsten ist.
Soll der stillstehende Verbrennungsmotor gestartet werden, so wird die elektrische Maschine (z. B. Asynchron Motor) von einer Ansteuerelektronik in den Motorbetrieb versetzt. Die auf der Antriebswelle (1) gelagerte ((mit Freilauflager (2) und Stützlager(7)) Rotorhohlwelle (6) beginnt sich aufgrund der Drehung des Rotors (3) in der gleichen Drehrichtung wie der Verbrennungsmotor zu drehen.
Der Freilauf (2) sperrt in diesem Falle nicht. Das auf der Rotorhohlwelle befestigte Ritzel treibt nun das Getriebe an, dessen Abtriebszahnrad ebenfalls auf einer Hohlwelle sitzt.
Diese Hohlwelle enthält den zweiten auf der Abtriebswelle (1) gelagerten Freilauf (8).
Dieser Freilauf ist jedoch so angeordnet, daß er sperrt, sobald sich der Aussenring schneller dreht als die Welle, was hier der Fall ist.
Die Abtriebswelle wird somit mitgenommen und dreht sich mit einer um das Untersetzungsverhältnis reduzierten Drehzahl in der gleichen Drehrichtung wie der Rotor (3) bzw. der Verbrennungsmotor.
Über den Riementrieb (9) erfolgt die Übertragung der Antriebsleistung auf den Verbrennungsmotor. Sobald nun der Verbrennungsmotor gestartet ist, erhöht sich seine Drehzahl über die Startdrehzahl. Ist nun die Drehzahl der Abtriebswelle (1) größer als die Drehzahl des Abtriebszahnrades, so öffnet der Freilauf (8).
Erhöht sich nun die Drehzahl des Verbrennungsmotors auf seine Leerlaufdrehzahl, so erreicht die Drehzahl der Abtriebswelle (1) die Drehzahl der Rotorhohlwelle (6) bzw. des Rotors (3) der elektrischen Maschine. Sobald sie diese überschreitet, sperrt der Freilauf (2) und nimmt die Rotorhohlwelle(6) und damit den Rotor der elektrischen Maschine mit.
Diese wird nun von der Ansteuerelektronik (hier nicht näher betrachtet) in den Generatorbetrieb bzw. Lichtmaschinenbetrieb umgesteuert und liefert elektrische Energie.
Die Funktion der Abtriebswelle (1) verkehrt sich so in die einer Antriebswelle für die Lichtmaschine.
2. Anlasserlichtmaschine mit Planetenradgetriebe (siehe Fig. 2)
Funktion dieser Variante der Anlasserlichtmachine ist weitgehend mit der Stirnradgetriebevariante identisch.
Um die Drehrichtung von Sonnenrad (auf Hohlwelle (6) und Getriebeabtrieb gleichsinnig zu halten, ist der Getriebeausgangsfreilauf mit dem Planetenträger des Getriebes verbunden.
3. Anlasserlichtmaschine, wobei elektrische Maschine und Getriebe zwei getrennte Einheiten bilden (Fig. 3), welche nur über eine Kupplung (und natürlich über die hier nicht dargestellte Verbindung der beiden Gehäuse) verbunden sind.
Beide Freiläufe befinden im Getriebegehäuse. Der in 1. und 2. beschriebene Freilauf(2) zur Mitnahme des Rotors(3) der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb befindet sich ebenfalls in einer Hohlwelle des Getriebes.
Coaxial auf der Außenfläche dieser Hohlwelle ist der der zweite Freilauf(8) gelagert und wird wie in 2. beschrieben, vom Planetenträger des Planetengetriebes (Komponenten (10) bis (13) angetrieben.
Die Hohlwelle geht in Richtung Riemenscheibe (9) in eine Vollwelle über.
4. Anlasserlichtmachine wie in 3. beschrieben, aber mit Stirnradgetriebe.
Die für die Funktion maßgeblichen Freiläufe sind identisch wie in 3. angeordnet.
5. Anlasserlichtmachine mit Riemengetriebe
Wie im Patentanspruch 4 dargestellt, wird die Funktion des Untersetzungsgetriebes durch einen weiteren Riementrieb bereitgestellt; somit sind zwei Riemen erforderlich.
Auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist der Freilauf Nr. 2, auf der Antriebswelle der Anlasserlichtmachine der Freilauf Nr. 1 angeordnet. Ein Riementrieb, bestehend aus 2 Riemenscheiben und einem Riemen, enthält immer nur eine auf einem Freilauf gelagerte Riemenscheibe.
Riementrieb 1 für Anlasserbetrieb enthält den Freilauf Nr. 2 in der auf der Motorkurbelwelle befindlichen relativ großen Riemenscheibe.
Riementrieb 2 für Lichtmaschinenbetrieb enthält den Freilauf Nr. 1 in der auf der Anlasserlichtmachine befindlichen (relativ kleinen) Riemenscheibe.
Auch hier wieder die schon beschriebene Funktion: Soll der Verbrennungsmotor gestartet werden, so schließt Freilauf Nr. 2 auf der Kurbelwelle und nimmt sie mit. Freilauf Nr. 1 ist offen, da sich aufgrund des klein gewählten Übersetzungsverhältnisses die auf der Anlasserlichtmachine befindliche Riemenscheibe des Riementriebes 2 langsamer als die An-/Abtriebswelle der Anlasserlichtmachine dreht.
Ist der Verbrennungsmotor gestartet, ist die Kurbelwellendrehzahl alsbald größer als die durch den Riementrieb 1 vorgegebene. Freilauf 2 öffnet.

Mit der weiteren Zunahme der Drehzahl des Verbrennungsmotors kommt der Moment, wo die Drehzahl der anlasserlichtmaschinenseitigen Riemenscheibe des Riementriebes 2 die Drehzahl der Ablasserlichtmaschinen An-/Abtriebswelle erreicht. Freilauf 1 schließt dann und nimmt die An-/ Abtriebswelle der Anlasserlichtmachine mit.

Riementrieb 2 läuft im Leerlauf mit.

Claims

1. Anlasserlichtmaschine zum Starten von Verbrennungsmotoren insbesondere von Kraftfahrzeugen und zur Erzeugung von elektrischer Energie für diese welche über einen Riementrieb mit der Verbrennungsmaschine verbunden ist. Eine elektrischer Maschine bildet mit einem Stirnraduntersetzungsgetriebe eine Baueinheit, welche sowohl die Funktion eines Anlassers(bzw. Starters) als auch einer herkömmlichen Lichtmaschine(bzw. Generators) übernimmt. Das Strinradgetriebe bewirkt dabei während des Anlasserbetrieb die Reduzierung der Drehzahl und Erhöhung des Antriebsmomentes. Das drehzahlabhängige Zuschalten bzw. Überbrücken des Untersetzungsgetriebes übernehmen zwei entgegengesetzt wirkende Überhol-Freilaufkupplungen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Eine durchgehende, nur mit einer Riemenscheibe kraftschlüssig verbundene An-/Abtriebswelle trägt sowohl die Rotorhohlwelle als auch das Abtriebszahnrad des Untersetzungsgetriebes.
b) Die Rotorhohlwelle ist auf dieser Welle gelagert und enthält einen Freilauf. Er überträgt das von Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment auf die elektrische Maschine in Generatorbetrieb.
c) Ist die Drehzahl der An-/Abtriebswelle größer als die der Rotorhohlwelle und damit des Rotors der elektrischen Maschine (Lichtmaschinen bzw. Generatorbetrieb), so befindet sich der in der Rotorhohlwelle befindliche Freilauf im Eingriff.
d) Ist die Drehzahl der Rotorhohlwelle größer als die der An-/Abtriebswelle (Anlasserbetrieb bzw. Starterbetrieb) so befindet sich der in der Rotorhohlwelle befindliche Freilauf nicht im Eingriff.
e) Das Abtriebszahnrad des Stirnradgetriebes ist ebenfalls auf der An-/Abtriebswelle gelagert und enthält einen Freilauf. Er überträgt das von der elektrische Maschine erzeugte und von Strinradgetriebe vervielfachte Drehmoment auf die An-/Abtriebswelle und damit auf die Riemenscheibe.
f) Ist die Drehzahl das Abtriebszahnrades größer als die der An-/Abtriebswelle (Anlasser- bzw. Starterbetrieb) so befindet sich der im Abtriebszahnrad enthaltene Freilauf im Eingriff.
g) Ist die Drehzahl der An-/Abtriebswelle größer als die Drehzahl des Abtriebszahnrades (Lichtmaschinen- bzw. Generatorbetrieb), so befindet sich der im Abtriebszahnrad enthaltenen Freilauf nicht im Eingriff.
h) An der dem Getriebe zugewandten Stirnseite der elektrischen Maschine ist das Antriebsritzel des Stirnradgetriebes mit der Rotorhohlwelle verbunden.
i) Die Zahnräder des Stirnradgetriebes werden immer von dem auf der Hohlwelle sitzenden Ritzel angetrieben und sind somit auch während des Lichtmaschinenbetriebes im Bewegung ohne dann allerdings ein Drehmoment zu übertragen.
j) Alternativ zu j) ist das Ritzel nicht fest mit der Hohlwelle verbunden sondern über eine schaltbare Kupplung, welche nur während des Anlasserbetriebes geschlossen wird.

2. Anlasserlichtmaschine zum Starten von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1. Eine elektrische Maschine bildet mit einem Planetengetriebe eine Baueinheit, welche sowohl die Funktion eines Anlassers (bzw. Starters) als auch einer herkömmlichen Lichtmaschine (bzw. Generators) übernimmt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Das Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine wird im Motorbetrieb über das mit der der Rotorhohlwelle verbundene Sonnenrad auf die Planetenräder übertragen.
b) Die Planetenräder sind auf einem Planetenradträger gelagert und wälzen sich am kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbundenen Aussenzahnrad des Planetensatzes ab. Die Drehrichtung des Planetenträgers ist dabei identisch mit der Drehrichtung des Sonnenrades.
c) Der Planetenträgers ist auf der An-/Antriebswelle gelagert und enthält einen Freilauf, dessen Wirkung im Anspruch 1 beschrieben ist.

3. Anlasserlichtmaschine zum Starten von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 und 2. Die elektrische Maschine und das Getriebe befinden sich nicht auf einer gemeinsamen An-/Abtriebswelle sondern sind getrennte Baueinheiten, die über eine Wellenkupplung miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Das Untersetzungsgetriebe enthält eine An-/Abtriebswelle, welche in Richtung Riemenscheibe als Vollwelle, in Richtung elektrische Maschine als Hohlwelle ausgebildet ist.
b) In der Hohlwelle befindet sich ein gelagerter Freilauf. Sein Aussenring ist mit der Hohlwelle kraftschlüssig verbunden, sein Innenring mit einer Vollwelle, welche zum An-/Abtrieb der elektrischen Maschine dient. Dieser Freilauf wird kraftschlüssig, sobald die Drehzahl der mit der Riemenscheibe verbundenen An- /Abtriebswelle größer wird als die der elektrischen Maschine (Generatorbetrieb)
c) Auf der unter b) aufgeführten An-/Abtriebswelle befindet sich der entgegengesetzt wirkende, mit dem Getriebeabtrieb verbundene, gelagerter Freilauf Sein Aussenring ist daher je nach Getriebeart entweder mit dem Abtriebszahnrad (Stirnradgetriebes) oder mit dem Planetenträger kraftschlüssig verbunden. Er wird kraftschlüssig, sobald die Drehzahl des Getriebeabtriebs größer ist als die der An-/Abtriebswelle (Motorbetrieb).

4. Anlasserlichtmaschine zum Starten von Verbrennungsmotoren mit 2 getrennten Riementrieben, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Auf der verlängerten An-/Abtriebswelle befinden sich zwei Riemenscheiben r₁ und r₂, wobei r₁ fest mit der An-/Abtriebswelle verbunden ist und r₂ über einen gelagerten Freilauf.
b) Auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors befinden sich ebenfalls zwei Riemenscheiben R₁ und R₂, wobei R₁ über einen gelagerten Freilauf und R₂ fest mit dieser verbunden ist.
c) Die Riemenscheiben r₁, R₁ sind über einen Antriebsriemen miteinander verbunden, ebenso r₂, R₂
d) Das Übersetzungsverhältnis der Riementriebe ist so gewählt, daß das von r₁, R₁ < r₂, R₂ ist.
e) Das Paar r₁, R₁ überträgt im Anlasser- bzw. Starterbetrieb das Drehmoment der elektrischen Maschine auf die Kurbelwelle über den nun kraftschlüssigen Freilauf in R₁. R₂ bewirkt zwar, daß sich r₂ ebenfalls dreht; da aber die Drehzahl von r₂ < r₁ aufgrund des Übersetzungsverhältnisses ist, ist der Freilauf in r₂ nicht in Eingriff.
f) Sobald der Verbrennungsmotor arbeitet, dreht sich die Kurbelwelle mit höherer Drehzahl als sie durch R₁ bedingt ist; Der Freilauf in R₁ öffnet und der Freilauf in r₂ wird in dem Augenblick kraftschlüssig wo die Drehzahl von r₂ die Drehzahl der An-/Abtriebswelle der elektrischen Maschine überschreitet. Da r₁ fest mit der Antriebswelle verbunden ist, läuft der Riementrieb r₁, R₁ ohne Drehmoment zu übertragen, frei mit.
g) Um das freie Mitlaufen des Riementriebs im Generatorbetrieb zu vermeiden kann eine Kupplung (Fliehkraft oder elektrisch betätigt) r₁ von der An-/Abtriebswelle entkuppeln.

5. Anlasserlichtmaschine zum Starten von Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, wobei der An-/Abtrieb zum Verbrennungsmotor nicht über (einen) Riementrieb(e) sondern über (ein) im Verbrennungsmotor integrierte(s) Strinradgetriebe erfolgt.