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Title:
MULTILAYER BRUSH
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/083433
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a multilayer brush (10), which substantially has a composite having a graphite component and having a copper component and a layered construction, wherein a first layer (11) is provided with a high copper component and a further layer (12) is provided with a comparatively low copper component. It is provided that the copper component of the first layer (11) in comparison to the copper component of the second layer (12) corresponds to a ratio of ≤ 3/2.

Inventors:
BAYER MICHAEL (DE)
HARTMANN SVEN (DE)
BACHAUER GERHARD (AT)
Application Number:
PCT/EP2008/067590
Publication Date:
July 09, 2009
Filing Date:
December 16, 2008
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
HOFFMANN & CO ELEKTROKOHLE AG (AT)
HOELL HANS (AT)
BAYER MICHAEL (DE)
HARTMANN SVEN (DE)
BACHAUER GERHARD (AT)
International Classes:
H01R39/24
Foreign References:
EP1447887A22004-08-18
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Stuttgart, DE)
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Claims:

Ansprüche

1. Mehrschichtbürste (10), welche im Wesentlichen einen Verbund mit einem Graphitanteil und mit einem Kupferanteil sowie einen schichtweisen Aufbau aufweist, wobei eine erste Schicht (11 ) mit einem hohen Kupferanteil und eine weitere Schicht (12) mit einem vergleichsweise niedrigen Kupferanteil versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferanteil der ersten Schicht (11 ) verglichen mit dem Kupferanteil der zweiten Schicht (12) einem Verhältnis von < 3/2 entspricht.

2. Mehrschichtbürste (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (12) einen Kupferanteil von < 32 Gewichtsprozent (Gew.-%) aufweist.

3. Mehrschichtbürste (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Graphitanteil und Kupferanteil mit einem Schmierstoff versetzt ist.

4. Mehrschichtbürste (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (11 ) einer ersten Teilbürste und die zweite Schicht (12) einer zweiten Teilbürste entspricht.

5. Mehrschichtbürste (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (11 ) und die zweite Schicht (12) einen Pressverbund bilden.

6. Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch eine Mehrschichtbürste (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Motorstarter, gekennzeichnet durch einen Gleichstrommotor (15) nach Anspruch 6.

8. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch einen Gleichstrommotor (15) nach Anspruch 6 und/oder einen Motorstarter nach Anspruch 7.

9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Start-Stop- Automatik.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Steuergerät zur Steuerung der Start-Stop-Automatik.

Description:

Beschreibung

Titel Mehrschichtbürste

Die Erfindung betrifft eine Mehrschichtbürste mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Eine Mehrschichtbürste, insbesondere Mehrschicht-Kohlebürste, der eingangs genannten Art ist im Allgemeinen als Teil eines Gleichstrommotors bekannt. Ein derartiger Gleichstrommotor ist mechanisch kommutiert und kommt beispielsweise als Motorstarter einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz. Dabei wird ein aufgeschalteter Strom mittels eines oder mehrerer Bürstenpaare über einen Kommutator respektive Stromwender in eine Läuferwicklung eingespeist. Die Bürsten der Bürstenpaare bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher im Wesentlichen Kupfer- und Graphitanteile aufweist. Sowohl die Bürsten als auch der Kommutator unterliegen während des

Motorbetriebs einem Verschleiß. Dabei ist der Motorstarter typischerweise für einen kurzzeitigen Betrieb je Motorstart ausgelegt und für 30.000 bis 60.000 Schaltzyklen geeignet.

Sofern der Motorstarter, insbesondere mit einer 12 V Betriebsspannung für Personenkraftwagen, für höhere Lasten und/oder für längere Laufzeiten ausgelegt werden soll, können beispielsweise Zweischichtbürsten zum Einsatz kommen. Hierbei werden zwei verschiedene Kohlebürsten zu einer Einheit verpresst, deren Schichten einen unterschiedlichen Kupferanteil aufweisen und dementsprechend unterschiedliche spezifische Widerstände besitzen. Bislang wird bei der Kombination der beiden Kohlebürstenschichten vorwiegend auf die Einhaltung der Schaltzyklen beziehungsweise Schaltzahlen im Hinblick auf den Standardbetrieb des Motorstartes Wert gelegt. Bei der Bemessung der Kupferanteile kommen folglich Kriterien zum Tragen, die im Hinblick auf das Leistungs- und Schaltvermögen zum Start der Verbrennungskraftmaschine im

Standardbetrieb notwendig sind. Dabei steht vorwiegend die Leistung des Motorstarters und die Senkung des elektrischen Widerstandes an den Bürsten im Vordergrund, so dass mit derartigen Kohlebürsten lediglich Schaltzahlen im Bereich von 30.000 bis 60.000 erreicht werden können. Die Schaltzyklen befinden sich demnach in der Kategorie der Serienanwendungen und nicht in der Kategorie der Sonderanwendungen, wie beispielsweise einem Start-Stop- Betrieb.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Mehrschichtbürste mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass weit höhere Werte als die üblichen 30.000 bis 60.000 Schaltzahlen erreicht werden können. Die Verbesserung der Schaltzahlen pro Längeneinheit (mm) nutzbarer Kohlebürste kann mehr als 50% des bisherigen Verschleißlängen-Wertes je Längeneinheit (mm) betragen, so dass oberhalb der Schaltzahl von 60.000 eine hohe zusätzliche Anzahl von Startvorgängen der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden kann. Zu den Startvorgängen zählen vorwiegend so genannte Wiederhol- oder auch Warmstarts zum einen und gleichermaßen auch so genannte Kaltstarts zum anderen. Dabei ist der Kupferanteil der ersten

Schicht verglichen mit dem Kupferanteil der zweiten Schicht in einem Verhältnis von < 3/2 zu wählen.

Hierbei kann eine im Vergleich zu konventionellen Mehrschichtbürsten deutliche Steigerung der Schaltzyklen verzeichnet werden, wodurch zum Beispiel anspruchsvollere Betriebsarten, wie zum Beispiel ein Start-Stop-Betrieb, der Verbrennungskraftmaschine möglich sind. Neben der verbesserten Verschleißfestigkeit hinsichtlich mechanischer und elektrischer Funkenbildung, zeichnet sich die vorgeschlagene Lösung dadurch aus, dass die Leistung der Verbrennungskraftmaschine auch bei erhöhten Schaltzahlen erhalten bleibt, ohne dass schädliche und daher unerwünschte Stoffe, wie beispielsweise Blei, eingesetzt werden müssen. Durch die Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Bürsten verringert sich letztlich ein Ausfallrisiko des Motorstarters und damit der Verbrennungskraftmaschine.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Schicht einen Kupferanteil von < 32 Gewichtsprozent (Gew.-%) aufweist, wodurch ein optimales Verhältnis zu der ersten Schicht gegeben und dadurch eine überdurchschnittliche Verschleißfestigkeit der Mehrschichtbürste gewährleistet ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Verbund aus Graphitanteil und Kupferanteil mit einem Schmierstoff versetzt ist. Der Schmierstoff kommt hierbei als Festschmierstoff und damit auch als Bindemittel für die Bürstenbestandteile zum Einsatz.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht einer ersten Teilbürste und die zweite Schicht einer zweiten Teilbürste entspricht. Hiernach lässt sich die jeweilige Schicht separat und im Zuge einer Massenfertigung herstellen, um im Anschluss daran zu dem Verbund vereinigt zu werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Schicht und die zweite Schicht einen Pressverbund bilden. Dabei kann ein gängiges, günstiges und beherrschbares Fügeverfahren zugrunde gelegt werden.

Vorteilhaft ist zudem die Verwendung der Mehrschichtbürste bei einem Gleichstrommotor, insbesondere Motorstarter, eines Kraftfahrzeugs, welches über eine Start-Stop-Automatik beziehungsweise Start-Stop-Funktion verfügt. Mittels der Start-Stop-Funktion kann die Verbrennungskraftmaschine in einem Start-Stop-Betrieb, also in einem kraftstoffsparenden, jedoch materialbelastenden Betriebsmodus, gefahren werden. Die Start-Stop-Funktion dient dazu, die Verbrennungskraftmaschine in der Standphase des Fahrzeuges abzuschalten, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Beispielsweise mit Hilfe eines integrierten Starter-Generators, insbesondere in Verbindung mit einem Steuergerät, ist diese Betriebsart auf komfortable Weise umsetzbar. Das

Steuergerät kann hierbei eine Ansteuerung der Start-Stop-Automatik als eigenständiges Gerät vornehmen. Möglich ist beispielsweise auch eine Funktionsintegration in ein bereits bestehendes Steuergerät des Kraftfahrzeugs.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt; diese umfasst vielmehr alle Abwandlungen, änderungen und äquivalente, die im Rahmen der Ansprüche möglich sind. Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer eine Mehrschichtbürste und einen Kommutator aufweisenden Teileanordnung eines

Gleichstrommotors; und

Figur 2 ein Diagramm zur Darstellung einer normierten Anzahl von

Motorenstarts pro Kohlebürstenverschleiß in Abhängigkeit des Verhältnisses des Kupferanteils einer Leistungsschicht und des

Kupferanteils einer Kommutierungsschicht.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Mehrschichtbürste 10 gezeigt. Die Mehrschichtbürste 10 besteht aus einem Verbund, der im Wesentlichen einen Graphitanteil und einen Kupferanteil aufweist. Ferner ist die Mehrschichtbürste 10 mit einem schichtweisen Aufbau versehen, bei dem eine erste Schicht 11 einen hohen Kupferanteil und eine zweite Schicht 12 einen vergleichsweise niedrigen Kupferanteil aufweist. Die erste Schicht 11 dient als Leistungsschicht, während die zweite Schicht 12 als Kommutierungsschicht zum Einsatz kommt. Die Leistungsschicht soll den Hauptanteil eines aufgeschalteten Stromes tragen und hat demzufolge einen relativ geringen Widerstand. Die erste Schicht 11 befindet sich daher auf der anlaufenden Seite einer so genannten Kommutatorlamelle und kommt bei drehendem Kommutator somit zuerst, also

noch vor der zweiten Schicht 12, mit einer weiteren Kommutatorlamelle in Kontakt.

Der geringe Widerstand dieser Schicht wird durch einen relativ hohen Kupferanteil in den Kohlebürsten hergestellt. Im Gegensatz zu der niederohmigen Leistungsschicht besitzt die Kommutierungsschicht, sprich zweite Schicht 12, einen relativ hohen elektrischen Widerstand, welcher dazu dient, Stromdichtespitzen beim Anlaufen der jeweiligen Lamelle zu reduzieren und somit keine wesentlichen Kommutierungsverluste zu erzeugen. Die zweite Schicht 12 wird daher gegenüber der ersten Schicht 11 mit weniger Kupfer versehen.

Zur Stromeinspeisung ist an einem Ende der Mehrschichtbürste 10 eine elektrisch leitende Litze 13 angeordnet. An einem dem Ende gegenüberliegenden anderen Ende der Mehrschichtbürste 10 ist ein Abschnitt eines drehbar gelagerten Kommutators 14 vorgesehen, der mit der Mehrschichtbürste 10 in einer elektromechanischen Wirkverbindung steht. Die Drehrichtung des Kommutators 14 entspricht dabei dem Uhrzeigersinn. Die Einheit aus Mehrschichtbürste 10 und Kommutator 14 ist Teil eines Gleichstrommotors 15, der insbesondere als Motorstarter zum Einsatz kommt.

Wesentlich ist hierbei, dass der Kupferanteil der ersten Schicht 11 verglichen mit dem Kupferanteil der zweiten Schicht 12 einem Verhältnis von < 3/2 entspricht. Als zusätzliche Bedingung kann die zweite Schicht 12 so beschaffen sein, dass sie einen Kupferanteil von < 32 Gewichtsprozent aufweist. Aufgrund von Messungen hat sich das Verhältnis zwischen dem Kupferanteil der Leistungsschicht zu dem Kupferanteil der Kommutierungsschicht als ein entscheidender Faktor erwiesen. Das Anteilsverhältnis ist demzufolge maßgebend, um über die übliche Schaltzahl von bis zu 60.000 Normalstarts hinaus, eine hohe zusätzliche Anzahl von Wiederholstarts, insbesondere Warmstarts der Verbrennungskraftmaschine, zuverlässig zu erzielen. Das vorliegende und optimierte Anteilsverhältnis der Kupferbestandteile bewirkt gleichermaßen auch eine Erhöhung der Anzahl der Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine.

Steigt insbesondere die notwendige Schaltzahl des vorab erwähnten und an eine 12 V Spannungsversorgung angeschlossenen Motorstarters auf Grund einer Betriebsart, vorzugsweise Start-Stop-Betrieb, mit häufigen Wiederholstarts respektive Warmstarts der Verbrennungskraftmaschine, kann den damit gestiegenen Materialanforderungen mit einer gezielten Variation der Kupferanteile in den Kohlebürstenschichten im Sinne einer verbesserten Materialmischung Rechnung getragen werden. Die dabei erreichbare Schaltzahlverbesserung pro mm nutzbarer Kohlebürste kann mehr als 50% des bisherigen Wertes pro mm Verschleißlänge betragen.

Gemäß Figur 2 ist eine normierte Schaltzahl pro Kohlebürstenverschleiß für einen Vergleich von Kupferanteilen in der jeweiligen Schicht 11 ;12 in Form eines Diagramms 16 dargestellt. Auf der Ordinate ist hierbei als Bewertungsgrundlage eine normierte Anzahl an Motorstarts, insbesondere Schnellstarts, pro Kohlebürstenverschleiß angegeben. Auf der Abszisse ist das jeweilige Verhältnis der Kupferanteile der Leistungsschicht beziehungsweise der Kommutierungsschicht aufgetragen. Auf der vertikalen Achse des Diagramms 16 sind Werte in einer Bandbreite von 2 bis 4 und auf der horizontalen Achse des Diagramms 16 sind Werte von 1 ,5 bis 1 ,7 aufgetragen. Eine sich aus den Einzelmesspunkten ergebende Kurve 17 repräsentiert die Anzahl der

Schnellstarts pro mm Kohlebürstenverschleiß. Bei einem Verhältnis von < 3/2 der Kupferanteil der ersten Schicht 11 verglichen mit dem Kupferanteil der zweiten Schicht 12 kann die höchste Schaltzahl nachgewiesen werden. Anders ausgedrückt ist der Kohlebürstenverschleiß bei einem Quotienten kleiner 3/2 am geringsten. Zur weiteren Optimierung kann die zweite Schicht 12 so beschaffen sein, dass sie einen Kupferanteil von < 32 Gewichtsprozent aufweist. Das Anteilsverhältnis respektive der daraus gegebene Wert orientiert sich an Messergebnissen vergleichbarer Kohlebürsten und spiegelt lediglich einen Teil der möglichen Optimierungen wider.

Zusammenfassend umfasst die erfindungsgemäße Lösung das Kupferverhältnis der Mehrschichtbürste 10, insbesondere Zweischicht-Kohlebürste, welche im Wesentlichen einen Verbund mit einem Graphitanteil und mit einem Kupferanteil sowie einen schichtweisen Aufbau aufweist, wobei eine erste Schicht 11 mit einem hohen Kupferanteil und eine weitere Schicht 12 mit einem

vergleichsweise niedrigen Kupferanteil versehen ist. Der Kupferanteil der ersten Schicht 11 entspricht verglichen mit dem Kupferanteil der zweiten Schicht 12 einem Verhältnis von < 3/2.