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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem elektromechanischen Relais in einem elektrischen Lastkreis und einem elektrischen Steuerkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein allgemein bekanntes Relais weist eine gesteuert elektromechanisch gegen die Kraft einer Rückstellfeder verlagerbare Kontaktbrücke auf, dergestalt, dass nach einer Aktivierung des Steuerkreises mit der Kontaktbrücke an Kontaktstellen eine Verbindung zwischen Lastkontakten des Relais zur Schaltung des Lastkreises eines Verbrauchers hergestellt wird. Dabei sind üblicherweise die Lastkontakte und eine mit dem Steuerkreis erregbare Magnetspule ortsfest an einem Relaisgehäuse angeordnet. Die Kontaktbrücke ist üblicherweise als Kontaktring an einem von der erregten Magnetspule anziehbaren Anker angebracht.
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Für eine ungestörte Funktion des Relais reicht die Kraft der Rückstellfeder aus, um nach einer Deaktivierung des Steuerkreises den Anker wieder in seine Ausgangsstellung zurückzuführen und damit die Kontaktbrücke von den Lastkontakten zur Unterbrechung des Lastkreises zu lösen. Relais sind in unterschiedlichen konstruktiven Ausführungen bekannt dergestalt, dass die „Kontaktbrücke” einteilig oder mehrteilig, insbesondere auch mit Kontakt-Federzunge ausgeführt sein kann. Alle diese unterschiedlichen Ausführungsformen sollen hier vom Begriff „Kontaktbrücke” umfasst sein.
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Allgemein bekannt ist die Gefahr einer Relais-Fehlfunktion, bei der nach Deaktivierung des Steuerkreises die Kontaktbrücke an den Kontaktstellen „klebt” und der Lastkreis dadurch nicht öffnet. Der Grund für einen solchen „Relaiskleber” liegt üblicherweise darin, dass es bei Schaltvorgängen zu einem Lichtbogen kommt und die dabei freiwerdende Wärme die Metallkontakte des Relais miteinander verschweißt, so dass ein späteres Öffnen durch die Rückstellfeder nicht mehr möglich ist.
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Für diesen Fall ergibt sich nachteilig bei nicht auf Dauerbetrieb ausgelegten elektrischen Vorrichtungen eine Überhitzungsgefahr gegebenenfalls mit dadurch ausgelösten Schadensfällen. Wenn beispielsweise die elektrische Vorrichtungen ein mit dem Relais schaltbarer elektrischer Ansaugluftvorwärmer (Heater) einer Brennkraftmaschine in einem Nutzfahrzeug ist, besteht hier die Gefahr, dass Heizelemente durch Überhitzung schmelzen, mit der Ansaugluft in die Brennkraftmaschine gesaugt werden und diese beschädigen.
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Ein Relais mit einem „Relaiskleber” ist üblicherweise nicht reparierbar und muss ausgetauscht werden. Ein solcher Austausch ist aufwändig und kann insbesondere bei einem mobilen Einsatz eines Relais, beispielsweise für einen Ansaugluftvorwärmer eines zu Fahrten eingesetzten Nutzfahrzeugs nicht sofort durchgeführt werden.
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Zur Reduzierung des Problems sind bereits aufwändige und kostenintensive Maßnahmen bekannt: Beispielsweise werden überdimensionierte Relais oder mehrere hintereinander geschaltete Relais in einer Redundanzschaltung verwendet. Weiter ist eine „Kurzschlussschaltung” mit einem zweiten Relais bekannt, welche im Störfall für ein Abschalten einer Überstromsicherung sorgt. Zudem sind Überwachungssysteme und Überwachungsfunktionen zur Information eines Bedienpersonals bekannt.
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Weiter ist es bekannt (
DE 19 54 65 53 C1 ) den Schaltzustand eines Verbrauchers durch Messen des Spannungswerts an einer Batterie eines Bordnetzes eines Fahrzeugs zu ermitteln, da jedes Schalten eines Verbrauchers im Bordnetz einen geringfügigen Spannungssprung erzeugt.
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Zudem ist es bekannt (
DE 10 2007 011 456 A1 ) nach Erkennen des Blockierens einer Kraftstoffpumpe diese für eine bestimmte Zeitdauer in eine zur Normalforderrichtung geänderte Förderrichtung anzutreiben, um die Blockade aufzuheben.
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Aufgabe der Erfindung ist es mit einer einfachen und kostengünstigen Maßnahme ein Relais mit einem „Relaiskleber” schnell wieder funktionsfähig zu machen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit einer Detektiereinrichtung die Relais-Fehlfunktion mit „klebender” Kontaktbrücke ermittelt und als Gegenmaßnahme dann der elektrische Steuerkreis mit aufeinanderfolgenden Impulsen für ein „Freirütteln” der Kontaktbrücke bis zu deren Lösung und Rückstellung mit Öffnung des Kontaktkreises aktiviert wird.
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Bei einer solchen provisorischen Relaisreparatur durch „Freirütteln” wird der Umstand ausgenützt, dass auch bei festgeschweißten Kontakten der Anker konstruktionsbedingt einen Rest-Bewegungsfreiheitsgrad aufweist. Es hat sich gezeigt, dass durch eine ruckweise Ansteuerung des Ankers mit aufeinanderfolgenden Impulsen es meist möglich ist, das System zum Aufschwingen zu bringen und mitunter die verschweißten Kontakte durch die entstehenden Kraftamplituden voneinander zu lösen, so dass die ungestörte Relaisfunktion wieder zur Verfügung steht.
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Eine solche systeminterne Relaisreparatur ist meist dann möglich, wenn die Ansteuerfrequenz der aufeinanderfolgenden Impulse an die mechanische Resonanz des Ankers mit Kontaktbrücke angepasst wird. Die Resonanzfrequenz hängt hier ersichtlich von verwendeten Relaistyp ab und kann einfach experimentell ermittelt werden.
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Die Maßnahme „Freirütteln” durch ein Aufschwingen in der Resonanzfrequenz ist regelmäßig erfolgreich, wenn der Anker mit Kontaktbrücke des Relais als Feder-Masse-System ausgebildet ist, da dann jedenfalls durch die Feder ein Bewegungsfreiheitsgrad zur Verfügung steht. Einfach und kostengünstig kann hier beispielsweise die Kontaktbrücke als Doppel-Tellerfeder (zusätzlich zur üblichen Rückstellfeder) ausgebildet sein.
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Grundsätzlich ist die vorstehende provisorische Relaisreparatur durch „Freirütteln” in allen elektrischen Lastkreisen möglich, insbesondere jedoch für Heizsysteme in einem Gleichstrom-Lastkreis. Bevorzugt kann es sich hier um einen elektrischen Ansaugluftvorwärmer (Heater) einer Brennkraftmaschine in einem Nutzfahrzeug handeln, da hier wie bereits eingangs beschrieben die Gefahr eines Motorschadens durch geschmolzene Heizelemente bei einer Überhitzung gegeben ist. Damit wird vorteilhaft einerseits eine Überhitzung vermieden und andererseits zumindest für weitere Schaltvorgänge bis gegebenenfalls zum Austausch des Relais, die ungestörte Relaisfunktion wieder zur Verfügung gestellt.
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Um die Maßnahme des „Freirüttelns” einzuleiten ist es erforderlich zuerst einen „Relaiskleber” zu erkennen. Dies kann mit Hilfe einer Detektiereinrichtung in an sich bekannter Weise erfolgen, indem die Spannung und/oder der Laststrom gemessen wird, wobei nach einer Deaktivierung des Steuerkreises der Laststrom nicht unterbrochen wird und/oder eine Batteriespannung nicht ansteigt. Für diesen Fall wird von der Detektiereinrichtung ein Fehlersignal für einen „Relaiskleber” an das Steuergerät abgegeben. Die Detektiereinrichtung kann zusammen mit dem Messelement gegebenenfalls auch im Steuergerät integriert sein.
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Vom Steuergerät werden sowohl die Steuersignale für ein fehlerfreies Ein-/Ausschalten des Relais abgegeben als auch beim Anliegen eines Fehlersignals die Impulse für ein „Freirütteln” der Kontaktbrücke.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird nach einer erfolgreichen Selbstreparatur durch „Freirütteln” der Kontaktebrücke ein Warnsignal, insbesondere durch eine gelbe Lampe an einen Bediener abgegeben. Mit diesem Warnsignal soll darauf hingewiesen werden, dass ein Austausch dieses Relais angezeigt ist, da eine solche Selbstreparatur nicht beliebig oft wiederholbar ist. Daher kann auch nach einer festgesetzten Anzahl erfolgreicher Selbstreparaturen durch „Freirütteln” die Selbstreparaturfunktion ganz abgeschaltet oder das Relais nicht mehr angesteuert werden.
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Für den Fall, dass eine provisorische Selbstreparatur durch Freirütteln nicht erfolgreich war, soll dies einem Bediener mit einem entsprechenden Warnsignal, insbesondere durch eine rote Lampe angezeigt werden.
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Zudem wird ein Verfahren für eine systeminterne Reparatur eines Relais mit „klebender Kontaktbrücke” unter Verwendung der vorstehenden Vorrichtungen beansprucht.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf einen elektrischen Ansaugluftvorwärmer und die zugehörige Schaltungsanordnung,
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2 einen Schnitt durch ein in der Schaltung nach 1 verwendetes Relais einer ersten Ausführungsform, und
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3 ein Relais entsprechend 2 einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist ein Ansaugluftvorwärmer 1 mit der zugehörigen elektrischen Schaltungsanordnung 2 schematisch dargestellt.
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Der Ansaugluftvorwärmer 1 liegt in einem (nicht gezeigten) Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs und besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Gehäuseteil 3 welches quer im Ansaugkanal liegt und einem Widerstandselement als Heizelement 4.
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Das Heizelement 4 besteht aus meanderförmigen Heizlamellen 5, die beabstandet in neun Schichten übereinander liegen, jeweils seitlich elektrisch isoliert im Gehäuseteil 3 gehalten sind und mit ihren Lamellenenden 6 und 7 jeweils an zugeordneten elektrischen Anschlüssen 8, 9 am Gehäuseteil 3 angeschlossen sind.
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Der Ansaugluftvorwärmer 1 liegt im Lastkreis (Minus-Leitung 10 und Plus-Leitung 11) einer Batterie 12 im Bordnetz des Nutzfahrzeugs.
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Nach der Batterie 12 ist in der Plus-Leitung 11 eine Schmelzsicherung 13 und nachfolgend ein (schematisch dargestelltes) Relais 14 angeordnet, von dem zwei konkrete Ausführungsformen in den 2 und 3 gezeigt sind.
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Weiter ist schematisch ein Strommesser 15 in der Plus-Leitung 11 angegeben, mit dem der aktuelle Laststrom erfasst wird und ein entsprechendes Lastsignal mit einer Leitung 16 an ein Steuergerät 17 (ECU) gegeben wird. Das elektrische Steuergerät 17 ist an einen Steuerkreis (Minus-Leitung 18 und Plus-Leitung 19) angeschlossen, in dem das Relais 14 mit jeweils zugeordneten Steuerkontakten 20, 21 liegt.
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Weiter ist am Steuergerät 17 eine (schematisch angedeutete) Warnlampe 22 angeschlossen.
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In 2 ist ein Längsschnitt durch das Relais 14 (erste Ausführungsform) mit weiteren Details gezeigt: An einer Wand eines Relaisgehäuses 23 ist ortsfest in das Gehäuse ragend eine Magnetspule mit den Steuerkontakten 20, 21 angeordnet. Zu beiden Seiten davon sind Lastkontakte 25, 26 zum Anschluss der Minus-Leitung 10 und der Plusleitung 11 des Lastkreises angeordnet.
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Im Relaisgehäuse 23 ist zudem ein Anker 27 angeordnet, der bei einer gesteuerten Erregung der Magnetspule 24 angezogen und auf diese hin verlagerbar ist (Pfeil 28).
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Der Anker 27 wird in der dargestellten Ausgangslage durch eine Rückstellfeder 29 gehalten, die als Druckfeder im Bereich um die Magnetspule 24 liegt. Auf dem Anker 27 ist eine auf die Lastkontakte 25, 26 hinweisende Kontaktbrücke 30 angebracht, die als Kontaktring die Magnetspule 24 und die Rückstellfeder 29 umgibt.
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Bei einer Ansteuerung der Magnetspule 24 wird somit durch den Anker 27 die Kontaktbrücke 30 an Kontaktstellen 31, 32 und 33, 34 zur Anlage gebracht, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den Lastkontakten 25, 26 hergestellt ist und damit der Lastkreis für die Heizfunktion des Ansaugluftvorwärmers 1 geschlossen ist.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform eines Relais 14' gezeigt, das weitgehend den gleichen Aufbau wie das Relais 14 der 2 aufweist, so dass gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen (mit Strich) gekennzeichnet sind.
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Der Unterschied in der zweiten Ausführungsform liegt hier darin, dass die Kontaktbrücke 30 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nicht als einfacher starrer Kontaktring, sondern als Federelement in der Form einer Doppel-Teller-Feder 36 ausgeführt ist, so dass der Anker 27' und die Kontaktbrücke 30' als ein Feder-Masse-System bilden höhere Schwingungsamplituden erlauben.
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Die dargestellte Anordnung wird folgendermaßen gesteuert:
Für eine Aktivierung der Heizfunktion des Ansaugluftvorwärmers 1 wird der Steuerkreis (Leitungen 18, 19) des Steuergeräts 17 und damit das Relais 14, 14' aktiviert und der Lastkreis (Leitungen 10, 11) geschlossen. Dabei liegen die Kontaktstellen 31, 32 und 33, 34 bzw. 31', 32' und 33', 34' aneinander. Nach einer Deaktivierung des Steuergeräts 17 zur Abschaltung des Ansaugluftvorwärmers 1 werden diese Kontaktstellen im störungsfreien Betrieb durch Rückführung des Ankers 27, 27' und der Kontaktbrücke 30, 30' aufgrund der Kraftwirkung der Rückstellfeder 29 gelöst. Aufgrund des relativ hohen Laststroms können jedoch in einer Relais-Fehlfunktion die Kontaktstellen verschweißen, so dass die Kontaktbrücke 30, 30' an den Lastkontakten 25, 26 „klebt” und damit der Lastkreis nach Deaktivierung des Steuerkreises nicht mehr öffnet. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Heizlamellen 5 des Ansaugluftvorwärmers 1 durch eine unzulässige lange Bestromung zumindest teilweise Schmelzen und damit Lamellenbestandteile in die Brennkraftmaschine gesaugt werden, wodurch diese erheblich beschädigt werden kann. Da der Strom bei „klebender” Kontaktbrücke nicht unzulässig hoch ansteigt, spricht die Schmelzsicherung 13 noch nicht an.
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Um den vorstehenden Fall nicht eintreten zu lassen, wird hier der Laststrom gemessen (Strommesser 15) und das entsprechende Stromsignal dem Steuergerät 17 zugeführt. Wenn nach Deaktivierung des Steuerkreises (Leitungen 18, 19) weiter ein Laststromsignal über die Leitung 16 am Steuergerät 17 anliegt, ist dies ein Kriterium für eine „klebende” Kontaktbrücke 30, 30'. Damit steuert das Steuergerät 17 auf einen Reparaturmodus, wobei der Steuerkreis mit aufeinanderfolgenden Impulsen (angedeutet mit der Impulssequenz 35) beaufschlagt wird. Damit soll der Anker 27, 27' mit der Kontaktbrücke 30, 30' in entsprechende Schwingungen versetzt und die Kontaktbrücke „freigerüttelt” werden, so dass der Anker 27, 27' mit der Kontaktbrücke 30, 30' durch die Federkraft der Rückstellfeder 29, 29' wieder zurückgeführt und damit der Lastkreis geöffnet wird.
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Bei einer erfolgreichen Reparatur durch „Freirütteln” geht das gemessene Laststromsignal (Leitung 16) zurück und der Reparaturmodus wird beendet. Eine erfolgreiche Reparatur kann dann durch die Warnlampe 22 angezeigt werden. Zudem kann der Reparaturmodus zeitbegrenzt werden, so dass dieser oder auch die ansteuernde Funktion nach nicht erfolgreicher Reparatur ebenfalls abgeschaltet wird. Auch dies kann gegebenenfalls durch (eine weitere) Warnleuchte angezeigt werden.
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Eine Reparatur einer „klebenden” Kontaktbrücke 30, 30' ist schneller und erfolgreicher durchführbar, wenn die Ansteuerfrequenz für die Impulssequenz 35 an die mechanische Resonanz des Ankers mit Kontaktbrücke angepasst wird. Die Erfolgsquote wird insbesondere noch dadurch gesteigert, wenn, wie bei der zweiten Relaisausführung 14' nach 3 der Anker 27' mit der Kontaktbrücke 30' als Feder-Masse-System ausgebildet ist, welches gezielt gegenüber den Lastkontakten 25, 26 zu relativ großen Resonanzschwingungen mit relativ großer Schwingungsenergie angeregt wird. Dazu besteht die Kontaktbrücke 30' hier aus einer Doppel-Tellerfeder 36.
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Mit der vorstehenden Maßnahme ist eine provisorische Selbstreparatur des Relais durch Freirütteln möglich, die jedenfalls einen Motorschaden und/oder ein Liegenbleiben des Fahrzeugs verhindert. Da eine solche Selbstreparatur nicht beliebig oft wiederholbar ist, werden nach einer festgesetzten Anzahl erfolgreicher Selbstreparaturen der Reparaturmodus oder die Heizfunktion zwangsweise ausgesetzt. Bevor dies eintritt soll zweckmäßig das Relais 14, 14' ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansaugluftvorwärmer
- 2
- elektrische Schaltungsanordnung
- 3
- Gehäuseteil
- 4
- Heizelement
- 5
- Heizlamellen
- 6
- Lamellenende
- 7
- Lamellenende
- 8
- elektrischer Anschluss
- 9
- elektrischer Anschluss
- 10
- Minus-Leitung
- 11
- Plus-Leitung
- 12
- Batterie
- 13
- Schmelz-Sicherung
- 14
- Relais
- 15
- Strommesser
- 16
- Leitung
- 17
- Steuergerät
- 18
- Minus-Leitung
- 19
- Plus-Leitung
- 20
- Steuerkontakt
- 21
- Steuerkontakt
- 22
- Warnlampe
- 23
- Relaisgehäuse
- 24
- Magnetspule
- 25
- Lastkontakt
- 26
- Lastkontakt
- 27
- Anker
- 28
- Pfeil
- 29
- Rückstellfeder
- 30
- Kontaktbrücke
- 31
- Kontaktstelle
- 32
- Kontaktstelle
- 33
- Kontaktstelle
- 34
- Kontaktstelle
- 35
- Impulssequenz
- 36
- Doppel-Tellerfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19546553 C1 [0008]
- DE 102007011456 A1 [0009]
