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Die Erfindung betrifft einen Riemenscheibenentkoppler zur Drehmomentübertragung zwischen dem Riemen eines Nebenaggregate-Riementriebs und der Welle eines der Nebenaggregate, mit:
- – einer vom Riemen umschlungenen Riemenscheibe,
- – einer auf der Welle zu befestigenden Nabe,
- – und einer das Drehmoment von der Riemenscheibe auf die Nabe übertragenden Reihenschaltung aus einer Einweg-Kupplung und einem Federentkoppler, der Folgendes umfasst:
- – eine Entkopplerfeder,
- – eine erste Scheibe, die zur Drehmomentabgabe stirnseitig eine oder mehrere umfangsverteilte erste Axialerhebungen aufweist,
- – und eine zweite Scheibe, die relativ zur ersten Scheibe verdrehbar ist und zur Drehmomentaufnahme stirnseitig eine oder mehrere umfangsverteilte zweite Axialerhebungen aufweist.
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Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten, die von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine in deren Nebenaggregate-Riementrieb eingeleitet werden, können bekanntlich durch Riemenscheibenentkoppler kompensiert werden. Diese sind üblicherweise als Generator-Riemenscheibe mit einer Reihenschaltung aus einem Federentkoppler und einer Einweg-Kupplung ausgebildet. Die Einweg-Kupplung lässt bei verzögert angetriebener Riemenscheibe ein Überholen der trägen Generatorwelle zu und trägt somit ebenfalls zur Beruhigung des Riementriebs bei.
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In ersten konstruktiven Ausgestaltungen umfasst der Federentkoppler eine als Schraubendrehfeder ausgebildete Entkopplerfeder, die mit einer Schlingbandfeder als Einweg-Kupplung in Reihe geschaltet ist. Bei dieser Konstruktion, die beispielsweise aus der
EP 0 980 479 B1 bekannt ist, erfolgt die Entkopplung dadurch, dass sich die Federenden der Schraubenfeder elastisch gegeneinander verdrehen und somit in Federumfangsrichtung.
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In anderen konstruktiven Ausgestaltungen erfolgt die Entkopplung in Axialrichtung der Entkopplerfeder, wie es beispielsweise aus der als gattungsgemäß betrachteten
US 2013/0161150 A1 bekannt ist. In diesem Fall umfasst der Federentkoppler zwei relativ zueinander verdrehbare Scheiben, deren einander zugewandte Stirnseiten jeweils mit rampenförmigen Axialerhebungen versehen sind, die bei der Relativverdrehung eine Abstandsvergrößerung der beiden Scheiben erzwingen. Die Scheiben sind zwischen einer Tellerfeder als Entkopplerfeder und einer als Reibscheibenkupplung ausgebildeten Einweg-Kupplung eingespannt, so dass bei sich vergrößerndem Scheibenabstand die Reibscheibenkupplung schließt und das Drehmoment der Riemenscheibe via Federentkoppler und Reibscheibenkupplung auf die in der Nabe befestigte Generatorwelle übertragen wird.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art in einer alternativen konstruktiven Ausgestaltung anzugeben.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll die Entkopplerfeder eine axial zwischen den ersten und zweiten Axialerhebungen eingespannte Federscheibe sein, die bei Relativverdrehung der beiden Scheiben unter elastischer Axialverformung das Drehmoment von der ersten Scheibe auf die zweite Scheibe überträgt. Die der Drehmomentübertragung überlagerte entkoppelnde Wirkung wird also dadurch erzeugt, dass sich die ersten und zweiten Axialerhebungen paarweise abwechselnd einander annähern und voneinander entfernen, wobei die Federarbeit der sich axial mehr oder weniger verformenden Entkopplerfeder zunimmt bzw. abnimmt. Die dabei entstehende Federkennlinie ist progressiv.
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Die ersten und zweiten Axialerhebungen sollen zugunsten niedriger Reibungsverluste durch Wälzkörper und insbesondere durch radial orientierte Zylinderrollen gebildet sein. Dabei sind die einander zugewandten Stirnseiten der beiden Scheiben mit Ausnehmungen versehen, in denen jeweils einer der Wälzkörper relativ zur Ausnehmung ortsfest drehgelagert ist.
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Die erste Scheibe kann drehfest mit der Riemenscheibe verbunden sein, und die zweite Scheibe kann bei geöffneter Einweg-Kupplung relativ zur Nabe verdrehbar sein und bei geschlossener Einweg-Kupplung das Drehmoment auf die Nabe übertragen. Alternativ kann die Reihenschaltung aus Federentkoppler und Einweg-Kupplung in kinematischer Umkehrung angeordnet sein. In diesem Fall würde das von der Riemenscheibe eingebrachte Drehmoment zunächst auf die (geschlossene) Einwegkupplung und von dort auf die erste Scheibe des Federentkopplers übertragen werden, dessen zweite Scheibe drehfest mit der Nabe verbunden wäre.
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Die Einweg-Kupplung ist vorzugsweise ein schenkelloses und folglich vollständig zylindrisches Schlingband, das einerseits einen zylindrischen Kupplungsabschnitt der zweiten Scheibe und andererseits einen zylindrischen Kupplungsabschnitt der Nabe umschlingt. Das Schließen des Schlingbands erfolgt durch die umschlingungsbedingte Reibung zwischen einem oder beiden Kupplungsabschnitten und dem Innenumfang des Schlingbandkörpers, wobei aufgrund der Reibkraft eine oder mehrere Endwindungen des Schlingbands mitgenommen werden und das sich im Durchmesser verkleinernde Schlingband beide Kupplungsabschnitte fest einspannt.
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Der Riemenscheibenentkoppler ist optional mit einem Überlastschutz versehen. Dieser ist dadurch verwirklicht, dass die erste Scheibe axial verschiebbar in der Riemenscheibe gelagert und mittels einer axial zwischen der ersten Scheibe und der Riemenscheibe eingespannten Überlastfeder gegen die Entkopplerfeder angefedert ist. Die axiale Verschiebbarkeit der ersten Scheibe ist so dimensioniert, dass im Überlastfall der stirnseitige Axialabstand der beiden Scheiben eine relative Weiterverdrehung der ersten Scheibe über einen Totpunkt hinaus zulässt, in dem sich eine der ersten Axialerhebungen und eine der zweiten Axialerhebungen an derselben Umfangsposition befinden. Folglich kommt es im Überlastfall zu einem quasi "ratschenden Durchdrehen" der ersten Scheibe relativ zur zweiten Scheibe und somit in Antriebsdrehrichtung zu einem Überholvorgang der Riemenscheibe gegenüber der Nabe, ohne dass die Einweg-Kupplung öffnen muss. Der Totpunkt ist in der bevorzugten Ausführung mit jeweils mehreren, gleichmäßig umfangsverteilten Wälzkörpern dann erreicht, wenn sich alle Wälzkörper paarweise an derselben und hinsichtlich der dazwischen eingespannten Entkopplerfeder labilen Umfangsposition befinden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers für den im Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine angeordneten Generator dargestellt ist. Es zeigen:
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1 den Riemenscheibenentkoppler in explodierter Vorderansicht;
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2 den Riemenscheibenentkoppler in explodierter Rückansicht;
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3 den Riemenscheibenentkoppler im Längsschnitt;
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4 die Drehmomentkennung des Riemenscheibenentkopplers in schematischer Darstellung.
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Die Figuren zeigen den Riemenscheibenentkoppler 1, nachfolgend kurz als Entkoppler bezeichnet, in perspektivischen und explodierten Ansichten, nämlich in der Vorderansicht gemäß 1 auf die dem Generator abgewandte Schutzkappe 2 und in der Rückansicht gemäß 2 auf das dem Generator zugewandte Axiallager 3, das hier ein einreihiges und beidseitig abgedichtetes Kugellager ist. Der Entkoppler 1 umfasst eine im wesentlichen hohlzylindrische Riemenscheibe 4, deren vom Riemen umschlungener Außenmantel 5 der Poly-V-Form des Riemens entsprechend profiliert ist und deren Innenmantel Durchmesserstufen aufweist, wobei der kleinste Innendurchmesser mit einer durchgehenden Axialinnenverzahnung 6 versehen ist. Wie in 3 erkennbar, ist in der (generatorseitigen) hinteren Innendurchmesserstufe der Außenring 7 des Kugellagers 3 befestigt. Dessen Innenring 8 ist auf einer Nabe 9 aufgepresst, die fest mit der Generatorwelle verschraubt wird und hierzu mit einem Innenvielzahn 10 als Eingriff für das Schraubwerkzeug versehen ist. In der (generatorfernen) vorderen Innendurchmesserstufe der Riemenscheibe 4 ist ein Gleitlager 11 eingesetzt, das die Riemenscheibe 4 auf einem hohlzylindrischen Ringbund 12 am vorderen Ende der Nabe 9 radial lagert. Die Schutzkappe 2 ist in bekannter Weise auf dem vorderen Ende der Riemenscheibe 4 verschnappt.
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Die für die Funktion des Entkopplers 1 wesentlichen Komponenten sind ein Federentkoppler und eine damit – in Bezug auf den Drehmomentfluss – in Reihe geschaltete Einweg-Kupplung. Der Federentkoppler umfasst eine erste Scheibe 13 und eine relativ dazu verdrehbare zweite Scheibe 14 sowie eine Entkopplerfeder 15. Die erste Scheibe 13 ist mit einer Axialaußenverzahnung 16 drehfest und axial verschiebbar in der Axialinnenverzahnung 6 der Riemenscheibe 4 aufgenommen. Die zweite Scheibe 14 ist mit einem zylindrischen Lagerabschnitt 17 drehbar auf der Nabe 9 gelagert und mittels eines vorderen Axiallagers 18 permanent gegen den Ringbund 12 der Nabe 9 abgestützt. Die der zweiten Scheibe 14 zugewandte Stirnseite 19 der ersten Scheibe 13 weist zur Abgabe des über die Riemenscheibe 4 eingeleiteten Drehmoments erste Axialerhebungen 20 auf, und die der ersten Scheibe 13 zugewandte Stirnseite 21 der zweiten Scheibe 14 weist zur Drehmomentabgabe zweite Axialerhebungen 22 auf. Bei den ersten und zweiten Axialerhebungen 20, 22 handelt es sich um jeweils vier umfänglich gleichmäßig verteilte Wälzkörper und vorliegend Zylinderrollen, deren Längsachsen in radialer Richtung der Scheiben 13, 14 orientiert sind. Die Fixierung der Zylinderrollen 20, 22 auf den Stirnseiten 19, 21 der Scheiben 13, 14 erfolgt durch halbzylindrische und entsprechend radial orientierte Ausnehmungen 23, in denen jeweils eine der Zylinderrollen 20, 22 drehbar gelagert ist.
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Die Drehmomentübertragung von der ersten Scheibe 13 auf die zweite Scheibe 14 erfolgt durch die Entkopplerfeder 15, die als Federscheibe ausgebildet und axial zwischen den ersten und zweiten Axialerhebungen 20, 22 eingespannt ist, aus Federstahl besteht und im wesentlichen die Form einer (axial ansteigenden und abfallenden) Wellfeder annimmt. Die Einspannkraft der Federscheibe 15 wird durch eine Überlastfeder 24 in Form einer geschlitzten Tellerfeder erzeugt, die ihrerseits zwischen dem Kugellager 3 und der ersten Scheibe 13 eingespannt ist und sich an über ein hinteres Axiallager 25 am Innenring 8 abstützt. Die Kraft der Überlastfeder 24 ist so bemessen, dass im Drehmoment übertragenden Normalbetrieb des Entkopplers 1 der Axialabstand der Scheiben 13, 14 zwischen deren Stirnseiten 19, 21 stets kleiner ist, als die Summe des Überstandsmaßes der jeweils axial vorstehenden Zylinderrollen 20, 22 zuzüglich der Wandstärke der Federscheibe 15. Dieser Zusammenhang ist deutlich in 3 erkennbar.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Überlastfeder 24 nur bei einem optionalen Überlastschutz des Federentkopplers erforderlich und kann folglich auch entfallen. Im Falle des dann fehlenden Überlastschutzes wäre die erste Scheibe 13 nicht nur umfänglich, sondern auch axial an der Riemenscheibe 4 zu befestigen. Die vorliegend am Innenring 8 des Kugellagers 3 abgestützte Überlastfeder 24 kann mit modifizierter Federgeometrie in einer weiteren Alternative auch am Außenring 7 abgestützt werden, so dass aufgrund der dann entfallenden Drehzahldifferenz zwischen dem Innenring 8 und der ersten Scheibe 13 das hintere Axiallager 25 entfallen kann.
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Die Einweg-Kupplung 26 ist ein Schlingband, das einerseits einen zylindrischen Kupplungsabschnitt 27 der zweiten Scheibe 14 und andererseits einen zylindrischen Kupplungsabschnitt 28 der Nabe 9 umschlingt, wobei der Kupplungsabschnitt 27 außenumfänglich auf dem Lagerabschnitt 17 der zweiten Scheibe 14 verläuft und wobei der Kupplungsabschnitt 28 durch die Hohlzylindrizität des Ringbunds 12 der Nabe 9 gebildet ist. Die Enden des Schlingbands 26 sind schenkellos, und dessen Wicklungsrichtung ist so, dass sich das Schlingband 26 fest und rutschfrei um die beiden Kupplungsabschnitte 27 und 28 zusammenzieht, wenn die zweite Scheibe 14 in der darauf eingezeichneten Drehrichtung (s. 1) versucht, die Nabe 9 zu überholen. In diesem Lastzustand des Entkopplers 1 wird das Drehmoment vom Riemen via Riemenscheibe 4, Federentkoppler, geschlossener Einweg-Kupplung 26 und Nabe 9 auf die Generatorwelle übertragen. Das Schlingband 26 öffnet hingegen, wenn die Nabe 9 beginnt, in der eingezeichneten Drehrichtung schneller als die zweite Scheibe 14 zu drehen. In diesem Freilaufzustand des Entkopplers 1 kann die träge Generatorwelle die Riemenscheibe 4 überholen, so dass kein Drehmoment vom Riemen bei dann geöffneter Einweg-Kupplung 26 auf die Generatorwelle übertragen wird.
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Die Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe 4 und der zweiten Scheibe 14 erhält durch den Federentkoppler eine Drehelastizität, die sich aus dem Zusammenspiel der sich relativ zueinander verdrehenden Scheiben 13, 14 und der axial zwischen den Zylinderrollen 20, 22 eingespannten Federscheibe 15 ergibt. Wenn sich im Lastzustand des Entkopplers 1 die erste Scheibe 13 in der eingezeichneten Drehrichtung relativ zur zweiten Scheibe 14 verdreht, dann werden diejenigen Ringsegmente der Federscheibe 15, die zwischen den sich paarweise umfänglich annähernden Zylinderrollen 20, 22 verlaufen, umfänglich zunehmend eingeklemmt und axial soweit elastisch verformt, bis sich das dafür erforderliche Drehmoment mit dem Abtriebsmoment der angetriebenen Generatorwelle im Gleichgewicht befindet und die Drehmomentübertragung von der ersten Scheibe 13 auf die zweite Scheibe 14 erfolgt. Somit können die riementriebseitigen Drehungleichförmigkeiten und generatorseitige Drehmomentschwankungen durch die paarweisen Relativpositionen der axial einander zugewandten Zylinderrollen 20, 22 und die entsprechend elastische Verformung der Ringsegmente geglättet werden.
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4 zeigt schematisch die Kennlinie des Entkopplers 1 mit dem übertragbaren Drehmoment M in Abhängigkeit des relativen Verdrehwinkels α (alpha) der beiden Scheiben 13, 14. Der Drehmomentverlauf verdeutlicht zum eine die zunächst progressiv ansteigende Federkennlinie und zum anderen die anschließend steil abfallende Federkennlinie infolge des dann eingreifenden Überlastschutzes. Der steil abfallende Ast der Kennlinie wird nach Erreichen des maximal übertragbaren Drehmoments M-max durchfahren. In dieser Winkelstellung hat sich die erste Scheibe 13 bei entsprechend komprimierter Überlastfeder 24 axial soweit in der Riemenscheibe 4 verschoben, dass der Abstand der Scheiben 13 und 14 zwischen deren Stirnseiten 19, 21 eine Totpunktstellung erlaubt, in der sich die axial gegenüberliegenden Zylinderrollen 20, 22 paarweise exakt in derselben Umfangsposition gegenüberstehen. Jede relative Weiterverdrehung der ersten Scheibe 13 gegenüber der zweiten Scheibe 14 führt dann zu einem "Überschnappen" des Federentkopplers und einem damit einhergehenden Drehmomentabfall auf Null.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemenscheibenentkoppler/Entkoppler
- 2
- Schutzkappe
- 3
- Axiallager/Kugellager
- 4
- Riemenscheibe
- 5
- Außenmantel der Riemenscheibe
- 6
- Axialinnenverzahnung
- 7
- Außenring des Kugellagers
- 8
- Innenring des Kugellagers
- 9
- Nabe
- 10
- Innenvielzahn
- 11
- Gleitlager
- 12
- Ringbund der Nabe
- 13
- erste Scheibe
- 14
- zweite Scheibe
- 15
- Entkopplerfeder/Federscheibe
- 16
- Axialaußenverzahnung
- 17
- Lagerabschnitt der zweiten Scheibe
- 18
- vorderes Axiallager
- 19
- Stirnseite der ersten Scheibe
- 20
- erste Axialerhebung/Wälzkörper/Zylinderrolle
- 21
- Stirnseite der zweiten Scheibe
- 22
- zweite Axialerhebung/Wälzkörper/Zylinderrolle
- 23
- Ausnehmung
- 24
- Überlastfeder
- 25
- hinteres Axiallager
- 26
- Einweg-Kupplung/Schlingband
- 27
- Kupplungsabschnitt der zweiten Scheibe
- 28
- Kupplungsabschnitt der Nabe