DE102010006417A1

DE102010006417A1 - Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine mit Startergenerator

Info

Publication number: DE102010006417A1
Application number: DE201010006417
Authority: DE
Inventors: Hermann 91448 Stief; Bernd 91085 Hartmann; Uwe 90480 Michael; Christian Dr. 90518 Hauck; Andrea 91448 Reichert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04
Also published as: WO2011091922A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein Nebenaggregateantrieb, bei dem ein Riemen als elastisches Zugmittel (2) die Riemenscheiben (3, 4) eines Antriebs- oder Abtriebsorgans des Zugmitteltriebs (1) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass einer Riemenscheibe (3) ein selbsttätig einstellbarer Pendeldecoupler (10) zugeordnet ist, der zwei über eine Vorrichtung (9) starr miteinander verbundene Umlenkrollen (11, 12) einschließt, über die sich eine Zugmittelführung einstellt, bei der das Zugmittel (2) zwischen den Umlenkrollen (11, 12) die Riemenscheibe (3) bereichsweise umschließt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein Nebenaggregatetrieb, bei dem ein Riemen als elastisches Zugmittel die Riemenscheiben der Kurbelwelle, zumindest eines zugmittelgetriebenen Startergenerators und/oder eines weiteren Aggregates, eines Spannsystems sowie zumindest einer Spannrolle verbindet.
Riementriebe für Brennkraftmaschinen benötigen eine Spannvorrichtung, um einen unerwünschten Riemenschlupf zu vermeiden und um Riemendehnungen zu kompensieren.
Zur Sicherstellung einer ausreichenden Vorspannung des Zugmittels, insbesondere eines elastischen Riemens umfasst der Zugmitteltrieb ein Spannsystem. Zugmitteltrieb, der für eine Brennkraftmaschine vorgesehen ist und den Antrieb eines zugmittelgetriebenen Startergenerators einschließt. Zur Vermeidung einer Startverzögerung ist dazu im Startmodus eine ausreichende Vorspannung des Zugmittels erforderlich. Das Spannsystem umfasst einen drehstarr lagepositionierten Tragkörper, an dem mittelbar oder unmittelbar eine schwenkbare, federnd an dem Zugmittel abgestützte, drehbar gelagerte Spannrolle angeordnet ist.
Bisher wurde zum Start von Brennkraftmaschinen für Personenkraftwagen ein elektrischer Antriebsmotor eingesetzt, der in der Startphase über ein Ritzel in einen Zahnkranz des Schwungrades eingreift. Heutige Brennkraftmaschinen werden teilweise mit einem Startergenerator versehen, bei dem der elektrische Antriebsmotor in dem Generator integriert ist. Dadurch ergibt sich beim Starten der Brennkraftmaschine eine Änderung der bisher üblichen kinematischen Verhältnisse im Riementrieb, da der Startantriebsmotor vorübergehend die Kurbelwelle schleppt. Mit nur einer Spannrolle an dem Leertrum der treibenden Kurbelwelle kommt es mit dem relativ hohen und schlagartig einsetzenden Drehmoment des Startergenerators zu einem unerwünschten Riemenschlupf und nachteiligen Riemenschwingungen.
Ein Zugmitteltrieb, der den Antrieb eines Startergenerators einschließt, erfordert nahezu stetig, d. h. unabhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, dem Startmodus oder dem Normalbetrieb, eine ausreichende Vorspannkraft des Zugmittels. Im Startmodus treibt der als Elektromotor arbeitende Startergenerator die Brennkraftmaschine an. Nach dem Start der Brennkraftmaschine erfolgt eine Umkehr, bei der ein Antrieb des Startergenerators über die Brennkraftmaschine erfolgt. Dabei versorgt der Startergenerator im Generatorbetrieb die Brennkraftmaschine sowie das Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Abhängig von dem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine wird ein Drehmoment von dem Startergenerator oder der Brennkraftmaschine über die entsprechenden Riemenscheiben in das Zugmittel eingeleitet. Damit verbunden ist ein Wechsel des Leertrums und des Zugtrums bzw. ein Wechsel der Drehmomentrichtung in dem Zugmitteltrum zwischen den Riemenscheiben der Kurbelwelle und des Startergenerators.
Das Dokument EP 1 122 464 A1 zeigt einen Zugmitteltrieb, der den Antrieb eines Startergenerators einschließt. Das zugehörige Spannsystem umfasst einen drehbar angeordneten Tragkörper mit zwei Spannrollen, die mit voneinander abweichenden Hebelarmen zur Drehachse des Tragkörpers positioniert sind. Die Anordnung des Spannsystems sieht vor, dass sich eine Zugmittelführung einstellt, bei der das Zugmittel die Riemenscheibe des Startergenerators zwischen den Spannrollen des Spannsystems umschließt.
Der aus dem Dokument JP 010 059 555 A bekannte Zugmitteltrieb umfasst ebenfalls einen Startergenerator. Zur Realisierung einer ausreichenden Vorspannkraft des Zugmittels sowohl im Startbetrieb als auch bei laufender Brennkraftmaschine sind dazu zwei selbsttätig wirkende Spannsysteme vorgesehen. Ein erstes Spannsystem umfasst eine Spannrolle, die an dem Zugmitteltrum zwischen den Riemenscheiben der Kurbelwelle und des Startergenerators abgestützt ist. Die Spannrolle des zweiten Spannsystems ist an einem dem Startergenerator nachgeordneten Abschnitt des Zugmitteltrums abgestützt. Der Aufbau sieht vor, dass beim Startmodus das erste Spannsystem blockierbar bzw. verriegelbar ist, zur Erzielung eines vorgespannten Zugmittels zwischen dem Startergenerator und der Riemenscheibe der Kurbelwelle. Bei laufender Brennkraftmaschine wird die Verriegelung gelöst, so dass sich die am Zugmittel geführte Laufrolle des Spannsystems selbsttätig einstellen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen schwingungsberuhigten Zugmitteltrieb mit zugehörigem Startergenerator zu realisieren.
Diese Problemstellung wird gemäß der Erfindung durch einen Pendeldecoupler gelöst, der einer Riemenscheibe eines Antriebs- oder Abtriebsorgans des Zugmitteltriebs zugeordnet ist. Der selbsttätig einstellbare Pendeldecoupler umfasst zwei über eine schwenkbare Vorrichtung starr miteinander verbundene Umlenkrollen. Die schwenkbare Vorrichtung ist so angebracht, dass je eine Umlenkrolle im Zugmitteltrum vor und eine im Zugmitteltrum nach einer Riemenscheibe des Zugmitteltriebs positioniert ist. Während der Startphase, in der die Brennkraftmaschine von dem Startergenerator angetrieben wird, reagiert der auch als Pendel zu bezeichnende Pendeldecoupler selbsttätig auf eine Veränderung der Zugmittellängung oder Zugmittelspannung im Zugtrum indem er sich aus dem Trieb herausdreht. Gleichzeitig wird die Umlenkrolle im Leertrum um den gleichen Winkel in den Trieb hereingedreht und kompensiert dadurch eine eingetretene Riemenlängung. Der Pendeldecoupler bewirkt damit eine nahezu konstante Umschlingung der zugeordneten Riemenscheibe.
Der Freiheitsgrad des Pendeldecouplers ermöglicht im Betriebszustand bei auftretenden Drehungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine ein Schwingen oder Pendeln um den Drehpunkt. Das erfindungsgemäße System ermöglicht damit Längenänderungen des Zugmittels in folge von Änderungen der Vorspannung im Zugmittel und bewirkt ein Kräftegleichgewicht. Vorteilhaft kompensiert der Pendeldecoupler die Übertragung der Drehungleichförmigkeit in den Zugmitteltrieb und bewirkt einen gleichmäßigen Drehzahlverlauf, wodurch sämtliche Komponenten des Zugmitteltriebs entlastet werden. Im Einbauzustand stellt sich dabei eine Zugmittelführung ein, bei der das Zugmittel zwischen den Umlenkrollen bereichsweise die Riemenscheibe des Startergenerators umschließt. Unabhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist eine Umlenkrolle dem Leertrum und die weitere Umlenkrolle dem Zugtrum des Zugmitteltriebs zugeordnet. Vorteilhaft ist der Pendeldecoupler sowohl in einer Startphase, bei der die Brennkraftmaschine über den Startergenerator angetrieben wird, als auch im generatorischen Betrieb, wenn der Antrieb von der Brennkraftmaschine erfolgt, selbsttätig einstellbar.
Die Anordnung der Umlenkrollen und die Funktionsweise des Pendeldecouplers ermöglichen in allen Betriebszuständen stets einen konstanten, einen Zugmittelschlupf vorteilhaft vermeidenden Umschlingungswinkel des Zugmittels an der zugehörigen Riemenscheibe. Folglich verbessert das erfindungsgemäße Konzept die Funktionalität und bewirkt eine erhöhte Dauerfestigkeit, verbunden mit einer gesteigerten Lebensdauer des Zugmitteltriebs. Weiterhin ermöglicht die Erfindung reduzierte Vorspann- und/oder Dämpfungskräfte in den Zugmitteltrieb, so dass Zugmittel mit einer geänderten Steifigkeit und/oder Dimensionierung einsetzbar sind. Da in Verbindung mit dem Pendeldecoupler außerdem das Schlupfrisiko sinkt, bietet es sich an, Zugmittel ohne spezielle Beschichtungen einzusetzen. Vorteilhaft ermöglicht der erfindungsgemäße Pendeldecoupler aufgrund der geringeren Belastung die Verwendung kleiner dimensionierter Bauteile wie Zugmittel und Wälzlager, wodurch sich ein hohes Einsparpotential hinsichtlich Kosten, Gewicht und Bauraum einstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung ein Zusammenwirken des Pendeldecouplers mit der Riemenscheibe der Kurbelwelle. Der Pendeldecoupler ist dazu so angeordnet, dass die Riemenscheibe der Kurbelwelle zwischen den Umlenkrollen der Vorrichtung platziert ist. Die Zuordnung des erfindungsgemäßen Pendeldecouplers an der Kurbelwellen-Riemenscheibe bewirkt vorteilhaft einen stets konstanten Umschlingungsgrad des Zugmittels an der Riemenscheibe. Alternativ dazu bietet es sich an, den Pendeldecoupler gemäß der Erfindung einer Riemenscheibe eines beliebigen Aggregates des Zugmitteltriebs zuzuordnen.
Ein bauteiloptimiertes Konzept des Pendeldecouplers sieht vor, dass deren Vorrichtung einen Drehpunkt aufweist, der mit einer Drehachse der zugeordneten Riemenscheibe übereinstimmt. Dazu kann beispielsweise der Pendeldecoupler an einer Zentralverschaubung fixiert werden, über die gleichzeitig die Riemenscheibe der Kurbelwelle befestigt ist.
Zur Schaffung eines symmetrischen Aufbaus der Vorrichtung ist ein Hebelarm oder Radius zwischen den Achsen der Umlenkrollen und dem Drehpunkt der Vorrichtung übereinstimmend ausgelegt.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Auslegung ist vorgesehen, dass ergänzend zu einem übereinstimmenden Hebelarm die Vorrichtung einen Achsabstand zwischen den Umlenkrollen vorsieht, wodurch sich ein Umschlingungswinkel des Zugmittels an der Riemenscheibe α von ≥ 180° einstellt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung des Pendeldecouplers im Drehpunkt eine Dämpfungseinrichtung einschließt. Dazu bietet es sich an, in einer Nabe der Vorrichtung eine federkraftbeaufschlagte Reibscheibe als Dämpfungseinrichtung anzuordnen. Alternativ dazu kann die Drehpunktslagerung ein mechanisch oder ein hydraulisch wirkendes Dämpfungselement einschließen.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Maßnahme, um die Vorrichtungslagerung des Pendeldecouplers während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine zu entlasten. Dazu ist vorgesehen, die dem Zugtrum zugeordnete Umlenkrolle des Pendeldecouplers so auszurichten, dass sich ein uneingeschränkter geradliniger Verlauf des Zugmittels zwischen den Riemenscheinen der Kurbelwelle und des Generators einstellt. Bei dieser Triebauslegung stellt sich während der Startphase eine vollständige Streckung des Start-Zugtrums ein, verbunden mit einem eingeschränkten Drehwinkel bzw. mit einer Begrenzung des Arbeitsweges von dem Pendeldecoupler sowie einer vorteilhaften reduzierten Achslast der betreffenden Umlenkrolle.
Ein einen Startergenerator einschließender Zugmitteltrieb mit erfindungsgemäßem Pendeldecoupler benötigt vorteilhaft kein zweites Spannsystem. Weiterhin führt der Pendeldecoupler zu einer effektiven Entlastung des Zugmittel-Spannsystems, das unverändert ausschließlich dem Leertrum zugeordnet werden sowie optimal für den generatorischen Betrieb ausgelegt werden kann. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Pendeldecouplers ist vorteilhaft mit bekannten Spannsystemen kombinierbar, beispielsweise mit einem hydraulischen, einem mechanisch rotativen oder einem linear wirkenden Spannsystem in Verbindung mit einer Spannrolle. Außerdem bietet sich ein schwenkbarer, von einem Kraftmittel beaufschlagter Generator bzw. Generatorspanner als Spannsystem an, zur Kombination mit dem Pendeldecoupler gemäß der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in insgesamt drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs mit Startergenerator und einem Pendeldecoupler in einer Neutralstellung;
2 den Zugmitteltrieb gemäß 1 in einem Startzyklus;
3 den Zugmitteltrieb gemäß 1 in einem generatorischen Betriebszustand.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt einen zum Antrieb von Aggregaten einer Brennkraftmaschine bestimmten, auch als Nebenaggregatetrieb zu bezeichnenden, im Uhrzeigersinn umlaufenden Zugmitteltrieb 1. Dieser umfasst als Zugmittel 2 einen elastischen Riemen, der Riemenscheiben einzelner Antriebs- oder Abtriebsglieder beziehungsweise einzelner Aggregate verbindet wie die Riemenscheibe 3 einer Kurbelwelle, die Riemenscheibe 4 eines Startergenerators 5 sowie die Riemenscheiben 6 und 7 weitere Aggregate. Das Zugmittel 2 ist weiterhin zwischen den Riemenscheiben 4 und 6 an einer Umlenkrolle 8 geführt. Der Zugmitteltrieb 1 schließt weiterhin einen der Riemenscheibe 3 der Kurbelwelle zugeordneten Pendeldecoupler 10 ein, bestehend aus einer schwenkbaren, zwei Umlenkrollen 11, 12 umfassenden Vorrichtung 9. Aufgrund der relativ nahen Zuordnung der Umlenkrollen 11, 12, die mit einem übereinstimmenden Radius oder Hebelarm „s” an der Vorrichtung 9 befestigt sind, stellt sich ein Umschlingungswinkel „α” von ≥ 180° des Zugmittels 1 an der Riemenscheibe 3 ein. Der große Umschlingungswinkel „α” ermöglicht einen schlupffreien Antrieb und bewirkt einen verzögerungsfreien, schnellen Start der Brennkraftmaschine im Startmodus.
Die kompakte Bauweise des Pendeldecouplers 10 unterstreichend stimmt ein Drehpunkt 13 der Vorrichtung 9 mit einer Drehachse 14 der Riemenscheibe 3 überein. Zur Darstellung eines symmetrischen Aufbaus sind die Umlenkrollen 11, 12 in einem übereinstimmenden Abstand „s” beziehungsweise Hebelarm zu dem Drehpunkt 13 der Vorrichtung 9 positioniert. Der Pendeldecoupler 10 kann weiterhin zur Schwingungsberührung des Zugmitteltriebs 1 eine Dämpfungseinrichtung einschließen. Dazu bietet sich beispielsweise an, in einer Nabe der Vorrichtung 9 im Bereich des Drehpunkts 13 eine Dämpfungseinrichtung anzuordnen. Alternativ dazu kann die Drehpunktlagerung ein mechanisch oder ein hydraulisch wirkendes Dämpfungselement einschließen.
Der um einen ortsfesten Anlenkpunkt 15 beispielsweise der Brennkraftmaschine schwenkbare Startergenerator 5 bildet gleichzeitig ein Spannsystem des Zugmitteltriebs 1. Der auch als Generatorspanner zu bezeichnende Startergenerator 5 ist dazu von einem im Gegenuhrzeigersinn wirkenden Kraftmittel 16 beaufschlagt, um eine ausreichende Vorspannung des Zugmittels 2 zu gewährleisten. Als Kraftmittel 16 eignet sich beispielsweise ein mechanisches Federmittel, ein mechanisch-hydraulisches, elektro-hydraulisches oder elektromagnetisch wirkendes Stellglied.
Die 2 und 3 zeigen den Zugmitteltrieb 1 in alternativen Betriebszuständen. Bauelemente, die mit der 1 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf den unterschiedlichen Aufbau beziehungsweise die unterschiedliche Anordnung einzelner Bauelemente.
Die 2 zeigt den Zugmitteltrieb 1 im Startmodus, in dem der Startergenerator 5 in die Brennkraftmaschine antreibt. In dieser Phase bildet ein Riementrum 17 des Zugmittels 2 zwischen den Riemenscheiben 3 und 4, dem die Umlenkrolle 12 des Pendeldecouplers 10 zugeordnet ist, ein Zugtrum. In dem Startmodus bildet ein Riementrum 18 zwischen den Riemenscheiben 3 und 7 des Zugmitteltriebs 1 das Leertrum. Zur Entlastung der Lagerung und/oder zur Begrenzung des Arbeitsweges der Vorrichtung 9 ist eine Auslegung des Zugmitteltriebs 1 bzw. des Pendeldecouplers 10 vorgesehen, die eine vollständige Streckung des Zugtrums sicherstellt. Dabei wird der Drehwinkel des sich im Gegenuhrzeigersinn verdrehenden Pendeldecouplers 10 eingeschränkt, jedoch ohne Einfluss auf den Umschlingungswinkel „α” des Zugmittels 2.
Die 3 zeigt den Zugmitteltrieb 1 im generatorischen Betrieb des Startergenerators 5. Dabei erfolgt der Antrieb des Startergenerators 5 über die der Kurbelwelle zugeordnete Riemenscheibe 3. Abweichend zum Startmodus wird im generatorischen Betrieb das Riementrum 17 zum Leertrum und das Riementrum 18 zum Zugtrum. Aufgrund des geänderten Antriebs schwenkt der Pendeldecoupler 10 im Uhrzeigersinn, wodurch die Umlenkrolle 12 eine ausreichende Vorspannung des Riementrums 17 und damit des Leertrums sicherstellt.
Bezugszeichenliste

1: Zugmitteltrieb
2: Zugmittel
3: Riemenscheibe
4: Riemenscheibe
5: Startergenerator
6: Riemenscheibe
7: Riemenscheibe
8: Umlenkrolle
9: Vorrichtung
10: Pendeldecoupler
11: Umlenkrolle
12: Umlenkrolle
13: Drehpunkt
14: Drehachse
15: Anlenkpunkt
16: Kraftmittel
17: Riementrum
18: Riementrum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1122464 A1 [0006]
JP 010059555 A [0007]

Claims

Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein Nebenaggregateantrieb, bei dem ein Riemen als elastisches Zugmittel (2) die Riemenscheibe (4) der Kurbelwelle und zumindest die Riemenscheibe (4) eines Startergenerators (5) und/oder eines weiteren Aggregates eines Spannsystems verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Riemenscheibe (4, 6, 7) eines Antriebs- oder Abtriebsorgans des Zugmitteltriebs (1) ein selbsttätig einstellbarer Pendeldecoupler (10) zugeordnet ist, der zwei über eine schwenkbare Vorrichtung (9) starr miteinander verbundene Umlenkrollen (11, 12) einschließt, über die sich eine Zugmittelführung einstellt, bei der das Zugmittel (2) zwischen den Umlenkrollen (11, 12) der Vorrichtung (9) eine Riemenscheibe (4, 6, 7) bereichsweise umschließt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pendeldecoupler (10) mit der Riemenscheibe (3) der Kurbelwelle zusammenwirkt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehpunkt (13) der Vorrichtung (9) mit einer Drehachse (14) der Riemenscheibe (3) übereinstimmt, die dem Pendeldecoupler (10) zugeordnet ist.
Zugmitteltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit dem Pendeldecoupler (10) das Zugmittel (2) die Riemenscheibe (3) mit einem Umschlingungswinkel ”α” von ≥ 180° umschließt.
Zugmitteltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hebelarm oder Radius „s” zwischen den Umlenkrollen (11, 12) und einem Drehpunkt (13) der Vorrichtung (9) übereinstimmt.
Zugmitteltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) des Pendeldecouplers (10) im Drehpunkt (13) eine Dämpfungseinrichtung einschließt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Nabe der Vorrichtung (9) eine federkraftbeaufschlagte Reibscheibe als Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist.
Zugmitteltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine die dem Riementrum (17) zugeordnete Umlenkrolle (12) des Pendeldecouplers (10) so ausgerichtet ist, dass sich ein gestreckter Verlauf des Zugmittel (2) zwischen den Riemenscheiben (3, 4) der Kurbelwelle und des Startergenerators (5) einstellt.
Zugmitteltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer ausreichenden Vorspannung des Zugmittels (2) ein hydraulisches, mechanisch rotatives oder ein linear wirkendes Spannsystem in Verbindung mit einer Spannrolle eingesetzt ist.
Zugmitteltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein schwenkbarer von einem Kraftmittel (16) beaufschlagter Generator oder Startergenerator (5) als Spannsystem vorgesehen ist.