DE102011085122A1

DE102011085122A1 - Spannvorrichtung für einen Riementrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011085122A1
Application number: DE201110085122
Authority: DE
Inventors: Hans Bauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Spannvorrichtung (11) für einen Riementrieb (1), der ein auf einer Antriebswelle (30) einer Elektromaschine (4) angeordnetes Antriebsrad (3), ein oder mehrere weitere Riemenräder (5, 6) und einen Riemen (2) aufweist, wobei die Spannvorrichtung folgendes umfasst: – zwei Spannrollen (9, 10), die den Riemen vor und hinter dem Antriebsrad mit Vorspannkraft beaufschlagen, – ein die Vorspannkraft erzeugendes Federmittel (16), – einen kreisbogenförmigen Spannarm (13’), der an einem Ende durch das Federmittel beaufschlagt ist und der am anderen Ende eine der Spannrollen lagert, – und ein Spannergehäuse (12’), in dem das Federmittel aufgenommen ist und in dem der Spannarm mittels eines Gleitlagereinsatzes (19’, 20’) in der Ebene (40) des Kreisbogens beweglich gelagert ist. Der Gleitlagereinsatz und der Spannarm sollen sich an Lagerflächenabschnitten (39) kontaktieren, die im Querschnitt durch die Kreisbogenebene gerade sind und die schräg und spiegelsymmetrisch zur Kreisbogenebene verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für einen Riementrieb, der ein auf einer Antriebswelle einer Elektromaschine angeordnetes Antriebsrad, ein oder mehrere weitere Riemenräder und einen endlos umlaufenden Riemen aufweist, der das Antriebsrad und die weiteren Riemenräder umschlingt, wobei die Spannvorrichtung folgendes umfasst:

– zwei Spannrollen, die den Riemen in Umlaufrichtung vor und hinter dem Antriebsrad mit Vorspannkraft beaufschlagen,
– ein die Vorspannkraft erzeugendes Federmittel,
– einen kreisbogenförmigen Spannarm, der an einem Ende durch die Kraft des Federmittels beaufschlagt ist und der am anderen Ende eine der Spannrollen lagert,
– und ein Spannergehäuse, in dem das Federmittel aufgenommen ist und in dem der Spannarm mittels eines Gleitlagereinsatzes in der Ebene des Kreisbogens beweglich gelagert ist.

Hintergrund der Erfindung
Bei Riementrieben mit wechselweise Drehmoment aufnehmenden und abgebenden Triebrädern und entsprechendem Wechsel von Zugtrum und Leertrum an diesen Triebrädern erfordert das Spannen des Leertrums eine Spannvorrichtung mit zwei Spannrollen, die den Riemen vor und hinter dem Antriebsrad der wechselweise antreibenden und angetriebenen Antriebswelle vorspannen. Es handelt sich typischer- aber nicht notwendigerweise um den Riementrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Elektromaschine in Form eines Startergenerators, der nicht nur zwecks Stromerzeugung von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, sondern auch die Brennkraftmaschine antreibt, um diese zu starten.
Eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 10 2011 082 764 A1 bekannt. Dort erfolgt die Gleitlagerung des Spannarms im Spannergehäuse mittels Gleitlagereinsätzen in Form von Halbschalen aus spritzgegossenem Polyamid, die in das Spannergehäuse eingesetzt sind und den Spannarm umgreifen.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich der Gleitlagerung des Spannarms im Spannergehäuse konstruktiv zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung hierfür besteht darin, dass sich der Gleitlagereinsatz und der Spannarm an Lagerflächenabschnitten kontaktieren, die im Querschnitt durch die Kreisbogenebene gerade sind und die schräg und spiegelsymmetrisch zur Kreisbogenebene verlaufen.
Anders als im eingangs zitierten Stand der Technik, bei dem die sich kontaktierenden Lagerflächen sämtlich gekrümmt ausgebildet sind und folglich ein Verdrehen des Spannarms mitsamt der zugehörigen Spannrolle kaum verhindern können, bewirken die (im Querschnitt) geraden Lagerflächenabschnitte eine definierte Winkelausrichtung des Spannarms im Spannergehäuse, so dass die zugehörige Spannrollenlauffläche idealerweise exakt parallel zum Riemen steht. Die schräge Ausrichtung und spiegelsymmetrische Anordnung dieser Lagerflächenabschnitte bewirken außerdem, dass die am Spannarm angreifenden Kräfte den Spannarm stabil in der Kreisbogenebene zentrieren und somit einer Verdrehung des Spannarms samt Spannrolle gegenüber der Kreisbogenebene entgegen wirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen. Bei den Ausführungsbeispielen handelt es sich jeweils um eine Spannvorrichtung für einen Startergenerator-Riementrieb einer Brennkraftmaschine, wobei die 1 bis 4 die aus der eingangs zitierten DE 10 2011 082 764 A1 bekannte Spannvorrichtung zeigen, während in den 5 bis 7 erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Spannarm-Gleitlagerung – teilweise stark vereinfacht – dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 den Riementrieb und die auf dem Startergenerator gelagerte Spannvorrichtung in vereinfachter Gesamtdarstellung,
2 die Spannvorrichtung in vergrößerter perspektivischer Ansicht,
3 die Komponenten der Spannvorrichtung in explodierter Darstellung,
4 die Spannvorrichtung in geschnittener Darstellung,
5 eine erste erfindungsgemäße Spannvorrichtung im Detail gemäß dem Detail Z aus 4,
6 eine zweite erfindungsgemäße Spannvorrichtung im Detail gemäß dem Detail Z aus 4 und
7 eine dritte erfindungsgemäße Spannvorrichtung im Detail gemäß dem Detail Z aus 4.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt teilweise schematisch das Layout eines Nebenaggregate-Riementriebs 1 einer Brennkraftmaschine. Der in der durch den Pfeil gekennzeichneten Umlaufrichtung endlos umlaufende Poly-V-Riemen 2 umschlingt das Antriebsrad 3 einer als Startergenerator 4 ausgebildeten Elektromaschine und zwei weitere Riemenräder 5 und 6, die auf der Kurbelwelle KW der Brennkraftmaschine bzw. auf einem Klimakompressor A/C angeordnet sind.
Das Kurbelwellenrad 5 wird auf an sich bekannte Weise zum Starten der Brennkraftmaschine im Startermodus vom Startergenerator 4 angetrieben, um bei dann gestarteter Brennkraftmaschine den Startergenerator 4 im Generatormodus anzutreiben. Das dementsprechend wechselweise Drehmoment abgebende bzw. Drehmoment aufnehmende Antriebsrad 3 bewirkt einen dazu synchronen Wechsel von Zugtrum und Leertrum am Startergenerator 4. Im Startbetrieb der Brennkraftmaschine ist dasjenige Trum 7, das in Umlaufrichtung vor dem dann das Kurbelwellenrad 5 antreibenden Antriebsrad 3 verläuft, das Zugtrum, und dasjenige Trum 8, das in Umlaufrichtung hinter dem Antriebsrad 3 verläuft, das Leertrum. Umgekehrt ist während des Generatormodus dasjenige Trum 7, das in Umlaufrichtung vor dem dann vom Kurbelwellenrad 5 angetriebenen Antriebsrad 3 verläuft, das Leertrum, und dasjenige Trum, das in Umlaufrichtung hinter dem Antriebsrad 3 verläuft, das Zugtrum.
Wie eingangs erwähnt, erfordert das Spannen des wechselnden Leertrums eine Spannvorrichtung mit zwei Spannrollen 9 und 10, die den Riemen 2 in dessen Umlaufrichtung vor und hinter dem Antriebsrad 3 mit Spannkraft beaufschlagen. Der konstruktive Aufbau einer bekannten Spannvorrichtung 11, die gemäß 1 am Antriebsrad 3 des Startergenerators 4 angeordnet ist, wird nachfolgend anhand der 2 bis 4 erläutert.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die dem Startergenerator 4 abgewandte Stirnseite der Spannvorrichtung 11 und 3 die Spannvorrichtung 11 in explodierter Darstellung, wobei zwecks besserer Illustration die in 3 mit 12a bezeichnete obere Halbschale des Spannergehäuses 12 in 2 entfernt ist. Die beiden Spannrollen 9 und 10 sind mittels nicht näher dargestellter Wälzlager mit zugehörigen Spannarmen 13 und 14 verschraubt, von denen der eine Spannarm 13 beweglich im Spannergehäuse 12 gelagert und der andere Spannarm 14 am Spannergehäuse 12 befestigt ist. Die Spannrollen 9, 10 sind gemäß 1 so im Riementrieb 1 positioniert, dass die Spannrolle 9 des beweglichen Spannarms 13 in Umlaufrichtung des Riemens 2 vor dem Antriebsrad 3 angeordnet ist. Eine umgekehrte Anordnung, bei welcher der bewegliche Spannarm 13 in Umlaufrichtung des Riemens 2 hinter dem Antriebsrad 3 angeordnet wäre, ist ebenso möglich.
Das Spannergehäuse 12 umfasst die obere Halbschale 12a und eine dem Startergenerator 4 zugewandte untere Halbschale 12b. Die Halbschalen 12a, 12b, die als zueinander spiegelsymmetrische Blechumformteile hergestellt und axial mittels Verschweißen miteinander gefügt sind, sind so geformt, dass sie im Innern des Spannergehäuses 12 einen kreisbogenförmigen Kanal 15 bilden. Ein Federmittel in Form einer entsprechend gekrümmten Bogenfeder 16 und ein entsprechend kreisbogenförmiger Lagerabschnitt 17 des beweglich gelagerten Spannarms 13 sind konzentrisch zum Antriebsrad 3 und in der durch die Kreisbogenform gebildeten Ebene, nachfolgend kurz Kreisbogenebene, beweglich im Kanal 15 aufgenommen.
Der Kanal 15 ist in radial auswärtiger Richtung der Bogenfeder 16 mit einer Gleitschale 18 mit halbkreisförmigem Querschnitt ausgekleidet. Die aus Polyamid gespritzte Gleitschale 18 dient nicht nur als Verschleißschutz der Bogenfeder 16, sondern bewirkt mittels geeigneter Werkstoff-/Oberflächenpaarung auch ein definiert eingestelltes Reibungs-/Dämpfungsverhalten bei den Relativbewegungen zwischen Bogenfeder 16 und Spannergehäuse 12. Zu demselben Zweck ist auch der Lagerabschnitt 17 des beweglichen Spannarms 13 in klammerartige Gleitlagereinsätze aus Polyamid eingefasst, die aus zwei Paar identischen Halbklammern 19 und 20 gebildet sind und deren Umfangsposition im Kanal 15 ein Parameter ist, um das Reibungs-/Dämpfungsverhalten bei den Relativbewegungen zwischen Spannarm 13 und Spannergehäuse 12 einzustellen.
Die Halterung der Gleitschale 18 und der Gleitlagereinsätze 19, 20 im Spannergehäuse 12 erfolgt formschlüssig mittels axial angeformter Nasen, die gemäß den 1 und 2 jeweils in dazu komplementäre Öffnungen eingreifen. So greifen die einheitlich mit 22 bezeichneten Nasen der Gleitlagereinsätze 19, 20 in die einheitlich mit 23 bezeichneten Öffnungen der Halbschalen 12a, 12b, und die einheitlich mit 24 bezeichneten Nasen der Gleitschale 18 greifen in die einheitlich mit 25 bezeichneten Öffnungen der Halbschalen 12a, 12b.
Aus den 2 und 3 ist erkennbar, dass der am Spannergehäuse 12 befestigte Spannarm 14 einen Befestigungszapfen 26 aufweist, der in einem durch Halbzylinder 27a und 27b der beiden Halbschalen 12a und 12b gebildeten, rohrförmigen Vorsprung eingepresst und gleichzeitig mittels Nasen 28 gegen Verdrehen im Vorsprung gesichert ist. Beide Spannarme 13, 14 sind als Aluminium-Druckgussteile hergestellt.
Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, ist das Spannergehäuse 12 um die Achse 29 der Antriebswelle 30 des Startergenerators 4 verschwenkbar auf diesem gelagert. In der konkreten Ausgestaltung ist zur Lagerung ein Rillenkugellager 31 vorgesehen, das einen Lagerabschnitt 12c des Spannergehäuses 12 gegenüber dem mit der Antriebswelle 30 verschraubten Antriebsrad 3 lagert. Dargestellt ist lediglich die Gewindebohrung 32 der Antriebswelle 30 für die nicht dargestellte, an sich bekannte Zentralverschraubung des Antriebsrads 3.
Die Spannvorrichtung 11 bildet mit dem Antriebsrad 3 und dem Kugellager 31 eine auf die Antriebswelle 30 äußerst einfach zu montierende Baueinheit, die lediglich mit der zentralen Verschraubung am Startergenerator 4 angebracht wird.
Wie die beiden Halbschalen 12a, 12b ist der stirnseitig damit gefügte und hier ebenfalls verschweißte Lagerabschnitt 12c des Spannergehäuses 12 als Blechumformteil mit einem zylindrischen Vorsprung 35 hergestellt, der in einer kreisringförmigen Ausnehmung 36 des Antriebsrads 3 konzentrisch dazu verläuft. Das Kugellager 31 ist radial zwischen dem Lagerabschnitt 12c und einer Nabe 37 des Antriebsrads 3 mittels eines Pressverbands eingesetzt. Durch die radial ineinander verschachtelte Anordnung der Komponenten laufen das Kugellager 31 und der vom Riemen umschlungene Außenumfang 38 des Antriebsrads 3 in einer gemeinsamen Triebebene. Folglich wird neben der axial besonders kompakten Bauweise das Kippmoment der Spannvorrichtung 11 um deren Lagerstelle bei entsprechend geringer Kippbelastung des Kugellagers 31 minimiert.
Die Lagerung der Spannvorrichtung 11 bewirkt bei einem durch die momentane Betriebsweise des Startergenerators 4 bedingten Lastwechsel im Riementrieb 1, d.h. bei einer Vertauschung von Zugtrum mit Leertrum, eine Verschwenkung des Spannergehäuses 12 auf dem Startergenerator 4 um dessen Antriebswellenachse 29. Dabei erstreckt sich der die Verschwenkung bewirkende Kraftfluss über die Spannrolle 9, den Spannarm 13, die Bogenfeder 16, das Spannergehäuse 12 und den festen Spannarm 14 auf die Spannrolle 10. Eine Optimierung der Schwenkbewegung kann durch die voneinander unabhängig einstellbaren Reibparameter am Wälzlager 31 und an den Gleitpaarungen zwischen dem beweglichen Spannarm 13 und der Bogenfeder 16 einerseits und dem Spannergehäuse 12 andererseits erfolgen.
Erfindungsgemäße Modifikationen der Spannvorrichtung sind in den 5 bis 7 dargestellt, die dem Detail Z in 4 entsprechen. Modifiziert sind jeweils die nicht-kreisförmigen Querschnittsprofile des Spannergehäuses 12’ und des Spannarms 13’ sowie die konstruktive Ausgestaltung des Gleitlagers 21, das den Spannarm 13’ im Spannergehäuse 12’ lagert. Charakteristisch für die erfindungsgemäßen Gleitlager 21 sind die sich kontaktierenden Lagerflächenabschnitte 39 des Spannarms 13’ und der Gleitlagereinsätze 19’ bzw. 20’, die ebenfalls als Polyamid-Spritzgussteile hergestellt und am Spannergehäuse 12’ fixiert sind. Diese Lagerflächenabschnitte 39 sind im Querschnitt durch die Kreisbogenebene 40 gerade, und sie verlaufen schräg und spiegelsymmetrisch zur Kreisbogenebene 40. Durch die Querführungseigenschaften der Lagerflächenabschnitte 39 wird der Spannarm 13’ idealerweise exakt in der Kreisbogenebene 40 zentriert und an einem Verdrehen gegenüber der Kreisbogenebene 40 gehindert. Wie bereits oben erwähnt, handelt es sich bei der Kreisbogenebene 40 um die Ebene, die durch die kreisbogenförmige Längsmittelinie des Lagerabschnitts 17 (siehe 3) der Spannarme 13 und 13’ sowie auch der Bogenfeder 16 aufgespannt wird.
Bei der in den Figuren jeweils unten eingezeichneten Kraft F_N handelt es sich um die aus der Kraft des Riemens 2 resultierende Normalkraft auf den Spannarm 13’ und das Gleitlager 21. Die jeweils gegenüberliegende Pfeilschar symbolisiert die Reaktionslast des Gleitlagers 21, die die Winkelausrichtung des Spannarms 13’ in die Kreisbogenebene 40 stabilisiert. Die Normalkraft F_N ist in der Regel schwellend, so dass nur ein äußerer Gleitlagereinsatz 19’ gemäß den 5 und 7 erforderlich ist. Für den Fall einer Richtungsumkehr der Kraft F_N kann auch der innenseitige Gleitlagereinsatz 20’ gemäß 6 vorgesehen sein.
Der in den 5 und 7 dargestellte Gleitlagereinsatz 19’ und der Spannarm 13’ umfassen sowohl die schräg zur Kreisbogenebene 40 verlaufenden Lagerflächenabschnitte 39 als auch orthogonal zur Kreisbogenebene 40 verlaufende Lagerflächenabschnitte 41. Die schrägen Lagerflächenabschnitte 39 sind in 5 außenseitig, d.h. beidseitig eines orthogonalen Lagerflächenabschnitts 41 angeordnet. In 7 hingegen sind die orthogonalen Lagerflächenabschnitte 41 außenseitig, d.h. beidseitig der schrägen Lagerflächenabschnitte 39 angeordnet. Die Gleitlagereinsätze 19’ und 20’ gemäß 6 sind mangels orthogonaler Lagerflächenabschnitte im Querschnitt V-förmig. Das erforderliche Reibungs-/Dämpfungsverhalten der betrieblichen Spannarmbewegung kann über den Schrägungswinkel α der V-Form eingestellt werden, wobei die Reibung mit dem Winkel α zunimmt und umgekehrt.
Bezugszeichenliste

1: Riementrieb
2: Riemen
3: Antriebsrad
4: Elektromaschine / Startergenerator
5: Riemenrad der Kurbelwelle
6: Riemenrad des Klimakompressors
7: Trum
8: Trum
9: Spannrolle
10: Spannrolle
11: Spannvorrichtung
12: Spannergehäuse
13: Spannarm
14: Spannarm
15: Kanal
16: Federmittel / Bogenfeder
17: Lagerabschnitt des beweglichen Spannarms
18: Gleitschale
19: Gleitlagereinsatz
20: Gleitlagereinsatz
21: Gleitlager
22: Nase des Gleitlagereinsatzes
23: Öffnung für die Nase
24: Nase der Gleitschale
25: Öffnung für die Gleitschalennase
26: Befestigungszapfen des befestigten Spannarms
27: Halbzylinder der Halbschalen
28: Nasen am Befestigungszapfen
29: Achse der Antriebswelle
30: Antriebswelle
31: Kugellager
32: Gewindebohrung
33: Bohrung für Sicherungsstift
34: Bohrung für Sicherungsstift
35: zylindrischer Vorsprung
36: kreisringförmige Ausnehmung
37: Nabe des Antriebsrads
38: Außenumfang des Antriebsrads
39: schräger Lagerflächenabschnitt
40: Kreisbogenebene
41: orthogonaler Lagerflächenabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011082764 A1 [0003, 0007]

Claims

Spannvorrichtung für einen Riementrieb (1), der ein auf einer Antriebswelle (30) einer Elektromaschine (4) angeordnetes Antriebsrad (3), ein oder mehrere weitere Riemenräder (5, 6) und einen endlos umlaufenden Riemen (2) aufweist, der das Antriebsrad (3) und die weiteren Riemenräder (5, 6) umschlingt, wobei die Spannvorrichtung (11) folgendes umfasst: – zwei Spannrollen (9, 10), die den Riemen (2) in Umlaufrichtung vor und hinter dem Antriebsrad (3) mit Vorspannkraft beaufschlagen, – ein die Vorspannkraft erzeugendes Federmittel (16), – einen kreisbogenförmigen Spannarm (13’), der an einem Ende durch die Kraft des Federmittels (16) beaufschlagt ist und der am anderen Ende eine der Spannrollen (9) lagert, – und ein Spannergehäuse (12’), in dem das Federmittel (16) aufgenommen ist und in dem der Spannarm (13’) mittels eines Gleitlagereinsatzes (19’, 20’) in der Ebene (40) des Kreisbogens beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gleitlagereinsatz (19’, 20’) und der Spannarm (13’) an Lagerflächenabschnitten (39) kontaktieren, die im Querschnitt durch die Kreisbogenebene (40) gerade sind und die schräg und spiegelsymmetrisch zur Kreisbogenebene (40) verlaufen.