DE102007051228A1

DE102007051228A1 - Aktives Spannsystem für Zugmitteltriebe

Info

Publication number: DE102007051228A1
Application number: DE102007051228A
Authority: DE
Inventors: Michael Bogner; Bernd Hartmann; Christian Dr. Hauck; Andrea Schuler
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Spannsystem für den Einsatz in Zugmitteltrieben, insbesondere für den Aggregateantrieb einer Brennkraftmaschine, der einen Starter-Generator einschließt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem jeweiligen Betriebszustand bzw. Betriebszyklus des Starter-Generators angepasste Vorspannkraft des Riemens darzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Spannrolle und einer Federmechanik zur Generierung einer über die Spannrolle in ein Zugmittel des Zugmitteltriebs eingekoppelten Spannkraft, wobei sich diese Spannvorrichtung dadurch auszeichnet, dass ein Spann-Zusatzelement vorgesehen ist, dessen Spann- oder Stützkraft mittels eines Druckmittels einstellbar ist, zur Abstimmung der an dem Zugmittel angreifenden Spannrollenspannkraft. Mit diesem aktiven Spannsystem sind alle zur Erzielung einer optimalen Funktion erforderlichen Vorspannkräfte des Riemens einstellbar. Beispielsweise kann damit eine Riemenvorspannkraft im generatorischen Betrieb realisiert werden, die der jeweiligen Leistungsaufnahme der Nebenaggregate angepasst ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Spannsystem für den Einsatz in Zugmitteltrieben, insbesondere für den Aggregateantrieb einer Brennkraftmaschine, der einen Starter-Generator einschließt.
Aus der DE 199 26 612 A1 ist ein Riementrieb für eine Brennkraftmaschine mit Starter-Generator bekannt. Dieser Zugmitteltrieb umfasst eine erste, der Kurbelwelle sowie eine zweite dem Startergenerator zugeordnete Riemenscheibe, wobei ein als Zahnriemen ausgebildeter Riemen die Riemenscheiben verbindet. Die zugehörige Spannvorrichtung des Riementriebs schließt zwei Spannarme mit zugehörigen Spannrollen ein, von denen eine dem Lasttrum und die weitere dem Leertrum des Riemens zugeordnet ist, wobei beide Spannarme um eine gemeinsame Drehachse schwenkbar sind.
Bei Zugmitteltrieben mit einem Starter-Generator besteht funktionsbedingt die Notwendigkeit einer abhängig vom Betriebszustand variablen Vorspannkraft. Im Startzyklus des Starter-Generators wird ein sehr hohes Drehmoment von der Riemenscheibe des Startergenerators ausgehend in den Zugmitteltrieb eingeleitet, wozu eine Vorspannkraft des Riemens von ≥ 1000 N erforderlich ist. Im generatorischen Betrieb des Starter-Generators ist dagegen die hohe Vorspannkraft des Zugmittels nicht erforderlich. Vielmehr verursacht diese Nachteile wie, eine verringerte Lebensdauer des Zugmittels und der Riemenscheiben-Wälzlager aller dem Zugmitteltrieb zugeordneten Nebenaggregate. Weiterhin stellen sich auch proportional zur Vorspannkraft erhöhte Reibungsverluste an allen Lagerstellen des Zugmitteltriebs ein, was sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine auswirkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine dem jeweiligen Betriebszustand bzw. Betriebszyklus des Starter-Generators angepasste Vorspannkraft des Riemens darzustellen.
Die Lösung dieser Problemstellung besteht darin, einen Zugmitteltrieb mit einem aktiven, insbesondere pneumatischen Spannsystem zu versehen. Dazu ist erfindungsgemäß ein als kombiniertes Feder-Dämpferelement ausgelegtes Spannelement vorgesehen. Der Aufbau sieht vor, dass parallel zu einer Feder oder einem Federelement ein abgeschlossenes Druckluftreservoir vorgesehen ist, welches beispielsweise von einem Kompressor gezielt beaufschlagt werden kann. Die Feder kann hierbei sowohl mit einer innen und/oder aussenliegenden Druckfeder kombiniert werden. Mit diesem aktiven Spannsystem sind alle zur Erzielung einer optimalen Funktion erforderlichen Vorspannkräfte des Riemens einstellbar. Beispielsweise kann damit eine Riemenvorspannkraft im generatorischen Betrieb realisiert werden, die der jeweiligen Leistungsaufnahme der Nebenaggregate angepasst ist. Als Dämpfungselement wird erfindungsgemäß ein so genannter „pneumatischer Muskel" eingesetzt, der in erster Linie der Regelung der Vorspannkraft dient und ergänzend oder alternativ als Dämpfungselement fungiert.
Die Verwendung eines pneumatischen Muskels ist aus der DE 100 52 663 C1 für eine Niveauregelung von Kraftfahrzeugen bekannt. Diese pneumatische Federelementanordnung umfasst eine Druckquelle, die über ein Regelventil mit einem pneumatischen Federelement verbunden ist, sowie einem zwischen dem Regelventil und dem pneumatischen Federelement angeordneten Durchflussmesser. Weiterhin schließt die bekannte Vorrichtung eine elektronische Regelungseinrichtung ein, zur Regelung der Luftmenge in dem pneumatischen Federelement in Abhängigkeit von Signalen des Durchflussmessers sowie eines Drucksensors für den Druck des Druckvolumens. Das pneumatische Federelement ist dabei als ein Leckverluste vermeidender pneumatischer Muskel ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Lösung der vorliegenden Aufgabe besteht darin, ein als Pneumatischer Muskel bezeichnetes Pneumatikelement einzusetzen, das mit einer Druckfeder oder Zugfeder parallel geschaltet ist, bzw. das mit dem Federelement zusammenwirkt. Das Pneumatikelement ist im Wesentlichen eine pneumatische Feder, die der mechanischen Feder entgegenwirkt oder alternativ die Wirkung der mechanischen Feder verstärkt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann je nach Anordnung die Vorspannkraft im Startbetrieb des Startergenerators gezielt angehoben oder im generatorischen Betrieb des Startergenerators gezielt abgesenkt werden. Vorteilhaft ist außerdem eine Kombination des erfindungsgemäßen Spannsystems mit einem herkömmlichen hydraulischen- oder mechanischen Spannsystem als add-on. Außerdem eignet sich das erfindungsgemäße Spannsystem auch für den Verbau in Kombination mit einem sogenannten Generatorspanner, bei welchem der Generator schwenkbar federnd abgestützt ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Zugmitteltriebes mit einem ersten und einem zweiten Spannrollenschwenkarm, wobei beide Schwenkarme um eine gemeinsame Schwenkachse schwenkbewegbar sind und über hier nicht näher dargestellte Spannelemente gegen ein als Flachriemen ausgeführtes Zugmittel gedrängt sind;
2 eine Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäß zur Spannkraftgenerierung bei einem Zugmitteltrieb eingesetzten Spannelementes;
3 eine Axialschnittansicht zur Veranschaulichung des weiteren Aufbaus eines erfindungsgemäßen Spannelementes für einen Zugmitteltrieb.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt den Aufbau eines Zugmitteltriebs, bei dem eine Riemenscheibe 1 einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und eine weitere Riemenscheibe 2 einem Startergenerator zugeordnet sind. Zur Erzielung einer ausreichenden Vorspannkraft des Zugmittels 3 ist ein Spannsystem 4 vorgesehen, bestehend aus zwei Spannarmen 5, 6, an denen endseitig jeweils eine Spannrolle 7, 8 positioniert ist. Der Aufbau sieht vor, dass sich der Startergenerator und die damit verbundene Riemenscheibe 2 im Uhrzeigersinn dreht. Während des Startzyklus wird das Lasttrum 9 des Zugmittels 3 gegen die Spannrolle 7 und das Lostrum 10 gegen die Spannrolle 8 angefedert. Im generatorischen Betrieb des Startergenerators, bei dem das Drehmoment von der Kurbelwelle und damit von der Riemenscheibe 1 in den Zugmitteltrieb eingeleitet wird kommt es zu einer Umkehrung von Lasttrum 9 und Lostrum 10.
Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes aktives Spannelement 20, das im eingebauten Zustand beispielsweise mit einem Spannarm (siehe 1, Bezugszeichen 5 und 6) in Verbindung steht, wobei die dem Spannarm zugeordnete Spannrolle (7, 8) an dem Zugmittel (3) abgestützt ist.
Der Aufbau des Spannelementes 20 umfasst ein als Druckfeder ausgeführtes Federelement 21, dessen Federenden an separaten Befestigungspunkten 22, 23 angeordnet sind. Die beiden Befestigungspunkte 22, 23 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Gelenkflanschelemente ausgeführt die jeweils über ein Gelenkauge schwenkbewegbar mit dem Schwenkarm, bzw. einem stationären Element, z. B. der Stirnwand eines Motorblocks gekoppelt sein können. Das Federelement 21 wird außenseitig von einem aus einem elastischen Material hergestellten Mantel 24 umschlossen, der druck- und gasdicht mit beiden Befestigungspunkten 22, 23 verbunden ist und damit einen pneumatischen Muskel bildet. Diese Befestigungspunkte 22, 23, können so ausgebildet sein, dass diese jeweils einen Tellerabschnitt 22a, 23a bilden, wobei der Mantel 24 an den Umfangsrandbereich des jeweiligen Tellerabschnitts 22a, 23a in abdichtender Weise angebunden ist. Die Anbindung wird vorzugsweise durch einen Vulkanisationsabschnitt bewerkstelligt. In vorteilhafter Weise können auch weitere Fixierringelemente, insbesondere aufgepresste Ringelemente vorgesehen durch welche die Anbindung des Mantels 24 an die Tellerabschnitte 22a, 23a noch weiter verbessert wird. Der Mantel 24 kann hinsichtlich seines Querschnitts, bzw. seiner Wanddickengestaltung so gestaltet sein, dass dessen radiale Aufweitung in einer unter strukturmechanischen Gesichtspunkten vorteilhaften Weise erfolgt. Vorzugsweise werden hierbei durch dicker Wandstärken im Bereich der Tellerabschnitte 22a, 23a kleinere Verformungen zugelassen als im Mittenbereich des Mantels 24. Der Mantel 24 kann wie hier dargestellt eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweisen. Es ist auch möglich, den Mantel 24 so zu gestalten, dass dieser bereits ohne Innendruckbeaufschlagung eine tonnenartige, d. h. ausbauchende Gestalt aufweist.
Über eine an dem Befestigungspunkt 23 angeschlossene Verbindungsleitung 25 kann von einer Druckquelle 26, insbesondere einem Kompressor ausge hend, ein Druckmedium in einen Innenraum 27 des Spannelementes 20 geleitet werden, um beispielsweise die Kraft des Federelementes 21 zu verstärken oder alternativ Einfluss auf die Dämpfungscharakteristik des Spannelementes 20 nehmen. Bei dem aktiven Spannelement 20 gemäß 2 wird durch eine entsprechende Zufuhr von Luft/Gas, oder einem anderweitigen Medium an die von dem elastischen Mantel 24 umschlossene Kammer Druck angelegt und die Kammer vorgespannt oder expandiert, wodurch unmittelbar die Vorspannkraft des Zugmittels in dem Zugmitteltrieb abgestimmt werden kann.
Das in 3 im Schnitt dargestellte Spannsystem 30 ist als hydraulisch wirkendes Spannsystem 31 ausgeführt und umfasst ein Gehäuse 32, in welches eine Druckfeder 21 eingebunden ist. Die Druckfeder 21 stützt sich mit einem ersten Federende 21a an einer einem Druckraum 34 zugeordneten Anlage 38 ab und mit dem weiteren Federende 21b an einer Ringscheibe 39 des Kolbens 33.
Ein linear in dem Gehäuse 32 verschiebbarer Kolben 33 ist endseitig abgedichtet in den Druckraum 34 eingesetzt. Außenseitig ist der Druckraum 34 von einem mit einem Hydraulikfluid gefüllten Vorratsraum 35 umschlossen. Der zylindrische Außenmantel 36 des Gehäuses 32 ist unter Bildung eines Ausgleichsraumes 41 von einem elastischen Mantel 24 umschlossen. Dieser Mantel 24 bildet hier ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 einen hydromechanischen Muskel 37. Bei einer Stellbewegung des Kolbens 33 in Pfeilrichtung wird das im Druckraum 34 eingeschlossene Hydraulikfluid teilweise über ein Drossel-, und/oder Einwegventil 40 in den Ausgleichraum 41 verdrängt, der sich zwischen dem Außenmantel 36 und dem als hydromechanischer Muskel fungierenden elastischen Mantel 24 erstreckt. Abhängig von der über den Kolben 33 ausgeübten Stellkraft sowie der Vorspannung des hydromechanischen Muskels 37 kommt es zu einem radialen Ausweichen des Mantels 24.
Die Dämpfcharakteristik des hydromechanischen Muskels 37 ist beeinflussbar durch ein weiteres Einwegventil 42, über das Hydraulikfluid aus dem Ausgleich raum 41 in den Vorratsraum 35 des Hydrauliksystems 31 gelangt. Bei einer Umkehrung der Stellbewegung des Kolbens 33 in eine Richtung entgegen der hier eingetragenen Pfeilrichtung und einem sich einstellenden Druckunterschied zwischen dem Druckraum 34 und dem Vorratsraum 35 gelangt Hydraulikfluid aus dem Vorratsraum 35 über das Einwegventil 43 in den Druckraum 34.
Das Dämpfungs- und Spannverhalten dieser Spannvorrichtung kann insbesondere durch die Gestaltung der Querschnitte der Fluidwege, die Charakteristik der Druckfeder 21, den Querschnitt des Kolbens 33 sowie durch die Druck/Volumencharakteristik von dem elastischen Mantel 24 umschlossenen Kammer abgestimmt werden. Es ist möglich, auch bei dieser Variante einen Fluidzufuhrkanal vorzusehen durch welchen der in der Spannvorrichtung herrschende Fluiddruck abgestimmt werden kann. Weiterhin ist es möglich, das Ventil 40 als selektiv sperrbares, insbesondere elektromechanisch sperrbares Ventil auszuführen durch welches die Spannvorrichtung z. B. während eines Kurzzeitbetriebs eines Generators als Startermotor kurzzeitig teil- oder vollverriegelt werden kann. Die Druckfeder 21 kann als Feder mit polygonalem, insbesondere im wesentlichen quadratischem Federdraht-Querschnitt ausgeführt sein um eine vergrößerte Auflagefläche für den flexiblen Mantel 24 zu bilden und ggf. bei gleichem Bauraum höhere Federsteifigkeiten zu realisieren.

1: Riemenscheibe
2: Riemenscheibe
3: Zugmittel
4: Spannsystem
5: Spannarm
6: Spannarm
7: Spannrolle
8: Spannrolle
9: Lasttrum
10: Lostrum
20: Spannelement
21: Federelement
21a: Federende
21b: Federende
22: Befestigungspunkt
22a: Tellerabschnitt
23: Befestigungspunkt
22b: Tellerabschnitt
24: elastischer Mantel (pneumatischer Muskel)
25: Verbindungsleitung
26: Druckquelle
30: Spannelement
31: hydraulisches Spannsystem
32: Gehäuse
33: Kolben
34: Druckraum
35: Vorratsraum
36: Außenmantel
37: pneumatischer Muskel
38: Anlage
39: Ringscheibe
40: Einwegventil
41: Ausgleichsraum
42: Einwegventil
43: Einwegventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19926612 A1 [0002]
- DE 10052663 C1 [0006]

Claims

Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine mit: – einer Spannrolle (7, 8) und – einer Federmechanik zur Generierung einer über die Spannrolle (7, 8) in ein Zugmittel des Zugmitteltriebs eingekoppelten Spannkraft, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spann-Zusatzelement vorgesehen ist dessen Spann- oder Stützkraft mittels eines Druckmittels einstellbar ist, zur Abstimmung der an dem Zugmittel angreifenden Spannrollenspannkraft.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spann-Zusatzelement derart in die Spannvorrichtung eingebunden ist, dass durch dieses die durch die Federmechanik generierte Spannkraft definiert erhöht werden kann.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spann-Zusatzelement derart in die Spannvorrichtung eingebunden ist, dass durch dieses die durch die Federmechanik generierte Spannkraft definiert reduziert werden kann.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrolle durch einen Schwenkarm getragen ist und das Spann-Zusatzelement an dem Schwenkarm angreift
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrolle Bestandteil eines durch Schwenken verlagerbaren Aggregats bildet, und dass das Spann-Zusatzelement an diesem durch Schwenken verlagerbaren Aggregat angreift.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spann-Zusatzelement zu der Federeinrichtung kinematisch parallel geschaltet ist.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spann-Zusatzelement als pneumatischer Muskel ausgeführt ist.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmechanik eine Druckfeder (21) umfasst, deren Federenden (21a, 21b) an separaten Befestigungspunkten (22, 23) abgestützt sind.
Spannvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Befestigungspunkte (22, 23) als Gelenkköpfe ausgeführt sind, die jeweils über eine Gelenkverbindung schwenkbewegbar mit dem Schwenkarm (5, 6) bzw. einem stationären Element gekoppelt sind.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (21) außenseitig von einem aus einem elastischen Material gefertigten Mantel (24) umschlossen ist, der druck- und gasdicht mit beiden Befestigungspunkten (22, 23) verbunden ist, zur Bildung einer einen Innenraum (27) umfassenden Druckkammer.
Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Befestigungspunkte (23) eine Verbindungsleitung (25) angeschlossen ist zur Zuleitung eines Druckmediums in den Innenraum (27) der Druckkammer.
Spannvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft des Zugmittels in dem Zugmitteltrieb beeinflusst wird indem das Volumen des dem Innenraum (27) zugeführten Mediums, oder der sich hierbei einstellende Druck im Innenraum (27) entsprechend abgestimmt wird.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung einen Kolben (33) umfasst der linear in einem Gehäuse (32a) verschiebbarer ist und einen Druckraum (34) begrenzt, wobei der Druckraum (34) außenseitig von einem Vorratsraum (35) umschlossen ist der mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (31) sich mit einem ersten Federende (21a) an einer einem Druckraum (34) zugeordneten Anlage (38) abstützt und mit dem weiteren Federende (21b) an einer dem Kolben (33) zugeordneten Struktur (Ringscheibe 39) abstützt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Außenmantel (36) des Gehäuses (32) unter Bildung eines Ausgleichsraumes (41) von dem aus einem elastischen Material gefertigten Mantel (37) umschlossen ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Eintauchstellbewegung des Kolbens (33) das im Druckraum (34) eingeschlossene Hydraulikfluid teilweise über ein Einwegventil (40) in den Ausgleichraum (41) verdrängt wird, der sich zwischen dem Außenmantel (36) und dem elastischen Mantel (24) erstreckt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfcharakteristik des Spann-Zusatzelement durch ein weiteres Einweg- oder Dämpfungsventil (42) einstellbar ist, über das Hydraulikfluid aus dem Ausgleichraum 41 in den Vorratsraum (35) des Hydrauliksystems (31) gelangt.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Druckspeicherkammer umfasst, und dass die Druckspeicherkammer von einer elastisch weitbaren Wandung begrenzt ist, die Druckspeicherkammer in ein hydromechanisches System eingebunden ist über welches eine Stützkraft generiert wird die mit dem Druck in der Druckspeicherkammer korreliert.
Spannvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Mantel (24) mit einem seiner Axial-Enden an eine, einem Kolbensystem zugordnete Struktur angebunden ist und mit seinem anderen Axial-Ende an eine, einem Zylindersystem zugeordnete Struktur angebunden ist, wobei das Kolbensystem und das Zylindersysteme eine Druckkammer bilden und ein im Rahmen der Verlagerung des Kolbensystems gegenüber dem Zylindersystem aus der Druckkammer ausgebrachtes Fluid in einen Fluidaufnahmebereich gelangt der mit der von dem elastischen Mantel (24) umschlossenen Druckspeicherkammer in Fluidverbindung steht.
Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine, der einen Starter-Generator einschließt sowie ein Spannsystem (4), dessen Spannrolle (7, 8) an einem Zugmittel (3) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanisch oder hydraulisch wirkende Spannsystem (4) ein als pneumatischer Muskel (24, 37) ausgeführtes Zusatzelement einschließt, zur Ausbildung eines aktiven Spann- oder Dämpfungselementes.