DE102009038221A1

DE102009038221A1 - Riemenscheibenanordnung

Info

Publication number: DE102009038221A1
Application number: DE200910038221
Authority: DE
Inventors: Bernd Hartmann; Christian Dr.-Ing. Hauck; Uwe Michael
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Riemenscheibenanordnung (1, 1'), mit einer an einer Antriebswelle (2) befestigbaren Nabe (3) und einer auf der Nabe (3) drehbar gelagerten Riemenscheibe (5), sowie mit einer schenkellosen Drehfeder (6), die sich axial zwischen der Nabe (3) und der Riemenscheibe (5) erstreckt sowie eine Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe (5) und der Nabe (3) ermöglicht, wobei die Drehfeder (6) mit ihrem einen Ende (7) gegen die Nabe (3) sowie mit ihrem anderen Ende (8) gegen die Riemenscheibe (5) wirkt. Damit diese Riemenscheibenanordnung (1, 1') ein Antriebsdrehmoment (M) in beide Lastrichtungen eines Nebenaggregats übertragen sowie als Drehschwingungsdämpfer wirken kann, ist vorgesehen, dass die Drehfeder (6) an ihren beiden axialen Enden (7, 8) in jeweils einer Hülse (9, 10) aufgenommen ist, von denen eine Außenhülse (9) drehfest mit einer radialen Innenmantelfläche (12) der Riemenscheibe (5) und eine Innenhülse (10) drehfest mit der Außenmantelfläche (11) der Nabe (3) verbunden ist, dass sich die Innenhülse (10) radial außen an einem Gleitlager (21) abstützt, welches an der Innenmantelfläche (12) der Riemenscheibe (5) ausgebildet ist, und dass an der Außenhülse (9) sowie an der Innenhülse (10) jeweils zwei radial ausgerichtete und paarweise durch einen Verdrehwinkel (A) beabstandete Anschläge (17, 18) angeordnet sind, an die sich die Drehfeder (6) zur Übertragung eines Drehmomentes von der Riemenscheibe (5) zur Nabe (3) beziehungsweise von ...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Riemenscheibenanordnung, mit einer an einer Antriebswelle befestigbaren Nabe und einer auf der Nabe drehbar gelagerten Riemenscheibe, sowie mit einer schenkellosen Drehfeder, die sich axial zwischen der Nabe und der Riemenscheibe erstreckt und eine Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe und der Nabe ermöglicht, wobei die Drehfeder mit ihrem einen Ende gegen die Nabe sowie mit ihrem anderen Ende gegen die Riemenscheibe wirkt.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Riemenscheibenanordnung ist aus der WO 2007/121582 A1 bekannt. Sie kommt beispielsweise in einem Riementrieb eines Kraftfahrzeuges zur Anwendung, wo diese mit der Antriebswelle eines Nebenaggregats des Fahrzeugs verbunden ist. Ein solches Nebenaggregat kann beispielsweise ein Generator, eine als Generator oder als Elektromotor betreibbare Elektromaschine, ein Klimaanlagenkompressor oder eine Pumpe sein, die jeweils über einen Antriebsriemen von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine antreibbar sind.
Die von einer Brennkraftmaschine bei ihrem Betrieb erzeugten Drehungleichförmigkeiten bzw. Drehschwingungen der Kurbelwelle sowie Triebstrangschwingungen bei Schaltvorgängen von Fahrzeuggetrieben werden über den Antriebsriemen nachteilig auf die Antriebswellen der Nebenaggregate übertragen. Diese Drehschwingungen in der Antriebsdrehzahl verursachen ohne weitere Maßnahmen dann auch Schwingungen in denjenigen Größen, die von den Nebenaggregaten aus der mechanischen Antriebsleistung erzeugt werden, also beispielsweise im Volumenstrom einer Pumpe oder in der elektrischen Leistung einer Elektromaschine. Sofern die Nebenaggregate im Bereich ihrer Antriebswellen vergleichsweise große Massenträgheiten aufweisen, wie beispielsweise eine Elektromaschine mit ihrem Rotor, verursachen die Drehschwingungen im Antriebsdrehmoment der Kurbelwelle bzw. in der Drehzahl des Antriebsriemens auch starke mechanische Belastungen an demselben, welche dessen Gebrauchsdauer nachteilig reduzieren.
Moderne Riemenscheibenanordnungen weisen daher neben einer auf einer Nabe drehgelagerten Riemenscheibe auch Entkopplungsmittel auf, mit denen diese Drehschwingungen nicht oder zumindest nur gedämpft auf die Antriebswellen der Nebenaggregate weiter gegeben werden. Durchweg werden als Entkopplungsmittel Freilaufeinrichtungen verwendet, die zwar eine Drehmomentübertrag von der Riemenscheibe auf die Antriebswelle des Nebenaggregats zulassen, eine Drehmomentübertragung in der entgegengesetzten Lastrichtung jedoch verhindern. Derartige Riemenscheibenanordnungen sind beispielsweise aus der DE 698 17 556 T und der DE 603 03 064 T2 bekannt.
Bei einem Riementrieb eines Fahrzeugs, in dem eine als Generator oder als Elektromotor betreibbare Elektromaschine integriert ist, ist eine Riemenscheibenanordnung mit der beschriebenen Freilaufeinrichtung nicht verwendbar, da die Elektromaschine im Generatorbetrieb ein Antriebsdrehmoment von der Riemenscheibe aufnimmt und im elektromotorischen Betrieb an die Riemenscheibe abgibt, wobei letzterer Betrieb zum Starten des Verbrennungsmotors nach einem vorherigen Abschalten dient. Demnach muss eine Riemenscheibenanordnung, die an eine solche Elektromaschine angebaut ist, in der Lage sein, ein Antriebsdrehmoment bei gleicher Drehrichtung in beide Lastrichtungen zu übertragen. Außerdem soll im generatorischen Betrieb gewährleistet sein, dass von dem Antriebsriemen auf die Riemenscheibe übertragene Schwingungen nicht auf die Antriebswelle dieses Nebenaggregats weitergeleitet werden.
Vor diesem Hintergrund ist aus der bereits erwähnten WO 2007/121582 A1 eine gattungsgemäße Riemenscheibenanordnung bekannt, die eine auf der Antriebswelle des Nebenaggregats befestigbare Nabe sowie eine auf der Nabe drehbar gelagerte Riemenscheibe aufweist. Die Drehlagerung umfasst ein Rillenkugellager sowie ein Gleitlager, die an den beiden axialen Enden der Riemenscheibenanordnung radial zwischen der Riemenscheibe und der Nabe platziert sind. Axial zwischen diesen beiden Lagern sowie radial zwischen der Riemenscheibe und der Nabe ist eine Drehfeder angeordnet, die mit ihrem einen axialen Ende gegen die Riemenscheibe und mit ihrem anderen axialen Ende gegen die Nabe wirkt. Die Drehfeder dient als Entkopplungsmittel für auf die Riemenscheibe wirkende Schwingungen des Antriebsstrangs sowie als Drehmomentübertragungsmittel zwischen der Riemenscheibe und der Nabe.
Zur Übertragung eines Antriebsdrehmomentes in beide Lastrichtungen ist diese bekannte Riemenscheibenanordnung außerdem derart ausgebildet, dass eine unmittelbare Antriebsverbindung der Riemenscheibe mit der Nabe bzw. der Nabe mit der Riemenscheibe möglich ist. Hierzu weist die Nabe an ihrem aggregatfernen axialen Ende einen Ringsteg auf, an dem radial nach außen Nocken abstehen. Diese Nocken greifen in radial nach innen offene, langgestreckte Nuten der Riemenscheibe, wobei die umfangsbezogene Länge dieser Nuten sehr viel größer ist als die umfangsbezogene Breite der Nocken. Die in Umfangsrichtung weisenden Flächen der Nocken und der Nuten wirken als Anschlagflächen, über die unter Umgehung der Drehfeder ein Antriebsdrehmoment direkt von der Nabe auf die Riemenscheibe sowie in entgegengesetzte Richtung übertragen werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Riemenscheibenanordnung vorzustellen, die einerseits das Weiterleiten von auf die Riemenscheibe wirkende Schwingungen zur Antriebswelle des Nebenaggregats verhindert oder diese zumindest reduziert, und die andererseits eine Übertragung eines Antriebsdrehmomentes sowohl von der Riemenscheibe zur Antriebswelle als auch umgekehrt von der Antriebswelle auf die Riemenscheibe ermöglicht. Darüber hinaus soll die Riemenscheibenanordnung gemäß der Erfindung einen anderen konstruktiven Aufbau als die aus der WO 2007/121 582 A1 bekannte Riemenscheibenanordnung aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Riemenscheibenanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs vorgeschlagen, während vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung in den Unteransprüchen definiert sind.
Demnach geht die Erfindung aus von einer Riemenscheibenanordnung, mit einer an einer Antriebswelle befestigbaren Nabe und einer auf der Nabe drehbar gelagerten Riemenscheibe, sowie mit einer schenkellosen Drehfeder, die sich axial zwischen der Nabe und der Riemenscheibe erstreckt und eine Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe und der Nabe ermöglicht, wobei die Drehfeder mit ihrem einen Ende gegen die Nabe sowie mit ihrem anderen Ende gegen die Riemenscheibe wirkt. Außerdem ist vorgesehen, dass die Drehfeder an ihren beiden axialen Enden in jeweils einer Hülse aufgenommen ist, von denen eine Außenhülse drehfest mit einer radialen Innenmantelfläche der Riemenscheibe und eine Innenhülse drehfest mit der Außenmantelfläche der Nabe verbunden ist, dass sich die Innenhülse radial außen an einem Gleitlager abstützt, welches an der Innenmantelfläche der Riemenscheibe ausgebildet ist, und dass an der Außenhülse sowie an der Innenhülse jeweils zwei radial ausgerichtete und paarweise durch einen Verdrehwinkel beabstandete Anschläge angeordnet sind, an die sich die Drehfeder zur Übertragung eines Drehmomentes von der Riemenscheibe zur Nabe beziehungsweise von der Nabe zur Riemenscheibe abstützen kann.
Diese Riemenscheibenanordnung ermöglicht die Übertragung eines Antriebsdrehmomentes in beide Lastrichtungen, also sowohl von der Riemenscheibe auf die Antriebswelle eines Nebenaggregats als auch von der Antriebswelle des Nebenaggregats auf die Riemenscheibe. Dadurch ist diese Riemenscheibenanordnung in einem Kraftfahrzeug für den Anbau an eine Antriebswelle einer Elektromaschine geeignet, die als Generator oder als Elektromotor betreibbar ist.
Bei einem generatorischen Betrieb wird von der Elektromaschine über den Antriebsriemen und die Riemenscheibenanordnung ein Antriebsdrehmoment zur Erzeugung von elektrischer Energie aufgenommen, die dann in einer Batterie speicherbar oder beispielsweise in einem elektromotorischen Fahrbetrieb oder einem kombinierten elektromotorisch-brennkraftmotorischen Betrieb verwendet werden kann. Die in der Riemenscheibenanordnung enthaltene Drehfeder verhindert oder mindert dabei die Übertragung von Antriebsriemenschwingungen in Richtung zur Antriebswelle des Nebenaggregats.
Bei einem elektromotorischen Betrieb gibt die Elektromaschine über die Riemenscheibenanordnung und den Antriebsriemen ein Antriebsdrehmoment an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ab, so dass diese nach einem Stillstand angeworfen werden kann.
Die Wirkungsweise dieser Riemenscheibenanordnung wird weiter unten im Zusammenhang mit zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Riemenscheibenanordnung gemäß der Erfindung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Drehfeder derartig in den beiden Hülsen aufgenommen ist, dass sie in beide Lastrichtungen ein gleich großes Antriebsdrehmoment zwischen der Nabe und der Riemenscheibe übertragen kann. Die genannte Drehmomentübertragungsfähigkeit wird durch eine besondere Ausgestaltung derjenigen Bauteile der Riemenscheibenanordnung erreicht, die unmittelbar in Kontakt mit den axialen Enden der Drehfeder treten. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.
Für andere Anwendungsfälle kann vorgesehen sein, dass die Drehfeder derartig in den beiden Hülsen aufgenommen ist, dass sie in einer Lastrichtung ein vergleichsweise großes Antriebsdrehmoment sowie in der entgegengesetzten Lastrichtung ein vergleichsweise kleines Antriebsdrehmoment zwischen der Nabe und der Riemenscheibe übertragen kann. Eine solche Riemenscheibenanordnung wird beispielsweise mit der Antriebswelle eines als Generators oder als Pumpe ausgebildeten Nebenaggregats in einem Riementrieb eines Fahrzeuges verbunden. Die hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit in der einen Lastrichtung dient dazu, maximal viel Drehmoment in diejenige Lastrichtung zu übertragen, die produktiv auf den Hauptzweck des Betriebs des Nebenaggregats einwirkt, also beispielsweise eine maximale Pumpleistung einer Pumpe, während die vergleichsweise geringe Drehmomentübertragungsfähigkeit in die andere Lastrichtung dazu dient, Schwingungsamplitudenanteile im Antriebsdrehmomentverlauf in der entgegengesetzten Drehrichtung zu dämpfen.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass eine mit der Antriebswelle einer Elektromaschine verbundene erfindungsgemäße Riemenscheibenanordnung derart ausgebildet ist, dass sie zum Betrieb der Elektromaschine als Startermotor eines Kraftfahrzeuges ein großes Antriebsdrehmoment und zum Betrieb der Elektromaschine als Generator des Kraftfahrzeuges ein im Vergleich dazu geringes Antriebsdrehmoment weiterleiten kann.
Eine andere Weiterbildung der Riemenscheibenanordnung gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Drehfeder derartig in den beiden Hülsen aufgenommen ist, dass sie über einen vorbestimmten Verdrehwinkel kein Antriebsdrehmoment zwischen der Riemenscheibe und der Nabe beziehungsweise zwischen der Nabe und der Riemenscheibe übertragen kann. In diesem Verdrehwinkelbereich, der vorzugsweise dann durchlaufen wird, wenn die Riemenscheibenanordnung von einer Lastrichtung zur entgegengesetzten Lastrichtung wechselt, arbeitet die Riemenscheibenanordnung als Freilauf, so dass auch schädliche Schwingungen im Drehmomentverlauf des Antriebsriemens weder in die eine noch in die andere Drehrichtung an die Antriebswelle des Nebenaggregats weiter geleitet werden können.
Zur technischen Realisierung der Charakteristik der Drehmomentübertragbarkeit mittels der Riemenscheibenanordnung kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der beiden Enden der Drehfeder axial auf einen Gleitkörper wirkt, der auf dem Boden der jeweiligen Hülse angeordnet oder dort ausgebildet ist.
Gemäß einer ersten Variante handelt es sich bei dem Gleitkörper um ein separates, bogenförmiges Bauteil, welches auf dem Boden der Hülse in einer dort ausgebildeten Ringnut angeordnet und zwischen zwei Anschlägen über einen vorbestimmten Verdrehwinkel umfangsbezogen verschiebbar angeordnet ist. Die Drehfeder liegt auf diesem Gleitkörper axial auf und wird bei einer Antriebsbewegung bei einer Bewegung des Gleitkörpers solange zusammen mit dem Gleitkörper umfangsbezogen bewegt verdreht, bis dieser Gleitkörper gegen einen der beiden Anschläge läuft. Während der Gleitkörper zwischen den beiden Anschlägen bewegt wird, verfügt die Riemenscheibenanordnung über keine Drehmomentübertragungsfähigkeit, und zwar in keine der beiden Lastrichtungen.
Wenn die zur Drehfeder weisende Seite eines solchen Gleitkörpers in Umfangsrichtung rampenförmig ausgebildet ist, wobei die umfangsbezogene Steigung der Rampe an die Steigung der Windungen der Drehfeder weitgehend angepasst ist, schiebt sich das zugeordnete axiale Ende der Drehfeder bei fortgesetzter Drehbewegung mit ansteigender Drehmomentübertragungsfähigkeit der Riemenscheibenanordnung auf die Rampe hoch, wodurch die Drehfeder axial bis auf Block zusammengestaucht wird. Sobald dies der Fall ist, hat die Riemenscheibenanordnung ihre voll Drehmomentübertragungsfähigkeit in die eine Lastrichtung erreicht.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zumindest eines der beiden Enden der Drehfeder axial auf einen Gleitkörper wirkt sowie auf diesem umfangsbezogen gleitend verschiebbar ist, der am Boden der Hülse befestigt oder mit diesem einstückig ausgebildet ist. Bei dieser Variante erstreckt sich der Gleitkörper ebenfalls über einen Bogenabschnitt oder über den Vollkreis des Umfangs der zugeordneten Hülse, so dass dann, wenn das eine Ende der Drehfeder nicht auf der Rampe des Gleitkörpers aufliegt und die Riemenscheibenanordnung eine Drehbewegung durchführt, deren Drehmomentübertragungsfähigkeit in beide Lastrichtungen Null ist. Sobald jedoch das Ende der Drehfeder auf der Rampe des unbeweglichen Gleitkörpers aufsteigt, schiebt sich die Drehfeder axial zunehmend zusammen, so dass die Drehmomentübertragungsfähigkeit mit zunehmendem Verdrehwinkel ansteigt. Dadurch kann die Riemenscheibenanordnung ein ansteigendes Antriebsmoment übertragen, und zwar solange, bis die Drehfeder auf Block zusammengeschoben ist, sich also ihre Federwindungen axial berühren.
Die in den genannten Hülsen angeordneten Gleitkörper, ob nun frei beweglich oder unbeweglich, sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, während die beiden Hülsen aus einem Metall gefertigt sind.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Riemenscheibenanordnung gemäß der Erfindung ein Wälzlager aufweist, welches axial gegenüber dem Gleitlager sowie radial zwischen der Nabe und der Riemenscheibe angeordnet ist. Dieses Wälzlager ist vorzugsweise an der Seite der Riemenscheibenanordnung angeordnet, die dicht bei dem Gehäuse des Nebenaggregats liegt.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Konstruktionsdetail ist vorgesehen, dass im halben Längsschnitt gesehen die Außenhülse der Riemenscheibenanordnung L-förmig und die Innenhülse U-förmig ausgebildet ist. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn zumindest einer der Gleitkörper im halben Längsschnitt gesehen L-förmig oder U-förmig ausgebildet ist, so dass das die Drehfeder radial geführt ist.
Die bereits angesprochene Gleitlagerung weist vorzugsweise einen Gleitring auf, der an der radialen Innenseite der Riemenscheibe befestigt ist, und an dem die radiale Außenseite der Innenhülse gleitend anliegt.
Schließlich sieht die Erfindung vor, dass die Riemenscheibenanordnung gemäß der Erfindung im Bereich des Gleitlagers mit einem Deckel verschlossen ist, welcher in eine Ringnut an der Riemenscheibe eingeklipst ist.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung am Beispiel von zwei Ausführungsformen erläutert. Darin zeigt
1 eine perspektivische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Riemenscheibenanordnung gemäß einer ersten Variante,
2 eine perspektivische Draufsicht auf eine Hülse mit einem dort angeordneten Gleitkörper zur Aufnahme einer Drehfeder der Riemenscheibenanordnung gemäß 1,
3 die teilweise aufgeschnittene Hülse gemäß 2 in einer perspektivischen Seitenansicht,
4 eine Seitenansicht der teilweise aufgeschnittenen Hülse gemäß
2 und 3 mit eingesetzter Drehfeder,
5 eine schematische Seitenansicht der Hülse der Riemenscheibenanordnung mit eingesetzter Drehfeder in einer ersten Betriebssituation,
6 eine schematische Seitenansicht der Hülse der Riemenscheibenanordnung mit eingesetzter Drehfeder in einer zweiten Betriebssituation,
7 eine perspektivische Längsschnittansicht einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Riemenscheibenanordnung,
8 ein Diagramm, welches die Verdrehsteifigkeitskennlinie der Riemenscheibenanordnung gemäß 1 zeigt, und
9 ein Diagramm, welches die Verdrehsteifigkeitskennlinie der Riemenscheibenanordnung gemäß 7 zeigt.
Demnach zeigt 1 eine bevorzugte Variante einer Riemenscheibenanordnung 1 gemäß der Erfindung, mit einer an einer Antriebswelle 2 befestigbaren Nabe 3 und einer auf der Nabe 3 drehbar gelagerten Riemenscheibe 5. Zwischen diesen beiden Bauteilen 3, 5 ist eine schenkellose Drehfeder 6 angeordnet, die sich axial zwischen der Nabe 3 und der Riemenscheibe 5 erstreckt und eine Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe 5 und der Nabe 3 ermöglicht. Hierzu wirkt die Drehfeder 6 mit ihrem einen axialen Ende 7 gegen die Nabe 3 sowie mit ihrem anderen Ende 8 gegen die Riemenscheibe 5.
Die Riemenscheibe 5 ist auf der Nabe 3 über ein abgedichtetes Wälzlager 4 sowie ein Gleitlager 21 drehbar gelagert. Dabei ist das Wälzlager 4 als Rillenkugellager mit einem auf der Nabe 3 sitzenden Innenring 23 und einem in die hohlzylindrische Innenseite 12 der Riemenscheibe 5 eingepressten Außenring 24 sowie dazwischen angeordneten Wälzkörpern 25 ausgebildet. Das Gleitlager 21 weist einen auf die Innenseite 12 der Riemenscheibe 5 aufgepressten Gleitring 22 auf, an den sich die Außenseite einer Hülse 10 radial abgestützt.
Diese Hülse ist als so genannte Innenhülse 10 ausgebildet, die radial innen drehfest und axial unverschiebbar auf der Außenmantelfläche 11 der zentralen Nabe 3 angeordnet ist. Außerdem ist eine so genannte Außenhülse 9 ein Bestandteil der Riemenscheibenanordnung 1, welche axial nahe an dem Wälzlager 4 angeordnet und drehfest sowie axial unbeweglich mit der Innenmantelfläche 12 der Riemenscheibe 5 verbunden ist.
Die Außenhülse 9 hat im halben Längsschnitt der Riemenscheibenanordnung 1 eine L-förmige Geometrie, während die Innenhülse 10 bei dieser Betrachtungsweise etwa U-förmig ausgebildet ist. In beiden Hülsen 9, 10 ist jeweils ein Gleitkörper 13 angeordnet, der eine etwa bogenförmige Geometrie aufweist und sich nur über einen vergleichsweise kleinen Teil des Umfangs der jeweiligen Hülse erstreckt. Wie 2 am Beispiel der U-förmigen Innenhülse 10 veranschaulicht, weist der Gleitkörper 13 ebenfalls eine etwa L-förmige Längsschnittgeometrie auf und ist in eine Nut 16 eingesetzt, die am Boden 15 der Innenhülse 10 ausgebildet ist (3).
Die Nut 16 erstreckt sich um einen Verdrehwinkel A von etwas mehr als 180° und endet an ihren beiden Enden mit zwei axial ausgerichteten Anschlägen 17 bzw. 18, an die der Gleitkörper 13 am Ende einer durch den Doppelpfeil angedeuteten Verschiebungsbewegung anschlägt.
Wie insbesondere die 3 und 4 verdeutlichen, weist der Gleitkörper 13 an seiner von dem Boden 15 der Nut 16 wegzeigenden Seite eine rampenförmige Oberfläche 19 auf, auf der das jeweilige axiale Ende 7, 8 der schenkellosen Drehfeder 6 aufliegt. Die Steigung dieser Rampe 19 ist an die Steigung der Drehfeder 6 zumindest weitgehend angepasst.
Diese Konstruktion ist in der Übersichtsdarstellung gemäß 1 gut erkennbar, wobei deutlich wird, dass die Drehfeder 6 mit ihrem axialen Ende 7 radial innerhalb der Außenhülse 9 und das gegenüberliegende axiale Ende 8 radial innerhalb der Innenhülse 10 aufgenommen ist. Von den beiden Anschlägen 17 und 18 der Innenhülse 10 ist in 1 in der linken Zeichnungshälfte nur die Rückseite des Anschlags 17 erkennbar, während radial gegenüberliegend die Nut 16 zu sehen ist. Der zugeordnete Gleitköper 14 ist auf der linken Seite dieser Zeichnung der Riemenscheibenanordnung 1 wegen der gewählten Schnittebene nicht erkennbar. Ähnlich verhält es sich in der rechten Zeichnungshälfte der 1, bei der oben die Nut 16 und der Boden 15 der Außenhülse 9 zu sehen ist. Allerdings zeigt die untere Zeichnungshälfte nahe zu dem Wälzlager 4 den Gleitkörper 13, der im Teillängsschnitt L-förmig ausgebildet ist und auf dessen rampenförmigen Oberfläche 19 sich das Ende 7 der Drehfeder 6 abstützt.
Ein Deckel 26, der mit seinem radialen Ende in eine Ringnut 20 am axialen Ende der Riemenscheibe 5 eingeklipst ist, verschließt die fettgefüllte Riemenscheibenanordnung 1.
Anhand der 1 und 8 wird nachfolgend die Funktionsweise der Riemenscheibenanordnung 1 erläutert, wobei 8 die Verdrehsteifigkeit der Riemenscheibenanordnung 1 veranschaulicht.
In einer Ruhestellung bei einem Verdrehwinkel A = 0°, bei der die Nabe 3 sowie die Riemenscheibe 5 stillstehen, befinden sich die Gleitkörper 13 zwischen den zugeordneten Anschlägen 17 und 18 der Innenhülse 10 bzw. der Außenhülse 9. Die Drehfeder 6 liegt mit ihren axialen Enden 7, 8 auf den Gleitkörpern 13 der zugeordneten Hülsen 9, 10 auf und übt auf diese eine vergleichsweise geringe Axialkraft aus.
Wenn nun die Riemenscheibe 5, beispielsweise für die generatorischen Betriebsweise einer Elektromaschine, relativ zu der Nabe 3 gedreht wird, dann bewegt sich die mit der Riemenscheibe 5 drehfest verbundene Außenhülse 9 mit. Dadurch kommt es unter Mithilfe der Drehfeder 6 zu einer Relativbewegung zwischen der Außenhülse 9 und dem gut gleitfähigen Gleitkörper 13, so dass sich letzterer in Richtung zu einem der beiden Anschläge 17, 18 bewegt. Bis zu demjenigen Zeitpunkt, in dem der Gleitkörper 13 einen Anschlag 17, 18 berührt, ist die Verdrehsteifigkeit der Riemenscheibenanordnung 1 Null oder annähernd Null, da die Drehfeder 6 noch nicht tordiert wurde, so dass in diesem Betriebsbereich zwischen der Riemenscheibe 5 und der Nabe 3 kein Antriebsmoment M übertragen wird. Die Riemenscheibenanordnung 1 hat in diesem Betriebsbereich demnach Freilaufeigenschaften. Diese Betriebssituation ist in dem Diagramm gemäß 8 in dem Verdrehwinkelbereich von 0° bis +A1 erkennbar.
Sobald der Gleitkörper 13 den Anschlag 17 oder 18 berührt und die Drehbewegung der Riemenscheibe 5 fortgesetzt wird, überwindet das Ende 7 der Drehfeder 6 die Haftreibung zwischen sich und dem Gleitkörper 13, so dass das Federende 7 auf der Rampe 19 bis zum Anschlag 17, 18 gleitet, dort zur Anlage kommt und im Anschluss daran die mit der Nabe 3 drehfest verbundene Innenhülse 10 antreibt. Dieser Betriebszustand ist in 5 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel sind die Anschlagelemente 17 gummielastisch ausgebildet und in Ringnuten der zugeordneten Gleitstücke 14 eingesetzt.
Wie 8 zeigt, steigt das übertragene Antriebsdrehmoment M zwischen der Riemenscheibe 5 und der Nabe 3 nach dem Anschlag der Drehfeder 6 im Verdrehwinkelbereich +A1 bis +A2 zunächst nur langsam an, wobei die Drehfeder 6 zunehmend tordiert wird. Ab dem Verdrehwinkel +A2 zwischen der Riemenscheibe 5 und der Nabe 3 ist die Drehfeder 6 bis auf Block tordiert. Da diese Vorgang an dem anderen Ende der Drehfeder 6 in der dortigen Innenhülse 10 ebenso abgelaufen ist, ist mit der auf Block tordierten Drehfeder 6 eine drehfeste Verbindung zwischen der drehfest mit der Riemenscheibe 5 gekoppelten Außenhülse 9 sowie der drehfest mit der Nabe 3 gekoppelten Innenhülse 10 geschaffen, so dass ab dem Verdrehwinkel +A2 letztlich eine drehfeste Verbindung zwischen der Riemenscheibe 5 und der Nabe 3 besteht. Die beschriebene Betriebsweise bewirkt eine vergleichsweise sanfte Ankopplung der Massenträgheit des Rotors der Elektromaschine an den Riementrieb.
Bei einem diesem Inbetriebnehmen der Riemenscheibenanordnung 1 folgenden kontinuierlichen Betrieb derselben lösen sich die Federenden 7, 8 und die Gleitstücke 13 aufgrund deren Auslegung sowie der Auslegung der Drehfeder 6 wieder etwas von den Anschlägen 17, 18, so dass das Antriebsdrehmoment nicht über den Kontakt der Federende 7, 8 an den Anschlägen 17, 18 erfolgt, sondern über die Reibpaarungen von Drehfeder 6 und Gleitkörper 13 sowie dem Gleitkörper 13 und dem Boden 15 der Außenhülse 9 bzw. der Innenhülse 10. Da die Drehfeder 6 in dieser Betriebssituation nicht auf Block zusammengeschoben ist, kann diese in vorteilhafter Weise Drehschwingungen im Antriebsdrehmomentverlauf dämpfen.
Wenn die Lastrichtung in der Riemenscheibenanordnung 1 nach einem Stillstand in die Gegenrichtung weist, dann durchläuft die Riemenscheibenanordnung 1 ihre Drehsteifigkeitskurve gemäß 8 in analoger Weise in den negativen Quadranten des dortigen Diagramms. Ein solcher Betriebsfall tritt beispielsweise dann auf, wenn das mit der Riemenscheibenanordnung 1 verbundene Nebenaggregat eine Elektromaschine ist, die hier als Startermotor betrieben wird. Auch hierbei wird ein Verdrehwinkelbereich von 0° bis –A1 zwischen Nabe 3 und Riemenscheibe 5 durchlaufen, in dem die Drehsteifigkeit der Riemenscheibenanordnung 1 sehr gering oder Null ist und keine oder nur eine sehr geringe Drehmomentüberragung stattfindet. Sobald die Federenden 7, 8 an den Anschlägen 17, 18 anliegen wird die Drehfeder tordiert, so dass das übertragbare Antriebsdrehmoment M im Verdrehwinkelbereich –A1 bis –A2 langsam ansteigt. Wenn die Drehfeder 6 bis auf Block verdreht bzw. tordiert ist, ist die Verdrehsteifigkeit maximal groß und es wird das maximale Antriebsdrehmoment M von der Nabe 2 über die Drehfeder 6 auf die Riemenscheibe 5 übertragen. Auch bei dieser Betriebsweise ist eine vergleichsweise sanfte Antriebsankopplung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an die Elektromaschine mittels des Antriebsriemens zu verzeichnen.
Sehr vorteilhaft ist der Betrieb der Riemenscheibenanordnung 1 daher dann, wenn diese mit einer elektromotorisch und generatorisch betreibbaren Elektromaschine verbunden ist, und mit dieser zunächst eine Brennkraftmaschine elektromotorisch angeworfen und unmittelbar danach generatorisch betrieben werden soll. Gemäß dem Diagramm der 8 wird ausgehend vom A = 0° zunächst der Verdrehwinkelbereich bis zu dem Verdrehwinkel –A1 durchlaufen, in dem die Gleitstücke 13 in den jeweiligen Hülsen 9, 10 verschoben werden und kein Drehmoment übertragen wird. Anschließend, also in der Phase, bei der die Gleitstücke 13 sowie die axialen Enden 7, 8 der Drehfeder 6 an den Anschlägen 17, 18 fixiert sind und während die Drehfeder 6 tordiert wird, steigt das über die Riemenscheibenanordnung 1 übertragene Drehmoment M langsam an. Sobald die Drehfeder 6 bei dem Verdrehwinkel –A2 auf Block zusammengeschoben ist, wird die Brennkraftmaschine elektromotorisch und mit maximalem Antriebsdrehmoment angeworfen. Anschließend wird die Elektromaschine umgeschaltet, so dass kein elektromotorisches Antriebsdrehmoment mehr verfügbar ist und diese als Generator betreibbar ist. Dadurch fällt die Verdrehsteifigkeit der Riemenscheibenanordnung 1 auf den Wert Null ab, um bei entgegengesetzter Lastrichtung beim Überschreiten des positiven Verdrehwinkels +A1, also bei einem Antreiben der Nabe 3 durch die Riemenscheibe 5, Drehmoment für den generatorischen Betrieb der Elektromaschine zur Verfügung zu stellen.
Besonders vorteilhaft bei diesem Wechsel von dem elektromotorischen zu dem generatorischen Betrieb ist, dass zwischen beiden ein Verdrehwinkelbereich –A1 bis +A1 der Riemenscheibenanordnung 1 liegt, in der die Riemenscheibenanordnung 1 wie ein Freilauf wirkt, so dass es zu keinen Lastschlägen im Riementrieb kommt. Der jeweils sanfte Anstieg des generatorischen bzw. motorischen Antriebsdrehmoments ermöglicht zudem eine den Antriebsriemen schonende Betriebsweise auch bei großen einzukoppelnden Massenträgheiten.
Die in 7 dargestellte Variante der Riemenscheibenanordnung 1' unterscheidet sich nur in wenigen Details von der Riemenscheibenanordnung 1 gemäß 1. Zu nennen sind vor allem die Gleitstücke 14, die fest mit der jeweiligen Außenhülse 9 bzw. Innenhülse 10 verbunden oder an dieser einstückig ausgebildet sind. Da diese Gleitstücke 14 also nicht umfangsbezogen in einer zugeordneten Nut der Hülsen 9, 10 verschiebbar sondern fest angeordnet sind, weist die Riemenscheibenanordnung 1' auch nur einen eingeschränktes Freilaufverhalten auf. Dieses eingeschränkte Freilaufverhalten wird nachfolgend anhand der 5, 6 und 9 erläutert.
Bei einem Betrieb, bei dem die Riemenscheibe 5 die Nabe 3 der Riemenscheibenanordnung 1' antreibt, gleiten die axialen Enden 7, 8 der Drehfeder 6 auf den Rampen 19 der drehfest an der Außenhülse 9 bzw. an der Innenhülse 10 angeordneten Gleistücken 14 hinauf, so dass die Drehfeder 6 gemäß 9 sowie 6 über einen Verdrehwinkelbereich 0° bis +A3 leicht tordiert und gestaucht wird. Hierdurch wird ein mit zunehmender axialer Verkürzung und Tordierung ansteigendes Antriebsdrehmoment M von der Riemenscheibenanordnung 1' übertragen. Bei der Verdrehwinkel +A3 ist die Drehfeder 6 bis auf Block tordiert, so dass die Riemenscheibenanordnung 1' ihre geringste Drehsteifigkeit aufweist und ein maximales Antriebsdrehmoment M weiterleiten kann.
Bei einer dazu entgegengesetzten Lastrichtung der Riemenscheibenanordnung 1', also dann, wenn die Nabe 3 gemäß 6 und 9 mit ihrer Innenhülse 10 über die Drehfeder 6 und die Außenhülse 9 die Riemenscheibe 5 antreibt, gleiten die Enden 7, 8 der Drehfeder 6 auf den Rampen 19 der festen Gleitstücke 14 empor, so dass das übertragbare Antriebsdrehmoment M auf einen vergleichsweise geringen Wert ansteigt. Die Drehfeder 6 wird dabei aber nicht vollständig auf Block tordiert bzw. nicht vollständig axial zusammengeschoben. Dann, wenn die antreibende Nabe 3 bei einem Verdrehwinkel –A4 = 360° eine vollständige Umdrehung durchgeführt hat, dann springen die axialen Enden 7, 8 der Drehfeder 6 von der Rampe 19 der festen Gleitstücke 14 hinunter auf den Boden der Hülse 10, wodurch die Drehfeder 6 schlagartig entspannt wird. Dadurch kann sie kein Antriebsdrehmoment M mehr übertragen und die Verdrehsteifigkeit der Riemenscheibenanordnung 1' ist kurz nach ihrem Maximum nun erneut minimal. Bei einem Weiterdrehen der Nabe 3 zusammen mit er Innenhülse 10 gleiten die axialen Enden 7, 8 der Drehfeder 6 wieder auf den Rampen 19 der festen Gleitstücke 14 auf und die Antriebsdrehmoment-Übertragungsfähigkeit der Riemenscheibenanordnung 1' nimmt erneut zu (siehe 9).
Bezugszeichenliste

1, 1': Riemenscheibenanordnung
2: Antriebswelle
3: Nabe
4: Wälzlager
5: Riemenscheibe
6: Schenkellose Drehfeder
7: Axiales Ende der Drehfeder
8: Axiales Ende der Drehfeder
9: Außenhülse, L-förmig
10: Innenhülse, U-förmig
11: Außenmantelfläche der Nabe
12: Innenmantelfläche der Riemenscheibe
13: Gleitkörper (beweglich)
14: Gleitkörper (fest)
15: Boden der Hülse
16: Ringnut am Boden der Hülse
17: Anschlag
18: Anschlag
19: Rampe am Gleitkörper, rampenförmige Oberfläche
20: Ringnut an der Riemenscheibe
21: Gleitlager
22: Gleitring des Gleitlagers
23: Innenring des Wälzlagers
24: Außenring des Wälzlagers
25: Wälzkörper
26: Deckel
A: Verdrehwinkel
M: Drehmoment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/121582 A1 [0002, 0006, 0008]
- DE 69817556 T [0004]
- DE 60303064 T2 [0004]

Claims

Riemenscheibenanordnung (1, 1'), mit einer an einer Antriebswelle (2) befestigbaren Nabe (3) und einer auf der Nabe (3) drehbar gelagerten Riemenscheibe (5), sowie mit einer schenkellosen Drehfeder (6), die sich axial zwischen der Nabe (3) und der Riemenscheibe (5) erstreckt sowie eine Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe (5) und der Nabe (3) ermöglicht, wobei die Drehfeder (6) mit ihrem einen Ende (7) gegen die Nabe (3) sowie mit ihrem anderen Ende (8) gegen die Riemenscheibe (5) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeder (6) an ihren beiden axialen Enden (7, 8) in jeweils einer Hülse (9, 10) aufgenommen ist, von denen eine Außenhülse (9) drehfest mit einer radialen Innenmantelfläche (12) der Riemenscheibe (5) und eine Innenhülse (10) drehfest mit der Außenmantelfläche (11) der Nabe (3) verbunden ist, dass sich die Innenhülse (10) radial außen an einem Gleitlager (21) abstützt, welches an der Innenmantelfläche (12) der Riemenscheibe (5) ausgebildet ist, und dass an der Außenhülse (9) sowie an der Innenhülse (10) jeweils zwei radial ausgerichtete und paarweise durch einen Verdrehwinkel (A) beabstandete Anschläge (17, 18) angeordnet sind, an die sich die Drehfeder (6) zur Übertragung eines Drehmomentes von der Riemenscheibe (5) zur Nabe (3) beziehungsweise von der Nabe (3) zur Riemenscheibe (5) abstützen kann.
Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeder (6) derartig in den beiden Hülsen (9, 10) aufgenommen ist, dass sie in beide Lastrichtungen ein gleich großes Antriebsdrehmoment (M) zwischen der Nabe (3) und der Riemenscheibe (5) übertragen kann.
Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeder (6) derartig in den beiden Hülsen (9, 10) aufgenommen ist, dass sie in einer Lastrichtung ein vergleichsweise großes Antriebsdrehmoment (M) sowie in der entgegengesetzten Lastrichtung ein vergleichsweise kleines Antriebsdrehmoment (M) zwischen der Nabe (3) und der Riemenscheibe (5) übertragen kann.
Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenscheibenanordnung (1, 1') mit einer Antriebswelle (2) einer Elektromaschine verbunden ist, und dass die Riemenscheibenanordnung (1, 1') derart aufgebaut ist, dass sie zum Betrieb der Elektromaschine als Startermotor eines Kraftfahrzeuges ein großes Antriebsdrehmoment (M) und zum Betrieb der Elektromaschine als Generator des Kraftfahrzeuges ein im Vergleich dazu geringes Antriebsdrehmoment (M) weiterleiten kann.
Riemenscheibenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeder (6) derartig in den beiden Hülsen (9, 10) aufgenommen ist, dass sie über einen vorbestimmten Verdrehwinkel ([–A1] – [+A1]) kein Antriebsdrehmoment (M) zwischen der Riemenscheibe (5) und der Nabe (3) beziehungsweise zwischen der Nabe (3) und der Riemenscheibe (5) übertragen kann, also als Freilauf wirkt.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Enden (7, 8) der Drehfeder (6) axial auf einen Gleitkörper (13, 14) wirkt, der auf dem Boden (15) der jeweiligen Hülse (9, 10) angeordnet oder dort ausgebildet ist.
Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitkörper (13) auf dem Boden (15) der Hülse (9, 10) angeordnet und in einer dort ausgebildeten Ringnut (16) zwischen zwei Anschlägen (17, 18) über einen vorbestimmten Verdrehwinkel ([–A1] – [+A1]) verschiebbar angeordnet ist.
Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Enden (7, 8) der Drehfeder (6) axial auf einen Gleitkörper (14) wirkt sowie auf diesem umfangsbezogen gleitend verschiebbar ist, der am Boden (15) der Hülse (9, 10) befestigt oder mit dieser einstückig ausgebildet ist.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Drehfeder (6) weisende Seite der Gleitkörper (13, 14) in Umfangsrichtung rampenförmig ausgebildet ist, wobei die umfangsbezogene Steigung der Rampe (19) der Gleitkörper (13, 14) an die Steigung der Windungen der Drehfeder (6) weitgehend angepasst ist.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitkörper (13, 14) aus einen Kunststoff und die beiden Hülsen (9, 10) aus Metall gefertigt sind.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass axial gegenüber dem Gleitlager (21) und radial zwischen der Nabe (3) und der Riemenscheibe (5) ein Wälzlager (20) angeordnet ist.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im halben Längsschnitt gesehen die Außenhülse (9) L-förmig und die Innenhülse (10) U-förmig ausgebildet ist.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitkörper (13, 14) im halben Längsschnitt gesehen L-förmig oder U-förmig ausgebildet ist.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (21) einen Gleitring (22) aufweist, der an der radialen Innenseite (12) der Riemenscheibe (5) befestigt ist, und an dem die radiale Außenseite der Innenhülse (10) anliegt.
Riemenscheibenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese im Bereich des Gleitlagers (21) mit einem Deckel (26) verschlossen ist, welcher in eine Ringnut (20) an der Riemenscheibe (5) eingeklipst ist.