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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen und im Spezielleren eine Antriebsriemenspanneranordnung, ein Nebenaggregatantrieb für eine Maschine sowie ein Maschinensystem mit einem Riemen-Lichtmaschine-Anlasser-Nebenaggregat-Antriebssystem.
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Eine Antriebsriemenspanneranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
DE 38 05 310 A1 bekannt.
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Hintergrund
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Riemen-Lichtmaschine-Starter(„BAS”)-Antriebssysteme für Hybridfahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Nicht-Hybridsystemen dadurch, dass das Drehmoment zum Drehen des Nebenaggregatantriebsriemens und der zugeordneten Nebenaggregate nicht immer von der Maschinenkurbelwelle über die Kurbelwellenriemenscheibe erzeugt wird. Während eines Maschinenbetriebes stellt die Maschinenkurbelwelle ein Drehmoment zum Rotieren einer Motor/Generatoreinheit („MGU”) oder elektrischen Startergeneratoreinheit bereit, was allgemein für eine schlaffe und eine gespannte Seite des Antriebsriemens an gegenüberliegenden Seiten der MGU-Riemenscheibe sorgt. Während eines Maschinenstarts mithilfe der MGU treibt jedoch die MGU den Nebenaggregatantriebsriemen und die zugeordneten Nebenaggregate an, was bewirkt, dass sich die schlaffe Seite des Riemens auf die gegenüberliegende Seite der MGU-Riemenscheibe verlagert. Demgemäß sind in solchen Systemen allgemein Riemenspanner wie auch Umlenkriemenscheiben erforderlich, die verwendet werden, um die Antriebsriemenspannen zu kürzen, um das Potenzial für einen Antriebsriemendurchhang zu minimieren.
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Während eines maschinengetriebenen Betriebs der MGU und anderer Nebenaggregate sind die auf dem Antriebsriemen lastenden Belastungen durch die Leistung bestimmt, die erforderlich ist, um die Nebenaggregate einschließlich der MGU-Einheit anzutreiben. Die Nebenaggregatantriebslasten sind relativ gering und erfordern demgemäß eine mittlere bis geringe Riemenspannung, um einen Riemenschlupf zu vermeiden. Andererseits muss die MGU während eines Maschinenstarts mithilfe der MGU eine Leistung bereitstellen, um die Maschine (Kurbelwelle, Kolben, Nockenwellen etc.) sowie die Nebenaggregate zu rotieren. MGU-getriebene Maschinenstarts erfordern ein wesentlich höheres Niveau an Riemenspannung, um die Bewegung auf der schlaffen Seite des Riemens zu steuern und sicherzustellen, dass der Riemen nicht schlupfen wird. Auf Grund von Packaging-Anforderungen ist es üblich, separate Spanner- und Umlenkarme und Riemenscheiben mit verschiedenen Drehzapfenpositionen vorzusehen, um die notwendige Antriebsriemengeometrie zu erhalten.
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Zusammenfassung
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Antriebsriemenspanneranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für eine an einer Maschine befestigte riemengetriebene Komponente vorgesehen. Der Anordnung umfasst einen Träger mit einem Drehzapfen, der eine erste Drehachse an einem ersten Ende definiert, und sich von dem Drehzapfen weg erstreckt, um an einem zweiten Ende zu enden. Eine Umlenkriemenscheibe ist rotatorisch an dem Träger zur Rotation um die erste Drehachse befestigt. Eine Spannerriemenscheibe ist rotatorisch an dem zweiten Ende des Trägers zur Rotation um eine zweite Achse befestigt. Die zweite Achse erstreckt sich parallel zu der ersten Drehachse und ist bogenförmig relativ zu derselben bewegbar. Eine Spanneranordnung kommuniziert mit dem zweiten Ende des Trägers, um den Träger und die Spannerriemenscheibe zum Spannen des durch die Umlenkriemenscheibe und die Spannerriemenscheibe in Eingriff stehenden Antriebsriemens gegen einen Antriebsriemen vorzuspannen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Nebenaggregatantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 2 für eine Maschine mit einer riemengetriebenen elektrischen Startergeneratoreinheit zum Antreiben der und Angetriebenwerden durch die Maschine vorgesehen und umfasst eine erste angetriebene Riemenscheibe, die mit einer Maschinenkurbelwelle verbunden und damit rotierbar ist. Eine zweite angetriebene Riemenscheibe, die mit einer elektrischen Star-tergeneratoreinheit verbunden ist, ist an der Maschine befestigt. Ein Antriebsriemen verbindet die erste angetriebene Riemenscheibe und die zweite angetriebene Riemenscheibe, um eine Riemenscheibe von der anderen Riemenscheibe anzutreiben. Eine Antriebsriemenspanneranordnung umfasst einen Träger, der einen Drehzapfen an einem ersten Ende, der eine erste Drehachse definiert, aufweist, und an der Maschine für eine Schwenkbewegung daran befestigt ist und sich von dem Drehzapfen weg erstreckt, um in einem zweiten Ende zu enden. Eine Umlenkriemenscheibe ist rotatorisch an dem Träger zur Rotation um die erste Drehachse und zum Tragen des Antriebsriemens daran befestigt, und eine Spannerriemenscheibe ist rotatorisch an dem zweiten Ende des Trägers zur Rotation um eine zweite Achse befestigt, die sich parallel zu der ersten Drehachse erstreckt und bogenförmig relativ zu derselben bewegbar ist. Eine Spanneranordnung ist an der Maschine befestigt und mit dem zweiten Ende des Trägers verbunden, um den Träger und die Spannerriemenscheibe zum Spannen des Antriebsriemens um die erste Drehachse herum vorzuspannen.
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In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform ist ein Maschinensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 3 mit einem Riemen-Lichtmaschine-Starter-Nebenaggregat-Antriebssystem vorgesehen und umfasst eine Maschine, eine erste angetriebene Riemenscheibe, die mit einer Kurbelwelle verbunden und damit rotierbar ist, und eine zweite angetriebene Riemenscheibe, die mit einer an der Maschine befestigten elektrischen Startergeneratoreinheit verbunden ist. Ein Antriebsriemen verbindet die erste angetriebene Riemenscheibe und die zweite angetriebene Riemenscheibe, um eine Riemenscheibe von der anderen Riemenscheibe anzutreiben. Eine Antriebsriemenspanneranordnung umfasst einen Träger, der an einem ersten Ende einen Drehzapfen, der eine erste Drehachse definiert, aufweist, und an der Maschine für eine Schwenkbewegung daran befestigt ist und sich von dem Drehzapfen weg erstreckt, um in einem zweiten Ende zu enden, und eine Umlenkriemenscheibe, die rotatorisch an dem Träger zur Rotation um die erste Drehachse und zum Tragen des Antriebsriemens daran befestigt ist, und eine Spannerriemenscheibe, die rotatorisch an dem zweiten Ende des Trägers zur Rotation um eine zweite Achse befestigt ist, die sich parallel zu der ersten Drehachse erstreckt und bogenförmig relativ zu derselben bewegbar ist. Eine Spanneranordnung ist an der Maschine befestigt und mit dem zweiten Ende des Trägers verbunden, um den Träger und die Spannerriemenscheibe zum Spannen des Antriebsriemens um die erste Drehachse herum vorzuspannen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Details sind in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen rein beispielhaft angeführt, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
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1 eine Vorderansicht eines Maschinensystems ist, das Merkmale der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
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2 eine Seitenansicht einer Antriebsriemenspanneranordnung ist, die Merkmale der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
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3 eine Hinteransicht der Antriebsriemenspanneranordnung von 2 ist; und
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4 eine vergrößerte partielle perspektivische Darstellung eines Abschnittes der Hinterseite der Antriebsriemenspanneranordnung von 2 ist.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft. Es sollte einzusehen sein, dass in den Zeichnungen durchweg entsprechende Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht 1 eine Maschine 10 für ein Hybridfahrzeug (nicht gezeigt) mit einem Riemen-Lichtmaschine-Starter(„BAS”)-Nebenaggregat-Antriebssystem 12. Das BAS-Nebenaggregat-Antriebssystem 12 umfasst eine Maschinenantriebsriemenscheibe 14, die zur Rotation an dem Ende einer Maschinenkurbelwelle 16 befestigt ist. Eine elektrische Startergeneratoreinheit oder Motor/Generatoreinheit („MGU”) 18 umfasst eine Elektromaschine, die angetrieben werden kann, um als ein Stromerzeuger zu wirken und elektrische Leistung zu produzieren, oder eine elektrische Leistung verwendet, um die Maschine 10 als einen Starter anzutreiben. Die MGU 18, die als Starter oder Generator betrieben wird, ist an der Maschine 10 in einem seitlichen Abstand von der Maschinenantriebsriemenscheibe 14 befestigt und umfasst eine MGU-Antriebsriemenscheibe 20, die zur Rotation an der Welle 22 des MGU-Rotors befestigt ist. Es kann auch ein Klimaanlagenverdichter 24 an der Maschine 10 befestigt sein, der eine Luftverdichterantriebsriemenscheibe 26 umfasst, die für eine gekuppelte Rotation an der Welle 28 des Klimaanlagenverdichters 24 befestigt ist. Außerdem ist eine Wasserpumpe 30 an der Maschine 10 befestigt, die in ähnlicher Weise eine Wasserpumpenantriebsriemenscheibe 32 umfasst, welche zur Rotation an der Welle 34 der Wasserpumpe 30 befestigt ist. Es können z. B. auch weitere in ähnlicher Weise befestigte Nebenaggregatkomponenten wie etwa eine Luftpumpe (nicht gezeigt) oder eine Servolenkungspumpe (nicht gezeigt) dem BAS-Nebenaggregat-Antriebssystem 12 zugeordnet sein. Ein Antriebsriemen 36 ist zwischen allen Riemenscheiben 14, 20, 26, 32 verbunden und steht mit diesen in Eingriff, um die Maschinenkurbelwelle, die MGU, den Klimaanlagenverdichter, die Wasserpumpe und beliebige weitere optionale Nebenaggregate gemeinsam zu rotieren.
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Die MGU 18 dient sowohl als ein Generator, wenn die Maschine läuft und mechanische Leistung produziert, die benötigt wird, um die Elektromaschine schnell zu drehen und die mechanische Leistung in einem Erzeugungsmodus in elektrische Leistung umzuwandeln, als auch als ein Startermotor, wenn die Maschine abgestellt ist, das Fahrzeug in einem Hybridmodus arbeitet und die Elektromaschine verwendet wird, um den Motor in einem Startmodus schnell zu drehen. Die MGU 18 ist im Erzeugungsmodus durch den Antriebsriemen 36 angetrieben, treibt aber den Riemen im Start- oder Anlassmodus an. Im Erzeugungsmodus ist der obere Lauf 36' des Antriebsriemens 36 stramm, während der untere Lauf 36'' schlaff ist. Die Situation ist während des Start- oder Anlassmodus umgekehrt, sodass der obere Lauf 36' schlaff ist, während der untere Lauf 36'' stramm ist. Um den Antriebsriemen 36 richtig zu spannen, umfasst das BAS-Nebenaggregat-Antriebssystem 12 einen oder mehrere Spanner und Umlenkriemenscheiben, um ein Schlupfen des Antriebsriemens zu verhindern, wenn sich die MGU 18 entweder im angetriebenen oder Antriebsmodus befindet.
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In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine Antriebsriemenspanneranordnung 38 einen Arm 39 mit einem ersten Ende 40 auf, der an einem Drehzapfen 42 an einem Haltevorsprung 44 befestigt ist, der sich von dem Gehäuse der MGU 18 weg erstreckt. Der Drehzapfen 42 lässt eine Schwenkbewegung des Spannerarms 39 um eine zugeordnete Drehachse 46 herum zu. Ein zweites Ende des Spannerarmes 39 umfasst eine Spannerriemenscheibe 50, die zur Rotation um eine Achse 52 befestigt ist, welche parallel zu der Drehachse 46 des Drehzapfens 42 steht. Die Spannerriemenscheibe 50 der Spanneranordnung 38 ist durch ein Vorspannelement (nicht gezeigt) gegen den oberen Lauf 36' des Antriebsriemens 36 vorgespannt und arbeitet über einen Bereich einer Rotation „α”, um ein gewünschtes Spannungsniveau in dem oberen Lauf 36' aufrechtzuerhalten, wenn die MGU im Start- oder Anlassmodus arbeitet.
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Unter Bezugnahme auf die 1–4 ist eine zentral positionierte Antriebsriemenspanneranordnung 52 an dem BAS-Nebenaggregat-Antriebssystem 12 befestigt und kann als eine vormontierte Einheit gebaut sein. Die Antriebsriemenspanneranordnung 52 umfasst einen einteiligen Träger 54 mit einem ersten Ende 56, der mithilfe einer Schwenkanordnung 58 an einem Haltevorsprung (nicht gezeigt) befestigt ist, welcher an der Maschinenanordnung 10 positioniert ist. Die Schwenkanordnung 58 lässt eine Schwenkbewegung des einteiligen Trägers um eine zugeordnete Drehachse 60 zu. Die Schwenkanordnung kann eine Schwenkhalterung 61 mit einer Lageranordnung 62 umfassen, die um ihren Umfang herum angeordnet und ausgebildet ist, um eine Umlenkriemenscheibe 64 zur Rotation um die Drehachse 60 herum zu stützen. Die Lageranordnung 62 kann einen ausgleichenden Begrenzer 66 umfassen, der sich in einen bogenförmigen Schlitz 68 in dem einteiligen Träger hinein erstreckt und dazu dient, die Rotation des einteiligen Trägers 54 um die Drehachse 60 herum zu begrenzen sowie Klemmkräfte an der Schwenkanordnung 58 auszugleichen, wenn die Spanner/Umlenkanordnung 52 an der Maschinenanordnung 10 befestigt ist.
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An dem zweiten Ende 70 des einteiligen Trägers 54 der Antriebsriemenspanneranordnung 52 ist eine Spanneranordnung 72 in der Form einer hydraulischen Strebe 74 befestigt, die einen gedämpften zentralen hydraulischen Zylinder 76 umfasst, der von einer Druckschraubenfeder 78 umgeben ist. Die Spanneranordnung 72 ist an einem oberen Auge 80 mit dem zweiten Ende 70 des Trägers 54 verbunden und erstreckt sich zu einem unteren Auge 82, das in der Anordnung durch die Schwenkhalterung 84 des unteren Auges verschwenkbar an einer feststehenden Stütze (nicht gezeigt) der Maschine 10 befestigt ist. Die Schwenkhalterung 84 des unteren Auges lässt eine Schwenkbewegung der Spanneranordnung 72 um eine zugeordnete Drehachse 86 des unteren Auges zu. Die Spanneranordnung 72 ist derart ausgebildet, dass die Druckschraubenfeder 78 kontinuierlich gegen das obere und das untere Auge 80, 82 vorspannt, um den zentralen hydraulischen Zylinder 76 in einer Ausdehnungsrichtung vorzuspannen, in der sich frei zu bewegen der zentrale hydraulische Zylinder im Inneren konstruiert ist. Allerdings umfasst der zentrale hydraulische Zylinder 76 eine interne geschwindigkeitsempfindliche Dämpfung (nicht gezeigt), welche die Zusammendrückrate begrenzt, die durch Kräfte verursacht wird, die gegen sie wirken können.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine zweite Spannerriemenscheibe 88 rotatorisch an dem einteiligen Träger 54 der Antriebsriemenspanneranordnung 52 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 56 bzw. 70 befestigt. Die zweite Spannerriemenscheibe 88 rotiert um die Riemenscheibenwelle 90, die an dem Träger 54 befestigt ist. Die zweite Spannerriemenscheibe 88 der Antriebsriemenspanneranordnung 52 spannt den unteren Lauf 36'' des Antriebsriemens 36 infolge der auf das zweite Ende 70 des einteiligen Trägers 54 ausgeübten Vorspannkraft vor und arbeitet über einen Bereich einer Rotation „γ”, um ein gewünschtes Spannungsniveau in dem unteren Lauf 36'' aufrechtzuerhalten, wenn die MGU 18 unter der Leistung von der Kurbelwelle 16 im angetriebenen Modus arbeitet. Außerdem wird die Umlenkriemenscheibe 64, während sie nicht direkt eine Vorspannkraft auf den Antriebsriemen 36 ausübt, betrieben, um die lange Riemenspanne zwischen der MGU-Antriebsriemenscheibe 20 und der Wasserpumpenantriebsriemenscheibe 32 aufzuteilen und dadurch die Effektivität der Spanneranordnung 38 zu erhöhen.
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Während eines normalen Betriebes der Maschinenanordnung 10 (kurbelwellengetriebene MGU 18) spannt die Antriebsriemenspanneranordnung 52 die Antriebsriemenspanne 36'' mit einer durch die Federrate der Druckschraubenfeder 78 bestimmten Kraft, die ausreicht, um jeglichen Durchhang in dem Riemenlauf aufzunehmen, während die Spanneranordnung 38 gegen den Antriebsriemen 36 auf der gegenüberliegenden Seite der MGU-Antriebsriemenscheibe 20 auf der gespannten Riemenspanne 36' läuft. Die Positionen der Spanneranordnung 38 und der Spanner-Umlenkanordnung 52 bleiben während eines normalen, stabilen Maschinenbetriebes relativ konstant und die auf den Antriebsriemen 36 angewendeten Spannerkräfte sind relativ moderat, wenngleich sie ausreichen, um beide Riemenläufe 36' und 36'' während eines solchen Betriebes zu steuern, wenn die Maschine die verschiedenen Nebenaggregate und die MGU 18 antreibt. Auf diese Weise sind die Kräfte, die auf die Lagersysteme der verschiedenen Riemenscheiben und Nebenaggregate wirken, mittleren Belastungen unterworfen, die nur dazu ausreichen, die Nebenaggregate und die MGU 18 von der Maschinenantriebsriemenscheibe 14 anzutreiben.
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Während schneller Maschinendrehzahländerungen während eines transienten Betriebes der Maschinenanordnung 10 oder beim Übergang der MGU 18 von dem angetriebenen Modus zu dem Anlass- oder Startmodus ist die Vorspannkraft der Druckschraubenfeder 78 nicht ausreichend, um die zweite Spannerriemenscheibe 88 gegen die auf dem unteren Riemenlauf 36'' erzeugte Kraft in Position zu halten. In der letzteren, relativ kurzen Betriebsperiode des BAS-Nebenaggregat-Antriebssystems 12 wendet der zentrale hydraulische Zylinder 76 eine hydraulische Dämpfungskraft auf die Schraubenfeder 78 an, die ein Zusammenziehen der Spanneranordnung 72 auf eine langsame Änderungsrate einschränkt, um somit eine geschwindigkeitsempfindliche Dämpfung auf das BAS-Nebenaggregat-Antriebssystem 12 durch die Antriebsriemenspannerordnung 52 anzuwenden. Der zentrale hydraulische Zylinder 76 wendet somit eine einschränkende Kraft an, die der Bewegung der zweiten Spannerriemenscheibe 88 entgegenwirkt, welche aus dem Anstieg im Drehmoment resultiert, das auf den Riemen 36 in dem unteren Lauf 36'' angewendet wird, sodass zugelassen wird, dass sich die zweite Spannerriemenscheibe 88 nur mit einer sehr langsamen Rate bewegt. In diesem Betriebsmodus wird die ursprüngliche Position der zweiten Spannerriemenscheibe um einen relativ kleinen Betrag während des relativ kurzen Maschinenstartzyklus geändert, in dem die Riemenspannung in dem unteren Lauf 36'' deutlich erhöht ist. Gleichzeitig wird die Spannerriemenscheibe 50 nach unten, in die oberen Spanne 36', wie erforderlich verschwenkt, 1, um den vergrößerten Durchhang in dem Lauf aufzunehmen, während die Maschine gestartet wird.
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Die Anordnung der Antriebsriemenspanneranordnung 52 ist derart, dass die zweite Spannerriemenscheibe 88 eine Kraft auf den Antriebsriemen 36 ausübt, die allgemein horizontal zu der Maschinenantriebsriemenscheibe 14 und infolgedessen der Maschinenkurbelwelle 16 gerichtet ist. Eine horizontale Kraft wird gegenüber einer vertikal wirkenden Kraft bevorzugt, um die Verschleißeffekte an den Kurbelwellenlagern (nicht gezeigt) zu minimieren. Durch Vorsehen eines Mechanismus, der eine hydraulisch gedämpfte Spannerriemenscheibe 88 umfasst, die mit einer Antriebsriemenumlenkriemenscheibe 64 vereinigt ist, reduziert die Antriebsriemenspanneranordnung 52 den in dem BAS-Nebenaggregat-Antriebssystem 12 erforderlichen Raum, der als die „Riemenzwischenraumzone” bezeichnet werden kann, um dadurch eine einfachere Unterbringung des BAS-Nebenaggregatantriebssystems 12 zuzulassen, wie auch die Teileanzahl zu reduzieren und die Komplexität zu reduzieren. Indem alle drehbaren Maschinennebenaggregate durch einen einzigen Riemen angetrieben sind, für den durch die Antriebsriemenspanneranordnung 52 gesorgt ist, wird auch die Möglichkeit realisiert, die maschinengetriebenen Nebenaggregate in einer einzigen Riemenebene unterzubringen. Die Eliminierung oder das Vermeiden einer zweiten Antriebsriemenebene (zwei Antriebsriemen, die in einer beabstandeten axialen Beziehung zueinander positioniert sind) kann die Länge 10 einer Maschinenanordnung um mehrere Zoll reduzieren, was verbesserte Fahrzeugunterbringungsmöglichkeiten zulässt.
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Wenngleich die Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf ein BAS-Hybridmaschinensystem beschrieben wurde, wurde in Erwägung gezogen, dass es Anwendungen für die Erfindung in Nicht-BAS-Systemen gibt, die einen hohen Grad an kurzfristigem Spannen des Antriebsriemens erfordern können, wie z. B. in Maschinen mit höherer Leistung, in denen oft Exkurse mit schneller Drehzahl zu erwarten sind, und daher sollte die Erfindung nicht auf die hierin umfassten beschreibenden Ausführungsformen beschränkt sein.
