DE102011010284B4 - Riementriebanordnung für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug mit einer solchen Riementriebanordnung - Google Patents

Riementriebanordnung für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug mit einer solchen Riementriebanordnung Download PDF

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Abstract

Riementriebanordnung (8) für ein Nebenaggregat (7) eines Kraftfahrzeugs, umfassend
- eine Riemenscheibe (14) zur Aufnahme eines Treibriemens (4);
- eine mittels des Drehmoments der Riemenscheibe (14) antreibbare Welle (6) des Nebenaggregats (7);
- eine Kupplungseinrichtung (9) zur lösbaren Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe (14) und der Welle (6) des Nebenaggregats (7);
wobei die Kupplungseinrichtung (9) einen Elektromagneten (19) und ein Federelement aufweist, wobei das Federelement derart vorgespannt ist, dass die Kupplung in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten (19) geschlossen ist;
wobei die Riementriebanordnung (8) einen mit dem Nebenaggregat (7) verdrehsicher verbundenen Befestigungsblock (18) aufweist, wobei die Riemenscheibe (14) mittels eines ersten Lagers (17) und das Federelement mittels eines zweiten Lagers (33) drehbar am Befestigungsblock (18) gelagert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Riementriebanordnung für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise für eine Kühlmittelpumpe oder einen Klimakompressor. Sie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Riementriebanordnung.
  • DE 100 13 252 A1 beschreibt eine Kühlflüssigkeitspumpe für Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, deren auf einer Welle in einem Gehäuse drehbar gelagerter Impeller mechanisch über ein Antriebselement von der Brennkraftmaschine angetrieben ist, wobei die Welle über eine Reibungskupplung vom Antriebselement abkuppelbar ist, wobei die Reibungskupplung mittels zumindest einer Feder in der Schließstellung gehalten und mittels Fremdkraft hydraulisch, elektromagnetisch oder pneumatisch öffenbar ist.
  • Aus der DE 699 17 228 T2 ist eine Riemenscheibe mit elektromagnetischer Kupplung bekannt, die ein elastisches Federelement aufweist, das in axialer Richtung derart wirkt, dass die Kupplung zu einer Eingriffslösestellung vorbelastet ist.
  • Aufgabe eines Aspekts der Erfindung ist es, eine Riementriebanordnung für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs anzugeben, die ein Abkoppeln des Nebenaggregats, d.h. eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung auf das Nebenaggregat, ermöglicht, die aber gleichzeitig besonders robust und wenig verschleißgefährdet ist.
  • Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betreiben eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs, das die Reduktion von CO2-Emissionen ermöglicht, beispielhaft beschrieben werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Riementriebanordnung für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, das eine Riemenscheibe zur Aufnahme eines Treibriemens, eine mittels des Drehmoments der Riemenscheibe antreibbare Welle des Nebenaggregats und eine Kupplungseinrichtung zur lösbaren Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe und der Welle des Nebenaggregats umfasst. Die Kupplungsvorrichtung weist einen Elektromagneten und ein Federelement auf, wobei das Federelement derart vorgespannt ist, dass die Kupplung in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten geschlossen ist.
  • Erfindungsgemäß weist die Riementriebanordnung einen mit dem Nebenaggregat verdrehsicher verbundenen Befestigungsblock auf, wobei die Riemenscheibe mittels eines ersten Lagers und das Federelement mittels eines zweiten Lagers drehbar am Befestigungsblock gelagert sind.
  • In einer Ausführungsform ist das Federelement als Federplatte ausgebildet, die konzentrisch um die Welle herum angeordnet ist.
  • In einer Ausführungsform weist die Kupplungseinrichtung eine Kupplungsplatte auf, die konzentrisch um die Welle herum angeordnet ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Kupplungsplatte in axialer Richtung zwischen dem Elektromagneten und einer mit der Riemenscheibe verbundenen Reibfläche angeordnet. Dabei wird unter einer axialen Richtung eine Richtung parallel zur Rotations- bzw. Symmetrieachse der Riemenscheibe und weiterer Komponenten sowie zur Längsachse der Welle verstanden.
  • In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten zwischen dem Elektromagneten und der Kupplungsplatte ein Schaltspalt offen steht.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten die Kupplungsplatte mit einer dem Elektromagneten abgewandten Kupplungsfläche durch die Vorspannkraft des Federelements gegen einen mit der Riemenscheibe verbundenen Reibbelag gepresst ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Kupplungsplatte formschlüssig mit der Welle verbunden. Die formschlüssige Verbindung kann dabei beispielsweise mittels eines abgeflachten Bereichs der Welle und eines korrespondierenden abgeflachten Bereichs einer mit der Kupplungsplatte verbundenen Buchse, die die Welle umschließt, verwirklicht sein. Ein derartiger Zweiflachanschluss bewirkt ein formschlüssiges Ineinandergreifen und ermöglicht somit die Übertragung von Drehmoment zwischen der Buchse und der Welle.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Riementriebanordnung eine Zentralschraube auf, die die Kupplungseinrichtung auf einem Ende der Welle sichert. Dabei wird die Kupplungseinrichtung vorzugsweise lediglich gegen ein Herunterlaufen von der Welle gesichert. Alternativ kann die Befestigung der Kupplungseinrichtung auch auf andere Weise erfolgen.
  • Bei der Auslegung dieser Riementriebanordnung ist es nicht notwendig, alle Toleranzen des Gesamtzusammenbaus aus Nebenaggregat und Riemenscheibe zu berücksichtigen. Um bei einer mittels eines Federelements vorbelasteten Kupplungseinrichtung sicherzustellen, dass die Kupplung in ihrem einen Betriebszustand sicher geschlossen und in ihrem anderen sicher geöffnet wird, müssen typischerweise alle Toleranzen des Zusammenbaus aus Nebenaggregat und Riemenscheibe in die Berechnung der Federkraft und der vom Elektromagneten aufzubringenden Kraft einbezogen werden. Im Ergebnis ist die Federkraft deshalb aus Sicherheitsgründen meist überdimensioniert, so dass ständig schädliche axiale Kräfte auf die Lager wirken und Verschleißeffekte verstärken.
  • Durch die beschriebene Vorspannung des Federelements jedoch, die die Kupplungseinrichtung im stromlosen Zustand des Elektromagneten geschlossen hält, wird ein sehr genau definierter Schaltspalt erreicht. Dadurch ist es möglich, auch die Vorspannkraft der Feder sehr genau an den Bedarf anzupassen und eine Überdimensionierung zu vermeiden.
  • Dadurch wird auch der Zusammenbau der Riementriebanordnung vereinfacht. Eine genaue Kontrolle und Messung des Schaltspalts ist nicht mehr notwendig, dieser muss nicht mehr nachträglich mittels einer Anzahl von Distanzscheiben eingestellt werden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit der beschriebenen Riementriebanordnung bereitgestellt, bei dem die Riemenscheibe durch einen Treibriemen mit der Kurbelwelle eines Antriebs des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Der Antrieb kann dabei beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Elektro- oder Hybridmotor sein.
  • In einer Ausführungsform ist das Nebenaggregat als Kühlmittelpumpe, als Klimakompressor und/oder als elektrischer Generator ausgebildet. Es können auch mehrere Nebenaggregate mit der Riementriebanordnung versehen sein.
  • Bei dem Fahrzeug wird eine Kraftstoffeinsparung dadurch ermöglicht, dass die Nebenaggregate nur bedarfsweise mit Drehmoment versorgt werden. So kann beispielsweise bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs auf das Umwälzen von Kühlmittel verzichtet werden, indem die Kühlmittelpumpe abgekuppelt wird.
  • Beispielhaft wird ein Verfahren zum Betreiben eines Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs beschrieben, wobei Drehmoment von einem Antrieb des Kraftfahrzeugs über eine Riementriebanordnung mit einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Drehmomentübertragung auf das Nebenaggregat übertragen wird. Das Verfahren umfasst dabei das Ermitteln eines Bedarfs an Drehmoment für das Nebenaggregat und das Abkuppeln des Nebenaggregats, wenn kein Bedarf an Drehmoment für das Nebenaggregat besteht, bzw. das Ankuppeln des Nebenaggregats, wenn Bedarf an Drehmoment für das Nebenaggregat besteht. Dabei erfolgt das Abkuppeln durch Bestromung eines Elektromagneten, der die Kupplungseinrichtung gegen die Vorspannkraft eines Federelements öffnet, und das Ankuppeln erfolgt durch Stromlosschalten des Elektromagneten und Schließen der Kupplungseinrichtung mittels der Vorspannkraft des Federelements.
  • Dabei ist das Nebenaggregat beispielsweise als Kühlmittelpumpe, als Klimakompressor und/oder als elektrischer Generator ausgebildet.
  • In einer Weiterbildung des beispielhaften Verfahrens wird bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs das Nebenaggregat abgekuppelt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Übertragung eines Drehmoments von einer Brennkraftmaschine auf ein Nebenaggregat mittels einer Riementriebanordnung;
    • 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Riementriebanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
    • 3 zeigt schematisch eine Explosionsansicht der Riementriebanordnung gemäß 2.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs mit einer Kurbelwelle 2. Sie zeigt ferner ein Nebenaggregat 7, das in der gezeigten Ausführungsform als Wasserpumpe ausgebildet ist, und auf das mittels einer Riementriebanordnung 8 Drehmoment der Brennkraftmaschine 1 übertragen wird.
  • Dazu ist auf der Kurbelwelle 2 ein Antriebsrad 3 angeordnet, das über einen Treibriemen 4 mit einem Abtriebsrad 5 verbunden ist, das auf einer Welle 6 des Nebenaggregats 7 angeordnet ist.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch eine Riementriebanordnung 8 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die eine Kupplungseinrichtung 9 aufweist, mittels der die Drehmomentübertragung zwischen dem Abtriebsrad 5 und der Welle 6 des Nebenaggregats 7 unterbrochen und wieder hergestellt werden kann.
  • Die Riementriebanordnung 8 umfasst mit der „Baugruppe Riemenscheibe“ die Riemenscheibe 14, die in der gezeigten Ausführungsform zur Aufnahme eines Rippenkeilriemens ausgebildet ist. Sie umfasst ferner die Abdeckung 10, die Ringkappe 12 und den auf einer Innenseite der Ringkappe 12 anliegenden Reibbelag 13, die miteinander durch eine Anzahl von Befestigungsclips 11 verbunden sind. Die Ringkappe 12 ist in der gezeigten Ausführungsform aufgepresst, kann jedoch auch auf andere Weise befestigt sein.
  • Die Riemenscheibe 14 ist im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Längsachse 15 in 2 horizontal verläuft und mit der Längsachse der Welle 6 zusammenfällt. Die Längsachse 15 ist zudem die Rotationsachse der Welle 6 und der Riemenscheibe 14. Die Abdeckung 10 und die Ringkappe 12 umschließen ein Ende der Welle 6. Die Abdeckung 10 kann auf die Ringkappe 12 aufgeschnappt oder über diese gestülpt werden. In ihrem Außenbereich 16 ist die Ringkappe 12 mit der Riemenscheibe 14 fest verbunden.
  • Die Riemenscheibe 14 ist mittels eines zu einem Sicherungsring 34 benachbart angeordneten Kugellagers 17 an einem Befestigungsblock 18 gelagert, so dass die Riemenscheibe 14 frei um die Längsachse 15 rotieren kann.
  • Die „Baugruppe Befestigungsblock“ umfasst neben dem Befestigungsblock 18 den Elektromagneten 19, der in einer entsprechenden Schale des Befestigungsblocks 18 aufgenommen ist. Der Befestigungsblock 18 weist insgesamt drei gleichmäßig über seinen Umfang verteilt angeordnete Durchgangslöcher 20 zur Aufnahme von Schrauben 21 auf. Mittels der Schrauben 21 ist der Befestigungsblock 18 mit dem Gehäuse 22 der Kühlmittelpumpe verbunden.
  • Die Kupplungseinrichtung 9 ist von der Riemenscheibe 14, der Abdeckung 10 und der Ringkappe 12 eingeschlossen. Die Kupplungseinrichtung 9 umfasst den Reibbelag 13 der Ringkappe 12, die „Baugruppe Kupplungsplatte“ mit der im Wesentlichen ringförmigen Kupplungsplatte 23 und der mit der Kupplungsplatte 23 verbundenen Buchse 24, sowie die Federplatte 25.
  • Die Buchse 24 umschließt einen Endabschnitt 26 der Welle 6 und ist mit dieser verdrehsicher verbunden, beispielsweise mittels eines Zweiflachanschlusses. Die Buchse 24 nimmt die Welle 6 somit mit und überträgt Drehmoment auf sie. Im Bereich des Endabschnittes 26 ist die Buchse 24 nur gegen Herunterlaufen mittels einer Zentralschraube 27 gesichert, ansonsten ist sie in axialer Richtung in begrenztem Maße verschieblich auf der Welle 6 gelagert.
  • Die Federplatte 25 ist mittels eines Kugellagers 33 an dem Befestigungsblock 18 gelagert. Statt des Kugellagers 33 kann beispielsweise auch ein Gleitlager eingesetzt werden. Die Federplatte 25 ist somit im geschlossenen Betriebszustand der Kupplungseinrichtung 9 zusammen mit der Kupplungsplatte 23 und der Riemenscheibe 14 um die Längsachse 15 rotierbar.
  • Die Welle 6 ist in dem Gehäuse 22 mittels eines Kugellagers 28 drehbar gelagert und trägt einen Rotor 29 der Kühlmittelpumpe.
  • In 2 ist die Kupplungseinrichtung 9 im geschlossenen Betriebszustand gezeigt, in dem eine Drehmomentübertragung von der Riemenscheibe 14 auf die Welle 6 stattfindet. In diesem Betriebszustand, in dem der Elektromagnet 19 stromlos ist, ist die Kupplungsscheibe 23 an ihrer Kuppelfläche 31 gegen den Reibbelag 13 gepresst, so dass ein Reibschluss entsteht. Die dazu erforderliche Anpresskraft wird durch die Federplatte 25 aufgebracht, die derart vorgespannt ist, dass sie die Kupplungsplatte 23 auf den Reibbelag 13 presst.
  • In diesem Betriebszustand der Kupplungseinrichtung 9 klafft zwischen dem Elektromagneten 19 und der Kupplungsplatte 23 ein Schaltspalt 30 offen, der beispielsweise 0,3 bis 0,8 mm breit ist.
  • Im Betrieb kann die Kupplungseinrichtung 9 abhängig vom Drehmomentbedarf der Kühlmittelpumpe geöffnet oder geschlossen werden. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine 1 die Kupplungseinrichtung 9 geöffnet ist, um durch das Nichtumwälzen von Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs Kraftstoff zu sparen und damit die Emission von CO2 zu reduzieren.
  • Dazu wird durch Bestromung des Elektromagneten 19 der Schaltspalt 30 geschlossen, indem die als Anker dienende Kupplungsplatte 23 gegen den Elektromagneten 19 gezogen wird. Dadurch wird die Kupplungsplatte 23 von dem Reibbelag 13 abgezogen und der Reibschluss wird gelöst. Damit ist die Kupplungseinrichtung 9 geöffnet und eine Übertragung von Drehmoment von der Riemenscheibe 14 auf die Welle 6 ist unterbrochen.
  • Die 3 zeigt in einer Explosionsansicht die Riementriebanordnung 8 gemäß 2. In dieser Darstellung ist insbesondere die konzentrische Anordnung der einzelnen Elemente um die Längsachse 15 erkennbar. Ferner ist in 3 der Zweiflachanschluss 32 teilweise dargestellt, an dem die Buchse 24 mit der Welle 6 in Eingriff steht.
  • Die Riementriebanordnung 8 ist so aufgebaut, dass Zusammenbautoleranzen des Gesamtaufbaus bei der Berechnung des Schaltspalts 30 unberücksichtigt bleiben können. Es ist daher möglich, den Schaltspalt bereits vor dem Zusammenbau möglichst genau zu bestimmen und die Vorspannkraft der Federplatte 25 darauf abzustimmen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kurbelwelle
    3
    Antriebsrad
    4
    Treibriemen
    5
    Abtriebsrad
    6
    Welle
    7
    Nebenaggregat
    8
    Riementriebanordnung
    9
    Kupplungseinrichtung
    10
    Abdeckung
    11
    Befestigungsclip
    12
    Ringkappe
    13
    Reibbelag
    14
    Riemenscheibe
    15
    Längsachse
    16
    Außenbereich
    17
    Kugellager
    18
    Befestigungsblock
    19
    Elektromagnet
    20
    Durchgangsloch
    21
    Schraube
    22
    Gehäuse
    23
    Kupplungsplatte
    24
    Buchse
    25
    Federplatte
    26
    Endabschnitt
    27
    Zentralschraube
    28
    Kugellager
    29
    Rotor
    30
    Schaltspalt
    31
    Kuppelfläche
    32
    Zweiflachanschluss
    33
    Kugellager
    34
    Sicherungsring

Claims (11)

  1. Riementriebanordnung (8) für ein Nebenaggregat (7) eines Kraftfahrzeugs, umfassend - eine Riemenscheibe (14) zur Aufnahme eines Treibriemens (4); - eine mittels des Drehmoments der Riemenscheibe (14) antreibbare Welle (6) des Nebenaggregats (7); - eine Kupplungseinrichtung (9) zur lösbaren Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe (14) und der Welle (6) des Nebenaggregats (7); wobei die Kupplungseinrichtung (9) einen Elektromagneten (19) und ein Federelement aufweist, wobei das Federelement derart vorgespannt ist, dass die Kupplung in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten (19) geschlossen ist; wobei die Riementriebanordnung (8) einen mit dem Nebenaggregat (7) verdrehsicher verbundenen Befestigungsblock (18) aufweist, wobei die Riemenscheibe (14) mittels eines ersten Lagers (17) und das Federelement mittels eines zweiten Lagers (33) drehbar am Befestigungsblock (18) gelagert sind.
  2. Riementriebanordnung (8) nach Anspruch 1, wobei das Federelement als Federplatte (25) ausgebildet ist, die konzentrisch um die Welle (6) herum angeordnet ist.
  3. Riementriebanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kupplungseinrichtung (9) eine Kupplungsplatte (23) aufweist, die konzentrisch um die Welle (6) herum angeordnet ist.
  4. Riementriebanordnung (8) nach Anspruch 3, wobei die Kupplungsplatte (23) in axialer Richtung zwischen dem Elektromagneten (19) und einer mit der Riemenscheibe (14) verbundenen Reibfläche angeordnet ist.
  5. Riementriebanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten (19) zwischen dem Elektromagneten (19) und der Kupplungsplatte (23) ein Schaltspalt (30) offen steht.
  6. Riementriebanordnung (8) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in einem stromlosen Zustand des Elektromagneten (19) die Kupplungsplatte (23) mit einer dem Elektromagneten (19) abgewandten Kupplungsfläche (31) durch die Vorspannkraft des Federelements gegen einen mit der Riemenscheibe (14) verbundenen Reibbelag (13) gepresst ist.
  7. Riementriebanordnung (8) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Kupplungsplatte (23) formschlüssig mit der Welle (6) verbunden ist.
  8. Riementriebanordnung (8) nach Anspruch 7, wobei die formschlüssige Verbindung mittels eines abgeflachten Bereichs der Welle (6) und eines korrespondierenden abgeflachten Bereichs einer mit der Kupplungsplatte (23) verbundenen Buchse (24), die die Welle (6) umschließt, verwirklicht ist.
  9. Riementriebanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die eine Zentralschraube (27) aufweist, die die Kupplungseinrichtung (9) auf einem Ende der Welle (6) sichert.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Riementriebanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Riemenscheibe (14) durch einen Treibriemen (4) mit der Kurbelwelle eines Antriebs des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, wobei das Nebenaggregat (7) als Kühlmittelpumpe, als Klimakompressor und/oder als elektrischer Generator ausgebildet ist.
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