DE102011016007A1 - Reversible freewheel device for crankshaft belt pulley for transferring torque to perform e.g. starter generator operation in automobile, has inner ring including ramp contour along direction of freewheel cage, which includes contour - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine umschaltbare Freilaufeinrichtung, insbesondere zum Einsatz in Kurbelwellenriemenscheiben, wie sie für Startergeneratoren, Standklimatisierung, Impulsstart und Boosten verwendet werden.The invention relates to a switchable freewheel device, in particular for use in crankshaft pulleys, as used for starter generators, stationary air conditioning, pulse start and boost.
In der Automobilindustrie werden zunehmend – auch zur Reduzierung des Treibstoffverbrauchs – riemengetriebene Startergeneratoren eingesetzt.In the automotive industry, belt-driven starter generators are increasingly being used to reduce fuel consumption.
Bei riemengetriebenen Startergeneratoren (RSG-Systemen) überträgt die Generatorriemenscheibe im Startzyklus das Drehmoment zum Starten des Verbrennungsmotors. So treibt bei einer möglichen Realisierung einer Start-Stopp-Automatik beim Start des Verbrennungsmotors der Startergenerator (d. h. eine elektrische Maschine, die während des Betriebes des Verbrennungsmotors als Generator funktioniert und beim Start des Verbrennungsmotors als Startmotor funktioniert) über einen Riemen eine Riemenscheibe an, die koaxial an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors befestigt ist. Die Wirkrichtung des Drehmoments gegenüber dem normalen Betrieb des Verbrennungs- oder Antriebsmotors, während dem Drehmomente in einer Drehrichtung (Betriebsrichtung) der Kurbelwelle übertragen werden, kehrt sich um, wenn der Motor wieder gestartet wird. Diese entgegen gesetzte Drehrichtung der Kurbelwelle kann als Startrichtung bezeichnet werden. Neben einer reinen Start-Stopp-Funktion sind mit einem derartigen System auch Zusatzfunktionen, wie z. B. Boost und regeneratives Bremsen, realisierbar. Bei Boost wird das Drehmoment des Antriebsmotors durch den Startergenerator unterstützt.In belt-driven starter generators (RSG systems), the generator pulley transfers the torque to start the engine in the start cycle. Thus, in a possible implementation of an automatic start-stop system at the start of the internal combustion engine, the starter generator (ie an electric machine which functions as a generator during operation of the internal combustion engine and functions as a starter motor when starting the internal combustion engine) drives a pulley via a belt, which coaxially attached to the crankshaft of the internal combustion engine. The effective direction of the torque with respect to the normal operation of the combustion or drive motor, during which torques are transmitted in a direction of rotation (operating direction) of the crankshaft, reverses when the engine is restarted. This opposite direction of rotation of the crankshaft can be referred to as the starting direction. In addition to a pure start-stop function with such a system and additional functions such. B. boost and regenerative braking, feasible. At Boost, the torque of the drive motor is supported by the starter generator.
Zur Durchführung dieser Funktionen bzw. einer verbesserten Qualität ihrer Ausführung sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungenbekannt.To carry out these functions or an improved quality of their execution, a great variety of solutions are known from the prior art.
So steht die in
In
Auch die in
Die in
Die bekannten Lösungen zur Betätigung eines umschaltbaren Freilaufs benötigen einen großen Bauraum oder einen vergrößerten Riemenantrieb zur Beibehaltung der erforderlichen Übersetzungsverhältnisse bei vergrößerter Kurbelwellenriemenscheibe. Alternativ müsste zur Reduzierung des Bauraumbedarfs auf bestimmte Funktionalitäten verzichtet werden.The known solutions for actuating a switchable freewheel require a large installation space or an enlarged belt drive to maintain the required gear ratios with an enlarged crankshaft pulley. Alternatively, it would be necessary to dispense with certain functionalities to reduce the space requirement.
Es besteht deshalb die Aufgabe der Erfindung darin, eine umschaltbare Freilaufeinrichtung zu schaffen, die sich insbesondere durch eine kompakte, bauraumneutrale Bauweise auszeichnet und die durch ihre Umschaltung einen Momentenfluss von dem Riementrieb auf die Kurbelwelle gewährleistet, wodurch eine Boostfunktion einer E-Maschine zur Unterstützung des Verbrennungsmotors ermöglicht wird. It is therefore an object of the invention to provide a switchable freewheel device, which is characterized in particular by a compact, space-neutral design and guaranteed by their switching a torque flow of the belt drive on the crankshaft, creating a boost function of an electric motor to support the Internal combustion engine is enabled.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved with the features of the first claim. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die umschaltbare Freilaufeinrichtung weist einen Innenring und einen dazu relativ verdrehbaren Außenring auf, sowie dazwischen in einem Freilaufkäfig angeordnete Rollen, welche geeignet sind, ein Drehmoment zwischen Innenring und Außenring zu übertragen, wobei der Innenring in Richtung zum Freilaufkäfig eine Rampenkontur und der Freilaufkäfig eine dazu korrespondierende Kontur aufweisen, derart, dass bei Verdrehung des Freilaufkäfigs die Umschaltung der Freilaufeinrichtung erfolgt, die einen Momentenfluss von dem Riementrieb (der mit dem Außenring in Verbindung steht) auf die Kurbelwelle (die mit dem Innenring in Verbindung steht), wodurch eine Boostfunktion zur Unterstützung des Verbrennungsmotors ermöglicht wird. Dadurch, dass die Umschaltung des Freilaufes nicht fliehkraftbetätigt, sondern mittels Verdrehung des Freilaufkäfigs erfolgt, wird eine kompakte Ausführung der Freilaufanordnung gewährleistet.The switchable freewheel device has an inner ring and a relatively rotatable outer ring, and between them arranged in a freewheel cage rollers which are suitable to transmit torque between the inner ring and outer ring, wherein the inner ring towards the freewheel cage a ramp contour and the freewheel cage a corresponding thereto Contour, such that upon rotation of the freewheel cage, the switching of the freewheel device takes place, the flow of torque from the belt drive (which communicates with the outer ring) on the crankshaft (which communicates with the inner ring), creating a boost function to support the Internal combustion engine is enabled. The fact that the switching of the freewheel is not centrifugally operated, but by means of rotation of the freewheel cage, a compact design of the freewheel assembly is ensured.
Bevorzugt ist der Freilaufkäfig dabei zwischen zwei Endpositionen verdrehbar, wobei die Verdrehung des Freilaufkäfigs und die daraus resultierende Umschaltung der Freilaufeinrichtung, vorteilhafter Weise elektromotorisch, insbesondere mittels eines einen Stator und einen Rotor aufweisenden Elektromotors (E-Motor) erfolgt. Durch die elektromotorische Umschaltung der Freilaufeinrichtung wird eine besonders wirkungsvolle Boost-Funktion gewährleistet.Preferably, the freewheel cage is rotatable between two end positions, wherein the rotation of the freewheel cage and the resulting switching of the freewheel device, advantageously electromotive, in particular by means of a stator and a rotor having electric motor (electric motor). The electromotive switching of the freewheel device ensures a particularly effective boost function.
Die beiden Endpositionen des Käfigs können durch Anschläge zwischen Käfig und Innenring realisiert werden, die in die Rampengeometrie integriert sein können.The two end positions of the cage can be realized by stops between the cage and inner ring, which can be integrated into the ramp geometry.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Rotor des E-Motors den Freilaufkäfig bildet oder mit diesem verbunden ist und dass der Stator des Motors entweder verdrehsicher mit dem Innenring gekoppelt ist und mit diesem mitdreht oder an einem stehenden Gehäuse gelagert ist.An advantageous embodiment of the invention is that the rotor of the electric motor forms the freewheel cage or is connected thereto and that the stator of the motor is either rotationally coupled to the inner ring and rotates with this or is mounted on a stationary housing.
Dabei kann der Rotor des Startergenerators über ein Zusatzelement an dem Käfig verdrehsicher fixiert sein. Der Käfig und der Stator weisen vorzugsweise in radialer Richtung eine gemeinsame Lagerung auf.In this case, the rotor of the starter generator can be fixed against rotation via an additional element on the cage. The cage and the stator preferably have a common storage in the radial direction.
Insbesondere bei einer Anordnung des Stators an einem drehenden Gehäuse sollte eine Positionserkennung des Rotors erfolgen.In particular, in an arrangement of the stator on a rotating housing, a position detection of the rotor should take place.
Die elektrische Stromzufuhr wird vorteilhafter Weise über das stehende Gehäuse zum Rotor und zum Stator des E-Motors mittels Drehübertragung jeweils über einen Schleifkontakt oder ein Wälzlager realisiert, wobei Stromzuleitungen zum Stator und zum Rotor zueinander elektrisch isoliert sein müssen. Dies wird durch einen Übertrager (wie in
Das Drehmoment, welches sich am Stator abstützt, wenn dieser mit dem Innenring gekoppelt ist, wird wiederum vorteilhafter Weise über eine Verdrehsicherung am Innenring des Freilaufs abgestützt. Die Drehmomentabstützung ist gleichzeitig mit der Stromzuleitung für die Spulen des Stators gekoppelt.The torque, which is supported on the stator when it is coupled to the inner ring, is in turn advantageously supported via a rotation on the inner ring of the freewheel. The torque support is coupled simultaneously with the current supply to the coils of the stator.
Durch die erfindungsgemäße Freilaufeinrichtung ist das Drehmoment und dessen Verlauf durch die Anzahl der Pole des Stators und des Rotors sowie den Abstand der Pole zueinander einstellbar.By the freewheel device according to the invention, the torque and its course by the number of poles of the stator and the rotor and the distance of the poles to each other is adjustable.
Eine Änderung der Drehrichtung des Freilaufkäfigs erfolgt durch Umpolung des E-Motors oder dadurch, dass der Freilaufkäfig in eine Vorzugsrichtung mit einer Kraft/einem Moment beaufschlagbar und dass dazu eine Federkraft und/oder eine magnetisch induzierte Kraft auf den Freilaufkäfig wirkt, so dass eine Änderung der Drehrichtung des Käfigs ohne Umpolung erzielbar ist, indem der Käfig mittels der Wirkung der Federkraft und/oder der magnetisch induzierter Kraft in einer Vorzugsrichtung verbleibt.A change in the direction of rotation of the freewheel cage takes place by reversing the polarity of the electric motor or in that the freewheel cage acted upon in a preferred direction with a force / moment and that to a spring force and / or a magnetically induced force acts on the freewheel cage, so that a change the direction of rotation of the cage without reversal can be achieved by the cage by means of the action of the spring force and / or the magnetically induced force remains in a preferred direction.
Soll der Freilauf umgeschaltet werden wird der Stator über die Stromzuleitungen bestromt wodurch sich der Freilaufkäfig verdreht.If the freewheel is to be switched, the stator is energized via the power supply lines whereby the freewheel cage is rotated.
Bei Erreichen der Endposition, die durch einen Anschlag bestimmt wird, wird das Drehmoment des Freilaufs in die entgegen gesetzte Richtung übertragen. Dies wird durch den Momentenfluss des Starter-Generators erkannt. Somit wird die Bestromung des Stators für die Freilaufumschaltung unterbrochen. Soll nun der Freilauf wieder in seine Ursprungsposition geschaltet werden, wird durch Umpolen der Stromzuleitungen für den Statur die Verdrehung des Käfigs realisiert. Die Bestromung ist beendet, sobald der Starter-Generator die Umschaltung und demzufolge den Drehmomentenfluss erkannt hat.Upon reaching the end position, which is determined by a stop, the torque of the freewheel is transmitted in the opposite direction. This is detected by the torque flow of the starter-generator. Thus, the energization of the stator for the freewheel switching is interrupted. If now the freewheel to be switched back to its original position, the rotation of the cage is realized by reversing the polarity of the power supply lines for the stature. The energization is finished as soon as the starter-generator has detected the changeover and consequently the torque flow.
Die Umschaltung mittels integrierten Elektromotors kann auch so realisiert werden, dass der Käfig stets eine Vorzugsrichtung, beispielsweise durch eine Feder oder ein Permanentmagnet, aufweist. Durch Bestromen des Stators wird der Käfig verdreht. Eine Fixierung des Käfigs in der gewünschten Stellung ist dann nur durch permanentes Bestromen des Stators möglich, da dieser gegen die Vorzugsrichtung (realisiert durch die Feder oder den Permanentmagneten) den Käfig in Position halten muss. Hierdurch ist ein Umpolen des E-Motors nicht notwendig, wodurch auf eine 2fache Drehdurchführung (1 Kugellager statt 2 Kugellager) verzichtet werden kann.The switching by means of an integrated electric motor can also be realized in such a way that the cage always has a preferred direction, for example by a spring or a permanent magnet. By energizing the stator, the cage is twisted. A fixation of the cage in the desired position is then possible only by permanent energization of the stator, as this against the preferred direction (realized by the spring or the permanent magnet) must hold the cage in position. As a result, a reverse polarity of the electric motor is not necessary, which can be dispensed with a 2-fold rotary feedthrough (1 ball bearings instead of 2 ball bearings).
Prinzipiell bestehen zwei Möglichkeiten, den Luftspalt zwischen Stator und Rotor anzuordnen. Es ist möglich, zwischen diesen einen radialen oder einen axialen Luftspalt vorzusehen. Mit dem radialen Luftspalt kann sich der Rotor 360° verdrehen. Bei einem axialen Luftspalt ist die Wirkung vergleichbar mit einem Hubmagnet. Hierdurch ist keine 360°-Drehung möglich, da der Rotorpol auf den Statorpol trifft und es hierdurch zu Formschluss kommt. Vorteil dieser Variante ist jedoch der etwas größere Wirkradius, wodurch sich ein größeres Drehmoment einstellt. Nachteilig ist der eingeschränkte Verdrehbereich des Käfigs aufgrund der Magnetkraft.In principle, there are two ways to arrange the air gap between the stator and the rotor. It is possible to provide a radial or an axial air gap between them. With the radial air gap, the rotor can rotate 360 °. At an axial air gap, the effect is comparable to a solenoid. As a result, no 360 ° rotation is possible because the rotor pole meets the stator pole and this results in positive locking. Advantage of this variant, however, is the slightly larger effective radius, which sets a larger torque. A disadvantage is the limited range of rotation of the cage due to the magnetic force.
Die Erfindung realisiert einen Freilauf für RSG-Getriebeanwendungen, bei welchen die Boostfunktion der E-Maschine in der Getriebeübersetzung 1:1 gewünscht ist. Die Umschaltung des Freilaufes, wodurch sich der Drehmomentenfluss umkehrt, wird durch Verdrehen des Freilaufkäfigs realisiert, wodurch die Klemmrollen auf die gegenüberliegende Klemmbahn auf dem Innenring bewegt werden. Dies wird durch Integration eines Elektromotors möglich, bei dem der Rotor Bestandteil des Käfigs ist und der Stator verdrehsicher auf dem Freilaufinnenring fixiert wird. Die Stromübertragung erfolgt mittels Drehübertragung vom stehenden Gehäuse auf die rotierende Riemenscheibe beispielsweise durch Kugellager.The invention realizes a freewheel for RSG transmission applications in which the boost function of the electric motor in the gear ratio 1: 1 is desired. The switching of the freewheel, whereby the torque flow reverses, is realized by turning the freewheel cage, whereby the pinch rollers are moved to the opposite clamping track on the inner ring. This is possible by integrating an electric motor in which the rotor is part of the cage and the stator is fixed against rotation on the freewheel inner ring. The power transmission takes place by means of rotary transmission from the stationary housing to the rotating pulley, for example by ball bearings.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the accompanying drawings. Show it:
Eine erfindungsgemäße Freilaufeinrichtung
In
Gemäß
In
Gemäß
in
Eine Umschaltung des Elektromotors, wodurch eine Änderung der Drehrichtung des Käfigs
Soll der Freilauf umgeschaltet werden, wird der Stator
Die Umschaltung mittels integrierten Elektromotors kann gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels auch so realisiert werden, dass der Käfig
Möglich ist auch gemäß eines nicht weiteren dargestellten Ausführungsbeispiels der Einsatz eines am Gehäuse fixierten Stators, der nicht mitrotierend ist. Allerdings bedarf es hierbei einer Positionserkennung des Rotors, um die jeweilige Spule zu bestromen und somit die Verdrehung des Käfigs zu gewährleisten.It is also possible according to a non-illustrated embodiment, the use of a stator fixed to the housing, which is not co-rotating. However, this requires a position detection of the rotor in order to energize the respective coil and thus to ensure the rotation of the cage.
In
Auf der linken Seite der
Auf der rechten Seite wird ein axialer Luftspalt LS eingestellt – vergleichbar mit einem Hubmagneten. Da hierbei der Rotorpol auf den Statorpol trifft, kommt es zu einem Formschluss. Eine 360°-Drehung ist dadurch nicht möglich. Ein Vorteil der letzteren Variante besteht in dem etwas größeren Wirkradius, wodurch sich ein größeres Drehmoment einstellt. Nachteilig hingegen ist der eingeschränkte Verdrehbereich des Käfigs
Neben den weiter oben beschriebenen Merkmalen zeichnet sich die Freilaufeinrichtung
Einen guten Wirkungsgrad weist auch die Anordnung der Drehdurchführung auf kleinem Durchmesser auf.Good efficiency also has the arrangement of the rotary feedthrough on a small diameter.
Sind für die Umpolung des Elektromotors/Startergenerators zwei Drehübertragungen vorgesehen, so sind sie elektrisch zueinander zu isolieren. Für ein hohes Drehmoment sind Statur
Die erfindungsgemäße umschaltbare Freilaufeinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- FreilaufeinrichtungFreewheel device
- 22
- Innenringinner ring
- 33
- Außenringouter ring
- 44
- KäfigCage
- 55
- Klemmrollenclamping rollers
- 66
- MontageschraubeMounting screw
- 77
- Rampengeometrie/RampenkonturRamp geometry / ramp contour
- 88th
- Nockencam
- 99
- Aussparungenrecesses
- 1010
- SpuleKitchen sink
- 1111
- Statorstator
- 1212
- Rotorrotor
- 13.113.1
- Kugellagerball-bearing
- 13.213.2
- Kugellagerball-bearing
- 1414
- Übertragungselementtransmission element
- 1515
- Stromzuleitungpower supply
- AA
- Rotationsachseaxis of rotation
- LSLS
- Luftspaltair gap
- RSRS
- Riemenscheibepulley
- WW
- Kurbelwellecrankshaft
- αα
- Verdrehwinkelangle of twist
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10359632 A1 [0005] DE 10359632 A1 [0005]
- DE 10253495 A1 [0006] DE 10253495 A1 [0006]
- DE 10258907 A1 [0007] DE 10258907 A1 [0007]
- DE 102008011479 A1 [0008] DE 102008011479 A1 [0008]
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ID=46845053
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Legal Events
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120827 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120827 |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
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