DE102015211157A1

DE102015211157A1 - Verfahren zur Drehmomentbestimmung in einem Riementrieb

Info

Publication number: DE102015211157A1
Application number: DE102015211157.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Trzebiatowski; Benjamin Klein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Bei einem Verfahren zur Drehmomentbestimmung in einem Riementrieb wird der Schwenkwinkel eines Spannarms mit einer Spannrolle bestimmt, welche einen Riemen des Riementriebs beaufschlagt. Aus dem Schwenkwinkel kann das im Riementrieb übertragene Drehmoment ermittelt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehmomentbestimmung in einem Riementrieb, beispielsweise in einem riemengetriebenen Startergenerator.
Stand der Technik
In der DE 100 45 143 A1 wird ein riemengetriebener Startergenerator beschrieben, der zum Starten einer Brennkraftmaschine eingesetzt und zusätzlich bei laufender Brennkraftmaschine als Generator verwendet werden kann. Der Startergenerator weist eine motorisch angetriebene Scheibe auf, die von einem Keilriemen umschlungen ist, welcher zusätzlich um eine Kurbelwellenabtriebswelle der Brennkraftmaschine gelegt ist. Um zu gewährleisten, dass der Keilriemen auch bei einem Richtungswechsel des Drehmoments im riemengetriebenen Startergenerator eine ausreichende Vorspannung aufweist, ist der Startergenerator mit einem Spannsystem ausgestattet, welches zwei Spannrollen umfasst, die am Keilriemen anliegen. Die Spannrollen sind über Hebelarme drehbar an einer Nabe befestigt und zueinander starr angeordnet. Das gesamte Spannsystem ist um eine zentrisch in der Nabe angeordnete Drehachse schwenkbar.
Im Betrieb des Startergenerators spielt die aufgenommene bzw. abgegebene Leistung eine wichtige Rolle. Diese kann beispielsweise über das Drehmoment, welches im Startergenerator wirksam ist, ermittelt werden.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das aktuell wirkende Drehmoment in einem Riementrieb bestimmt werden. Der Riementrieb umfasst eine, vorzugsweise mehrere Riemenscheiben sowie einen schwenkbar an der Riemenscheibe gelagerten Spannarm, der mit einer Spannrolle verbunden ist, wobei ein Riemen um die Riemenscheibe und die Spannrolle gelegt ist. Der Spannarm steht unter Vorspannung, so dass die Spannrolle am Spannarm quer zur Riemenlängsrichtung gegen den Riemen beaufschlagt wird und diesen spannt. Der Riementrieb weist außerdem einen Elektromotor auf, der im Antriebsfall als Antriebsmotor und im Generatorfall als Generator dient. Der Elektromotor wird über den Riemen angetrieben bzw. treibt seinerseits den Riemen an. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Motorwelle des Elektromotors drehfest mit der Riemenscheibe verbunden, wobei auch Ausführungen möglich sind, bei denen Riemenscheibe und Elektromotor separat angeordnet sind, jedoch der Riemen um eine mit der Motorwelle des Elektromotors verbundene Scheibe bzw. Rolle umläuft oder die Riemenscheibe über ein Getriebe mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Der Spannarm kann sowohl koaxial um die Achse des Elektromotors gelagert als auch an einer anderen Stelle des Riementriebs befestigt sein.
Zur Drehmomentbestimmung wird der Schwenkwinkel des Spannarms an der Riemenscheibe erfasst. Aufgrund der schwenkbaren Lagerung nimmt der Spannarm bei Kraftfluss über den Riemen einen anderen Schwenkwinkel zur Riemenscheibe ein als im unbelasteten Riementrieb. Der Schwenkwinkel ändert sich in Abhängigkeit des über den Riemen übertragenden Drehmoments, wobei die Beziehung zwischen dem Schwenkwinkel und dem übertragenen Drehmoment bekannt ist, so dass aus dem Schwenkwinkel unmittelbar auf das Drehmoment geschlossen werden kann. Der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Schwenkwinkel liegt beispielsweise als Tabelle vor, die in einem Regel- bzw. Steuergerät hinterlegt ist, oder als Formelzusammenhang.
Das Drehmoment, welches im Riementrieb übertragen wird, kann alternativ zu dem Schwenkwinkel auch aus einem sonstigen Winkel im Riementrieb bestimmt werden, welcher mit dem Schwenkwinkel zusammenhängt. Beispielsweise kann der Umlenkwinkel des Riemens an einer Spannrolle bestimmt werden. Der Umlenkwinkel des Riemens korrespondiert mit dem Schwenkwinkel des zugeordneten Spannarms, so dass auch aus dem Umlenkwinkel auf das übertragene Drehmoment geschlossen werden kann.
Dieses Verfahren zur Drehmomentbestimmung lässt sich außerdem sowohl im motorischen Betrieb des Riementriebs als auch im Generatorbetrieb einsetzen. Es ist möglich, das Verfahren zur Drehmomentbestimmung bei einem Betrieb in beide Drehrichtungen einzusetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist der Riementrieb zwei vorzugsweise koaxial zur Riemenscheibe schwenkbar gelagerte Spannarme auf, die jeweils mit einer Spannrolle verbunden sind, wobei der Riemen um die Riemenscheibe und um beide Spannrollen geführt ist. Die Spannrollen drücken in einander zugewandte Richtungen auf den Riemen, wobei sich aufgrund der Schwenkbeweglichkeit der Schwenkarme an der Riemenscheibe je nach übertragenem Drehmoment sowie je nach Drehrichtung ein unterschiedlicher Schwenkwinkel einstellt, der als Maß für das übertragene Drehmoment dient.
Es ist auch möglich, den Riemenspanner nicht koaxial zur Riemenscheibe zu lagern, sondern den Riemenspanner an einer anderen Stelle des Riementriebs zu befestigen. Die Spannrollen des Riemenspanners sind üblicherweise vor und nach der Riemenscheibe des Elektromotors im Riementrieb angeordnet.
In jedem Fall wird der Schwenkwinkel oder der mit dem Schwenkwinkel korrespondierende Winkel mithilfe einer Messeinrichtung, insbesondere eines Sensors ermittelt. Aus dem Schwenkwinkel bzw. dem korrespondierenden Winkel kann anschließend unmittelbar auf das übertragene Drehmoment geschlossen werden. Bei dem Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Winkellagesensor, der die Auslenkung des Spannarms aus einer Ausgangslage misst, wobei die Ausgangslage bevorzugt im Ruhezustand des Riementriebs eingenommen wird.
Sofern zwei Spannarme vorhanden sind, ist vorteilhafterweise der Winkel zwischen den Spannarmen konstant oder zumindest annähernd konstant. Bei einer festen Relativanordnung der Spannarme zueinander genügt es, den Schwenkwinkel lediglich eines Spannarms zu bestimmen. Sofern dagegen beide Spannarme unabhängig voneinander schwenkbeweglich an der Riemenscheibe gelagert sind, kann es zweckmäßig sein, über die Messeinrichtung, vorzugsweise über zwei Sensoren den Schwenkwinkel jedes Spannarms zu bestimmen. Die Bestimmung des Schwenkwinkels kann hierbei in Abhängigkeit der Drehrichtung erfolgen, wobei bevorzugt der Schwenkwinkel desjenigen Spannarms bestimmt wird, der am Zugtrum des Riemens anliegt.
Es sind jedoch auch Ausführungen möglich, bei denen zwar die beiden Schwenkarme unabhängig voneinander schwenkbeweglich an der Riemenscheibe angeordnet sind, jedoch über ein Federelement miteinander verbunden sind. Bei dem Federelement handelt es sich beispielsweise um eine Zugfeder, die an beiden Spannrollen angreift und die Spannrollen, die jeweils an der Außenseite des Riemens anliegen, gegen den Riemen mit einer Spannkraft beaufschlagen. Möglich ist aber auch eine Ausführung als Druckfeder, welche die Spannrollen voneinander weg beaufschlagt, wobei in diesem Fall die Spannrollen an der Innenseite des Riemens anliegen und diesen nach außen drücken. Das Federelement koppelt die Schwenkbewegung der beiden Spannarme. Gegebenenfalls weist das Federelement eine hohe Federsteifigkeit auf, die dazu führt, dass der Relativwinkel zwischen den Spannarmen für verschiedene Lastfälle zumindest annähernd konstant bleibt.
Das ermittelte Drehmoment kann auf verschiedene Arten weiterverarbeitet werden. Zum Beispiel kann das Drehmoment mit einem absoluten Schwellenwert verglichen werden, welcher einen Maximalwert darstellt, der im Riementrieb nicht überschritten werden darf. Hierdurch ist sichergestellt, dass eine Überlastung im Riementrieb vermieden wird.
Es ist auch möglich, dass der Schwellenwert einen Differenzwert zu einem Vergleichsmoment darstellt, wobei der Differenzwert nicht überschritten werden darf. Das Vergleichsmoment stammt von einer weiteren Drehmomentermittlungseinheit, beispielsweise kann das Vergleichsmoment aus dem Motormoment der Startergenerators ermittelt werden, das im Motorbetrieb auf die Brennkraftmaschine übertragen wird. Über die Drehmomentbestimmung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Vergleichsmoment verifiziert werden, so dass das Drehmomentbestimmungsverfahren eine zusätzliche Drehmomentbestimmungseinheit ersetzt oder zur Bestätigung eines bekannten Drehmomentes herangezogen wird.
Bei zwei Spannarmen liegen diese winklig zueinander und besitzen insbesondere die gleiche Schwenkachse an der Riemenscheibe. Die Schwenkachse fällt sowohl bei Ausführungen des Riementriebs mit nur einem Spannarm als auch bei Ausführungen mit zwei Spannarmen mit der Drehachse der Riemenscheibe zusammen. Bei einem zumindest annähernd konstanten Winkel zwischen den Spannarmen beträgt dieser beispielsweise mehr als 45° und maximal als 90°.
Das Verfahren zur Drehmomentbestimmung läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät ab. Über eine Messeinrichtung wird der aktuelle Schwenkwinkel mindestens eines Spannarms des Riementriebs bestimmt. Außerdem wird in dem Regel- bzw. Steuergerät das zugehörige Drehmoment ermittelt.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines riemengetriebenen Startergenerators, der über einen Riemen mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gekoppelt ist, dargestellt in einer ersten Auslenkung eines Spannsystems, das koaxial zum Startergenerator angebracht ist, bei einem übertragenen Drehmoment in eine erste Richtung,
2 eine 1 entsprechende Darstellung, jedoch bei einem übertragenen Drehmoment in entgegen gesetzte Richtung, wobei das Spannsystem gegenüber 1 in die entgegen gesetzte Richtung ausgelenkt ist,
3 in vergrößerter Darstellung das als Riemenspanner ausgeführte Spannsystem mit einem Sensor zur Ermittlung des Schwenkwinkels der Spannarme bezogen auf eine neutrale Ausgangslage,
4 ein Schaubild mit einem beispielhaften Zusammenhang zwischen Drehmoment und Schwenkwinkel,
5 eine Darstellung eines Riementriebs mit nicht-koaxial zum Startergenerator angebrachtem Spannsystem,
6 ein Blockdiagramm mit einer Darstellung der Komponenten zur Durchführung des Verfahrens zur Drehmomentbestimmung im Startergenerator.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 2 ist jeweils eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, die über einen riemengetriebenen Startergenerator 3 gestartet wird bzw. die den Startergenerator 3 im generatorischen Betriebsfall antreibt. 1 stellt den motorischen Betriebsfall zum Starten und zur motorischen Unterstützung der Brennkraftmaschine dar, 2 den generatorischen Betriebsfall, bei dem der Startergenerator 3 von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird und Strom erzeugt. Dementsprechend wird ein Drehmoment M_RSG im Startergenerator 3 bezogen auf eine Riemenscheibe 4 in unterschiedliche Richtungen übertragen.
Die Brennkraftmaschine 1 und der riemengetriebene Startergenerator 3 sind über einen Riemen 5 des Startergenerators gekoppelt, der um eine Kurbelwellenabtriebsscheibe 2 der Brennkraftmaschine gelegt ist. Der Startergenerator 3 umfasst des Weiteren die Riemenscheibe 4, die insbesondere drehfest oder über ein Getriebe mit einem Elektromotor verbunden ist, der im motorischen Betriebsfall gemäß 1 als Antriebsmotor und im generatorischen Betriebsfall gemäß 2 als Generator fungiert. Im Startergenerator sind sämtliche Drehachsen der Rollen und Schieben parallel zueinander ausgerichtet.
Der Riemen 5 ist um die Riemenscheibe 4 gelegt, die drehbar gelagert ist. Am Startergenerator 3 sind zwei Spannarme 8 und 9 koaxial zur Riemenscheibe 4 schwenkbar gelagert, die Schwenkachse der Spannarme 8 und 9 fällt mit der Drehachse der Riemenscheibe 4 zusammen. Die Schwenkbarkeit der Spannarme 8 und 9 ist unabhängig von der Drehbarkeit der Riemenscheibe 4 um deren Drehachse.
Die Spannarme 8 und 9 sind auf ihrer der Riemenscheibe 4 abgewandten Seite Träger jeweils einer Spannrolle 6 bzw. 7, die den Riemen 5 jeweils von außen mit einer nach innen gerichteten Kraft beaufschlagen, um den Riemen 5 zu spannen. Die von den Spannrollen 6 und 7 auf den Riemen 5 ausgeübten Spannkräfte sind einander zugewandt. Die Spannarme 8 und 9 mit den Spannrollen 6 und 7 stellen ein Spannsystem bzw. einen Riemenspanner dar, bei dem der Riemen 5 quer zu seiner Längserstreckung mit einer Spannkraft beaufschlagt wird. Zur Erzeugung der Spannkraft sind die Spannrollen 6 und 7 bzw. die zugeordneten Spannarme 8 und 9 mit einer Vorspannung versehen, die insbesondere in der Weise bemessen ist, dass auch im Ruhefall der Riemen 5 mit einer Spannkraft von den Spannrollen 6 und 7 beaufschlagt wird.
Die beiden Spannarme 8 und 9 sind im Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander schwenkbeweglich an der Riemenscheibe 4 gelagert und über ein Federelement 10 kraftgekoppelt, das vorzugsweise als eine Zugfeder ausgebildet ist. Der Relativwinkel zwischen den geradlinigen Spannarmen 8 und 9 ist im Betrieb annähernd konstant und liegt beispielsweise bei 90°; der Relativwinkel wird in den verschiedenen Betriebszuständen, also im motorischen Betriebsfall gemäß 1 und dem generatorischen Betriebsfall gemäß 2 beibehalten.
Der Riemen 5 ist zusätzlich um ein Nebenaggregat 11 geschlungen und treibt dieses an. Bei dem Nebenaggregat 11 handelt es sich beispielsweise um ein Aggregat der Servolenkung, um die Wasserpumpe oder um die Klimaanlage im Fahrzeug.
In 3 ist das Spannsystem des riemengetriebenen Startergenerators in vergrößerter Darstellung gezeigt. Eingetragen ist ein ortsfestes Koordinatensystem, gegenüber dessen x-Achse der aktuelle Schwenkwinkel γ des Spannarms 9 eingezeichnet ist. Der Schwenkwinkel γ ändert sich in Abhängigkeit des übertragenen Drehmoments im Startergenerator, mit zunehmendem Drehmoment M_RSG nimmt der Schwenkwinkel γ ab, was beispielhaft im Diagramm gemäß 4 dargestellt ist. Der Zusammenhang zwischen dem Schwenkwinkel γ und dem Drehmoment M_RSG ist an sich bekannt, so dass bei Kenntnis des Schwenkwinkels γ auch das übertragene Drehmoment M_RSG ermittelt werden kann.
Der Schwenkwinkel γ wird, wie in 3 symbolisch eingetragen, mittels einer Messeinrichtung in Form eines Sensors 12 festgestellt. Über den Sensor 12, bei dem es sich beispielsweise um einen Winkellagesensor handelt, wird die aktuelle Auslenkung beispielsweise des Spannarms 9 gegenüber dem ortsfesten Koordinatensystem bestimmt, so dass die aktuelle Auslenkung gegenüber dem Ruhefall bekannt ist. Es kann vorteilhaft sein, sowohl dem Spannarm 8 als auch dem Spannarm 9 einen Sensor zur Schwenkwinkelbestimmung zuzuordnen. Zweckmäßigerweise wird der Schwenkwinkel desjenigen Spannarms bestimmt, der aktuellen Belastungsfall am Zugtrum liegt.
5 zeigt prinzipiell denselben Aufbau wie 1 und 2, jedoch ist bei 5 das Riemenspannsystem nicht-koaxial zum Startergenerator angebracht.
In 6 ist ein Blockdiagramm zur Realisierung der Drehmomentbestimmung im riemengetriebenen Startergenerator dargestellt. Der Startergenerator 3 ist mit dem Spannsystem 3a, umfassend die Spannarme und die Spannrollen, ausgestattet und wird von der Brennkraftmaschine über die Kurbelwellenabtriebsscheibe 2 angetrieben. Der aktuelle Schwenkwinkel γ wird über den Sensor 12 an dem Spannsystem 3a ermittelt. Eine Elektronik 13, welche eine Leistungselektronik sowie eine Steuerungslogik umfasst, steuert den Elektromotor des Startergenerators 3. Von einem übergeordneten Regel- bzw. Steuergerät 14 wird die Elektronik 13 gesteuert. Mit dem Regel- bzw. Steuergerät 14 kommuniziert auch der Sensor 12, dessen Sensordaten zum Regel- bzw. Steuergerät 14 übertragen werden, in welchem aus dem gemessenen Schwenkwinkel γ das aktuell wirkende Drehmoment bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10045143 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Drehmomentbestimmung in einem Riementrieb, insbesondere in einem riemengetriebenen Startergenerator (3), der eine Riemenscheibe (4) und mindestens einen an der Riemenscheibe (4) schwenkbar gelagerten Spannarm (8, 9) aufweist, der mit einer Spannrolle (6, 7) verbunden ist, wobei ein Riemen (5) um die Riemenscheibe (4) und die Spannrolle (6, 7) geführt ist, wobei der Schwenkwinkel (γ) des Spannarms (8, 9) an der Riemenscheibe (4) oder ein mit dem Schwenkwinkel (γ) korrespondierender Winkel bestimmt und aus dem Schwenkwinkel (γ) bzw. dem korrespondierenden Winkel das im Riementrieb übertragene Drehmoment (M_RSG) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Riementrieb zwei an der Riemenscheibe (4) schwenkbar gelagerte Spannarme (8, 9) aufweist, die jeweils mit einer Spannrolle (6, 7) verbunden sind, wobei der Riemen (5) um die Riemenscheibe (4) und die beiden Spannrollen (6, 7) geführt ist und der Schwenkwinkel (γ) mindestens eines Spannarms (8, 9) oder ein mit dem Schwenkwinkel (γ) korrespondierender Winkel bestimmt und aus dem Schwenkwinkel (γ) bzw. dem korrespondierenden Winkel das übertragene Drehmoment (M_RSG) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel (γ) beider Spannarme (8, 9) oder ein mit dem Schwenkwinkel (γ) korrespondierender Winkel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Spannarmen (8, 9) zumindest annähernd konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ermittelte Drehmoment (M_RSG) mit einem Schwellenwert verglichen wird, wobei im Falle einer signifikanten Abweichung zwischen dem ermittelten Drehmoment (M_RSG) und dem Schwellenwert ein Fehlersignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert einen Maximalwert darstellt, der im Riementrieb nicht überschritten werden darf.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert einen Differenzwert zu einem Vergleichsmoment darstellt, wobei der Differenzwert nicht überschritten werden darf.
Riementrieb, insbesondere riemengetriebener Startergenerator (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Riemenscheibe (4) und mindestens einem an der Riemenscheibe (4) schwenkbar gelagerten, unter Vorspannung stehenden Spannarm (8, 9), der mit einer Spannrolle (6, 7) verbunden ist, wobei ein Riemen (5) um die Riemenscheibe (4) und die Spannrolle (6, 7) geführt ist, mit einem Sensor (12) zur Ermittlung des Schwenkwinkels (γ) des Spannarms (8, 9) bzw. eines mit dem Schwenkwinkel (γ) korrespondierenden Winkels.
Riementrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Riementrieb zwei an der Riemenscheibe (4) schwenkbar gelagerte Spannarme (8, 9) aufweist, die jeweils mit einer Spannrolle (6, 7) verbunden sind, wobei der Riemen (5) um die Riemenscheibe (4) und die beiden Spannrollen (6, 7) geführt ist.
Riementrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei an der Riemenscheibe (4) schwenkbar gelagerten Spannarme (8, 9) über ein Federelement (10) miteinander verbunden sind.
Riementrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Spannrollen (6, 7) den Riemen (5) in entgegen gesetzte Richtungen beaufschlagen.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei schwenkbar gelagerten Spannarme (8, 9) koaxial zum Startgenerator (4) angeordnet sind.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei schwenkbar gelagerten Spannarme (8, 9) nicht-koaxial zum Startgenerator (4) angeordnet sind.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) als Winkellagesensor ausgebildet und an der Riemenscheibe (4) angeordnet ist.