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Die Erfindung betrifft einen Riemenscheibenentkoppler zur Drehmomentübertragung vom Riemen eines Nebenaggregate-Riementriebs auf die Welle eines der Nebenaggregate. Der Riemenscheibenentkoppler umfasst:
- - eine Riemenscheibe,
- - eine auf der Welle zu befestigende Nabe,
- - und eine im Drehmomentfluss zwischen der Riemenscheibe und der Nabe angeordnete Reihenschaltung aus einer Freilaufkupplung und einer Entkopplerfeder.
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Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten, die von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine in deren Nebenaggregate-Riementrieb eingeleitet werden, können bekanntlich durch Riemenscheibenentkoppler kompensiert werden, die im Englischen üblicherweise als Decoupler bezeichnet und typischerweise als Generator-Riemenscheibe ausgebildet sind. Die Freilaufkupplung überträgt im geschlossenen Zustand das Drehmoment von der Riemenscheibe auf die Nabe, wobei die Elastizität der mit der Freilaufkupplung in Reihe geschalteten Entkopplerfeder die aus dem Riementrieb stammenden Drehungleichförmigkeiten glättet. Bei verzögert rotierender Riemenscheibe öffnet die Freilaufkupplung, wobei - dann umgekehrt - kein nennenswertes Drehmoment von der Nabe auf die Riemenscheibe übertragen werden kann, so dass die träge Generatorwelle die Riemenscheibe überholen kann.
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Riemenscheibenentkoppler sind in diversen konstruktiven Ausgestaltungen bekannt. Die mit der Entkopplerfeder in Reihe geschaltete Freilaufkupplung kann beispielsweise ein Schlingband gemäß der
US 8,047,920 B2 oder der
DE 10 2009 052 611 A1 oder ein Klemmkörperfreilauf gemäß der
US 8,813,932 B2 sein. Bei anderen Konstruktionen, wie beispielsweise in der
US 2013/0161150 vorgeschlagen, umfasst die Freilaufkupplung axial aufeinander gestapelte Reibscheiben, die durch einen axialen Rampenmechanismus gegeneinander gepresst werden und das Drehmoment übertragen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Ausführung eines Riemenscheibenentkopplers der eingangs genannten Art anzugeben.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll die Freilaufkupplung Folgendes umfassen:
- - eine von der Riemenscheibe angetriebene Kupplungsplatte, die mit einem Außenumfang und mit einem Innenumfang ringförmig ist und deren Außenumfang mit einem Innenumfang der Riemenscheibe in Drehübertragungskontakt steht,
- - und einen die Entkopplerfeder antreibenden Mitnehmer, dessen Außenumfang mit dem Innenumfang der Kupplungsplatte in Drehübertragungskontakt steht.
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Dabei überträgt einer der Drehübertragungskontakte das Drehmoment reibschlüssig, und der andere Drehübertragungskontakt überträgt das Drehmoment formschlüssig mit einer Kontaktgeometrie, deren Kontaktkraft bei antreibender Riemenscheibe die Kupplungsplatte bis zur Schlupffreiheit des reibschlüssigen Drehübertragungskontakts radial elastisch verformt.
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Eine für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders geeignete Freilaufkupplung ist prinzipiell aus der
US 2014/0014454 A1 als sogenannte Freilauf-Keilschaltkupplung bekannt. Die Kupplungsplatte ist dort aus zwei aufeinander liegenden, feingestanzten Metallringen gebildet, wobei deren Innenumfang in formschlüssigem Drehübertragungskontakt mit einem Innenteil steht und deren Außenumfang in (ausschließlich) reibschlüssigem Drehübertragungskontakt mit einem Außenteil steht. Der formschlüssige Kontakt wird durch eine Vielzahl von sich umfänglich erhebenden und paarweise gegenüberliegenden Rampen am Innenumfang der Kupplungsplatte und am Außenumfang des Innenteils gebildet. Der reibschlüssige Drehübertragungskontakt hat eine radial keilförmige Kontaktgeometrie, die seitens der Kupplungsplatte durch eine außenumfängliche Fase an jedem Metallring gebildet ist und die infolge der Gleitreibung zwischen der Kupplungsplatte und einer korrespondierend v-förmigen Nut im Außenteil ein stets existentes Grundreibmoment erzeugt. Dieses Grundreibmoment ist für die Initiierung eines schnellen, d.h. weitgehend durchrutschfreien Schließens der Kupplung erforderlich, bei dem die sich paarweise übereinander schiebenden Rampen die Kupplungsplatte in radial auswärtiger Richtung elastisch soweit verformen, dass deren Gleitreibung zum Außenteil unter Erzeugung des reibschlüssigen Drehübertragungskontakts vollständig in (schlupffreie) Haftreibung übergeht. Die elastische Verformbarkeit der Kupplungsplatte wird durch schlitzförmige Aussparungen begünstigt, die sich mit abwechselnd radial einwärtiger und auswärtiger Orientierung über dem Umfang der Kupplungsplatte erstrecken.
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Bezüglich näherer konstruktiver Details dieser bekannten Freilauf-Keilschaltkupplung wird auf die genannte
US 2014/0014454 A1 verwiesen, auf deren gesamten Inhalt die vorliegende Anmeldung Bezug nimmt. In dazu kinematischer Umkehrung können der reibschlüssige Drehübertragungskontakt auch am Innenumfang und der formschlüssige Drehübertragungskontakt am Außenumfang der Kupplungsplatte angeordnet sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen beispielhaft drei erfindungsgemäße Riemenscheibenentkoppler für den im Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine angeordneten Generator dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1 den ersten Riemenscheibenentkoppler in perspektivisch längsgeschnittener Gesamtdarstellung;
- 2 den ersten Riemenscheibenentkoppler in explodierter Darstellung;
- 3 den ersten Riemenscheibenentkoppler in perspektivischer Teiledarstellung;
- 4 die Kupplungsplatte des ersten Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung;
- 5 den Mitnehmer des ersten Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung bei Ansicht auf die Rampenseite;
- 6 den Mitnehmer gemäß 5 bei Ansicht auf die Federseite;
- 7 die Nabe des ersten Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung;
- 8 den zweiten Riemenscheibenentkoppler in längsgeschnittener Gesamtdarstellung;
- 9 den zweiten Riemenscheibenentkoppler in Drehanschlagstellung zur Begrenzung des übertagbaren Drehmoments in perspektivischer Darstellung;
- 10 den zweiten Riemenscheibenentkoppler in gegenüber 9 drehmomentfreier Grundstellung in perspektivischer Darstellung;
- 11 die Kupplungsplatte des zweiten Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzeldarstellung;
- 12 den dritten Riemenscheibenentkoppler in längsgeschnittener Gesamtdarstellung;
- 13 den Mitnehmer des dritten Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Darstellung;
- 14 den Mitnehmer mit Hülse des dritten Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Teiledarstellung;
- 15 die Hülse gemäß 14 in perspektivischer Einzelteildarstellung.
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Die 1 und 2 zeigen das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers 1 im Zusammenbau bzw. in der Explosion. Eine hohlzylindrische Riemenscheibe 2, deren vom Riemen umschlungener Außenmantel 3 der Poly-V-Form des Riemens entsprechend profiliert ist, wird vom Riemen in der in 1 stirnseitig eingezeichneten Drehrichtung angetrieben. Die Riemenscheibe 2 ist drehbar auf einer Nabe 4 gelagert, die fest mit der Generatorwelle verschraubt wird. Hierzu hat die Nabe 4 im Mittelabschnitt 5 ein nicht dargestelltes Innengewinde und am generatorfernen, vorderen Ende eine hier als Zweiflach 6 ausgebildete Eingriffskontur für das Schraubwerkzeug. Die Lagerung der Riemenscheibe 2 auf der Nabe 4 erfolgt an beiden Stirnseiten des Riemenscheibenentkopplers über Rillenkugellager 7 und 8.
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Die für die entkoppelnde Funktion des Riemenscheibenentkopplers 1 wesentlichen Komponenten sind eine Freilaufkupplung 9 und eine - bezüglich des Drehmomentflusses von der Riemenscheibe 2 auf die Nabe 4 - mit der Freilaufkupplung 9 in Reihe geschaltete Entkopplerfeder 10. Diese ist eine sich in Richtung der Drehachse 11 des Riemenscheibenentkopplers 1 koaxial um die Nabe 4 erstreckende Schraubendrehfeder 10, die mit schenkellosen Federenden zwischen einem auf der Nabe 4 drehbaren Federteller 12 und einem auf der Nabe 4 drehfesten Federteller 13 eingespannt ist. Der drehfeste Federteller 13 ist vorliegend einstückig mit der Nabe 4 ausgebildet, kann alternativ aber auch eine separate, auf der Nabe aufgepresste oder damit verschweißte Hülse sein.
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Die Freilaufkupplung 9 ist, wie eingangs erwähnt, eine Freilauf-Keilschaltkupplung und umfasst eine von der Riemenscheibe 2 angetriebene Kupplungsplatte 14 und einen Mitnehmer 15, der mit dem drehbaren Federteller 12 einstückig ausgebildet ist und die Schraubendrehfeder 10 antreibt. Der Mitnehmer 15 ist mittels einer Gleitlagerbuchse 16 aus Kunststoff radial und axial auf der Nabe 4 bzw. gegen den Innenring des Rillenkugellagers 7 drehbar gelagert.
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Die Kupplungsplatte 14 ist ringförmig und greift mit ihrem Außenumfang 17 in den Innenumfang 20 der Riemenscheibe 2 ein. Der Innenumfang 20 ist vorliegend durch eine Nut 18 in einem Adapterring 19 gebildet, der außenumfänglich in der Riemenscheibe 2 und innenumfänglich auf dem Außenring des Rillenkugellagers 7 befestigt ist.
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Die Funktionsweise der Freilaufkupplung 9 sei nachfolgend unter erweiterter Bezugnahme auf die 3 bis 5 erläutert, die nähere Details der Kupplungsplatte 14 und des Mitnehmers 15 zeigen. Der Außenumfang 17 der Kupplungsplatte 14 und der Innenumfang 20 der Nut 18 stehen in ausschließlich reibschlüssigem Drehübertragungskontakt und bilden eine radial keilförmige Kontaktgeometrie. Die Nut 18 ist dementsprechend v-förmig, und die Kupplungsplatte 14 ist beidseitig mit damit korrespondierenden Fasen 21 versehen, die sich je nach Betriebszustand des Riemenscheibenentkopplers in Haft- oder Gleitreibungskontakt mit der Nut 18 befinden. Der Drehübertragungskontakt zwischen dem Mitnehmer 15 und der Kupplungsplatte 14 ist mit einer Kontaktgeometrie formschlüssig, die durch umfänglich aufeinander folgende Paare von sich umfänglich mit einheitlicher Orientierung erhebenden Rampen 22 und 23 am Außenumfang 24 des Mitnehmers 15 bzw. am Innenumfang 25 der Kupplungsplatte 14 gebildet ist. Die Kupplungsplatte 14 ist zwecks radial elastischer Verformbarkeit mit schlitzförmigen Aussparungen 26 bzw. 27 versehen, die sich mit abwechselnd radial einwärtiger und auswärtiger Orientierung über dem Umfang der Kupplungsplatte 14 erstrecken. In den 4 und 5 sind jeweils nur zwei der Rampen 22, 23 und zwei der Aussparungen 26, 27 mit Bezugszeichen versehen. Die Kupplungsplatte 14 ist zudem mit einem (durchgehenden) radialen Schlitz 28 offen ringförmig.
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Das im Gleitkontakt permanent vorhandene Grundreibmoment zwischen der Kupplungsplatte 14 und der Nut 18 bewirkt, dass die sich in Antriebsdrehrichtung relativ zur Nabe 4 verdrehende Riemenscheibe 2 die Kupplungsplatte 14 mit verdreht, wobei sich deren Rampen 23 auf die Rampen 22 des Mitnehmers 15 schieben. Die dadurch erzwungene, radial auswärtige Verformung der Kupplungsplatte 14 bewirkt das sofortige Schließen der Freilaufkupplung 9 durch Verklemmen der Kupplungsplatte 14 in der Nut 18, so dass das vom Riemen in die Riemenscheibe 2 eingeleitete Drehmoment über Haftreibung auf die Kupplungsplatte 14 und von dort über Formschluss auf den Mitnehmer 15 im wesentlichen schlupffrei übertragen wird.
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Umgekehrt öffnet die Freilaufkupplung 9 zu dem Zeitpunkt, an dem der Generator den Riementrieb überholt, d.h. wenn die Drehzahl der Generatorwelle die Drehzahl der Riemenscheibe 2 übersteigt. Dabei verdreht sich die Nabe 4 in Antriebsdrehrichtung relativ zur Riemenscheibe 2, so dass die Rampenpaare 22, 23 voneinander herunter gleiten und sich die Kupplungsplatte 14 radial einwärts unter Aufhebung der Haftreibung gegenüber der Nut 18 entspannt.
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6 zeigt die Ausbildung des (drehbaren) Federtellers 12 auf der zu 5 gegenüber liegenden Stirnseite des Mitnehmers 15. Der Federteller 12 hat eine Federanlagefläche, die sich von einem umfänglichen Drehanschlag 29 für das dortige Federende ausgehend axial rampenförmig erhebt. Ein auf der Federanlagefläche zum Drehanschlag 29 benachbarter Axialvorsprung 30 greift in eine damit korrespondierende Ausnehmung auf der Stirnseite des dort anliegenden Federendes ein. Der nabenfeste Federteller 13 und das daran anliegende Federende sind mit dem Drehanschlag 31 und dem Axialvorsprung 32 gemäß 7 bzw. der damit korrespondierenden Ausnehmung 33 des Federendes gemäß 2 in gleicher Weise ausgebildet. Die in die axialen Ausnehmungen 33 der Federenden eingreifenden Axialvorsprünge 30, 32 erzeugen einen verdrehsichernden Formschluss, der eine Relativverdrehung der Federenden von den Drehanschlägen 29, 31 weg verhindert. Diese Verdrehsicherung der Schraubendrehfeder 10 kann im Überholbetrieb des Riemenscheibenentkopplers 1 als sogenannter Anti-Ramp-Up Mechanismus erforderlich sein, da in diesem Betriebszustand das stets existente Grundreibmoment zwischen der Kupplungsplatte 14 und der Riemenscheibe 2 dem synchronen Umlauf beider Federteller 12, 13 entgegenwirkt und folglich das Rampenhochlaufen eines oder beider Federenden auf den Federanlageflächen begünstigt.
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Die 8 bis 11 zeigen das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers 1', wobei sich die nachfolgenden Erläuterungen auf die wesentlichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel beschränken. Der Riemenscheibenentkoppler 1' hat zur Begrenzung des vom Riemen auf die Generatorwelle übertragbaren Drehmoments einen Drehanschlag mit einem drehfest mit der Kupplungsplatte 14' verbundenen Anschlagteil 34 und einem drehfest mit der Nabe 4 verbundenen Anschlagteil 35. Der Anschlagteil 34 ist durch einen zum Schlitz 28 in Antriebsdrehrichtung benachbart verlaufenden Axialvorsprung 36 und vorliegend durch einen sich in Axialrichtung erstreckenden Stift 36 der Kupplungsplatte 14' gebildet. Der nabenfeste Anschlagteil 35 ist durch das in Antriebsdrehrichtung verlaufende Umfangsende 37 einer kreisringstückförmigen Aussparung 38 einer auf der Nabe 4 befestigten Scheibe 39 gebildet.
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In dem in 9 dargestellten Anschlagfall der beiden Anschlagteile 34 und 35 wird die elastische Verformung der Kupplungsplatte 14' in radial auswärtiger Richtung begrenzt, und die Schraubendrehfeder 10 befindet sich in maximal gespannter Drehwinkelstellung entsprechend dem maximal vom Riemenscheibenentkoppler 1' übertragbaren Drehmoment. Bei darüber hinaus gehender Relativverdrehung der Riemenscheibe 2 in Antriebsdrehrichtung zwingt der Drehanschlag zur Drehmomentbegrenzung die Kupplungsplatte 14', sich unter Zusammendrücken des Schlitzes 28 aus der Nut 18 zu lösen, so dass die Schlupffreiheit des reibschlüssigen Drehübertragungskontakts zwischen der Kupplungsplatte 14' und der Riemenscheibe 2 aufgehoben wird.
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Im drehmomentfreien Zustand des Riemenscheibenentkopplers 1' gemäß 10 befindet sich der Stift 36 in der Nähe des gegenüberliegenden Umfangsendes 40 der Aussparung 38. Ein dortiger Drehanschlag ist nicht vorgesehen, da im Überholbetrieb des Riemenscheibenentkopplers 1' die dann in Antriebsdrehrichtung auf den Stift 36 wirkende Kontaktkraft des Umfangsendes 40 das am Stift 36 verlaufende Umfangsende der Kupplungsplatte 14' unter Aufweitung des Schlitzes 28 in die Nut 18 einklemmen und das Überholen der Nabe 4 mit Scheibe 39 blockieren würde.
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Die 12 bis 15 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers 1 '', wobei sich auch hier die nachfolgenden Erläuterungen auf die wesentlichen Unterschiede zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen beschränken. Der Riemenscheibenentkoppler 1" umfasst einen Anti-Ramp-Up Mechanismus, der die beiden Federteller 12", 13" nicht via Schraubendrehfeder 10" drehkoppelt. Es handelt sich vielmehr um einen gegenüber den ersten beiden Ausführungsbeispielen modifizierten Drehanschlag zur Drehbegrenzung des drehbaren Federtellers 12" auf der Nabe 4. Im Einzelnen umfasst dieser Drehanschlag eine auf der Nabe 4 aufgepresste Hülse 42 mit einem sich radial auswärts erstreckenden Vorsprung 43, der einen Anschlagteil 41 der Nabe 4 bildet. Der Vorsprung 43 kann alternativ auch einstückig an der Nabe ausgebildet sein. Ein mit dem drehbaren Federteller 12" verbundener Anschlagteil 48 ist durch das in Antriebsdrehrichtung verlaufende Umfangsende 44 einer kreisringstückförmigen Aussparung 45 am Innenumfang des Mitnehmers 15" gebildet.
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In dem in 14 dargestellten Anschlagfall der beiden Anschlagteile 41, 48 erfolgt die Drehkopplung der Federteller 12", 13" via Nabe 4 und darauf befestigter Hülse 42, deren Vorsprung 43 das Umfangsende 44 des drehbaren Federtellers 12" mitnimmt, so dass im Überholbetrieb des Riemenscheibenentkopplers 1" beide Federteller 12", 13" synchron umlaufen und das unerwünschte Hochlaufen der Schraubendrehfeder 10" an einer oder beiden Federanlageflächen verhindert wird.
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Die axialen Aussparungen 33 der Schraubendrehfeder 10 und die Axialvorsprünge 30, 32 der an den Federtellern 12 und 13 verlaufenden Federanlageflächen, die gemäß den 2, 6 und 7 gemeinsam den Anti-Ramp-Up Mechanismus des ersten Ausführungsbeispiels bilden, sind bei dieser Ausführung des Riemenscheibenentkopplers 1 '' folglich nicht existent.
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Anders als der Drehanschlag zur Begrenzung des übertragbaren Drehmoments gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bildet das andere, d.h. entgegen der Antriebsdrehrichtung verlaufende Umfangsende 46 der Aussparung 45 einen mit dem drehbaren Federteller 12" verbundenen Anschlagteil 47, der im Anschlagfall mit dem Vorsprung 43 einen Drehanschlag bildet, der zwar ebenfalls das maximale Drehmoment der Schraubendrehfeder 10" begrenzt, ein darüber hinaus gehendes Drehmoment jedoch in starrem Durchtrieb, d.h. direkt vom Mitnehmer 15" auf die Nabe 4 überträgt.
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Der Vorsprung 43 und die Aussparung 45 können alternativ in (nicht dargestellter) kinematischer Umkehrung als mit dem Federteller drehfester Vorsprung beziehungsweise als mit der Nabe drehfeste Aussparung ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemenscheibenentkoppler
- 2
- Riemenscheibe
- 3
- Außenmantel der Riemenscheibe
- 4
- Nabe
- 5
- Mittelabschnitt der Nabe
- 6
- Zweiflach
- 7
- Rillenkugellager
- 8
- Rillenkugellager
- 9
- Freilaufkupplung
- 10
- Entkopplerfeder / Schraubendrehfeder
- 11
- Drehachse
- 12
- drehbarer Federteller
- 13
- drehfester Federteller
- 14
- Kupplungsplatte
- 15
- Mitnehmer
- 16
- Gleitlagerbuchse
- 17
- Außenumfang der Kupplungsplatte
- 18
- Nut
- 19
- Adapterring
- 20
- Innenumfang der Riemenscheibe / Nut
- 21
- Fase
- 22
- Rampe des Mitnehmers
- 23
- Rampe der Kupplungsplatte
- 24
- Außenumfang des Mitnehmers
- 25
- Innenumfang der Kupplungsplatte
- 26
- Aussparung
- 27
- Aussparung
- 28
- Schlitz
- 29
- Drehanschlag für Schraubendrehfeder
- 30
- Axialvorsprung der Federanlagefläche
- 31
- Drehanschlag
- 32
- Axialvorsprung der Federanlagefläche
- 33
- Ausnehmung der Schraubendrehfeder
- 34
- Anschlagteil der Kupplungsplatte
- 35
- Anschlagteil der Nabe
- 36
- Axialvorsprung / Stift
- 37
- Umfangsende der Aussparung
- 38
- Aussparung der Scheibe
- 39
- Scheibe
- 40
- Umfangsende der Aussparung
- 41
- Anschlagteil der Nabe
- 42
- Hülse
- 43
- Vorsprung der Hülse
- 44
- Umfangsende der Aussparung
- 45
- Aussparung des Mitnehmers
- 46
- Umfangsende der Aussparung
- 47
- Anschlagteil des drehbaren Federtellers
- 48
- Anschlagteil des drehbaren Federtellers
