DE102016207703A1

DE102016207703A1 - Riementrieb, beispielsweise riemengetriebener Startergenerator

Info

Publication number: DE102016207703A1
Application number: DE102016207703.1A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Klein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2017-11-09
Also published as: CN109070318A; WO2017190945A1; CN109070318B

Abstract

Ein Riementrieb weist eine Riemenscheibe auf, die über einen Gewindebolzen und eine Zugmutter mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Riementrieb, beispielsweise einen riemengetriebenen Startergenerator einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Aus der DE 100 45 143 A1 ist ein riemengetriebener Startergenerator bekannt, der zum einen zum Starten einer Brennkraftmaschine und zum anderen bei laufender Brennkraftmaschine als Generator eingesetzt werden kann. Der Startergenerator weist eine motorisch angetriebene Riemenscheibe auf, die von einem Keilriemen umschlungen ist, welcher zusätzlich um eine Kurbelwellenabtriebswelle der Brennkraftmaschine gelegt ist. Der Startergenerator ist des Weiteren mit einem Spannsystem versehen, das in beide Bewegungsrichtungen des Keilriemens eine ausreichende Vorspannung des Keilriemens sicherstellt. Das Spannsystem weist zwei Spannrollen auf, die am Keilriemen anliegen und über Hebelarme drehbar an einer Nabe befestigt sind.
Die Höhe des übertragbaren Drehmomentes hängt unter anderem von der Vorspannkraft ab, mit der die Riemenscheibe mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Verbindung wird üblicherweise mithilfe eines Gewindebolzens hergestellt, dessen Bund fest mit der Rotorwelle verbunden ist und der durch eine Ausnehmung in der Riemenscheibe hindurchragt und über eine Mutter an der Riemenscheibe fixiert ist. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Vorspannung ein definiertes Maß nicht überschreiten darf, um eine Beschädigung des Gewindes des Bolzens und der Mutter oder anderer Teile zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Riementrieb handelt es sich beispielsweise um einen riemengetriebenen Startergenerator einer Brennkraftmaschine, über den die Brennkraftmaschine gestartet werden kann und der außerdem bei laufender Brennkraftmaschine als Generator verwendet werden kann. Der erfindungsgemäße Riementrieb kann allgemein für Generatoren bzw. elektrische Maschinen eingesetzt werden.
Der Riementrieb umfasst eine Riemenscheibe, die mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden ist, welche je nach Betriebsart zum Antreiben des Riementriebs oder als Generator fungiert. Die Verbindung erfolgt mithilfe eines Gewindebolzens, der durch eine Ausnehmung in der Riemenscheibe geführt ist, wobei einenends am Gewindebolzen der Rotor angreift und anderenends eine Mutter auf den Gewindebolzen aufgeschraubt ist, welcher sich an der Riemenscheibe axial abstützt. Die Achsrichtung bezieht sich hierbei auf die Rotations- bzw. Längsachse der Riemenscheibe und des koaxial angeordneten Gewindebolzens.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Riementriebs ist die Mutter als eine Zugmutter ausgebildet, die im montierten Zustand auf Zug belastet ist. Die Zugmutter stützt sich mit einem Abstützbund in der Weise an der Riemenscheibe ab, dass zumindest ein Teil des Zugmuttergewindes auf Zug belastet ist.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass zumindest ein Teil des Gewindes mit einer im Vergleich zur Ausführung aus dem Stand der Technik gleichmäßigeren Spannungsverteilung belastet wird. Bei Einsatz einer im Stand der Technik üblichen Standardmutter erfolgt die Abstützung der Mutter über deren Stirnseite, wodurch eine Druckbelastung im Zugmuttergewinde entsteht. Durch Unterschiede im Kompressionsmodul und im Elastizitätsmodul ergibt sich eine Spannungsüberhöhung im ersten Gewindegang, wodurch die maximal übertragbare Vorspannkraft begrenzt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung mit der Zugmutter wird die Spannungsüberhöhung im ersten Gewindegang signifikant reduziert und insgesamt eine gleichmäßigere Spannungsverteilung in den Gewindegängen der Zugmutter und des Gewindebolzens erzielt. Durch die gleichmäßigere Übertragung der Spannung auf mehrere Gewindegänge kann insgesamt eine höhere Vorspannkraft in Achsrichtung zwischen dem Gewindebolzen und der Riemenscheibe übertragen werden, wodurch auch das übertragbare Drehmoment zwischen Riemenscheibe und Rotor entsprechend ansteigt.
Der Abstützbund der Zugmutter liegt, gemäß einer bevorzugten Ausführung, auf der der Eindrehseite der Zugmutter abgewandten Seite axial außerhalb zumindest eines Teils der Zugmutter-Gewindegänge. Die Gewindegänge der Zugmutter sollen im eingespannten Zustand möglichst gleichmäßig auf Zug belastet werden, was mit dem axial gegenüber den Gewindegängen verschobenen Abstützbund erreicht oder unterstützt wird.
Vorteilhafterweise werden durch eine entsprechende Ausführung des Abstützbundes gegenüber den Gewindegängen an der Zugmutter sämtliche Gewindegänge oder zumindest ein Großteil der Gewindegänge auf Zug belastet. Bevorzugt werden zumindest die Gewindegänge mit Ausnahme eines oder zwei Gewindegängen auf Zug belastet. In jedem Fall ist es aber vorteilhaft, dass zumindest mehrere Gewindegänge, beispielsweise mindestens die Hälfte sämtlicher Gewindegänge auf Zug belastet werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist der Abstützbund an der Zugmutter über einen Verbindungsabschnitt einteilig mit dem das Gewinde tragenden Gewindeabschnitt ausgebildet. Der Verbindungsabschnitt ermöglicht einen radialen und/oder axialen Abstand zwischen Abstützbund und dem Gewinde.
Vorteilhafterweise ist der ringförmige umlaufende Abstützbund an der Stirnseite eines gebogen ausgebildeten Verbindungsabschnittes angeordnet, wobei der gebogene Verbindungsabschnitt einen am Grund in der Biegung des Verbindungsabschnittes liegenden Rücksprung aufweist, der vorteilhafterweise axial außerhalb zumindest eines Teils der Zugmutter-Gewindegänge liegt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Verbindungsabschnitt im Längsschnitt beispielsweise U-förmig ausgebildet sein kann, wobei der Abstützbund an der Stirnseite des radial weiter entfernt von dem Gewinde liegenden Schenkels des U-förmigen Abschnittes angeordnet ist. Über den radial näher am Gewinde liegenden Schenkel des U-förmigen Abschnittes erfolgt die Verbindung zum Gewindeabschnitt. Der den Abstützbund tragende Schenkel kann gegebenenfalls verkürzt ausgebildet sein, so dass sich ein etwa hakenförmiger Querschnitt des Verbindungsabschnittes ergibt. Der den Grund in der U-Form bildende Rücksprung befindet sich vorteilhafterweise axial mit Abstand zumindest zu einem Teil der Gewindegänge der Zugmutter, ungeachtet der axialen Relativposition des Abstützbundes zu den Zugmutter-Gewindegängen. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass ebenfalls sämtliche oder ein Teil der Gewindegänge der Zugmutter auf Zug belastet werden können, unabhängig von der axialen Relativposition des Abstützbundes zu den Gewindegängen. Wesentlich ist hierbei allein die axiale Position des im Grund liegenden Rücksprungs des Verbindungsabschnittes.
Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung stützt sich der Abstützbund der Zugmutter an der Innenwand der eine Hülse bildenden Riemenscheibe ab. Die Riemenscheibe ist bevorzugt hohlzylindrisch bzw. hülsenförmig ausgebildet, wobei die Zugmutter in den Innenraum der Hülse eingesetzt ist und sich an der den Innenraum begrenzenden Innenwand abstützt, um die axialen Kräfte zwischen dem Gewindebolzen und der Riemenscheibe zu übertragen. An der Innenwand der Riemenscheibe befindet sich vorteilhafterweise ein radial nach innen einragender Vorsprung, an dem sich der Abstützbund axial abstützt. Die Abstützung erfolgt ringförmig umlaufend an der Innenwand der Riemenscheibe. Zusätzlich oder alternativ ist eine Abstützung der Zugmutter an der Stirnfläche der Riemenscheibe möglich.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden von dem Gewindebolzen ein oder mehrere zusätzliche Bauteile an der Riemenscheibe fixiert. Es kann beispielsweise ein Lager, zum Beispiel ein Wälzlager mithilfe des Gewindebolzens an der Riemenscheibe befestigt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Riementrieb mit einem Spannsystem ausgestattet, das mindestens einen Spannarm und eine Spannrolle umfasst, um die der Riemen geführt ist. Der Spannarm ist schwenkbar gelagert und steht unter Vorspannung, um den Riemen entsprechend zu spannen.
Vorteilhafterweise umfasst das Spannsystem zwei an der Riemenscheibe schwenkbar gelagerte Spannarme, die jeweils mit einer Spannrolle verbunden sind, wobei der Riemen um die beiden Spannrollen geführt ist.
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 die entgegengesetzte Richtung, wobei auf das Spannsystem gegenüber 1 in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt ist,
3 einen Schnitt längs durch die hohlzylindrische Riemenscheibe, die über einen Gewindebolzen und eine Zugmutter drehfest mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden ist,
4 in vergrößerter Darstellung die Zugmutter und der Zugbolzen.
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 Scheiben 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 ein Schnitt längs durch die Riemenscheibe 4 dargestellt, die über einen Gewindebolzen 12 mit einem Rotor 13 drehfest verbunden ist. Der Rotor 13 und der Gewindebolzen 12 sind koaxial angeordnet und weisen die gleiche Längs- bzw. Drehachse 14 auf, die zugleich die Längs- und Drehachse der Riemenscheibe 4 bildet. Das Gewinde kann Teil des Rotors 13 sein. Die Riemenscheibe 4 ist mithilfe einer Zugmutter 15 am Gewindebolzen 12 gesichert, indem der Gewindebolzen 12 durch eine Ausnehmung 16 in der Stirnseite der Riemenscheibe 4 hindurchragt und ein radial verbreiterter Bund 12a des Gewindebolzens 12 an der Außenseite der Riemenscheibe 4 anliegt, wohingegen die Zugmutter 15 auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Gewindeabschnitt des Gewindebolzens 12 verschraubt ist. Die Zugmutter 15 liegt innerhalb der hohlzylindrischen Riemenscheibe 4 und weist einen Abstützbund 17 auf (3, 4), der an einem ringförmig umlaufenden, radial nach innen einragenden Vorsprung 18 an der Innenwand der Riemenscheibe 4 sich abstützt. Der Vorsprung 18 kann so ausgebildet sein, dass die Zugmutter axial aus der Riemenscheibe herausragt.
Der radial verbreiterte Bund 12a des Gewindebolzens 12 sichert außerdem eine oder mehrere zusätzliche Bauteile 19 an der Riemenscheibe 4. Bei diesen zusätzlichen Bauteilen handelt es sich beispielsweise um ein Wälzlager.
Die Verbindung zwischen der Riemenscheibe 4 und dem Rotor 13 mithilfe des Gewindebolzens 12 und der Zugmutter 15 bestimmt das übertragbare Drehmoment. Dieses hängt von der Vorspannkraft ab, die axial über den Gewindebolzen 12 und die Zugmutter 15 übertragen wird. Um die verschiedenen Gewindegänge der Zugmutter 15 sowie die entsprechenden Gewindegänge am Gewindebolzen 12 möglichst gleichmäßig zu belasten, ist die Zugmutter 15, wie insbesondere 4 zu entnehmen, in der Weise ausgebildet, dass der Abstützbund 17 über einen Verbindungsabschnitt 20 mit dem Gewindeabschnitt der Zugmutter verbunden ist, welcher die verschiedenen Gewindegänge aufweist. Der Verbindungsabschnitt 20 ist in der gezeigten Schnittdarstellung gebogen ausgeführt und bildet näherungsweise eine Hakenform, wobei im Grund der Hakenform ein Rücksprung 21 liegt, der sich axial zumindest annähernd in gleicher Höhe wie ein axial außen liegender Gewindegang 22 der Zugmutter befindet. Die übrigen Gewindegänge an der Zugmutter liegen, bezogen auf die Achsrichtung, alle auf der gleichen Seite des Rücksprungs 21 und weisen einen axialen Abstand zum Rücksprung 21 auf. Der Rücksprung 21 liegt radial außerhalb des Gewindes der Zugmutter 15 sowie des Gewindebolzens 12.
Der Abstützpunkt 17, der über den Verbindungsabschnitt 20 mit dem Gewinde verbunden ist, schließt sich in Radialrichtung unmittelbar an den Rücksprung 21 an und weist in die axiale Gegenrichtung nur eine geringe Erstreckung auf.
In 4 ist zusätzlich ein Schaubild mit dem Kraftverlauf F der Kraftübertragung von Gewindegang zu Gewindegang dargestellt. Zu erkennen ist, dass der Kraftverlauf von Gewindegang zu Gewindegang sich nur geringfügig ändert, so dass jeder Gewindegang zumindest annähernd die gleiche Kraft aufnimmt und den gleichen Spannungen unterliegt. Dies hat den Vorteil, dass insgesamt eine höhere Vorspannkraft übertragen werden kann, so dass auch das übertragbare Drehmoment entsprechend erhöht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10045143 A1 [0002]

Claims

Riementrieb, beispielsweise riemengetriebener Startergenerator (3), mit einer Riemenscheibe (4), um die ein Riemen (5) geführt ist, wobei die Riemenscheibe (4) mit dem Rotor (13) einer elektrischen Maschine verbunden ist, und mit einem Gewindebolzen (12), der durch eine Ausnehmung (16) in der Riemenscheibe (4) geführt ist, wobei einenends am Gewindebolzen (12) der Rotor (13) angreift und anderenends eine Mutter auf den Gewindebolzen (12) aufgeschraubt ist, die sich an der Riemenscheibe (4) axial abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter als Zugmutter (15) ausgebildet ist, die sich mit einem Abstützbund (17) in der Weise an der Riemenscheibe (4) abstützt, dass mindestens ein Teil, vorzugsweise die Mehrzahl der Gewindegänge (22) des Gewindebolzens (12) auf Zug belastet ist.
Riementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützbund (17) auf der der Eindrehseite der Zugmutter (15) abgewandten Seite axial außerhalb zumindest eines Teils der Zugmutter-Gewindegänge liegt.
Riementrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützbund (17) über einen Verbindungsabschnitt (20) einteilig mit dem das Gewinde tragenden Gewindeabschnitt der Zugmutter (15) ausgebildet ist.
Riementrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (20) gebogen ausgebildet ist.
Riementrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Grund des gebogenen Verbindungsabschnitts (20) liegende Rücksprung (21) axial außerhalb zumindest eines Teils der Zugmutter-Gewindegänge liegt.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützbund (17) der Zugmutter (15) sich an der Innenwand der eine Hülse bildenden Riemenscheibe (4) abstützt.
Riementrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenwand der Riemenscheibe (4) ein nach innen einragender Vorsprung (18) angeordnet ist, an dem sich der Abstützbund (17) abstützt.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugmutter (15) sich an der Stirnfläche der Riemenscheibe (4) abstützt.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindebolzen (12) zusätzliche Bauteile (19) an der Riemenscheibe (4) fixiert.
Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein an der Riemenscheibe (4) schwenkbar gelagerter, unter Vorspannung stehender Spannarm (8, 9) angeordnet ist, der mit einer Spannrolle (6, 7) verbunden ist, wobei der Riemen (5) um die Riemenscheibe (4) und die Spannrolle (6, 7) geführt ist.
Riementrieb nach Anspruch 10, 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.