DE102016211405A1 - Spannrollenanordnung für einen Riementrieb sowie Riementrieb aufweisend die Spannrollenanordnung - Google Patents

Abstract

Spannrollenanordnung für einen Riementrieb (1) aufweisend zumindest zwei Spannrollen (10; 11), wobei eine erste Spannrolle (10) um eine Achse (X) und eine zweite Spannrolle (11) um eine Achse (Y) drehbar ist, wobei die erste Spannrolle (10) mit einem ersten Trum (3A) und die zweite Spannrolle (11) mit einem zweiten Trum (3B) eines Riemens (3) des Riementriebes (1) diesen spannend zusammenwirken, und wobei die Achsen (X) und (Y) zueinander parallel sind und mit konstantem oder veränderlichem Abstand (D) zueinander verlagerbar sind, wobei die Spannrollen (10; 11) mittels zumindest einer ersten Federeinrichtung (F1) zueinander federvorgespannt mit einer Federkraft (F) gegen den Riemen (3) gesetzt sind und die Achsen (X; Y) in einer Ausgangsstellung (S0) in einem Abstand (D0) zueinander angeordnet sind, wobei die Spannrollenanordnung zumindest eine Verstärkungseinrichtung zur Erhöhung der Federkraft (F) besitzt, wobei a) die Verstärkungseinrichtung zumindest eine zur ersten Federeinrichtung (F1) parallel geschaltete zweite Federeinrichtung (F2) ist, welche im Falle einer Abstandsvergrößerung (∆D) des Abstandes (D0) der Achsen (X) und (Y) zueinander die Federkraft (F) erhöhend ausgebildet ist und/oder b) die Verstärkungseinrichtung eine Spannvorrichtung (40) ist, welche die zumindest eine erste Federeinrichtung (F1) im Falle einer Verlagerung eines Mittelpunkts (M) des Abstandes (D) aus seiner Ruhelage (M0) mit zunehmender Verlagerung des Mittelpunktes (M) zunehmend spannt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Spannrollenanordnung für einen Riementrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Riementrieb aufweisend die Spannrollenanordnung.
• Ein Kraftfahrzeug, zum Beispiel ein Automobil besitzt typischer Weise einen Antriebsstrang aufweisend zumindest einen Verbrennungsmotor zum Erzeugen von Antriebsenergie. Die Antriebsenergie wird üblicherweise über ein Getriebe, z. B. ein Automatik- oder Schaltgetriebe, und einen Achsantrieb auf Antriebsräder des Kraftfahrzeugs übertragen. Weiterhin wird der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs dazu genutzt, Hilfsaggregate anzutreiben. Hierzu besitzt ein Verbrennungsmotor üblicherweise einen Riementrieb, welcher von einer Riemenscheibe, die mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, angetrieben wird.
• Der Riementrieb treibt Nebenaggregate des Kraftfahrzeuges, beispielsweise Hydraulikpumpen, Wasserpumpen, Klimakompressoren und zumindest einen elektrischen Generator an. Damit ein Riemen des Riementriebes in ausreichendem Maße Drehmoment auf die anzutreibenden Hilfsaggregate übertragen kann, sind Spannvorrichtungen für den Riemen bekannt. Solche Spannvorrichtungen arbeiten üblicherweise mit Spannrollen, welche z. B. federvorgespannt den Riemen spannend gegen den Riemen gesetzt sind.
• Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches eines Kraftfahrzeuges ist es weiterhin bekannt, in den Antriebsstrang eines Automobils zusätzlich zur Antriebsenergie des Verbrennungsmotors elektrisch erzeugte Antriebsenergie einzuspeisen. Ein so modifizierter Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs wird als hybrider Antriebsstrang bezeichnet, da die Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug sowohl durch Verbrennung von fossilen Treibstoffen im Verbrennungsmotor wie auch durch Umsetzung gespeicherter elektrischer Energie z. B. durch einen Elektromotor bereitgestellt wird. Ein besonders einfacher Weg, um elektrische Antriebsenergie, die durch einen Elektromotor bereitgestellt wird, in einen hybriden Antriebsstrang einzukoppeln, besteht darin, dass der üblicherweise im Kraftfahrzeug zu dessen elektrischer Versorgung vorhandene elektrische Generator (Lichtmaschine) durch eine Motor-Generator-Einheit ersetzt wird, die wahlweise als Generator oder als Elektromotor betrieben werden kann. Eine solche Motor-Generator-Einheit wird im Generatorbetrieb vom Riemenantrieb des Verbrennungsmotors angetrieben. Im Motorbetrieb der Elektromotor-Generator-Einheit leitet die Elektromotor-Generator-Einheit Antriebsdrehmoment über den Riemenantrieb an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors weiter. Ein Wechsel von Generatorbetrieb zu Motorbetrieb und umgekehrt kann dabei in schneller Aufeinanderfolge erfolgen, sodass eine hochdynamische Belastung des Riemenantriebs entsteht. Beispielsweise kann in einer Betriebsphase die Elektromotor-Generator-Einheit als Antriebsmotor unterstützend für den Verbrennungsmotor arbeiten. Wird das Fahrzeug in einem anderen Betriebszustand z. B. abgebremst, so kann die Elektromotor-Generator-Einheit unverzüglich auf Generatorbetrieb umgeschaltet werden und somit die Bremsen des Fahrzeugs unter Gewinnung von elektrischer Energie unterstützen. Hieraus resultiert ein hochdynamisches Belastungsszenario für den Riemenantrieb, welches erhöhte Anforderungen an Spannvorrichtungen für den Riemen des Riementriebes stellt. Die oben beschriebenen Antriebsstränge werden auch als sogenannte Mild-Hybrid-Antriebsstränge bezeichnet und weisen charakteristischerweise gegenüber einem klassischen Antriebsstrang eine deutlich erhöhte Belastung des Riementriebes auf. Diese höheren Belastungen treten zudem in beiden Richtungen auf, da eine Elektromotor-Generator-Einheit sowohl antreibend (Motorbetrieb) als auch bremsend (Generatorbetrieb) auf den Riemen des Riementriebes wirken kann.
• Eine weitere Tendenz zur Einsparung von Treibstoff ist es, dass zunehmend Verbrennungsmotoren mit geringerer Zylinderanzahl aber einem höheren spezifischen Drehmoment entwickelt werden, wodurch zusätzlich die dynamischen Lasten auf dem Riementrieb erhöht werden.
• Aus der US 2009/0186726 A1 ist eine Spannrollenanordnung für einen Riementrieb eines Mild-Hybrid-Antriebstranges bekannt, welche zwei Spannrollen aufweist, die über schwenkbar gelagerte Hebel geführt sind. Die schwenkbar gelagerten Hebel stehen einendig mit einem Hydraulikkolben einer Hydraulikeinheit in Verbindung und tragen anderendig die Spannrolle.
• Aus der US 7,494,434 B2 ist eine mechanische Spannrollenanordnung für einen Riementrieb bekannt geworden, wobei eine bezüglich des Verbrennungsmotors schwenkbare Wippe vorhanden ist, welche an einem Ende eine Spannrolle trägt. Am anderen Ende der Wippe ist ein schwenkbar gelagerter Hebel angeordnet, an dessen freien Ende eine zweite Spannrolle angeordnet ist. Der Hebel ist bezüglich der Wippe federvorgespannt. Die Wippe ist gegenüber dem Verbrennungsmotor ebenfalls federvorgespannt. Derartige Spannrollenanordnungen müssen bereits in einem Leerlaufzustand, in dem relativ geringe Kräfte durch den Riementrieb zu übertragen sind, über eine hohe Vorspannung verfügen, damit im dynamisch belasteten Zustand ausreichend hohe Vorspannkräfte vorhanden sind, die zuverlässig ein Durchrutschen und somit einen unerwünschten Schlupf des Riemens verhindern.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfach aufgebautes und kostengünstiges mechanisches Spannrollensystem anzugeben, welches in der Lage ist, hohe dynamische Spitzenlasten und hochdynamische Lastverläufe innerhalb eines Riementriebes zu ermöglichen, ohne dass unerwünschter Schlupf auftritt. Außerdem soll das Spannrollensystem gewährleisten, dass bei niedrigen Belastungen oder niedrigen Lastniveaus des Riementriebes eine möglichst geringe Riemenspannung vorliegt, um nachteilige Reibungsverluste innerhalb des Riementriebes zu vermeiden.
• Diese Aufgaben werden mit einer Spannrollenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Riementrieb aufweisend die Spannrollenanordnung gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Spannrollenanordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.
• Eine erfindungsgemäße Spannrollenanordnung für einen Riementrieb weist zumindest zwei Spannrollen auf, wobei eine erste Spannrolle um eine Achse X und eine zweite Spannrolle um eine Achse Y drehbar gelagert ist. Die erste Spannrolle wirkt mit einem ersten Trum eines Riemens des Riemenantriebs diesen spannend zusammen. Die zweite Spannrolle wirkt mit einem zweiten Trum des Riemens des Riemenantriebs diesen spannend zusammen. Die Achsen X und Y sind zueinander parallel und mit konstantem oder veränderlichem Abstand D zueinander entlang von Bahnkonturen K_x und K_y, die parallel zu einer Ebene E senkrecht zu den Achsen X, Y verlaufen, verlagerbar. Die Spannrollen sind mittels zumindest einer ersten Federeinrichtung F1 zueinander federvorgespannt mit einer Federkraft F gegen den Riemen gesetzt und die Achsen X, Y sind in einer Ausgangsstellung S₀ in einem Abstand D₀ zueinander angeordnet. Eine derartige Spannrollenanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrollenanordnung zumindest eine Verstärkungseinrichtung zur Erhöhung der Federkraft F besitzt, wobei
• a) die Verstärkungseinrichtung zumindest eine zur ersten Federeinrichtung F1 parallel geschaltete zweite Federeinrichtung F2 ist, welche im Falle einer Abstandsvergrößerung ΔD des Abstandes D der Achsen X und Y zueinander die Federkraft F erhöhend ausgebildet ist, wobei die zweite Federeinrichtung F2 in der Ausgangsstellung S0 entspannt ist und/oder
• b) die Verstärkungseinrichtung eine Spannvorrichtung ist, welche die zumindest eine erste Federeinrichtung F1 im Falle einer Verlagerung eines Mittelpunktes M des Abstandes D aus seiner Ruhelage M₀ mit zunehmender Verlagerung des Mittelpunktes M spannt wobei die erste Federeinrichtung F1 aus zumindest einer ersten Feder F1´ und zumindest einer zweiten Feder F1", die zueinander in Reihe angeordnet sind, gebildet ist. Die Spannvorrichtung ist eine Kurbel, wobei die Federn F1´ und F1" jeweils mit einem ihrer Enden mit einer der Achsen X und Y gekoppelt sind und mit den jeweils anderen Enden mit der Kurbel gekoppelt sind und die Kurbel im Falle einer Verlagerung des Mittelpunkts M aus seiner Ruhelage M₀ die Federn F1´und F1" spannend verlagerbar ist.
• Erfindungsgemäß wurde somit erkannt, dass es zur Optimierung von Reibungsverlusten im Riementrieb und einer Sicherstellung eines sicheren und möglichst schlupffreien Betriebes des Riementriebs sinnvoll ist, die Riemenvorspannung für einen Leerlaufbetriebszustand (Ausgangsstellung S₀), der durch eine geringe Riemenkraft gekennzeichnet ist, so niedrig als möglich auszubilden, aber auch dafür zu sorgen, dass die Riemenvorspannung proportional, insbesondere überproportional mit einer zeitlich variierenden Riemenkraft anwächst. Dies wird durch die Verstärkungseinrichtung in der oben erwähnten Variante a) und/oder b) gewährleistet.
• Bei der erfindungsgemäßen Spannrollenanordnung findet ausgehend von einer Ausgangsstellung S₀ der Achsen X, Y der Spannrollen bei einer Änderung der Riemenkraft aufgrund dynamischer Vorgänge im Riementrieb eine Abstandsvergrößerung ΔD des Abstandes D der Achsen X und Y zueinander statt. Erfindungsgemäß wird in der Variante a) als Verstärkungseinrichtung eine zweite Federeinrichtung F2 eingesetzt, die parallel geschaltet zur ersten Federeinrichtung F1 angeordnet ist. Tritt eine Abstandsvergrößerung ΔD des Abstandes D der Achsen X und Y zueinander auf, erfolgt eine Spannung der Federeinrichtung F1 und zusätzlich eine die Federeinrichtung F1 unterstützende Spannung der Federeinrichtung F2, sodass in Summe eine höhere Federkraft F1 + F2 auf die Spannrollen wirkt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung gemäß Variante a) ist es somit möglich, im Leerlaufbetrieb, z. B. in einer Ausgangsstellung S₀, die Riemenspannkraft durch die erste Federeinrichtung F1 gerade so hoch zu wählen, dass sie für den Leerlaufbetrieb ausreicht. Hierdurch gelingt es, die Reibungsverluste gering zu halten. Sobald allerdings aufgrund dynamischer Laständerungen im Riementrieb eine Abstandsvergrößerung ΔD induziert wird, greift die zweite Federeinrichtung F2 verstärkend ein und erhöht somit die Vorspannkraft der Spannrollen auf den Riemen, wodurch gewährleistet wird, dass auch hochdynamisch auftretende hohe Drehmomentspitzen vom Riemen zuverlässig schlupffrei übertragen werden können. Die zweite Federeinrichtung F2 (Variante a) der Erfindung) ist erfindungsgemäß im Leerlaufzustand lastlos. Hierdurch kann in einfacher Art und Weise sichergestellt werden, dass die Riemenvorspannung durch eine insbesondere mit einer geringeren Federkonstante ausgestatteten ersten Federeinrichtung F1 bewerkstelligt wird und lediglich im Fall dynamischer Lasten die zweite Federeinrichtung F2, die bevorzugt eine gegenüber der ersten Federeinrichtung F1 höhere Federsteifigkeit besitzt, zum Einsatz kommt.
• In einer Variante b) der Erfindung ist die Verstärkungseinrichtung als Spannvorrichtung für die erste Federeinrichtung F1 ausgebildet, die eine Verlagerung eines Mittelpunktes M des Abstands D aus einer Ruhelage M₀ in eine verlagerte Lage ausnutzt, um die erste Federeinrichtung F1 mit zunehmender Verlagerung des Mittelpunktes M zu spannen. Eine derartige Verlagerung des Mittelpunktes M tritt bei einer Grundanordnung der Spannrollen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und variierenden dynamisch sich verändernden Riemenkräften im Betrieb des Riementriebes zwangsläufig auf. Die Erfindung macht sich diese Verlagerung des Mittelpunktes M des Abstandes D aus seiner Ruhelage M₀ zu Nutze, um mittels einer Spannvorrichtung die Federeinrichtung F1 überproportional zu spannen. Hierdurch gelingt es, in einem Leerlaufzustand mit geringen Riemenkräften die Spannkräfte gering zu halten, um Reibungsverluste möglichst gering zu halten. Außerdem gelingt es, durch eine überproportionale Verstärkungswirkung der Federkraft der Federeinrichtung F1 im dynamischen Lastfall in ausreichendem Maße für eine hohe Riemenvorspannung zu sorgen, damit ein schlupffreier Betrieb des Riementriebes trotz hoher Lastspitzen bei hoher Dynamik möglich ist. Zudem ist es möglich, eine Mittelpunktsverlagerung M aus der Ruhelage M₀ in eine überproportional zunehmende Federspannung der Federeinrichtung F1 und somit in eine überproportionale Kraftzunahme der Kräfte F, mit denen die Rollen gegen den Riemen gesetzt sind, zu bewirken. In einer bevorzugten Ausführungsform umschlingt der Riemen entlang seines Verlaufes zwischen den Spannrollen eine Riemenscheibe zumindest teilweise, wobei die Riemenscheibe eine Drehachse A parallel zu den Achsen X und Y besitzt und wobei der Riemenscheibe ein Antriebsmoment M_A oder ein Bremsmoment M_B aufgebbar ist. Eine derartige Anordnung der Spannrolle in direkter Umgebung um die Riemenscheibe, z. B. der Elektromotor-Generator-Einheit ist von besonderem Vorteil, da eine Beeinflussung der Riemenspannung unmittelbar benachbart zu einer Riemenscheibe, von der hochdynamische Kraftschwankungen der Riemenkraft ausgehen, stattfindet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Federeinrichtung F2 unter Zwischenschaltung einer Ratscheneinrichtung mit zumindest einer der Spannrollen gekoppelt. Hierdurch gelingt es, im Falle eines länger dauernden Betriebs des Riementriebs eine auftretende Riemendehnung und eine hieraus resultierende geänderte Ausgangsstellung S₀ der Spannrollen zueinander zu kompensieren. Die Ratscheneinrichtung sorgt dafür, dass die zweite Federeinrichtung F2 auch bei einem durch Riemendehnung veränderten Ausgangsabstand D₀ der Spannrollen zueinander unmittelbar bei Auftreten von dynamischen Lasten unterstützend wirkt.
• Zweckmäßigerweise kann die Kurbel mittels eines Hebels um eine bezüglich des Riementriebes ortsfeste Achse H schwenkbar gelagert sein. Hierdurch gelingt ein besonders einfacher Aufbau der Spannvorrichtung.
• Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Spannrollen mittels Lenkern um eine bezüglich des Riementriebes ortsfeste Achse L schwenkbar anzuordnen. Hierdurch gelingt in besonders einfacher Art und Weise eine wirkungsvolle mechanische Umsetzung des Erfindungsprinzips mit einfachen Mitteln.
• Weiterhin kann es zweckmäßig sein, dass die Bahnkonturen K_x und K_y bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig sind. Eine derartige Geometrie der Bahnkonturen K_x; K_y ist mechanisch besonders einfach umsetzbar.
• Alternativ dazu können die Achsen X und Y beispielsweise über Linearführungen entlang einer geraden Bahnkontur K_x und K_y geführt sein. Eine derartige Führung der Achsen X und Y kann zweckmäßig sein, um beispielsweise einen Bauraum, der zwischen den Achsen X und Y für das Anordnen der Federeinrichtungen F1 und/oder F2 vorzusehen ist, zu optimieren.
• In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform kann die Bahnkontur K_x und die Bahnkontur K_y gleich sein. Hierdurch ist es möglich, die mechanische Aufhängung der Spannrollen, die um die Achsen X und Y entlang der Bahnkonturen K_x und K_y beweglich sind, besonders einfach auszugestalten.
• Eine weitere mechanisch besonders einfache Ausführungsform der Erfindung besteht darin, als Achse L der Lenker die Achse A der Riemenscheibe der Elektromotor-Generator-Einheit zu wählen.
• Zudem ist es vorteilhaft, wenn als Schwenkachse H der Hebel die Achse A der Riemenscheibe gewählt ist. Hier ist in besonders einfacher Art und Weise ein integrierter Aufbau der erfindungsgemäßen Spannrollenanordnung in die Elektromotor-Generator-Einheit ermöglicht. Eine solche Anordnung vermindert den erforderlichen Montageaufwand, da die Elektromotor-Generator-Einheit bereits als vorinstallierte Baugruppe enthaltend die erfindungsgemäße Spannrollenanordnung als integrierte Baugruppe geliefert werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erste Federeinrichtung F1 eine geringere Federkonstante als die zweite Federeinrichtung F2, wobei die erste Federeinrichtung F1 hinsichtlich ihrer Federkonstante derart ausgelegt ist, dass unter Berücksichtigung von Toleranzen und Reibung in der Ausgangsstellung S₀ die erforderliche Ausgangsfederkraft F₀ aufgebracht werden kann. Durch eine im Vergleich zur zweiten Federeinrichtung F2 niedrigeren Federkonstante der Federeinrichtung F1, das heißt durch das Vorsehen einer gegenüber der Federeinrichtung F2 weicheren Feder F1, kann die erforderliche Ausgangsfederkraft F₀ in besonders feinfühliger Art und Weise eingestellt werden. Außerdem ist bei einer niedrigeren Federkonstante ein Federkraftverlust im Falle einer Riemenlängung, die bei längerem Betrieb des Riementriebes zwangsläufig auftreten wird, von geringerem Ausmaß.
• In weiterhin zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung weist die erste Federeinrichtung F1 und/oder die zweite Federeinrichtung F2 eine Federdämpferanordnung auf. Hierdurch gelingt es, dynamische Schwingungen im Riemenantrieb abzudämpfen und Schlupf bei hochdynamischen Lasten zu vermeiden.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1: stark schematisiert einen Riementrieb aufweisend eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannrollenanordnung;
• 2: schematisch eine Abstandsvergrößerung ΔD der Achsen X und Y sowie eine Verlagerung des Mittelpunktes M aus seiner Ruhelage M₀ im Fall von dynamischen Riemenlasten;
• 3: stark schematisiert eine erste Ausführungsform der Verstärkungseinrichtung (Variante a));
• 3b: schematisiert Kraftverläufe der Federkraft F in Abhängigkeit von einer Abstandsänderung ΔD zwischen den Achsen X und Y;
• 4a: stark schematisiert eine zweite Alternative der erfindungsgemäßen Spannrollenanordnung, wobei die Verstärkungseinrichtung als Spannvorrichtung ausgebildet ist und
• 4b: schematisiert einen Kraftverlauf der Federkraft F in Abhängigkeit der Verlagerung s des Mittelpunktes M aus seiner Nulllage M₀.
• 1 zeigt stark schematisiert einen Riementrieb 1 für ein Antriebsaggregat 2, z. B. einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Der Riementrieb 1 besitzt einen Riemen 3, z. B. einen Flachriemen, welcher eine Mehrzahl von Riemenscheiben 4, 5, 6 jeweils zumindest teilweise umschlingt. Eine erste Riemenscheibe 4 ist einer Elektromotor-Generator-Einheit 7 zugeordnet und um eine Drehachse A drehbar. Eine zweite Riemenscheibe 5 ist einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zugeordnet und um eine Drehachse B drehbar. Eine dritte Riemenscheibe 6 ist um eine Achse C drehbar und einem Nebenaggregat 8, z. B. einer Hydraulikpumpe oder einer Kühlmittelpumpe, zugeordnet. Es können weitere Riemenscheiben für weitere Aggregate vorhanden sein, die mittels des Riemens 3 antreibbar sind. Ein erster Trum 3A des Riemens 3 verläuft zwischen der ersten Riemenscheibe 4 und der zweiten Riemenscheibe 5. Ein zweiter Trum 3B des Riemens 3 verläuft zwischen der ersten Riemenscheibe 4 und der dritten Riemenscheibe 6. Ein dritter Trum 3C verläuft zwischen der dritten Riemenscheibe 6 und der zweiten Riemenscheibe 5.
• Eine erste Spannrolle 10 ist um eine Drehachse X drehbar gegen den ersten Trum 3A des Riemens 3, diesen spannend, gesetzt. Eine zweite Spannrolle 11 ist um eine Drehachse Y drehbar gegen den zweiten Trum 3B, diesen spannend, gesetzt. Die Drehachsen A, B, C, X und Y sind zueinander parallel und verlaufen in der Darstellung gemäß 1 senkrecht zu einer Ebene E, die parallel zur Zeichenebene der 1 ausgerichtet ist.
• Die erste Spannrolle 10 ist mit einem ersten Lenker 12 verbunden. Die zweite Spannrolle 11 ist mit einem zweiten Lenker 13 verbunden. Die Lenker 12 und 13 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 1 um eine bezüglich des Riementriebs 1 ortsfeste Achse L unabhängig voneinander schwenkbar gelagert, sodass die Drehachsen X, Y entlang einer bogenförmigen Bahnkontur K_x, K_y verlagerbar sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Bahnkonturen K_x, K_y identisch. Die Bahnkonturen K_x und K_y können hinsichtlich ihrer Lage und ihrer Bahnkonturform auch unterschiedlich ausgebildet sein. Hierzu können die Lenker 12, 13 beispielsweise unterschiedlich lang ausgebildet sein oder an unterschiedlichen Achsen L schwenkbar gelagert sein. In einer besonderen Ausführungsform kann die ortsfeste Achse L, welche die Schwenkachse für die Lenker 12, 13 bildet, mit der Drehachse A der ersten Riemenscheibe 4 zusammenfallen.
• Zum Spannen des Riemens 3 sind die Spannrollen 10, 11 mittels einer Betätigungseinrichtung 14 federnd vorgespannt gegen den Riemen 3 gesetzt. Die Betätigungseinrichtung 14 besitzt hierzu mindestens eine erste Federeinrichtung F1.
• In einer Ausgangsstellung des Riementriebs 1 gemäß 1 weisen die Drehachsen X, Y der Spannrollen 10, 11 einen Ausgangsabstand D₀ auf. In dieser Ausgangsstellung S₀ sind die Spannrollen 10, 11 jeweils mit einer Ausgangsfederkraft F₀ gegen den Riemen 3 gesetzt.
• Die in 1 gezeigte Ausgangsstellung S₀ des Riementriebs 3 kann entweder eine Anordnung im Stillstand des Riementriebs 1 sein oder eine Anordnung, die sich bei einem bestimmten definierten Leerlaufzustand des Riementriebes 1, das heißt mit umlaufendem Riemen 3, einstellt.
• Der Riemen 3 ist im Betrieb des Riementriebes 1 in der Realität hochdynamischen Zugkraftschwankungen ausgesetzt, die aus unterschiedlichen Betriebszuständen der durch den Riemen 3 angetriebenen Aggregate und/oder Nebenaggregate resultieren können. Beispielsweise kann die Elektromotor-Generator-Einheit 7 im Elektromotorbetrieb ein Antriebsmoment M_A in den Riementrieb 1 eintragen. Gleichwohl kann die Elektromotor-Generator-Einheit 7 im Generatorbetrieb ein Bremsmoment M_B in den Riementrieb 1 eintragen. Weiterhin können die Riemenscheiben 5, 6 zeitlich dynamisch verlaufende Drehmomente, die entweder Brems- oder Antriebsmomente sein können, in den Riementrieb 1 eintragen. Zur Festlegung der Ausgangskraft F₀ muss ein definierter Betriebszustand des Riementriebes 1 vorgewählt werden, in dem sichergestellt werden muss, dass der Riemen schlupffrei oder nahezu schlupffrei läuft. Die Ausgangsfederkraft F₀ und somit die Auslegung der ersten Federeinrichtung F1 muss dabei derart erfolgen, dass die Ausgangsfederkräfte F₀ auf die Spannrollen 10, 11 ausreichend groß sind, um eine für diese Ausgangsstellung S₀ ausreichende Riemenspannung des Riemens 3 zu erzeugen. Die Ausgangsfederkraft F₀ soll dabei möglichst gering gewählt werden, um in einem solchen definierten Leerlaufzustand möglichst geringe Reibungskräfte zu erzeugen und somit einen energiesparsamen Betrieb des Riementriebs 1 zu ermöglichen.
• 2 zeigt schematisch eine Lageänderung der Spannrollen 10, 11 mit geänderten Betriebskräften im Riemen 3 (gestrichelte Darstellung) im Vergleich zur Lage der Spannrollen 10, 11 in der Ausgangsstellung S₀ (durchgezogene Linien).
• Im Leerlaufzustand (Ausgangsstellung S₀) besitzen die Drehachsen X, Y zueinander den Abstand D₀ (vergleiche auch 1). Ein Mittelpunkt M der Strecke zwischen den Drehachsen X und Y befindet sich in einer Ausgangslage M₀. Wird nunmehr der ersten Riemenscheibe 4 beispielsweise ein Antriebsmoment M_A aufgegeben, so wird der zweite Trum 3B stärker gespannt. Dies bewirkt eine Verlagerung der zweiten Spannrolle 11 in der Darstellung gemäß 2 nach rechts. Mit der zweiten Spannrolle 11 wandert deren Drehachse Y in die Lage Y'. Die erste Spannrolle 10 wandert aus ihrer Ausgangslage (durchgezogene Linie) in der Darstellung gemäß 2 nach rechts in die gestrichelt gezeichnete Lage, wobei deren Drehachse X in die Lage X' verlagert wird. Ein Abstand D' zwischen den Drehachsen X und Y in deren ausgelenkter Lage X' und Y' ist gegenüber dem Abstand D₀ um eine Abstandsvergrößerung ΔD vergrößert. Zugleich findet eine Verlagerung des Mittelpunktes M aus seiner Lage M₀ in die Lage M' statt. Eine solche Verlagerung ist in der Darstellung gemäß 2 nach rechts gerichtet. Die Darstellung gemäß 2 zeigt nur eine beispielhafte Änderung der Lagen und Abstände im Falle einer dynamischen Belastung. Selbstverständlich sind die Größen und die Richtungen der Verlagerung und die Änderungen der Abstände abhängig von den dynamischen Lasten, die im Riemen 3 wirken. Anhand der 2 soll dargestellt werden, dass aufgrund von dynamischen Laständerungen im Riementrieb 1 sowohl eine Verlagerung des Mittelpunkts M als auch eine Änderung des Abstandes zwischen den Drehachsen X und Y der Spannrollen 10 und 11 stattfindet.
• In 2 ist schematisch eine solche kombinierte Verlagerung anhand von geradlinigen Bahnkonturen K_x und K_y dargestellt. Solche geradlinigen Bahnkonturen K_x, K_y können beispielsweise erreicht werden, wenn die Spannrollen 10, 11, bzw. deren Drehachsen X, Y mittels Linearführungen bezüglich des Aggregats 2 geführt sind.
• Beide Effekte, das heißt sowohl eine Änderung (ΔD) des Abstandes zwischen den Drehachsen X und Y, wie auch eine Verlagerung des Mittelpunkts M aus seiner Ausgangslage M₀ macht sich die Erfindung zu Nutze, um mittels einer Verstärkungseinrichtung die Federkraft F der zumindest einen Federeinrichtung F1 zu verstärken.
• Eine erste Variante der Erfindung (3a, 3b) nutzt den Effekt der Änderung ΔD des Abstandes D zwischen den Drehachsen X, Y. Hierfür ist die Verstärkungseinrichtung als eine zur ersten Federeinrichtung F1 parallel geschaltete zweite Federeinrichtung F2 ausgebildet. Die erste Federeinrichtung F1 ist dabei jeweils endseitig sowohl mit der Drehachse X als auch mit der Drehachse Y der Spannrollen 10 und 11 gekoppelt. Die zweite Federeinrichtung F2 ist in der schematischen Ausführungsform gemäß 3a einendig mit der Drehachse X der Spannrolle 10 gekoppelt und anderendig unter Zwischenschaltung einer Ratscheneinrichtung 20 mit der Drehachse Y der Spannrolle 11 gekoppelt. Die Ratscheneinrichtung 20 sperrt bei einer Vergrößerung des Abstandes D zwischen den Drehachsen X und Y, sodass bei einer Vergrößerung dieses Abstandes D die Federeinrichtung F2 aufgrund ihrer Parallelschaltung zur Federeinrichtung F1 eine zusätzliche Federkraft bewirkt. Die wirksame Federkraft F, mit der die Spannrollen 10, 11 gegen den Riemen 3 gesetzt sind, ist somit die Summe der Kräfte der Federeinrichtungen F1 und F2.
• In der Ausgangsstellung S₀ (Abstand D₀) ist die zweite Federeinrichtung F2 entspannt, sodass die wirksame Ausgangsfederkraft F₀ in der Ausgangsstellung S₀ ausschließlich durch die erste Federeinrichtung F1 bereitgestellt ist. Die erste Federeinrichtung F1 sorgt somit für eine Mindestspannung des Riemens 3 in der Ausgangsstellung S₀ (Abstand D₀) und stellt somit eine ausreichende Vorspannung des Riemens 3 für einen Lastfall in der Ausgangsstellung S₀ (Abstand D₀) zur Verfügung. Kommt es mit der Zeit zu Längungen des Riemens 3, so muss in der Ausgangslage (S₀) der Abstand D₀ kleiner gewählt werden, um die benötigte Vorspannung des Riemens 3 zu erhalten. Hierfür sorgt die erste Federeinrichtung F1, wobei die Ratscheneinrichtung 20 im Falle einer Verkleinerung des Abstandes auf einen Wert kleiner als D₀ die zweite Federeinrichtung F2 von zumindest einer der Spannrollen 10, 11 ratschend entkoppelt. Erfolgt ausgehend von einem verringerten Ausgangsabstand D₀ im Betrieb des Riementriebs 1 erneut eine Vergrößerung dieses Abstands, so sperrt der Ratschenmechanismus 20, wodurch die zweite Federeinrichtung F2 parallelgeschaltet zur ersten Federeinrichtung F1 wirkt.
• Die Wirkungsweise der ersten Variante der Erfindung zeigt 3b in Form eines Diagramms, bei dem auf der Abszisse Abstandsänderungen ΔD zwischen den Drehachsen X und Y aufgetragen sind. Auf der Ordinate ist die resultierende Kraft F, mit der die Spannrollen 10, 11 gegen den Riemen 3 gesetzt sind, aufgetragen. In einer Ausgangslage (ΔD = 0; D = D₀) hat die Vorspannkraft den Wert F₀ (vergleiche auch 1).
• Ein erster Graph 21 zeigt die Kraft F in Abhängigkeit von der Abstandsänderung ΔD für den Fall, dass lediglich die erste Federeinrichtung F1 vorhanden ist. Der zweite Graph 22 zeigt qualitativ den erfindungsgemäßen Verlauf der Kraft F über der Abstandsänderung ΔD, wobei die zweite Federeinrichtung F2 zusätzlich zur ersten Federeinrichtung F1, diese verstärkend, wirkt. Ausgehend von der Leerlaufvorspannkraft F₀ verläuft der zweite Graph 22 steiler als der erste Graph 21, sodass bei einer bestimmten Abstandsänderung ΔD eine gegenüber dem vergleichbaren Wert des Graphs 21 erhöhte Kraft F bewirkbar ist.
• Eine zweite Variante der Erfindung (4a, 4b) nutzt eine Verlagerung des Mittelpunkts M zwischen den Drehachsen X und Y der Spannrollen 10, 11. Eine solche Mittelpunktsverlagerung des Mittelpunkts M von einer Ausgangslage M₀ hin zu einem Mittelpunkt M in einer Betriebslage gemäß 4a findet statt, wenn beispielsweise gegenüber der Ausgangslage M₀ die Riemenkraft im Trum 3B des Riemens 3 vergrößert wird. Hierdurch wird die Spannrolle 11 und ihre Drehachse Y in der Darstellung gemäß 4a nach rechts bewegt. Tritt dies auf, so wird auch die Spannrolle 10 und ihre Drehachse X entlang ihrer Bahnkontur K_x ein Stück nach rechts bewegt, weil die Spannrolle 10 über die erste Federeinrichtung F1 mit der Spannrolle 11 gekoppelt ist.
• In der zweiten Variante der Erfindung ist als Verstärkungseinrichtung zum Erhöhen der Federkraft F eine Spannvorrichtung 40 vorhanden, mittels der die Federeinrichtung F1 in Abhängigkeit der Mittelpunktsverlagerung spannbar ist. Die erste Federeinrichtung F1 besitzt in Reihe angeordnet eine erste Feder F1' und eine zweite Feder F1''. Die erste Feder F1' ist einendig mit der Drehachse X gekoppelt und ist anderendig mit einer Kurbel 41 verbunden. Die zweite Feder F1'' ist einendig mit der Drehachse Y gekoppelt und ist anderendig mit der Kurbel 41 verbunden. Somit sind die Drehachsen X und Y der Spannrollen 10, 11 über eine Reihenschaltung aus der ersten Feder F1', der Kurbel 41 und der zweiten Feder F1'' miteinander verbunden. Die Kurbel 41 ist mit einem Hebel 42 verbunden, wobei der Hebel 42 im Bereich eines freien Endes um eine Schwenkachse H schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkachse H ist bezüglich des Riementriebs 1 ortsfest und parallel zu den Drehachsen X und Y ausgerichtet.
• Die Federhärten der ersten Feder F1' und F1'' sind gleich. Bei einer Verlagerung des Mittelpunktes M aus seiner Ruhelage M₀ wird die Kurbel zusammen mit dem Hebel 42 entlang der Pfeilrichtung 43 verschwenkt.
• Durch die Verschwenkung der Kurbel 41 entlang der Pfeilrichtung 43 wird ein wirksamer Abstand A_W zwischen Anlenkpunkten der Federn F1' und F1'' an der Kurbel 41 mit zunehmender Verlagerung des Mittelpunkts M verkleinert. Hierdurch erfahren die Federn F1' und F1'' eine Dehnung, was die resultierende Kraft F der Spannrollen 10, 11 auf den Riemen 3 erhöht. In dieser Variante der Erfindung bilden somit die Federn F1' und F1'' die erste Federeinrichtung F1, welche durch die Spanneinrichtung 40, gebildet durch die Kurbel 41 und den Hebel 42 bei einer Verlagerung eines Mittelpunktes M aus seiner Ruhelage M₀ progressiv gespannt wird.
• Optional kann bei der Variante b) der Erfindung (4b) parallel zur ersten Federeinrichtung F1, das heißt parallel zur Feder F1', der Kurbel 41 und der zweiten Feder F1'', die zweite Federeinrichtung F2 analog zur ersten Variante a) angeordnet sein.
• 4b zeigt ein Diagramm, bei dem eine Auslenkung s des Mittelpunkts M ausgehend von einer Ausgangslage M₀ auf der Abszisse aufgetragen ist. Auf der Ordinate ist die resultierende Kraft F aufgetragen, mit welcher die Spannrollen 10, 11 gegen den Riemen 3 gesetzt sind. In der Ausgangslage M₀ ist die erste Federeinrichtung F1 mit einer Kraft F₀ vorgespannt angeordnet. Ein Graph 45 zeigt qualitativ den Kraftverlauf F der ersten Federeinrichtung F1 gemäß Variante b) in Abhängigkeit von der Auslenkung s des Mittelpunktes M aus seiner Ausgangsstellung M₀. Die erste Federeinrichtung F1 aufweisend die Spanneinrichtung 40 besitzt eine progressive Charakteristik.
• Mit der erfindungsgemäßen Spannrollenanordnung gelingt es, mit einfachen Mitteln eine Riemenspannung eines Riemens 3 eines Riementriebs 1 an hochdynamische Lastverläufe innerhalb des Riementriebes anzupassen, ohne dass unerwünschter Schlupf auftritt. Erfindungsgemäß wird zur Verstärkung einer Vorspannkraft F₀, mit der Spannrollen gegen einen Riemen 3 gesetzt sind, ausgenutzt, dass bei dynamisch variierenden Riemenlasten sowohl eine Abstandsänderung der Spannrollen als auch eine Verlagerung eines Mittelpunktes M zwischen Drehachsen X, Y der Spannrollen stattfindet.
• Bezugszeichenliste

1

Riementrieb

2

Aggregat

3

Riemen

3A

erster Trum

3B

zweiter Trum

3C

dritter Trum

4

erste Riemenscheibe

5

zweite Riemenscheibe

6

dritte Riemenscheibe

7

Elektromotor-Generator-Einheit

8

Nebenaggregat

10

erste Spannrolle

11

zweite Spannrolle

12

erster Lenker

13

zweiter Lenker

14

Betätigungseinrichtung

20

Ratscheneinrichtung

21

erster Graph

22

zweiter Graph

40

Spannvorrichtung

41

Kurbel

42

Hebel

43

Pfeilrichtung

44

freies Ende

45

Graph

A

Drehachse

A_w

wirksamer Abstand

B

Drehachse

C

Drehachse

D₀

Abstand im Ruhezustand

ΔD

Abstandsänderung

D´

Abstand D₀ + ΔD

E

Ebene

F1

erste Federeinrichtung

F1'

erste Feder

F1"

zweite Feder

F2

zweite Federeinrichtung

F

Federkraft

F₀

Ausgangsfederkraft

H

ortsfeste Achse

L

ortsfeste Achse

K_x

Bahnkontur

K_y

Bahnkontur

M

Mittelpunkt

M´

verlagerter Mittelpunkt M

M₀

Ausgangslage des Mittelpunktes M

M_A

Antriebsmoment

M_B

Bremsmoment

S₀

Ausgangsstellung

X

Drehachse

Y

Drehachse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 2009/0186726 A1 [0006]
• US 7494434 B2 [0007]

Claims (13)

1. Spannrollenanordnung für einen Riementrieb (1) aufweisend zumindest zwei Spannrollen (10; 11), wobei eine erste Spannrolle (10) um eine Achse (X) und eine zweite Spannrolle (11) um eine Achse (Y) drehbar ist, wobei die erste Spannrolle (10) mit einem ersten Trum (3A) und die zweite Spannrolle (11) mit einem zweiten Trum (3B) eines Riemens (3) des Riementriebes (1) diesen spannend zusammenwirken, und wobei die Achsen (X) und (Y) zueinander parallel sind und mit konstantem oder veränderlichem Abstand (D) zueinander entlang von Bahnkonturen (K_x; K_y), die parallel zu einer Ebene (E) senkrecht zu den Achsen (X; Y) verlaufen, verlagerbar sind, wobei die Spannrollen (10; 11) mittels zumindest einer ersten Federeinrichtung (F1) zueinander federvorgespannt mit einer Federkraft (F) gegen den Riemen (3) gesetzt sind und die Achsen (X; Y) in einer Ausgangsstellung (S₀) in einem Abstand (D₀) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrollenanordnung zumindest eine Verstärkungseinrichtung zur Erhöhung der Federkraft (F) besitzt, wobei a) die Verstärkungseinrichtung zumindest eine zur ersten Federeinrichtung (F1) parallel geschaltete zweite Federeinrichtung (F2) ist, welche im Falle einer Abstandsvergrößerung (∆D) des Abstandes (D₀) der Achsen (X) und (Y) zueinander die Federkraft (F) erhöhend ausgebildet ist, wobei die zweite Federeinrichtung (F2) in der Ausgangsstellung (S₀) entspannt ist und/oder b) die Verstärkungseinrichtung eine Spannvorrichtung (40) ist, welche die zumindest eine erste Federeinrichtung (F1) im Falle einer Verlagerung eines Mittelpunkts (M) des Abstandes (D) aus seiner Ruhelage (M₀) mit zunehmender Verlagerung des Mittelpunktes (M) zunehmend spannt, wobei die erste Federeinrichtung (F1) in Reihe angeordnet zumindest eine erste Feder (F1') und eine zweite Feder (F1") besitzt und die Spannvorrichtung (40) eine Kurbel (41) ist, wobei die Federn (F1') und (F1") jeweils mit einem ihrer Enden mit einer der Achsen (X) und (Y) gekoppelt sind und mit jeweils anderen kurbelseitigen Enden mit der Kurbel (41) gekoppelt sind und die Kurbel (41) im Falle einer Verlagerung des Mittelpunktes (M) aus seiner Ruhelage (M₀) die Federn (F1') und (F1") spannend verlagerbar ist.
2. Spannrollenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Riemen (3) entlang seines Verlaufes zwischen den Spannrollen (10; 11) eine Riemenscheibe (4) zumindest teilweise umschlingt, wobei die Riemenscheibe (4) eine Drehachse (A) parallel zu den Achsen (X) und (Y) besitzt und wobei der Riemenscheibe (4) ein Antriebsmoment (M_A) oder ein Bremsmoment (M_B) aufgebbar ist.
3. Spannrollenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Federeinrichtung (F2) unter Zwischenschaltung einer Ratscheneinrichtung (20) mit zumindest einer der Spannrollen (10, 11) gekoppelt ist.
4. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbel (41) mittels eines Hebels (42) um eine bezüglich des Riementriebes (1) ortsfeste Achse (H) schwenkbar gelagert ist.
5. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannrollen (10; 11) mittels Lenkern (12; 13) um eine bezüglich des Riementriebs (1) ortsfeste Achse (L) schwenkbar angeordnet sind.
6. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkonturen (K_x, K_y) bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig sind.
7. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (X, Y) über Linearführungen entlang einer geraden Bahnkontur (K_x, K_y) geführt sind.
8. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnkontur (K_x) und die Bahnkontur (K_y) gleich sind.
9. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (L) der Lenker (12; 13) die Achse (A) der Riemenscheibe (4) einer Elektromotor-Generator-Einheit (7) ist.
10. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (H) des Hebels (42) die Achse (A) der Riemenscheibe (4) der Elektromotor-Generator-Einheit (7) ist.
11. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Federeinrichtung (F1) eine geringere Federkonstante besitzt als die zweite Federeinrichtung (F2) und die erste Federeinrichtung (F1) derart ausgelegt ist, um unter Berücksichtigung von Toleranzen und Reibung in der Ausgangsstellung (S₀) die erforderliche Ausgangsfederkraft (F₀) aufzubringen.
12. Spannrollenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Federeinrichtung (F1) und/oder die zweite Federeinrichtung (F2) eine Feder-Dämpferanordnung umfasst.
13. Riementrieb aufweisend eine Spannrollenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

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