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Die Erfindung betrifft einen riemengetriebenen Startergenerator einer Brennkraftmaschine, mit einer Generatorwelle, die im Starterbetrieb des Startergenerators den Riemen drehantreibt und im Generatorbetrieb des Startergenerators vom Riemen drehangetrieben wird, und mit einem Entkoppler, der mit der Generatorwelle drehverbunden ist und Folgendes umfasst:
- - eine vom Riemen umschlungene Riemenscheibe,
- - eine mit der Generatorwelle drehfest verbundene Nabe,
- - eine Einwegkupplung, die im Drehantrieb zwischen der Riemenscheibe und der Nabe angeordnet ist und in Antriebsdrehrichtung ein Überholen der Nabe gegenüber der Riemenscheibe zulässt,
- - und eine aktive Kupplung, die im ausgekuppelten Zustand das Überholen der Nabe gegenüber der Riemenscheibe zulässt und im eingekuppelten Zustand das Überholen der Nabe gegenüber der Riemenscheibe verhindert,
sowie mit einer die aktive Kupplung einkuppelnden Aktuatorik.
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Ein gattungsgemäßer Startergenerator ist aus der
US 2010/0101909 A1 bekannt. Im Starterbetrieb des Startergenerators muss die den Riemen antreibende Riemenscheibe von der Nabe angetrieben werden, und folglich muss in diesem Betriebszustand die Freilauffunktion der Einwegkupplung, die im Generatorbetrieb das Überholen der Nabe gegenüber der Riemenscheibe zulässt, durch Überbrükken ausgeschaltet werden. Dies erfolgt in der zitierten Druckschrift durch eine aktive Kupplung, die als die Riemenscheibe mit der Nabe verriegelnder Klinkenmechanismus ausgeführt ist. Das Einkuppeln der aktiven Kupplung erfolgt mittels eines Stellglieds, das die Klinken magnetisch in die Verriegelungsposition anzieht. Das Stellglied ist ein ringförmiger Elektromagnet, der den Entkoppler umschließend auf dem Generatorgehäuse befestigt ist und sich axial zwischen dem vorderen Kugellager der Generatorwelle und dem Riemen erstreckt.
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Die
DE 102 10 194 A1 und die
US 2003/0184095 A1 offenbaren jeweils einen Startergenerator mit einer Kupplung, die von einem Aktuator über eine Schaltstange betätigt wird.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Startergenerator der eingangs genannten Art mit einer alternativen konstruktiven Ausgestaltung anzugeben.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll die Aktuatorik eine koaxial zur Generatorwelle innerhalb der Nabe verlaufende und mit der aktiven Kupplung verbundene Schaltstange und ein Stellglied umfassen, das die Schaltstange von einer ersten Axialposition, in der sich die aktive Kupplung im ausgekuppelten Zustand befindet, in eine zweite Axialposition, in der sich die aktive Kupplung im eingekuppelten Zustand befindet, in der Nabe verschiebt.
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Die innerhalb der üblicherweise hohlzylindrischen Nabe des Entkopplers verschiebliche Schaltstange nutzt den dort vorhandenen Bauraum, in dem zumindest ein Teil der Aktuatorik untergebracht wird, und ermöglicht es insbesondere, die aktive Kupplung auf dem axial freien Ende des Entkopplers, d.h. auf der dem Gehäuse des Startergenerators abgewandten Seite des Riemens zu positionieren. Damit kann der axiale Bereich zwischen dem Riemen und dem Generatorgehäuse von der Aktuatorik unberührt bleiben, so dass weder eine die Biegebelastung der vorderen Generatorwellenlagerung erhöhende Abstandsvergrößerung der Riemenebene von der Lagerung noch deren konstruktive Anpassung erforderlich sind.
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Vorzugsweise ist die aktive Kupplung entweder mit der Nabe oder mit der Riemenscheibe in beide Drehrichtungen permanent drehfest verbunden. Im eingekuppelten Zustand soll die aktive Kupplung entweder mit der Nabe oder mit der Riemenscheibe in nur eine Drehrichtung drehfest verbunden sein.
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Außerdem kann der Entkoppler eine im Drehantrieb zwischen der Riemenscheibe und der Nabe angeordnete Reihenschaltung aus der Einwegkupplung und einer Entkopplerfeder umfassen. Die Entkopplerfeder glättet in verstärktem Maße Drehschwingungen, die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in den Riementrieb eingeleitet werden. Dennoch kann alternativ der generatorische Drehantrieb zwischen der Riemenscheibe und der Nabe nur über eine Einwegkupplung und beispielsweise über einen Klemmrollenfreilauf erfolgen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Startergenerators für einen Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine teilweise stark vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 die drehenden Komponenten des Startergenerators;
- 2 den auf der Generatorwelle montierten Entkoppler im Längsschnitt;
- 3 den Entkoppler vor der Montage auf der Generatorwelle im Längsschnitt;
- 4 die aktive Kupplung des Entkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung.
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Die 1 und 2 zeigen die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Startergenerators. Das sind die drehenden Komponenten, nämlich der Klauenpolläufer 1 mit Generatorwelle 2 und Lüftern 3 und ein mit der Generatorwelle 2 an deren vorderem Wellenende 4 drehverbundener Riemenscheiben-Entkoppler, der nachfolgend kurz als Entkoppler 5 bezeichnet ist und die Generatorwelle 2 in der darauf eingezeichneten Pfeilrichtung antreibt. Die Drehlagerung der Generatorwelle 2 in einem nicht dargestellten Generatorgehäuse erfolgt mittels eines vorderen Kugellagers 6 und eines hinteren Kugellagers 7.
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Der Entkoppler 5 umfasst eine vom Riemen des Nebenaggregate-Riementriebs umschlungene Riemenscheibe 8, die hohlzylindrisch und drehbar auf einer Nabe 9 gelagert ist. Die Nabe 9 ist fest mit dem vorderen Wellenende 4 der Generatorwelle 2 verschraubt. Die Lagerung der Riemenscheibe 8 auf der Nabe 9 erfolgt seitens des Generatorgehäuses radial und axial mittels eines Wälzlagers 10 und vorderseitig radial mittels eines Gleitlagers 11. Das Wälzlager 10 ist ein einreihiges und beidseitig abgedichtetes Kugellager, und das Gleitlager 11 ist ein Radiallagerring aus Polyamid, der mit dem Innendurchmesser der Riemenscheibe 8 in Gleitkontakt steht.
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Im Drehantrieb zwischen der Riemenscheibe 8 und der Nabe 9 ist eine passiv schaltende Einwegkupplung 12 angeordnet, die in Antriebsdrehrichtung ein Überholen des (trägen) Klauenpolläufers 1 mit der Generatorwelle 2 und der daran befestigten Nabe 9 gegenüber der Riemenscheibe 8 zulässt. Die Einwegkupplung 12 ist als Schlingband ausgebildet und - bezüglich des antreibenden Drehmomentflusses von der Riemenscheibe 8 auf die Nabe 9 - mit einer als Schraubendrehfeder ausgebildeten Entkopplerfeder 13 in Reihe geschaltet. Die rechts gewickelte Einwegkupplung 12 und die links gewickelte Entkopplerfeder 13 erstrecken sich koaxial zueinander und zur Generatorwelle 2 um die Nabe 9, wobei die Einwegkupplung 12 radial zwischen der Riemenscheibe 8 und der Entkopplerfeder 13 angeordnet ist und folglich die Entkopplerfeder 13 umschließt.
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Die Einwegkupplung 12 und die Entkopplerfeder 13 haben beidseitig schenkellose Enden, die die Einwegkupplung 12 bzw. die Entkopplerfeder 13 bei der Übertragung des Antriebmoments von der Riemenscheibe 8 auf die Nabe 9 radial aufweiten. Dabei verspannen sich die Enden der Einwegkupplung 12 gegen den Innenmantel einer ersten Hülse 14, die in der Riemenscheibe 8 eingepresst ist, und gegen den Innenmantel einer zweiten Hülse 15, die in der ersten Hülse 14 drehbar gelagert ist. Die Weiterleitung des so über die Haftreibung der aufgeweiteten Einwegkupplung 12 übertragenen Antriebsmoments via Entkopplerfeder 13 in die Nabe 9 erfolgt über bekannte und hier nicht dargestellte Drehanschläge, die umfänglich zwischen Federtellern der zweiten Hülse 15 und der Nabe 9 einerseits und den daran anliegenden Federenden der Entkopplerfeder 13 andererseits gebildet sind. Die auf die zweite Hülse 15 wirkenden Axialkräfte der Entkopplerfeder 13 werden über einen Gleitlagerring 16 am Innenring des Wälzlagers 10 abgestützt.
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Im Generatorbetrieb des Startergenerators wird die Generatorwelle 2 vom Riemen drehangetrieben, wobei die das Antriebsmoment übertragende Einwegkupplung 12 geschlossen ist und aus dem Riementrieb stammende Drehschwingungen der Riemenscheibe 8 durch die Entkopplerfeder 13 kompensiert werden. Die Einwegkupplung 12 öffnet, wenn die Nabe 9 die Riemenscheibe 8 in Antriebsdrehrichtung überholt, wobei sich die Einwegkupplung 12 auf ihren (unbelasteten) Ausgangsdurchmesser zusammenzieht und in einer oder beiden Hülsen 14, 15 durchrutscht. Dabei reduziert sich das übertragbare Drehmoment auf das Gleitreibmoment zwischen den gegenseitig durchrutschenden Kontaktpartnern. Folglich benötigt der Startergenerator für den Starterbetrieb, in dem der Riemen von der Generatorwelle 2 angetrieben wird, eine aktive Kupplung 17, die im eingekuppelten Zustand eine drehfeste Verbindung der Nabe 9 mit der Riemenscheibe 8 derart herstellt, dass die Überholfunktion der Einwegkupplung 12 überbrückt ist. Damit verhindert die aktive Kupplung 17 in Antriebsdrehrichtung das Überholen der Nabe 9 gegenüber der Riemenscheibe 8.
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Die Riemenscheibe 8 hat einen zur vorderen Generatorwellenlagerung, d.h. dem vorderen Kugellager 6 eng beabstandeten, ersten Axialabschnitt 18, der das vordere Wellenende 4 umschließt, und einen dazu benachbarten, zweiten Axialabschnitt 19, der auf der dem Generatorgehäuse abgewandten Seite verläuft. Eine auf dem zweiten Axialabschnitt 19 befestigte Schutzkappe 20 schützt das Innere des Entkopplers 5 vor eindringendem Schmutz und Spritzwasser. Der Riemen umschlingt lediglich den ersten Axialabschnitt 18, dessen Außenmantel der Poly-V-Form des Riemens entsprechend profiliert ist.
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Die aktive Kupplung 17, die als Teil des Entkopplers 5 weiter unten anhand der 3 und 4 näher erläutert wird, befindet sich in 2 im ausgekuppelten Zustand, in dem sie das Überholen der Nabe 9 gegenüber der Riemenscheibe 8 zulässt. Das Einkuppeln - und optional auch das Auskuppeln - der aktiven Kupplung 17 erfolgt über eine Aktuatorik, die eine Schaltstange 21 und ein die Schaltstange 21 verschiebendes Stellglied 22 umfasst. Die Schaltstange 21 verläuft innerhalb der Nabe 9 koaxial zur Generatorwelle 2, die als Hohlwelle ausgebildet und von der darin verschiebbaren Schaltstange 21 vollständig durchsetzt ist. Die Schaltstange 21 ist vor dem vorderen Wellenende 4 mit der aktiven Kupplung 17 und hinter dem hinteren Wellenende 23 der Generatorwelle 2 mit dem dort angeordneten Stellglied 22 verbunden. Das Stellglied 22 verschiebt die Schaltstange 21 gemäß der auf dem Stellglied 22 eingezeichneten Pfeilrichtung direkt oder über einen Mitnehmer 24 oder über einen Hebel mit oder ohne Richtungsumkehr der Hubbewegung von einer ersten Axialposition in eine zweite Axialposition, in der die aktive Kupplung 17 eingekuppelt ist, in der Generatorwelle 2 und in der Nabe 9. Das Stellglied 22 kann ein elektromagnetischer Hubmagnet bekannter Bauart sein, der im rückwärtigen Bereich des Generatorgehäuses angeordnet ist. In dem bevorzugten Fall, dass die Schaltstange 21 gegenüber der (drehenden) Generatorwelle 2 drehfest ist, kann die Schaltstange 21 über ein Wälzlager 25 gegenüber dem Stellglied 22 bzw. dem Mitnehmer 24 drehbar gelagert sein.
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Wie es unter nachfolgender Einbeziehung der 3 und 4 näher erläutert ist, umfasst die aktive Kupplung 17 einen Nabenteil 26 und einen Scheibenteil 27. Der vordere Endabschnitt der Schaltstange 21, der vor dem vorderen Wellenende 4 in der Nabe 9 verläuft, ist über eine Kegelverbindung 28 mit dem Nabenteil 26 verschraubt. Die Kraft einer zwischen dem Nabenteil 26 und dem vorderen Wellenende 4 eingespannten Rückstellfeder 29 beaufschlagt die aktive Kupplung 17 und die daran befestigte Schaltstange 21 in Richtung der ersten Axialposition, d.h. in Richtung des ausgekuppelten Zustands der aktiven Kupplung 17.
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Die aktive Kupplung 17 ist am Nabenteil 26 in beide Drehrichtungen permanent drehfest mit der Nabe 9 verbunden. Diese Verbindung erfolgt mittels einer Längsverzahnung im axialen Bereich des zweiten Axialabschnitts 19 der Riemenscheibe 8, wobei der Nabenteil 26 mit einer Außenverzahnung 30 axial verschiebbar in einer Innenverzahnung 31 der Nabe 9 aufgenommen ist. Die Innenverzahnung 31 dient vor der Montage der aktiven Kupplung 17 in die Nabe 9 als Eingriffskontur für ein Schraubwerkzeug, mit dem die Nabe 9 auf das vordere Wellenende 4 geschraubt wird. Die gegenüber der Generatorwelle 2 drehfeste Anordnung der Schaltstange 21 ergibt sich aus deren drehfester Kegelverbindung mit dem Nabenteil 26 und der drehfesten Längsverzahnung zwischen dem Nabenteil 26 und der Nabe 9 sowie der drehfesten Schraubverbindung der Nabe 9 mit der Generatorwelle 2.
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Bei eingekuppelter aktiver Kupplung 17 wird die drehfeste Verbindung der Nabe 9 mit der Riemenscheibe 8 stirnseitig an deren zweitem Axialabschnitt 19 hergestellt. Dazu weisen die einander zugewandten Stirnseiten 32 und 33 des Scheibenteils 27 bzw. des zweiten Axialabschnitts 19 gegenseitige Drehanschläge auf, die in der eingezeichneten Antriebsdrehrichtung ein Überholen der Nabe 9 gegenüber der Riemenscheibe 8 verhindern. Bei den Drehanschlägen handelt es sich um drei Paar Stufen 34 und 35, die dadurch gebildet sind, dass sich die Stirnseiten 32 bzw. 33 zyklisch mit 3 x 120° Umfangswinkel helixförmig und zueinander komplementär erheben.
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Diese drehfeste Verbindung wirkt nur in der eingezeichneten Drehrichtung, in der die aktive Kupplung 17 die Riemenscheibe 8 antreibt. Folglich lassen die Drehanschläge in Antriebsdrehrichtung ein Überholen der Riemenscheibe 8 gegenüber der Nabe 9 zu. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass die aktive Kupplung 17 beim Übergang vom Starterbetrieb in den Generatorbetrieb ohne aktive Unterstützung des Stellglieds 22 vom eingekuppelten in den ausgekuppelten Zustand verschoben wird. Denn die generatorisch antreibende Riemenscheibe 8 muss zunächst die Entkopplerfeder 13 vorspannen und folglich in Antriebsdrehrichtung die Nabe 9 um diesen Vorspannwinkel überholen. Dabei verdrehen sich die Stirnseiten 32, 33 in Erhebungsrichtung der Helix relativ zueinander und erzwingen die Verschiebung des Scheibenteils 27 und der Schaltstange 21 von der eingekuppelten, zweiten Axialposition in Richtung der ausgekuppelten, ersten Axialposition.
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Nachfolgend sei die Funktionsweise des Startergenerators erläutert.
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Generatorbetrieb: Die aktive Kupplung 17 befindet sich im ausgekuppelten Zustand gemäß 2. Der Riemen treibt die Generatorwelle 2 via Riemenscheibe 8, geschlossener Einwegkupplung 12, Entkopplerfeder 13 und Nabe 9 an, wobei der Startergenerator elektrischen Strom erzeugt.
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Starterbetrieb: Die aktive Kupplung 17 befindet sich im eingekuppelten Zustand. Die Generatorwelle 2 treibt den Riemen via Nabe 9, aktiver Kupplung 17 und Riemenscheibe 8 an, wobei der Riemen die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bis zu deren Start antreibt. Das Einkuppeln der aktiven Kupplung 17 erfolgt durch Betätigen des Stellglieds 22, das die Schaltstange 21 bei drehender Generatorwelle 2 von der ersten in die zweite Axialposition verschiebt, um die Drehanschläge der aktiven Kupplung 17 und der Riemenscheibe 8 in gegenseitige Anlage zu bringen. Um diesen Einspurvorgang im Hinblick auf das akustische und mechanische Verhalten zu optimieren, kann das Drehen der Generatorwelle 2 auch etwas zeitversetzt zum Verschieben der Schaltstange 21 einsetzen und zudem mit einer Drehzahl erfolgen, die deutlich geringer als die Startdrehzahl bei vollständig eingekuppelter, aktiver Kupplung 17 ist. Beim Auskuppeln der aktiven Kupplung 17 wird - wie vorstehend beschrieben - die Kraft der Rückstellfeder 29 durch die helixförmigen Stirnseiten 32, 33 der aktiven Kupplung bzw. der diese überholenden Riemenscheibe 8 unterstützt.
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Boostbetrieb: Der Boostbetrieb, in dem der Startergenerator die Kurbelwelle zusätzlich zur laufenden Brennkraftmaschine antreibt, entspricht dem Starterbetrieb.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klauenpolläufer
- 2
- Generatorwelle
- 3
- Lüfter
- 4
- vorderes Wellenende
- 5
- Entkoppler
- 6
- vorderes Kugellager
- 7
- hinteres Kugellager
- 8
- Riemenscheibe
- 9
- Nabe
- 10
- Wälzlager
- 11
- Gleitlager
- 12
- Einwegkupplung
- 13
- Entkopplerfeder
- 14
- erste Hülse
- 15
- zweite Hülse
- 16
- Gleitlagerring
- 17
- aktive Kupplung
- 18
- erster Axialabschnitt
- 19
- zweiter Axialabschnitt
- 20
- Schutzkappe
- 21
- Schaltstange
- 22
- Stellglied
- 23
- hinteres Wellenende
- 24
- Mitnehmer
- 25
- Wälzlager
- 26
- Nabenteil
- 27
- Scheibenteil
- 28
- Kegelverbindung
- 29
- Rückstellfeder
- 30
- Außenverzahnung
- 31
- Innenverzahnung
- 32
- Stirnseite des Scheibenteils
- 33
- Stirnseite des zweiten Axialabschnitts
- 34
- Stufe des Scheibenteils
- 35
- Stufe des zweiten Axialabschnitts
