DE102017214067A1

DE102017214067A1 - Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs und Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung

Info

Publication number: DE102017214067A1
Application number: DE102017214067.4A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Christian Westphal; Michael Reinhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2019-02-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs (1) mit einem elastischen Riemen (10), der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet. Dabei wird eine den Riementrieb beeinflussenden Größe kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erhalten (20, 30, 50) und eine Betriebsgröße des Riementriebs zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe bestimmt (21, 31, 53, 54). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät zum Ausführen eines solchen Verfahrens und eine Vorrichtung (4) zum Überwachen einer Riemenvorspannung (σ).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs mit einem elastischen Riemen, der eine Antriebsmaschine, insbesondere eine Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens eines Riementriebs.
Riementriebe dienen beispielsweise in Kraftfahrzeugen der Kopplung eines Antriebsmotors mit einem oder mehreren anzutreibenden Aggregaten wie beispielsweise einer Wasserpumpe, einem Klimakompressor, einem Startergenerator und anderen Nebenaggregaten. Die Kopplung erfolgt mittels eines elastischen Riemens und hängt von einer Riemenvorspannung des elastischen Riemens ab.
Im Stand der Technik wird die Riemenvorspannung von Riementrieben wie Neben- und Steuertrieben auf den ungünstigsten Betriebsfall hinsichtlich Riemenlänge, Schlupfverhalten, Streuung von Riemenvorspannung und Dämpfung eines nicht verstellbaren Spanners ausgelegt. Eine so festgelegte konstante Riemenvorspannung kann jedoch zu einer erhöhten Reibleistung (Verbrauch) und einem erhöhten Verschleiß des Riemens und einer Lagerung von angetriebenen Komponenten, z.B. Generatorlagern, führen.
Daher wurden Riemenspanner entwickelt, die eine Anpassung der Riemenvorspannung in Abhängigkeit des Verschleißes des elastischen Riemens ermöglichen. So beschreibt die DE 102 25 268 A1 beispielsweise eine Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb, der ein elektronisches Stellglied aufweist, das in Abhängigkeit eines Betriebsparameters des Zugmitteltriebs eine vorbestimmte, konstante Riemenvorspannung einstellt. Die DE 10 2012 020 967 A1 offenbart ein Verfahren, wobei in Abhängigkeit eines Verlaufs einer Bewegungsgröße eine konstante Riemenvorspannung bestimmt wird.
Bei der Verwendung einer konstanten Riemenvorspannung wird jedoch in vielen Betriebszuständen eine unnötig hohe Riemenvorspannung gewählt, um sicherzustellen, dass auch in einem kritischen Betriebszustand ein Schlupf noch ausreichend verhindert wird.
Bei fest eingestellter Riemenvorspannung entsteht überdies im Startfall durch das elastische Verhalten des Riemens, federnder Entkopplungselementen und des federunterstützten Spannsystems ein Schwingsystem, welches durch Resonanzeffekte teils sehr hohe dynamische Trumkräfte erzeugt. Diese Trumkräfte können durch eine temporär geänderte/erhöhte Vorspannung durch das Spannsystem minimiert werden. Dadurch werden die Reaktionskräfte im Riemen und in den Lagerungen der Riemenscheiben reduziert, Schlupf wird damit in der Anregung reduziert. Das wirkt sich wiederum in längeren Standzeiten des Riemens sowie der Stützlager aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs nach Anspruch 1, das erfindungsgemäße Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs nach Anspruch 9 und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung nach Anspruch 10 gelöst.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs mit einem elastischen Riemen, der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, wobei
eine den Riementrieb beeinflussende Größe kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erhalten wird; und
eine Betriebsgröße des Riementriebs zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe bestimmt wird.
Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs mit einem elastischen Riemen, der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, das dazu ausgebildet ist,
eine den Riementrieb beeinflussende Größe kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu erhalten; und
eine Betriebsgröße des Riementriebs zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe zu bestimmen.
Nach einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens, der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, umfassend:

einen verstellbaren Riemenspanner; und
eine in dem Riemenspanner verbaute Vorrichtung zum Bestimmen der Riemenvorspannung des elastischen Riemens.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs mit einem elastischen Riemen, der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, insbesondere eine antreibende Riemenscheibe der Antriebsmaschine mit einer abtreibenden Riemenscheiben des anzutreibenden Aggregats. Der Riementrieb kann ein Zahnriementrieb, beispielsweise ein Primärriementrieb zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle der Antriebsmaschine, oder ein Keilrippenriementrieb, beispielsweise ein Sekundärriementrieb zwischen der Nockenwelle und einem oder mehreren Nebenaggregaten, sein. Die Antriebsmaschine kann dabei ein Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Verbrennungsmotor wie ein Ottomotor oder ein Dieselmotor oder ein Elektromotor, sein. Das anzutreibende Aggregat kann ein Generator, ein Klimakompressor, eine Lenkhilfepumpe, ein Lüfter, ein oder mehrere mechanische Lager, eine oder mehrere Pumpen beispielsweise zur Sekundärlufteinblasung, ein Starter-Generator oder ein anderes Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs sein.
Gemäß dem Verfahren wird eine den Riementrieb beeinflussenden Größe, die weiter unten im Detail beschrieben wird, kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erhalten. Anschließend wird eine Betriebsgröße des Riementriebs, die weiter unten im Detail beschrieben wird, zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe bestimmt wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein zuverlässiger Betrieb des Riementriebs ermöglicht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die den Riementrieb beeinflussende Größe ein Betriebszustand des Riementriebs oder eine Umgebungsbedingung des Riementriebs sein oder den Betriebszustand des Riementriebs und/oder die Umgebungsbedingung enthalten. Die Betriebsgröße kann dann eine einzustellende Riemenvorspannung des elastischen Riemens sein, die von dem Betriebszustand des Riementriebs bzw. der Umgebungsbedingung des Riementriebs abhängig ist. Die Riemenvorspannung kann somit während des Betriebs des Riementriebs in Abhängigkeit des Betriebszustands des Riementriebs und/oder der Umgebungsbedingung angepasst werden. Durch die Möglichkeit, die Riemenvorspannung aktiv zu beeinflussen, sind beispielsweise bei kleinen Umschlingungswinkeln der antreibenden und/oder abtreibenden Riemenscheiben, z.B. bei Umschlingungswinkeln von kleiner 180°, bei niedrigen Drehzahlen der antreibenden Riemenscheibe oder bei hoher Luftfeuchtigkeit eine Verringerung des Schlupfs im Riementrieb durch eine bedarfsgerecht erhöhte Riemenvorspannung möglich. So kann bestenfalls in allen Belastungszuständen ein schlupfreduzierter, insbesondere schlupffreier Betrieb des Riemens ermöglicht werden, ohne dass der elastische Riemen unnötig durch eine durchgehend erhöhte Riemenvorspannung beansprucht wird. Dies kann zu einem reibungsminimierten Betrieb des Riementriebs führen, dessen CO₂-Potenzial bei 0,5 - 1% im sogenannten Neuen Europäischen Fahrzeugzyklus (NEFZ) liegt.
In manchen Ausführungsbeispielen kann der Betriebszustand des Riementriebs ein Betriebszustand der Antriebsmaschine, ein Betriebszustand des anzutreibenden Aggregats, eine Anforderung eines vorgegebenen Betriebszustands des anzutreibenden Aggregats, ein Betriebszustand des elastischen Riemens oder ein anderer Betriebszustand des Riementriebs sein oder mindestens einen dieser enthalten.
Der Betriebszustand der Antriebsmaschine kann eine Drehzahl, ein Drehmoment, ein Fahrmodus der Antriebsmaschine, beispielsweise ein sportlicher oder ein kraftstoffsparender (Eco) Fahrmodus, und/oder ein anderer Betriebszustand der Antriebsmaschine sein oder mindestens einen dieser enthalten. Beispielsweise kann es bei niedrigen Drehzahlen und hohen Momenten der Antriebsmaschine zu Drehunförmigkeiten durch die Antriebsmaschine kommen, wodurch ein Schlupfrisiko erhöht wird. Bei höheren Drehzahlen lassen die Drehunförmigkeiten nach und das Schlupfrisiko sinkt. Folglich kann die Riemenvorspannung so bestimmt werden, dass sie mit steigenden Drehzahlen sinkt. Es kann also eine motorkennfeldbasierte Bestimmung der Riemenvorspannung durchgeführt werden.
Der Betriebszustand des anzutreibenden Aggregats kann einen abgeschalteten Zustand und einen oder mehrere eingeschaltete Zustände des anzutreibenden Aggregats enthalten. In dem eingeschalteten Zustand kann das anzutreibende Aggregat unter Teillast oder bei Volllast betrieben werden. Die Riemenvorspannung kann sich dann beispielsweise zu einem Zeitpunkt einer Zustandsänderung oder kurz vor dem Zeitpunkt der Zustandsänderung, zum Beispiel zwischen 1 ms und 1000 ms, insbesondere zwischen 10 ms und 500ms, ändern, beispielsweise stufenartig steigen bzw. fallen. Der Betrieb des anzutreibenden Aggregats, beispielsweise eines Klimakompressors und/oder eines Generators, insbesondere unter Teillast bzw. bei Volllast wirkt unterschiedlich auf eine Last am elastischen Riemen, wodurch das Schlupfrisiko beeinflusst wird. Daher kann während des abgeschalteten Zustands des anzutreibenden Aggregats eine geringere Riemenvorspannung bestimmt werden als während des eingeschalteten Zustands. Die Riemenvorspannung kann also mit steigender Last am Riemen steigen, vorzugsweise stufenförmig steigen.
Der Betriebsmodus der Antriebsmaschine und der Betriebsmodus des anzutreibenden Aggregats kann bei einem Starter-Generator ein Betriebsmodus des Starter-Generators, beispielsweise ein Rekuperationsmodus oder ein Generatormodus, sein. Bei Motoren mit Riemen-Starter-Generatoren (RSG) kann die Riemenvorspannung an einen Rekuperationsmodus, einen Start und einen Wiederstart sowie Motorboostfunktionen des RSG angepasst werden.
Die Anforderung eines vorgegebenen Betriebszustands des anzutreibenden Aggregats kann beispielsweise die Anforderung eines eingeschalteten Zustands des anzutreibenden Aggregats sein. Die Anforderung kann beispielsweise auf einer Änderung des Betriebszustands der Antriebsmaschine, beispielsweise einer Beschleunigung, einer Änderung der Motortemperatur, durch Betätigen eines Bedienelements, beispielsweise einer Klimaanlage, oder einer anderen Änderung eines oder mehrerer Parameter basieren. Die Aktivierung des anzutreibenden Aggregats, beispielsweise eines Klimakompressors und/oder eines Generators, führt häufig zu einer ungleichförmigen Belastung des elastischen Riemens, die zu Schlupfspitzen führt. Daher kann, bereits wenn eine Aktivierung eines Nebenaggregats angefordert wird, eine erhöhte Riemenvorspannung bestimmt werden, wodurch solche Schlupfspitzen verringert oder sogar vermieden werden können.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Umgebungsbedingung eine Luftfeuchtigkeit, ein Luftdruck, eine Umgebungstemperatur, ein Fahrbahnbelag oder eine andere Umgebungsbedingung sein oder mindestens eine dieser umfassen.
Zum Beispiel kann durch eine erhöhte Luftfeuchtigkeit, beispielsweise bei Regen, das Schlupfrisiko gegenüber einer geringeren Luftfeuchtigkeit bei trockenem Wetter erhöht sein. Somit kann die Riemenvorspannung also so bestimmt werden, dass sie mit steigender Luftfeuchtigkeit zunimmt. Außerdem kann sich bei Temperaturen unter 0°C auf dem Riemen eine Reifschicht ablegen, die wiederum das Schlupfrisiko erhöht. Somit kann während einer Startphase des Riementriebs die Riemenvorspannung entsprechend erhöht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die den Riementrieb beeinflussende Größe kontinuierlich während eines Betriebs des Riementriebs erhalten werden. Der Riementrieb ist beispielsweise in Betrieb, wenn der elastische Riemen in Bewegung ist bzw. wenn die Antriebsmaschine nicht stillsteht und/oder eine Drehzahl einer der Riemenscheiben ungleich 0 U/min ist. Die den Riementrieb beeinflussende Größe kann beispielsweise mit Hilfe eines Sensors gemessen werden oder von einer Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, wobei die Motorsteuerung diese Größe von einem Sensor erhält oder aus einem Kennfeld extrahiert. Die einzustellende Riemenvorspannung kann dann kontinuierlich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riemen beeinflussenden Größe bestimmt werden. Damit kann die den Riemen beeinflussende Größe erhalten werden und zeitgleich kann die einzustellende Riemenvorspannung bestimmt werden. Durch die kontinuierliche Bestimmung der Riemenvorspannung kann diese dynamisch aktualisiert werden, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen.
Zum Beispiel kann eine aktuelle Drehzahl der Antriebsmaschine kontinuierlich von der Motorsteuerung geliefert werden und die einzustellende Riemenvorspannung kontinuierlich an die Drehzahl angepasst werden. Bei einer Drehzahlerhöhung kann die einzustellende Riemenvorspannung verringert werden und bei einer Drehzahlerniedrigung erhöht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann kontinuierlich eine Luftfeuchtigkeit erhalten werden, beispielsweise gemessen werden oder durch Überwachung einer Betätigung eines Betätigungselements zum Aktivieren bzw. Deaktivieren eines Scheibenwischers bestimmt werden. In Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit kann die Riemenvorspannung dann entsprechend angepasst werden, insbesondere mit steigender Luftfeuchtigkeit erhöht werden. Die Riemenvorspannung kann bis zu 20% gegenüber einem kennfeldbasierten Normalwert der Riemenvorspannung erhöht sein.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Riemenvorspannung zu einem Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebszustands des Riementriebs oder vor dem Zeitpunkt des Wechsels des Betriebszustands des Riementriebs variiert werden. Beispielsweise kann die Riemenvorspannung zwischen 1 ms und 1000 ms, insbesondere zwischen 10 ms und 500 ms vor dem Zeitpunkt des Wechsels des Betriebszustands des Riementriebs variiert werden. Zum Beispiel kann die Riemenvorspannung erhöht werden, bevor ein Aggregat wie der Klimakompressor oder der Generator aktiviert werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die den Riementrieb beeinflussende Größe zu dem vorgegebenen Zeitpunkt bei einem Betriebsbeginn des Riementriebs und/oder während eines Betriebs des Riementriebs erhalten werden. Zum Beispiel kann der vorgegebene Zeitpunkt ein Zeitpunkt sein, zu dem eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, beispielsweise ein Startzeitpunkt der Antriebsmaschine oder ein Zeitpunkt, zu dem sich die abtreibende Riemenscheibe zu drehen beginnt (Betriebsbeginn des Riementriebs). Die einzustellende Riemenvorspannung kann dann für einen vorgegebenen Zeitraum nach dem Betriebsbeginn bzw. nach dem vorgegebenen Zeitpunkt in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riemen beeinflussenden Größe bestimmt werden. Der vorgegebene Zeitraum kann zum Beispiel in einem Bereich von 2 Sekunden bis 10 Minuten liegen oder alternativ 20 bis 10.000 kumulierte Motorumdrehungen ab einem Motorstart bzw. ab einem Betriebsbeginn des Riementriebs betragen.
Zum Beispiel kann bei einem Start der Antriebsmaschine eine Außentemperatur gemessen werden. Wenn die Temperatur unter 0°C liegt, kann für einen Zeitraum von 10 Sekunden bis 5 Minuten oder alternativ von 100 bis 10.000 kumulierten Motorumdrehungen, eine um einen vorgegebenen Wert erhöhte Riemenvorspannung bestimmt werden. Der Zeitraum, für den die Riemenvorspannung erhöht ist, und/oder der vorgegebene Wert können mit der Temperatur variieren, insbesondere mit sinkender Temperatur steigen. Durch die Einstellung der bestimmten Riemenvorspannung kann der Schlupf unter einen Schwellwert abgesenkt werden und die Lebensdauer des Riemens erhöht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die wie oben beschrieben bestimmte einzustellende Riemenvorspannung eingestellt werden. Die einzustellende Riemenvorspannung kann dabei gesteuert oder geregelt werden. Zum Beispiel kann eine motorkennfeld-getriebene aktive Steuerung der Riemenvorspannung oder eine Regelung der Riemenvorspannung auf einen kennfeldbasierten Sollwert durchgeführt werden. Dadurch kann die Entstehung eines Schlupfs verhindert und dadurch in allen Betriebszuständen der Verschleiß des Riemens bestmöglich verringert werden.
Zum Einstellen der Riemenvorspannung können zum Beispiel Drehzahldifferenzen zwischen einer Kurbelwelle der Antriebsmaschine und dem anzutreibenden Aggregat erkannt werden und, wenn die Drehzahldifferenzen oberhalb eines vorgebbaren Schwellwertes liegen, die Riemenvorspannung entsprechend gesteuert werden. Alternativ kann die Riemenvorspannung eingestellt werden, indem sie durch Erhöhung der Riemenvorspannung bis zum Unterschreiten einer vorgebbaren Schlupfschwelle geregelt wird. Die vorgebbare Schlupfschwelle kann beispielsweise 3% Schlupf oder weniger betragen. Die Riemenvorspannung kann auch auf andere Art gesteuert oder geregelt werden. Durch die gezielte aktive Einstellung der Riemenvorspannung kann ein Schlupfrisiko deutlich verringert werden und damit die Lebensdauer des Riementriebs, insbesondere des elastischen Riemens, erhöht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die den Riementrieb beeinflussende Größe alternativ eine Stellung eines Riemenspanners des Riementriebs sein, die zu einem Zeitpunkt erhalten wird, zu dem der Riementrieb außer Betrieb ist, d.h. wenn der Riementrieb insbesondere stillsteht, bzw. zu dem die Antriebsmaschine insbesondere stillsteht. Die Stellung des Riemenspanners ist vorzugsweise eine Position einer Spannrolle eines verstellbaren Riemenspanners. Sie kann abhängig von der Form des Riemenspanners aus einem Zustand eines Stellglieds, beispielsweise eines Elektromotors oder eines anderen Aktuators, bestimmt werden. Die Betriebsgröße kann dann ein Steuersignal für eine Anzeige zum Anzeigen eines Verschleißzustands des elastischen Riemens und/oder ein Steuersignal zum Anfordern eines Notbetriebs des Riementriebs umfassen.
In manchen Ausführungsbeispielen kann in Abhängigkeit der Stellung des Riemenspanners eine Längenveränderung des elastischen Riemens gegenüber einer ursprünglichen Länge des elastischen Riemens bestimmt werden und die Betriebsgröße in Abhängigkeit der Längenveränderung bestimmt werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Längenveränderung ermittelt werden, während die Antriebsmaschine, insbesondere die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, stillsteht, insbesondere wenn die Drehzahl der abtreibenden Riemenscheibe 0 U/min beträgt.
Zum Beispiel kann aus der Längenänderung eine Riemenqualität bzw. ein Verschleißfortschritt des Riemens abgeleitet werden. In Abhängigkeit der Riemenqualität bzw. des Verschleißfortschritts kann dann ein Überwachungssignal als Betriebsgröße erzeugt werden, um einem Nutzer die Riemenqualität bzw. den Verschleißfortschritt anzuzeigen. Zum Beispiel kann, wenn die Riemenqualität einen Grenzwert unterschreitet, ein Warnsignal ausgegeben werden. Es kann also eine Verschleißerkennung und in Abhängigkeit dieser ein aktives Anzeigen eines Wechselintervalls zum Wechseln des elastischen Riemens ermöglicht werden. Somit kann ein vorbeugender Riemenwechsel angezeigt werden, falls abzusehen ist, dass anderweitig vorgegebene Zeit- oder Kilometerintervalle nicht mehr erreicht werden können und es sind somit keine starren Wechselintervalle, die den kritischen Betrieb berücksichtigen müssen, mehr nötig. Außerdem kann eine Fehlermeldung bei extremer Verschleißrate (infolge kurzfristig zu erwartenden Riemenausfalls) ausgegeben werden, beispielsweise infolge einer Beschädigung durch einen durch den Riementrieb durchgeschliffenen Stein oder infolge eines Fabrikationsfehlers des elastischen Riemens.
Zusätzlich oder alternativ können in Abhängigkeit der Riemenqualität bzw. des Verschleißfortschritts Steuersignale für das Einleiten von motorischen Notlaufmaßnahmen insbesondere bei hohem Verschleiß oder hoher Verschleißrate als Betriebsgröße bestimmt werden. Zum Beispiel kann eine Maximal- oder Minimaldrehzahl begrenzt werden, ein Motormoment insbesondere bei Drehzahlen mit hoher Drehungleichförmigkeit begrenzt werden, eine Dynamikbegrenzung bei einer Ab- bzw. Zuschaltung von Verbrauchern (beispielsweise eines Generators, einer Klimaanlage oder eines anderen anzutreibenden Aggregats) eingeleitet werden, ein abweichendes Schaltprogramm Automatikgetriebe gewählt werden, eine Start-Stopp-Automatik unterdrückt werden und/oder dergleichen.
Die beschriebene Überwachung der Riemenqualität kann mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen bzw. Einstellen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens innerhalb eines Riementriebs kombiniert werden. Dadurch kann die Lebensdauer des elastischen Riemens durch eine zuverlässige Überwachung und eine variable Riemenvorspannung verlängert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs mit einem elastischen Riemen, der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet. Der Riementrieb kann wie oben ausführlich beschrieben ausgebildet sein. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, eine den Riementrieb beeinflussende Größe kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu erhalten und eine Betriebsgröße des Riementriebs zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe zu bestimmen. Der Riementrieb ist insbesondere dazu ausgebildet, das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs auszuführen.
Das Steuergerät kann beispielsweise eine Motorsteuerung sein. Das Steuergerät kann einen Prozessor, insbesondere einen Mikroprozessor, zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens zum Betreiben eines Riementriebs aufweisen. Das Steuergerät kann außerdem einen Speicher, beispielsweise einen Datenspeicher, aufweisen, in dem Grenzwerte und zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens zum Betreiben des Riementriebs notwendige Parameter und Informationen hinterlegt sein können. Weiterhin kann das Steuergerät einen Dateneingang zum Empfangen von Messdaten, Betriebszustandsinformationen und/oder anderen Parametern und einen Datenausgang zum Ausgeben der Betriebsgröße und anderer Informationen aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens, der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet. Die Vorrichtung umfasst einen verstellbaren Riemenspanner und eine in dem Riemenspanner verbaute Vorrichtung zum Bestimmen der Riemenvorspannung des elastischen Riemens. Der Riemenspanner kann beispielsweise eine Spannrolle aufweisen, deren Position mittels eines Stellglieds verstellt werden kann. Die Vorrichtung zum Bestimmen der Riemenvorspannung des elastischen Riemens kann eine Vorrichtung zum Erkennen einer von einem E-Aktuator benötigen Stromstärke, eine integrierte Messdose, ein Piezoelement oder eine Vorrichtung zur Riemeneigenfrequenzmessung im Luftschall oder eine andere zum Bestimmen der Riemenvorspannung geeignete Vorrichtung sein.
Mit einer einstellbaren Riemenvorspannung des Riemens und einer Vorrichtung, welche auf Grund ihrer Bauart die statische Riemenvorspannung des Riemens jederzeit messen kann, werden für ein Neben- oder Steuertriebssystem neue Funktionen möglich, beispielsweise die Erkennung der Riemenlängenänderung durch Verschleiß über die Laufzeit infolge einer Änderung der Stellung des Riemenspanners bei stehendem Motor, eine Motorkennfeld-getriebene aktive Steuerung der Riemenvorspannung oder Regelung auf einen kennfeldbasierten Sollwert und/oder eine Schlupfkompensation.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Riementriebs;
2 ein Flussdiagramm eines ersten Verfahrens zum Einstellen einer Riemenvorspannung;
3 einen schematischen Zusammenhang zwischen einer Drehzahl und der Riemenvorspannung;
4 einen schematischen Zusammenhang zwischen einer Aktivierung eines Klimakompressors und der Riemenvorspannung;
5 einen schematischen Zusammenhang zwischen einer Scheibenwischereinstellung und der Riemenvorspannung;
6 ein Flussdiagramm eines zweiten Verfahrens zum Einstellen einer Riemenvorspannung;
7 einen schematischen Zusammenhang zwischen einer Außentemperatur und der Riemenvorspannung;
8 eine schematische Darstellung eines ersten Riemenspanners;
9 eine schematische Darstellung eines zweiten Riemenspanners; und
10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen einer Riemenvorspannung.

1 zeigt beispielhaft eine schematische, stark vereinfachte Darstellung eines Riementriebs 1 eines Kraftfahrzeugs. Der Riementrieb 1 weist einen elastischen Riemen 10 in Form eines umlaufenden Keilrippenriemens auf, der eine antreibende Riemenscheibe 11, die fest mit einer Kurbelwelle eines Antriebsmotors (nicht gezeigt) gekoppelt ist, eine erste abtreibende Riemenscheibe 12, die mit einem Klimakompressor (nicht gezeigt) gekoppelt ist, und eine zweite abtreibende Riemenscheibe 13, die mit einem Starter-Generator (nicht gezeigt) gekoppelt ist, teilweise umschlingt und so die antreibende Riemenscheibe, die erste abtreibende Riemenscheibe 12 und die zweite abtreibende Riemenscheibe 13 miteinander verbindet. Der Riementrieb 1 weist weiterhin eine Spannrolle 14 eines verstellbaren Riemenspanners auf, die ebenfalls von dem Riemen teilumschlungen ist. Zum Einstellen einer Riemenvorspannung kann eine Position der Spannrolle 14 variiert werden, wodurch es zu einer Änderung der Riemenvorspannung kommt. Die Anordnung der Komponenten des Riementriebs in 1 kann variieren und es können gegebenenfalls andere und/oder weitere Nebenaggregate in den Riementrieb eingebunden sein.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines ersten Verfahrens 2 zum dynamischen Einstellen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens eines Riementriebs, beispielsweise des in 1 dargestellten Riementriebs 1.
Bei 20 wird kontinuierlich während des Betriebs des Riementriebs ein Betriebszustand des Riementriebs oder eine Umgebungsbedingung des Riementriebs bestimmt.
Bei 21 wird in Abhängigkeit des Betriebszustands des Riementriebs und/oder der Umgebungsbedingung des Riementriebs dynamisch eine Riemenvorspannung bestimmt.
Bei 22 wird die bestimmte Riemenvorspannung dann eingestellt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Drehzahl der Kurbelwelle als Betriebszustand des Riementriebs von einer Motorsteuerung empfangen. Die Riemenvorspannung wird dann in Abhängigkeit der Drehzahl bestimmt. Dazu kann beispielsweise ein Kennfeld herangezogen werden, das einen Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle und der Riemenvorspannung angibt. Ein Beispiel eines solchen Zusammenhangs ist schematisch in 3 gezeigt. Wie aus 3 ersichtlich, nimmt die Riemenvorspannung σ_eR mit steigender Drehzahl erst langsam, dann schneller und anschließend wieder langsamer bis auf eine minimale Riemenvorspannung σ_eR,min ab. Zur Bestimmung der Vorspannung können jedoch auch andere Verläufe der Riemenspannung über der Drehzahl verwendet werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird erkannt, ob ein anzutreibendes Aggregat, hier der Klimakompressor, aktiviert ist oder nicht, und abhängig von dem erkannten Ergebnis die Riemenvorspannung bestimmt. Wie in 4 dargestellt, kann die Riemenvorspannung σ_eR bei deaktiviertem Klimakompressor bis zum Zeitpunkt t_akt , zu dem der Klimakompressor aktiviert wird, einen Wert σ_eR,norm und ab dem Zeitpunkt t_akt bei aktiviertem Klimakompressor einen Wert σ_eR,add annehmen. Anstatt zum Zeitpunkt t_akt kann die Riemenvorspannung auch 10 ms bis 500 ms vor dem Zeitpunkt t_akt angehoben werden, um einem Schlupf beim Zuschalten des anzutreibenden Aggregats sicher zu vermeiden.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird eine Stellung eines Betätigungselements zum Betätigen eines Scheibenwischers erkannt, die eine Luftfeuchtigkeit widergibt. Die Riemenvorspannung wird dann in Abhängigkeit der Stellung des Betätigungselements bestimmt. Wie in 5 dargestellt, kann das Betätigungselement vier verschiedene Stellungen x₀ , x₁ , x₂ , x₃ einnehmen, wobei der Scheibenwischer in der Stellung x₀ des Betätigungselements deaktiviert ist und in der Stellung x₃ bei maximaler Geschwindigkeit betriebenen wird. Die Riemenvorspannung σ_eR steigt stufenweise mit der Änderung der Stellung des Betätigungselements von der Stellung x₀ , in der der Scheibenwischer deaktiviert ist und eine geringe Luftfeuchtigkeit herrscht, zu der Stellung x₃ , in der sich der Scheibenwischer bei maximaler Geschwindigkeit bewegt und eine hohe Luftfeuchtigkeit herrscht.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können beliebig miteinander oder anderen Anhängigkeiten des elastischen Riemens kombiniert werden. Beispielsweise kann die Riemenvorspannung in Abhängigkeit des Zustands des Klimakompressors und der Luftfeuchtigkeit bestimmt werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines zweiten Verfahrens 3 zum dynamischen Einstellen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens eines Riementriebs, beispielsweise des in 1 dargestellten Riementriebs 1.
Bei 30 wird zu Beginn des Betriebs des Riementriebs ein Betriebszustand des Riementriebs oder eine Umgebungsbedingung des Riementriebs bestimmt.
Bei 31 wird in Abhängigkeit des Betriebszustands des Riementriebs und/oder der Umgebungsbedingung des Riementriebs eine Riemenvorspannung bestimmt.
Bei 32 wird die bestimmte Riemenvorspannung dann dynamisch eingestellt.
In einem vierten Ausführungsbeispiel wird zu Beginn des Betriebs des Riementriebs eine Außentemperatur bestimmt. In Abhängigkeit der Außentemperatur wird dann die Riemenvorspannung bestimmt. Wie in 7 dargestellt, steigt die Riemenvorspannung σ_eR bei Temperaturen T₁ ≥ 0°C zum Zeitpunkt t₀ , der den Beginn des Betriebs des Riementriebs anzeigt, auf eine Riemenvorspannung σ_eR,norm an und bleibt anschließend konstant. Bei Temperaturen -10 °C < T₂ < 0°C steigt die Riemenvorspannung bei t₀ auf eine um 10% der Riemenvorspannung σ_eR,norm erhöhte Riemenvorspannung an und fällt nach 1 min bei t₁ auf die Riemenvorspannung σ_eR,norm . Bei Temperaturen T₂≤ -10 °C steigt die Riemenvorspannung bei t₀ auf eine um 20% der Riemenvorspannung σ_eR,norm erhöhte Riemenvorspannung an und fällt nach 2 min bei t₂ auf die Riemenvorspannung σ_eR,norm .
Das erste Verfahren und das zweite Verfahren können beliebig miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann die Riemenvorspannung in Abhängigkeit des Zustands des Klimakompressors und in Abhängigkeit der Außentemperatur bestimmt werden. Es ist auch möglich, die Riemenvorspannung in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit und der Außentemperatur zu bestimmen. Es sind auch noch weitere Kombinationen möglich.
8 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Riemenspanners 4 mit einer integrierten Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens eines Riementriebs, beispielsweise des in 1 dargestellten Riementriebs 1. Der Riemenspanner 4 weist eine schwenkbare Halterung 40 auf, an der die Spannrolle 14 drehbar angeordnet ist. Zum Verstellen der Riemenvorspannung bzw. der Position der Spannrolle 14 ist ein Elektromotor 41 vorgesehen, der eine Gewindespindel 42 antreibt, an der eine Stellmutter 43 angebracht ist. Die Stellmutter 43 ist durch eine Drehung der Gewindespindel 42 in vertikaler Richtung bewegbar (dargestellt durch einen Doppelpfeil). Die Stellmutter 43 ist über ein gelenkiges Verbindungsglied 44 so mit der schwenkbaren Halterung 40 verbunden, dass sich durch die Bewegung der Stellmutter 43 eine Position der Spannrolle 14 variieren lässt.
Der Riemenspanner 4 weist weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung des elastischen Riemens auf. Die Vorrichtung ist als Strommessgerät 45 zum Messen einer Stromstärke ausgebildet, das in einem Stromkreis des Elektromotors 41 des Riemenspanners 4 verbaut ist. Aus der Stromstärke lässt sich die Position der Stellmutter 43 und damit der Spannrolle 14 bzw. die Riemenvorspannung des elastischen Riemens ableiten.
Alternativ zu dem Strommessgerät 45 kann auch eine integrierte Messdose 46 vorgesehen sein, die eine Kraft zum Verändern der Position der Spannrolle misst, wie bei dem in 9 dargestellten Riemenspanner 4'.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 5 zum Überwachen einer Riemenvorspannung eines elastischen Riemens eines Riementriebs, beispielsweise des in 1 dargestellten Riementriebs 1 mittels des in 8 dargestellten Riemenspanners 4.
Bei 50 wird bei stillstehendem Riementrieb eine Änderung einer Position der Spannrolle gegenüber einer Position der Spannrolle bei stillstehendem Riementrieb vor der ersten Benutzung des elastischen Riemens bestimmt. Dazu wird mittels des Strommessgeräts eine Stromstärke gemessen, mit der Stromstärke bei stillstehendem Riementrieb vor der ersten Benutzung des elastischen Riemens verglichen und die Änderung der Position der Spannrolle berechnet.
Bei 51 wird aus der Änderung der Position der Spannrolle bei stillstehendem Riementrieb eine Längenveränderung des elastischen Riemens gegenüber einer ursprünglichen Riemenlänge, d.h. einer Riemenlänge des elastischen Riemens vor dessen erster Benutzung, bestimmt.
Bei 52 wird die Längenveränderung mit einem Grenzwert verglichen.
Bei 53 wird, wenn der Grenzwert erreicht wird, ein Überwachungssignal ausgegeben, das einem Nutzer anzeigt, dass der elastische Riemen beispielsweise innerhalb eines bestimmten Streckenintervalls gewechselt werden muss.
Bei 54 wird, wenn der Grenzwert erreicht wird, ein Notbetrieb des Riementriebs eingeleitet. Dazu wird der Betrieb des Antriebsmotor so begrenzt, dass ein schonender Betrieb des Riementriebs möglich ist.
Anstelle des Vergleichs mit einem Messwert bei 52 kann die Längenveränderung auch mit verschiedenen Grenzwerten verglichen werden. Entsprechend kann das Überwachungssignal bei Erreichen eines ersten Grenzwerts ausgegeben werden und der Notbetrieb bei Erreichen eines zweiten Grenzwertes erreicht werden.
Das Verfahren 5 kann analog mittels des in 9 dargestellten Riemenspanners 4' ausgeführt werden, wobei die Längenänderung des elastischen Riemens dann aus der gemessen Kraft zum Verändern der Stellung des Spannrolle bestimmt wird.
Das Verfahren 5 kann beliebig mit dem ersten und dem zweiten Verfahren zum Betreiben des Riementriebs kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Riementrieb
10: elastischer Riemen
11: antreibende Riemenscheibe
12: erste abtreibende Riemenscheibe
13: zweite abtreibende Riemenscheibe
14: Spannrolle
2: erstes Verfahren zum dynamischen Einstellen einer Riemenvorspannung
20: Bestimmen eines Betriebszustands oder einer Umgebungsbedingung kontinuierlich während des Betriebs des Riementriebs
21: dynamisches Bestimmen einer Riemenvorspannung
22: Einstellen der bestimmten Riemenvorspannung
3: zweites Verfahren zum dynamischen Einstellen einer Riemenvorspannung
30: Bestimmen eines Betriebszustands oder einer Umgebungsbedingung zu Beginn des Betriebs des Riementriebs
31: Bestimmen einer Riemenvorspannung
32: dynamisches Einstellen der bestimmten Riemenvorspannung
4: verstellbarer Riemenspanner
40: schwenkbare Halterung
41: Elektromotor
42: Gewindespindel
43: Stellmutter
44: gelenkiges Verbindungsglied
45: Strommessgerät
5: Verfahren zum Überwachen einer Riemenvorspannung
50: Bestimmen einer Änderung einer Position der Spannrolle bei stillstehendem Riementrieb
51: Bestimmen einer Längenveränderung des elastischen Riemens
52: Vergleichen der Längenveränderung mit einem Grenzwert
53: Ausgeben eines Überwachungssignals
54: Einleiten eines Notbetrieb des Riementriebs
σ_eR, σ_eR,norm, σ_eR,add, σ_eR,min: Riemenvorspannungen
n: Drehzahl
t, t_akt, t₀, t₁, t₂: Zeitpunkte
x_SW, x₀, x₁, x₂, x₃: Stellungen eines Betätigungselements für einen Scheibenwischer
T₁, T₂, T₃: Temperaturen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10225268 A1 [0004]
DE 102012020967 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Riementriebs (1) mit einem elastischen Riemen (10), der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, wobei eine den Riementrieb beeinflussenden Größe kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erhalten wird (20, 30, 50); und eine Betriebsgröße des Riementriebs zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe bestimmt wird (21, 31, 53, 54).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die den Riementrieb beeinflussende Größe einen Betriebszustand des Riementriebs (n, t_akt) und/oder eine Umgebungsbedingung (x_sw, T) des Riementriebs enthält; und die Betriebsgröße eine einzustellende Riemenvorspannung (σ_eR) des elastischen Riemens (10) ist, die von dem Betriebszustand des Riementriebs (n, t_akt) und/oder der Umgebungsbedingung des Riementriebs (x_sw, T) abhängig ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Betriebszustand des Riementriebs (n, t_akt) einen Betriebszustand der Antriebsmaschine, einen Betriebszustand des anzutreibenden Aggregats, eine Anforderung eines vorgegebenen Betriebszustands des anzutreibenden Aggregats aufweist; und/oder die Umgebungsbedingung (x_sw, T) eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Umgebungstemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die den Riementrieb beeinflussende Größe kontinuierlich während eines Betriebs des Riementriebs (1) erhalten wird (20); und die einzustellende Riemenvorspannung kontinuierlich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riemen beeinflussenden Größe bestimmt wird (21).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Riemenspannung zu einem Zeitpunkt eines Wechsels des Betriebszustands des Riementriebs oder vor dem Zeitpunkt des Wechsels des Betriebszustands des Riementriebs variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die den Riementrieb beeinflussende Größe zu dem vorgegebenen Zeitpunkt bei einem Betriebsbeginn (to) des Riementriebs (1) und/oder während eines Betriebs des Riementriebs erhalten wird (30); und die einzustellende Riemenvorspannung für einen vorgegebenen Zeitraum nach dem Betriebsbeginn und/oder nach dem vorgegebenen Zeitpunkt in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riemen beeinflussenden Größe bestimmt wird (31).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die bestimmte einzustellende Riemenvorspannung (σ_eR) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die den Riementrieb beeinflussende Größe eine Stellung eines Riemenspanners (4) des Riementriebs (1) ist, die zu einem Zeitpunkt erhalten wird, zu dem der Riementrieb (1) außer Betrieb ist; und die Betriebsgröße ein Steuersignal für eine Anzeige zum Anzeigen eines Verschleißzustands des elastischen Riemens (10) und/oder ein Steuersignal zum Anfordern eines Notbetriebs des Riementriebs (1) umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in Abhängigkeit der Stellung des Riemenspanners eine Längenveränderung des elastischen Riemens (10) gegenüber einer ursprünglichen Länge des elastischen Riemens (10) bestimmt wird und die Betriebsgröße in Abhängigkeit der Längenveränderung bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Längenveränderung ermittelt wird, während die Antriebsmaschine stillsteht.
Steuergerät zum Betreiben eines Riementriebs (1) mit einem elastischen Riemen (10), der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, das dazu ausgebildet ist, eine den Riementrieb beeinflussende Größe kontinuierlich oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu erhalten (20, 30, 50); und eine Betriebsgröße des Riementriebs zeitgleich in Abhängigkeit der erhaltenen, den Riementrieb beeinflussenden Größe zu bestimmen (21, 31, 53, 54).
Vorrichtung zum Bestimmen einer Riemenvorspannung (σ_eR) eines elastischen Riemens (10), der eine Antriebsmaschine mit einem anzutreibenden Aggregat verbindet, umfassend: einen verstellbaren Riemenspanner (4); und eine in dem Riemenspanner verbaute Vorrichtung (45, 46) zum Bestimmen der Riemenvorspannung des elastischen Riemens.