DE102017216247A1

DE102017216247A1 - Spannvorrichtung und Zugmitteltrieb mit einer Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE102017216247A1
Application number: DE102017216247.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Westphal; Ekkehard Pott; Christian Harke; Michael Reinhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb (10) mit einer zentrisch gelagerten Spannrolle (24) und einem permanent in einer Spannrichtung auf die Spannrolle (24) wirkenden Haupt-Spannelement (26) zur Erzeugung einer gewünschten Maximal-Vorspannkraft, wobei ein dem Haupt-Spannelement (26) entgegenwirkendes Aktorelement (28) sowie eine Aktorelement-Steuerung vorgesehen sind, mittels welchen die wirksame Vorspannkraft bedarfsweise reduzierbar ist. Die Erfindung betrifft auch einen Zugmitteltrieb mit einem umlaufenden Zugmittel (12) und einer auf dieses Zugmittel (12) wirkenden Spannvorrichtung (22).

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Zugmitteltrieb mit einer solchen Spannvorrichtung, insbesondere in Form eines Riemenstartergenerators eines Motors, beispielsweise in Form einer Verbrennungskraftmaschine. Diesbezüglich wird explizit auf Verbrennungskraftmaschinen Bezug genommen, die in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, insbesondere in Kraftfahrzeugen. In diesem Zusammenhang wird besonders auf als Fahrzeugantrieb in Kraftfahrzeugen dienende Verbrennungskraftmaschinen verwiesen.
Für die unterschiedlichen Betriebsmodi von Zugmitteltrieben, insbesondere von Riemenstartergeneratoren (Motorstart kalt/warm, generatorischer Betrieb, Rekuperationsbetrieb, Boostbetrieb, Klimakompressor ein/aus etc.) sind zur Übertragung der Leistung unterschiedliche Riemenvorspannungen erforderlich. Ist die Riemenvorspannung höher als erforderlich, führt dies zu unnötigen Verlustleistungen (z.B. verursacht durch eine erhöhte Lagerreibung) sowie zu erhöhtem Verschleiß und damit zu kürzeren Wechselintervallen des Riemens. Ist die Vorspannung des Zugmittels zu niedrig, so wird die übertragbare Leistung reduziert, und es kann zu Schlupf und wiederum zu Verschleiß kommen.
Aus DE 198 22 632 A1 ist eine Zugmittelspanneinrichtung bekannt, mit der ein Zugmittel in einem stufenlosen Zugmittelgetriebe mit einem Variator zum Antrieb von Nebenaggregaten gespannt werden kann. Zum Spannen des Zugmittels ist eine auf einem Kreisbogen bewegbare, drehbar gelagerte Rolle vorgesehen. Für den Fall, dass der Variator ausfällt, ist das Spannelement derart ausgelegt, dass es in eine Endlage verfahrbar ist, in der das Zugmittel maximal gespannt ist. Dazu soll das Spannelement eine bedarfsweise lösbare Magnetkupplung aufweisen. Es sind somit zwei unabhängige Spannvorrichtungen vorgesehen, die beide dazu in der Lage sind, das Zugmittel zu spannen. Nachteilig an dieser Zugmittelspanneinrichtung ist, dass ein hoher Bauraumbedarf besteht und die Herstellungskosten für die Realisierung der Fail-Safe-Funktion hoch sind. Mangels einer entsprechenden Beschreibung muss davon ausgegangen werden, dass bei Ausfall der Magnetkupplung die Spanneinrichtung versagt und keinen sicheren Betrieb mehr ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb sowie einen Zugmitteltrieb, insbesondere in Form eines Riemenstartergenerators, zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Variabilität und eine hohe Ausfallsicherheit ermöglichen und deren Herstellungskosten dennoch gering sind.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb umfasst eine zentrisch gelagerte Spannrolle und ein permanent in einer Spannrichtung auf die Spannrolle wirkendes Haupt-Spannelement zur Erzeugung einer gewünschten Maximal-Vorspannkraft. Bei dem Haupt-Spannelement handelt es sich insbesondere um ein mechanisches Haupt-Spannelement. Zusätzlich zu dem Haupt-Spannelement sind ein dem Haupt-Spannelement entgegenwirkendes Aktorelement sowie eine Aktorelement-Steuerung vorgesehen, mittels welchen die wirksame Vorspannkraft bedarfsweise reduzierbar ist.
Unter einem Zugmitteltrieb wird dabei eine Anordnung aus mindestens zwei Umlenkelementen, wie z.B. Riemenscheiben oder Zahnräder, und ein diese Umlenkelemente umlaufendes Zugmittel verstanden. Als Zugmittel wird insbesondere auf Riemen oder Ketten verwiesen. Die Erfindung ist sowohl mit kraftschlüssigen Zugmitteln, wie z.B. mit Flachriemen oder Keilriemen, als auch mit formschlüssigen Zugmitteln, wie z.B. Zahnriemen oder Ketten, realisierbar.
Wie eingangs bereits erwähnt, werden während des Betriebes von Zugmitteltrieben in Abhängigkeit des aktuellen Betriebsmodus unterschiedlich hohe Mindest-Vorspannkräfte benötigt, wobei die Vorspannung in bekannter Art und Weise mittels einer zentrisch gelagerten Spannrolle erzeugt und variiert werden kann. Bei einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung bewirkt das Haupt-Spannmittel eine auf die Spannrolle in eine das Zugmittel spannende Richtung wirkende Vorspannkraft, wobei - bei inaktivem Aktor - eine gewünschte Maximal-Vorspannkraft die Spannrolle ausgeübt wird. Diese Maximal-Vorspannkraft ist erfindungsgemäß so gewählt, dass sie die maximal während des Betriebes des Zugmitteltriebes benötigte Vorspannkraft bereitstellt. Wenn es sich bei dem Zugmitteltrieb um einen Riemenstartergenerator einer Verbrennungskraftmaschine handelt, wird die maximale Vorspannkraft üblicherweise während des Starts der Verbrennungskraftmaschine benötigt. Durch ein bedarfsweise steuerbares, der Kraftrichtung des Haupt-Spannelementes entgegenwirkendes Aktorelement kann die Vorspannkraft bedarfsweise in Abhängigkeit des aktuellen Betriebsmodus so weit reduziert werden, dass die resultierende Vorspannkraft ein geeignetes Niveau aufweist. So kann mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung in einem Zugmitteltrieb jeweils eine bedarfsgerechte Vorspannung des Zugmittels erzeugt und diese variabel angepasst werden. Die Steuerung der Vorspannung erfolgt dabei über die Aktorelement-Steuerung, insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebsmodus. Dies kann bei einem Motor, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere dadurch realisiert sein, dass in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes innerhalb des Motorkennfeldes bestimmte, vorgegebene Aktorstellungen realisiert werden.
Optional kann als weiterer Parameter zur Steuerung der Riemenspannung eine etwaige Längung des Zugmittels berücksichtigt oder erfasst werden, indem mit zunehmender Längung des Zugmittels die von dem Aktorelement bereitgestellte Kraft insbesondere so reduziert wird, dass die tatsächliche Vorspannung unabhängig von einer Längung des Zugmittels ungefähr gleich bleibt oder exakt eingestellt wird.
Dazu kann die Steuerung insbesondere auf gespeicherte Daten (beispielsweise auf der Grundlage von statistisch erfassten Werten ermittelte Daten) zurückgreifen, auf deren Grundlage, insbesondere abhängig von , der Betriebsdauer und/oder abhängig von dem Alter des Zugmittels zusätzliche Steuerparameter bereitstellt und berücksichtigt werden. In diesem Fall kann die Vorspannung auch im Falle einer Längung des Zugmittels weitestgehend konstant gehalten werden.
Alternativ kann die Steuerung so ausgelegt sein, dass sie die aus der Kraft des Haupt-Spannelements und aus der mit dem Aktorelement bereitgestellte resultierende Soll-Vorspannkraft exakt einstellt. In diesem Fall kann eine etwaige Längung des Zugmittels durch die sich aufgrund der Längung ändernde, von dem Aktorelement benötigte Leistung bzw. Stromstärke betragsmäßig ermittelt werden.
Alternativ oder in Ergänzung zu den vorstehenden Methoden - insbesondere in Ergänzung zu der beschriebenen Variante, gemäß welcher auf gespeicherte Daten zurückgegriffen wird - kann mittels einer Kraftmessvorrichtung, mittels eines Piezoelementes und/oder mittels einer akustischen Messung die Zugmitteleigenfrequenz ermittelt werden, um basierend auf einer sich ändernden Zugmitteleigenfrequenz Rückschlüsse auf eine tatsächliche Längung des Zugmittels zu ziehen. Im Falle einer ergänzenden Ermittlung der Zugmitteleigenfrequenz kann die Ermittlung in relativ großen Zeitintervallen (beispielsweise nur einmal wöchentlich, einmal monatlich oder einmal quartalsweise oder jährlich) erfolgen, um das Erfordernis einer - ggf. vorzeitigen - Wartung anzuzeigen und/oder um die Steuerung basierend auf den bei der Eigenfrequenzermittlung gewonnenen Erkenntnissen zu optimieren. So kann beispielsweise nach jeder Eigenfrequenzermittlung eine entsprechende Korrektur vorgenommen und/oder ein Wartungshinweis ausgegeben werden, wenn die ermittelte Eigenfrequenz außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
Die übertragbare Kraft bzw. das übertragbare Moment hängen - insbesondere bei kraftschlüssigen Zugmitteltrieben - gemäß der Euler-Eytelwein-Gleichung im Wesentlichen vom Umschlingungswinkel und der Spannkraft des Zugmittels ab. Mittels der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung kann die Vorspannkraft - wenn gewünscht jederzeit - bedarfsweise eingestellt werden, um einen besonders effizienten Zugmitteltrieb zur Verfügung zu stellen. Dies ermöglicht es, hohe Spannkräfte als Maximal-Vorspannkraft bereitzustellen, insbesondere wenn diese nur für kurze Betriebsphasen (z.B. den Start eines Riemenstartergenerators) benötigt werden. Dementsprechend können erfindungsgemäße Spannvorrichtungen zur Bereitstellung einer Maximal-Vorspannkraft auch in Verbindung mit Umschlingungswinkeln von weniger als 180° realisiert werden. Dadurch entstehen erhebliche Freiräume bei der Gestaltung erfindungsgemäßer Spannvorrichtungen, insbesondere im Vergleich zu bekannten Zugmitteltrieben, die Umschlingungswinkel von mehr als 190°, mehr als 200° oder sogar mehr als 210° aufweisen. Auch können bei einem reduzierten Umschlingungswinkel von weniger als 180° zusätzliche Spannrollen entfallen, welche sonst zur Realisierung eines größeren Umschlingungswinkels benötigt werden. Durch die verringerte Anzahl an Spannrollen werden die Reibung im Zugmitteltrieb und damit der Energieverbrauch reduziert. Bei kleinen Umschlingungswinkeln ist auch die Biegearbeit des Riemens reduziert, wodurch der Verschleiß und die Verlustleistung des Riemens gering gehalten werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist die Möglichkeit, auf einen Kurbelwellendecoupler zu verzichten. Aufgrund der Möglichkeit, mittels der Steuerung für den jeweiligen Betriebsmodus eine bedarfsgerechte Vorspannkraft für Zugmittel zur Verfügung stellen zu können, kann diese Einstellmöglichkeit auch dazu genutzt werden, seitens der Kurbelwelle entstehenden, in den Riemen eingeleiteten Drehschwingungen durch Anpassung der Vorspannkraft mit einer geeigneten Dämpfung entgegenzutreten. Auf einen zusätzlichen Schwingungsdämpfer, insbesondere in Form eines sogenannten Kurbelwellendecouplers, kann dadurch im Einzelfall verzichtet werden, wodurch der benötigte Bauraum und das Gewicht eines Zugmitteltriebes reduziert werden können.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist die Erzielung einer sehr hohen Ausfallsicherheit, d.h. die Realisierung einer sogenannten Fail-Safe-Funktion. Die Anordnung einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist so gewählt, dass es bei einem Ausfall des Aktorelementes und/oder der Aktorelement-Steuerung durch die Auslegung und Anordnung des Haupt-Spannelementes sichergestellt ist, dass dann die gewünschte Maximal-Vorspannkraft auf die Spannrolle ausgeübt wird. Selbst dann können dementsprechend alle Betriebsmodi - auch die mit den höchsten zu übertragenden Kräften bzw. Momenten - realisiert werden. Dementsprechend ermöglicht es eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung, auf einen zusätzlichen Ritzelstarter zu verzichten. Wenn die Spannvorrichtung Teil eines Riemenstartergenerators einer Verbrennungskraftmaschine - insbesondere ohne Ritzelstarter - ist, wird das Zugmittel im Ruhezustand derart maximal gespannt, dass für einen Start der Verbrennungskraftmaschine sicher eine ausreichende Vorspannung eingestellt ist. Dies wird mittels des Haupt-Spannelementes bewirkt.
Eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung ist insoweit insbesondere für einen Zugmitteltrieb in Form eines Riemenstartergenerators geeignet. Ein Riemenstartergenerator umfasst dabei insbesondere als Umlenkelemente für den als Zugmittel dienenden Riemen, mindestens eine Kurbelwellenriemenscheibe und mindestens eine Generatorriemenscheibe. In Ergänzung dazu können optional noch ein, zwei, drei oder mehr weitere Umlenkelemente vorgesehen sein, beispielsweise zum Antrieb von Nebenaggregaten oder sonstigen Elementen dienende Umlenkelemente. Als Nebenaggregate können unter anderem ein Klimakompressor, eine Wasserpumpe und/oder eine Lenkhilfspumpe vorgesehen sein. Unter einem Riemenstartergenerator sind insbesondere solche Riementriebe zu verstehen, die -je nach Betriebsmodus - von der Kurbelwelle oder vom Generator angetrieben werden können. Dadurch verändern sich insbesondere das jeweilige Lasttrum und das Leertrum, so dass an unterschiedlichen Positionen unterschiedliche Riemenspannungen entstehen bzw. erforderlich sind.
Bei einem Riemenstartergenerator müssen - insbesondere während des Motorstarts - große Kräfte bzw. Momente mittels des Riemens übertragen werden, um die Kurbelwelle anzutreiben. Das Lasttrum ist in diesem Fall in Umlaufrichtung des Zugmittels betrachtet vor dem antreibenden Generator. Das heißt, es wird eine erhöhte Vorspannung auf das Zugmittel im Bereich des Leetrums hinter dem Generator benötigt.
Auch für den Rekuperationsbetrieb ist teilweise bei umgekehrter Antriebsrichtung eine Übertragung großer Kräfte bzw. Momente erforderlich. In diesem Fall treibt die Kurbelwelle den Generator an. In diesem Betriebsmodus ist das Lasttrum in Umlaufrichtung des Zugmittels betrachtet unmittelbar vor der Kurbelwellenscheibe.
In den meisten anderen Betriebsmodi genügt eine reduzierte Spannkraft des Zugmittels, insbesondere eines Riemens. Die tatsächlich benötigte Spannkraft hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von einer ein- oder ausgeschalteten Klimaanlage, ein- oder ausgeschalteten elektrischen Verbrauchern und von der aktuell geforderten Motorleistung. Um eine - im Vergleich zu der Maximal-Vorspannkraft - reduzierte Spannkraft zu erzielen, kann mittels der Aktorelement-Steuerung über das Aktorelement eine der Maximal-Vorspannkraft entgegen gerichtete Kraft erzeugt werden, so dass die resultierende, auf die Spannrolle wirkende Kraft nur einem Teilbetrag des Betrages der maximalen Vorspannkraft entspricht.
Aufgrund von niedrigen Herstellungskosten, einer guten Verfügbarkeit und einer sehr hohen Ausfallsicherheit ist als Haupt-Spannelement ein mechanisches Spannelement besonders bevorzugt, insbesondere ein rein mechanisches Spannelement, das unabhängig von elektrisch betriebenen Teilelementen permanent wirkend ist. Als Beispiel für ein solches Haupt-Spannelement wird insbesondere auf Zugfedern und Druckfedern verwiesen, insbesondere in Form von Schraubenfedern. Dabei kann das Haupt-Spannelement eine solche Feder oder mehrere solche Federn aufweisen.
Die Zugfedern und/oder Druckfedern können dabei derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie die gewünschte Maximal-Vorspannkraft unmittelbar auf die Spannrolle ausüben. Die Maximal-Vorspannkraft wirkt dann - ggf. über ein Verbindungselement - direkt auf die Spannrolle. Wenn kein entgegenwirkendes Aktorelement die Vorspannkraft reduziert, wirkt die Maximal-Vorspannkraft - abgesehen von Verlusten - vollständig in die Spannrolle eingeleitet. Besonders vorteilhaft ist, dass im Falle eines inaktiven oder ausgefallenen Aktorelements und auch im Falle einer inaktiven oder ausgefallenen Aktorelement-Steuerung stets die Maximal-Vorspannkraft auf die Spannrolle wirkt (Fail-Safe).
Bei dem Aktorelement kann es sich insbesondere um ein hydraulisch und/oder elektrisch und/oder pneumatisch angetriebenes Aktorelement handeln. Ein solches Aktorelement kann in Verbindung mit der Aktorelement-Steuerung angetrieben werden und bedarfsweise die Maximal-Vorspannkraft reduzieren.
Als Beispiel für ein elektrisches Aktorelement wird auf einen Motor verwiesen, beispielsweise auf einen Motor, welcher im aktivierten Zustand auf eine mechanische Feder derart einwirken kann, dass die Feder sich bei aktiviertem Motor teilweise entspannt. Die Auslegung muss dabei zur Realisierung der beschriebenen Fail-Safe-Funktion derart erfolgen, dass bei einer beabsichtigten oder unbeabsichtigten Deaktivierung des Motors automatisch eine sichere Ruhestellung eingenommen wird. Dies kann beispielsweise mittels einer von einem Motor geeigneten Gewindestange oder mittels eines Linearmotors realisiert werden, wenn die Gewindestange bzw. der Linearmotor entsprechend ausgebildet und angeordnet sind.
Das Vorstehende gilt analog auch für andere Aktorelemente, d.h. bei einem Ausfall eines hydraulisch, elektrisch und/oder pneumatisch angetriebenen Aktorelements muss sichergestellt sein, dass die von dem Haupt-Spannelement erzeugte Maximal-Vorspannkraft automatisch und kurzfristig vollständig auf die Spannrolle einwirkt.
In einer praktischen Ausführungsform sind das Haupt-Spannelement und das Aktorelement auf die gleiche Achse wirkend oder auf parallele Achsen wirkend angeordnet. Dabei können das Haupt-Spannelement und das Aktorelement entweder beide an dem gleichen Angriffspunkt der Spannrolle, insbesondere an deren Drehachse, oder an verschiedenen Angriffspunkten unmittelbar an der Spannrolle angreifen.
Es ist darüber hinaus möglich, dass das Haupt-Spannelement und/oder das Aktorelement nur mittelbar auf die Spannrolle wirken, indem zwischen dem Spannelement und der Spannrolle und/oder zwischen dem Aktorelement und der Spannrolle ein weiteres relativbewegliches Element angeordnet ist, beispielsweise ein schwenkbar gelagertes Hebelelement, auf welches nachfolgend noch näher eingegangen wird.
Wenn das Haupt-Spannelement und das Aktorelement am gleichen Angriffspunkt unmittelbar auf die Spannrolle wirken, müssen die Wirkrichtungen des Haupt-Spannelementes und des Aktorelementes entgegensetzt orientiert sein. Dies kann durch einen Kraftangriff aus der gleichen Richtung erfolgen, indem das Haupt-Spannelement eine Zugkraft auf die Spannrolle ausübt und das Aktorelement eine Druckkraft. Alternativ kann auch das Haupt-Spannelement eine Druckkraft auf die Spannrolle ausüben und das Aktorelement eine Zugkraft. Wenn das Haupt-Spannelement und das Aktorelement aus verschiedenen Richtungen unmittelbar auf die Spannrolle einwirken, können auch beide eine Druckkraft oder beide eine Zugkraft ausüben.
In Ergänzung dazu wird noch auf die Möglichkeit hingewiesen, dass das Haupt-Spannelement und das Aktorelement (eines oder beide) derart angeordnet sein können, dass diese nur mittelbar auf die Spannrolle einwirken, beispielsweise über ein schwenkbar gelagertes Hebelelement. Ein solches Hebelelement kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn die Anordnung eines Haupt-Spannelements und/oder eines Aktorelements aufgrund von Bauraumrestriktionen nicht in der unmittelbaren Umgebung der Spannrolle möglich ist. Durch ein solches Hebelelement (oder ein anderes Zwischenelement) können auch Übersetzungen realisiert werden, beispielsweise eine Hebelwirkung ausgenutzt werden. Dadurch kann der Betrag einer tatsächlich aufzuwendenden Kraft bzw. eines tatsächlich aufzuwendenden Moments reduziert werden. Ein schwenkbar gelagerter Hebel kann insbesondere um die Drehachse eines Umlenkelements bzw. einer Riemenscheibe schwenkbar gelagert sein, insbesondere um die Drehachse der Generatorriemenscheibe oder um ein anderes gehäusefestes Element.
Alternativ dazu sind das Haupt-Spannelement und das Aktorelement auf einer gemeinsamen Wirkachse unmittelbar aufeinander einwirkend angeordnet. Insbesondere können das Haupt-Spannelement und das Aktorelement als kombinierte Linearspannvorrichtung ausgebildet sein, deren Vorspannkraft sich unmittelbar aus der Kraftdifferenz zwischen dem Haupt-Spannelement und dem Aktorelement ergibt. Eine solche Linearspannvorrichtung ist nicht nur relativ einfach herzustellen, sondern benötigt auch relativ wenig Bauraum.
Eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung kann auch derart ausgelegt sein, dass zusätzlich zu einer ersten Spannrolle eine zweite Spannrolle vorgesehen ist und die erste Spannrolle und die weite Spannrolle über einen Ω-Bügel miteinander verbunden sind. Das Haupt-Spannelement bewirkt dabei ein Spannen des Ω-Bügels und das Aktorelement wirkt einem Spannen des Ω-Bügels entgegen. Insbesondere kann ein Ω-Bügel in Verbindung mit einer ersten Spannrolle und einer zweiten Spannrolle unabhängig von einer vorstehend beschriebenen Anordnung ausgebildet sein, bei der das Haupt-Spannelement und das Aktorelement auf der gleichen Achse oder auf parallel zueinander wirkenden Achsen angeordnet sind.
Mittels des Haupt-Spannelements und des Aktorelements kann auf die Form des Ω-Bügels Einfluss genommen werden, insbesondere der Abstand von zwei an dem Ω-Bügel, insbesondere im Bereich der beiden jeweiligen Bügelenden, angeordneten Spannrollen vergrößert oder verringert werden. Dabei wird bei Verringerung des Abstandes eine erhöhte Spannkraft und bei Vergrößerung des Abstandes eine verringerte Spannkraft auf das Zugmittel ausgeübt.
Zusätzlich kann der Ω-Bügel optional verschwenkbar gelagert sein, so dass die Spannung je nach Betriebsmodus im Bereich des jeweiligen Leertrums erhöht werden kann. Eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung mit einem Ω-Bügel eignet sich insbesondere für einen Riemenstartergenerator. Durch den Wechsel zwischen dem Starterbetrieb und dem Rekuperationsbetrieb ergeben sich auch Leer- und Lasttrumwechsel, welche jeweils eine Spannung des Zugmittels an unterschiedlichen Seiten der Generatorriemenscheibe erfordern. Durch einen verschwenkbaren Ω-Bügel mit zwei Spannrollen, kann jeweils das Leertrum auf geeignete Art und Weise und mit einer jeweils angepassten Spannkraft gespannt werden.
Die Erfindung betrifft auch einen Zugmitteltrieb, wobei der Zugmitteltrieb ein umlaufendes Zugmittel und eine auf dieses Zugmittel wirkende, wie vorstehend beschriebene Spannvorrichtung aufweist. Hinsichtlich der Vorteile eines solchen Zugmitteltriebs wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Bei dem Zugmitteltrieb kann es sich insbesondere um einen Riemenstartergenerator handeln. Das Haupt-Spannelement ist dabei so gewählt, dass es die im Betrieb - insbesondere unter Berücksichtigung der während der Lebensdauer des Zugmitteltriebs bzw. Riemenstartergenerators auftretenden Elastizitäten - gewünschte Maximal-Vorspannkraft bereitstellt. Die Maximal-Vorspannkraft ist insbesondere während des Motorstarts einer Verbrennungskraftmaschine erforderlich, wobei die Riemen-Vorspannkraft zumindest auf der Grundlage einer maximal zulässigen Riemenlängung (ggf. mit Sicherheitszuschlag) ausgelegt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb ist insbesondere

a) das Haupt-Spannelement innerhalb des umlaufenden Zugmittels angeordnet und das Aktorelement außerhalb des umlaufenden Zugmittels angeordnet,
b) das Haupt-Spannelement außerhalb des umlaufenden Zugmittels angeordnet und das Aktorelement innerhalb des umlaufenden Zugmittels angeordnet oder
c) das Haupt-Spannelement und das Aktorelement beide innerhalb oder beide außerhalb des Zugmittels angeordnet.

Ein erfindungsgemäßer Zugmitteltrieb ist daher besonders flexibel im Hinblick auf die Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Auf die einzelnen Anordnungen in Verbindung mit der Art der Einwirkung des Haupt-Spannelements des Aktorelements auf die Spannrolle wird noch in Verbindung mit der Figurenbeschreibung eingegangen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs

a) ist der Umschlingungswinkel an mindestens einem Umlenkelement, und insbesondere an einer Kurbelwellenriemenscheibe eines RiemenStartergenerators kleiner als 180°,
b) ist der Zugmitteltrieb Teil eines Motors, und die Aktorelement-Steuerung erfolgt abhängig von dem Zustand des Motors, und/oder
c) ist eine Sensiereinheit und eine Auswerteeinheit zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von Funktionsparametern des Aktorelements vorgesehen.

Wie bereits vorstehend erläutert, ist ein geringer Umschlingungswinkel von maximal 180° vorteilhaft im Hinblick auf den benötigten Bauraum und Energieverbrauch. Vorzugsweise ist der Umschlingungswinkel an allen Umlenkelementen des Zugmitteltriebes kleiner als 180°.
Die Steuerung des Aktorelements gemäß b) erfolgt insbesondere motorkennfeldgeregelt, wenn es sich um eine Verbrennungskraftmaschine handelt, um jederzeit eine bedarfsgerechte Riemenspannung bereitzustellen. Dabei wir dem Zustand von funktional mit dem Zugmittel gekoppelten Elementen sowie dem aktuellen Zustand eines Motors Rechnung getragen, z.B. dem Zustand einer Klimaanlage (ein/aus), der Phase eines Motorstarts, der Phase eines Motorboosts, einem Rekuperationsbetrieb etc.
Die Sensiereinheit gemäß c) kann insbesondere in Form der Erfassung der jeweils benötigten Energie bzw. der Stromstärke für den Aktor realisiert sein, um so eine etwaig eingetretene Riemenlängung zu erfassen und quantitativ berücksichtigen zu können. So kann eine automatische Verschleißüberwachung und Wartungsaktualisierung des Zugmitteltriebes realisiert werden, und Wartungen können unabhängig von starren Wartungsintervallen ausschließlich oder zumindest auch abhängig vom tatsächlichen Riemenzustand erfolgen. Insbesondere können mittels einer geeigneten Sensiereinheit Riemenlängungen von weniger als 1% bezogen auf die Gesamtlänge des Riemens erfasst werden, vorzugsweise Riemenlängungen im Bereich von 0,3% bis 0,5%.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
2 einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
3a einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb mit einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung in einem ersten Betriebszustand,
3b den Zugmitteltrieb aus 3a in einem zweiten Betriebszustand der Spannvorrichtung,
3c den Zugmitteltrieb aus 3a und 3b in einem dritten Betriebszustand der Spannvorrichtung.

In den 1 bis 3 ist jeweils ein Zugmitteltrieb 10 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Es handelt es bei allen gezeigten Ausführungsformen um einen Riemenstartergenerator, der ein umlaufendes Zugmittel 12 in Form eines Riemens umfasst, wobei der Riemen jeweils exemplarisch um drei Umlenkelemente 14 geführt ist. Bei den Umlenkelementen 14 handelt es sich um eine Kurbelwellenriemenscheibe 16, eine Generatorriemenscheibe 18 und eine Klimakompressorriemenscheibe 20. Das Zugmittel 12 läuft in den gezeigten Ausführungsformen im Normalbetrieb des Zugmitteltriebes 10 gemäß den eingetragenen Pfeilen im Uhrzeigersinn.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Zugmitteltriebe 10 unterscheiden sich jeweils durch die konstruktive Gestaltung der jeweiligen Spannvorrichtung 22 für das Zugmittel 12.
Im Folgenden wird im Wesentlichen auf Einzelheiten und Unterschiede der jeweiligen Ausführungsformen der Spannvorrichtungen 22 und ihre Funktionsweisen eingegangen.
Zum Spannen des Zugmittels 12 ist in 1 eine erste Ausführungsform einer Spannvorrichtung 22 dargestellt, welche eine zentrisch gelagerte Spannrolle 24 umfasst. Auf die Spannrolle 24 wirkt ein Haupt-Spannelement 26, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Zugfeder ist. Das Haupt-Spannelement 26 übt eine permanente Maximal-Vorspannkraft in Richtung des Pfeils F_H unmittelbar auf die Spannrolle 24 aus. Diese Kraft bewirkt eine Bewegung der Spannrolle 24 in Richtung des Zugmittels 12 und somit ein Spannen des Zugmittels 12 (hier des Riemens) mittels der Spannrolle 24. Das Haupt-Spannelement 26 ist innerhalb des umlaufenden Zugmittels 12 angeordnet.
Zusätzlich zu dem Haupt-Spannelement 26 ist ein Aktorelement 28 vorgesehen, welches die maximale Vorspannkraft F_H bedarfsweise reduzieren kann. Bei dem Aktorelement 28 handelt es sich vorliegend um ein elektrisch angetriebenes Aktorelement 28. Das Aktorelement 28 ist über ein schwenkbar gelagertes Hebelelement 30 mittelbar mit der Spannrolle 24 verbunden und außerhalb des umlaufenden Zugmittels 12 angeordnet. Das Haupt-Spannelement 24 und das Aktorelement 28 wirken in dieser ersten Ausführungsform der Spannvorrichtung 22 entlang von parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Wirkachsen. Das Hebelelement 30 ist um die Drehachse der Generatorriemenscheibe 18 schwenkbar gelagert. Es umfasst drei gelenkig miteinander verbundene Hebelarme 32a, 32b, 32c, wobei der Hebelarm 32b T-förmig ausgebildet ist und die Hebelarme 32a, 32c hier stabartig ausgebildet sind. Aufgrund der gezeigten Gestaltung und Anordnung des Hebelelement 30 bewirkt die mittels des Aktorelements 28 erzeugte Kraft F_A eine der Kraft F_H des Haupt-Spannelements 24 entgegengesetzte Kraft. Die tatsächlich auf das Zugmittel wirkende Spannkraft ergibt sich insoweit aus der Differenz der Kraft F_H und der von dem Hebelarm 32c auf die Spannrolle 24 wirkenden Kraft, die von der Kraft F_A und dem Verhältnis den wirksamen Hebelarmen des Hebelelements 30 abhängt.
Um die maximale Vorspannkraft zu reduzieren, wird mittels des Aktorelementes 28 über das Hebelelement 30 eine Kraft auf den ersten Hebelarm 32c ausgeübt, welche der unmittelbar auf die Spannrolle wirkenden Kraft F_H unmittelbar entgegenwirkt. Die Spannrolle 24 wird in Abhängigkeit der tatsächlich wirkenden Spannkraft so um die Schwenkachse (hier: Drehachse der Generatorriemenscheibe 18) verschoben, dass sich ein Kräftegleichgewicht einstellt zwischen dem Zugmittel 12 (hier: Riemen) und der Spannrolle 24 einstellt.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Hebelelement 30 symmetrisch in Bezug auf die Schwenkachse ausgelegt. Mittels einer nicht dargestellten, nicht-symmetrischen Auslegung des Hebelelements kann optional noch die sich ergebende Hebelwirkung ausgenutzt werden, beispielsweise um ein Aktorelement 28 einzusetzen, das eine - im Vergleich zu der Ausführungsform in 1 - verringere Kraft aufbringen muss, um die gleiche Gegenkraft im Bereich der Spannrolle 24 zu erzeugen.
Zur Beschreibung von weiteren Ausführungsformen werden im Folgenden für identische oder zumindest funktionsgleiche Element die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in der vorstehenden Beschreibung der ersten Ausführungsform.
In 2 ist ebenfalls eine Spannvorrichtung 22 mit einer Spannrolle 24 vorgesehen, auf welche ein Haupt-Spannelement 26 und ein Aktorelement 28 wirkt. In dieser zweiten Ausführungsform der Spannvorrichtung 22 sind sowohl das Haupt-Spannelement 26 als auch das Aktorelement 28 innerhalb des umlaufenden Zugmittels 12 angeordnet.
Bei dem Haupt-Spannelement 26 handelt es sich hier um eine Zugfeder, die eine Kraft gemäß dem Pfeil F_H auf die Spannrolle 24 ausübt. Das Aktorelement 28 ist ein elektrisch betriebenes Aktorelement 28, mittels welchem zur Reduzierung der Vorspannkraft bedarfsweise eine Kraft gemäß dem Pfeil F_A auf die Spannrolle 24 ausgeübt werden kann. Das Haupt-Spannelement 26 und das Aktorelement 28 sind hier in Form einer Linearspannvorrichtung 34 ausgebildet. Bei dieser Linearspannvorrichtung wirken sowohl die Kraft F_A als auch die Kraft F_H unmittelbar auf die Spannrolle 24 ein, d.h. entlang der gleichen Wirkachse.
Wirkt bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen nur das Haupt-Spannelement 26 auf die Spannrolle 24, so wird das Zugmittel 12 mit der Maximal-Vorspannkraft F_H gespannt. Dies ist beispielsweise für den Start eines Motors notwendig, weil dann besonders große Kräfte bzw. Momente übertragen werden müssen. Während des Motorstarts treibt der Generator über die Generatorriemenscheibe 18 die Kurbelwelle an. Das Leertrum befindet sich dann in Umlaufrichtung des Zugmittels 12 betrachtet hinter der Generatorriemenscheibe 18, so dass in diesem Bereich bevorzugt eine erhöhte Spannkraft aufgebracht wird. In anderen Betriebsmodi, in denen nur eine geringere Kraftübertragung erforderlich ist, kann die Vorspannkraft reduziert werden. Dazu wird bedarfsweise eine Kraft F_A von dem Aktorelement 28 bereitgestellt. Durch die jeweils optimal eingestellte Vorspannkraft beträgt der Umschlingungswinkel an allen Umlenkelementen 14 hier nur etwa 180°.
In 3a bis 3c ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 22 dargestellt.
Die Spannvorrichtung 22 umfasst eine erste Spannrolle 24 und eine zweite Spannrolle 36, die mittels eines Ω-Bügels 38 miteinander verbunden sind. Der Ω-Bügel 38 ist vorliegend die Generatorriemenscheibe 18 umgreifend angeordnet. Der Abstand der an dem Ω-Bügel 38 angeordneten Spannrollen 24, 36 kann mittels des Haupt-Spannelements 26 verringert werden, um die Riemenspannung zu erhöhen. Das Haupt-Spannelement 26 ist dazu in der gezeigten Ausführungsform eine Druckfeder. Mittels des Aktorelementes 28, welches als ein elektrisches Zugelement ausgelegt ist, kann der Abstand der an dem Ω-Bügel 38 angeordneten Spannrollen 24, 36 vergrößert werden, um die Riemenspannung mittels des Ω-Bügels 38 zu reduzieren. Die wirksame Länge des Ω-Bügels 38 zwischen den beiden Spannrollen 24, 36 wird in der gezeigten Ausführungsform durch eine Anpassung der sich in Erstreckungsrichtung des Ω-Bügels 38 erstreckenden Länge des Haupt-Spannelements 26 bewirkt. Der Ω-Bügel 38 kann alternativ oder in Ergänzung auch eine Schiebehülse (nicht dargestellt) aufweisen, die - ähnlich wie bei der Weitenverstellung von Bügelkopfhörern - so angeordnet und funktional mit dem Haupt-Spannelement 26 und de Aktorelement 28 gekoppelt ist, dass die wirksame Länge des Schiebebügels nach Art einer Gleitführung durch teilweises Ineinanderschieben von zwei Abschnitten des Ω-Bügels 38 verringert und durch Auseinanderziehen wieder vergrößert werden kann. Wie in den 3a bis 3c zu erkennen, sind das Haupt-Spannelement 26 und das Aktorelement 28 in dieser Ausführungsform beide außerhalb des umlaufenden Zugmittels 12 angeordnet.
Wie aus einer Zusammenschau der 3a bis 3c ersichtlich ist, kann durch Erhöhung der Riemenspannung auch der Umschlingungswinkel des Zugmittels 12 um die Generatorriemenscheibe 18 vergrößert werden. Der Ω-Bügel 38 ist mittels eines Befestigungsarmes 40, der fest mit dem Ω-Bügel 38 verbunden ist, auch schwenkbar um die Generatorriemenscheibe 18 gelagert. Je nach Betriebsmodus des Zugmitteltriebes 10, d.h. je nach Position des Leertrums, kann so die Seite in Umlaufrichtung betrachtet vor der Generatorriemenscheibe 18 oder hinter der Generatorriemenscheibe 18 mit einer höheren Spannkraft beaufschlagt werden.
Der Fall eines Motorstarts ist in 3c gezeigt. In diesem Fall ist das Leertrum in Umlaufrichtung des Zugmittels 12 betrachtet hinter der Generatorriemenscheibe 18 und das Lasttrum vor der Generatorriemenscheibe 18 angeordnet. Um eine erhöhten Spannung auf das Leertrum auszuüben, ist der Ω-Bügel 38 in eine das Leertrum spannende Richtung, d.h. in Richtung der ersten Spannrolle 24 verschwenkt.
3b zeigt die Spannvorrichtung 10 während eines Rekuperationsbetriebes. In diesem Modus treibt die Kurbelwelle den Generator an, d.h. das Leertrum befindet sich zwischen der Kurbelwellenriemenscheibe 16 und der Generatorriemenscheibe 18. Der Ω-Bügel 38 ist daher in Richtung der zweiten Spannrolle 36 verschwenkt, die das Leertrum spannt.
In 3b und 3c ist jeweils eine hohe Kraftübertragung notwendig, wozu der Ω-Bügels 38 stark gespannt. In diesem Fall wird von dem Aktorelement 28 keine oder eine nur geringe Kraft ausgeübt, so dass ausschließlich oder überwiegend das Haupt-Spannelement 26 auf den Ω-Bügel 38 einwirkt.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Zugmitteltrieb
12: Zugmittel
14: Umlenkelement
16: Kurbelwellenriemenscheibe
18: Generatorriemenscheibe
20: Klimakompressorriemenscheibe
22: Spannvorrichtung
24: Spannrolle (erste)
26: Haupt-Spannelement
28: Aktorelement
30: Hebelelement
32a, 32b, 32c: Hebelarm
34: Linearspannvorrichtung
36: Spannrolle (zweite)
38: Ω-Bügel
40: Befestigungsarm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19822632 A1 [0003]

Claims

Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb (10) mit einer zentrisch gelagerten Spannrolle (24) und einem permanent in einer Spannrichtung auf die Spannrolle (24) wirkenden Haupt-Spannelement (26) zur Erzeugung einer gewünschten Maximal-Vorspannkraft, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Haupt-Spannelement (26) entgegenwirkendes Aktorelement (28) sowie eine Aktorelement-Steuerung vorgesehen sind, mittels welchen die wirksame Vorspannkraft bedarfsweise reduzierbar ist.
Spannvorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Haupt-Spannelement (26) eine Zugfeder und/oder eine Druckfeder umfasst und/oder b) das Aktorelement (28) hydraulisch und/oder elektrisch und/oder pneumatisch angetrieben ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupt-Spannelement (26) und das Aktorelement (28) auf die gleiche Achse wirkend oder auf parallel zueinander angeordnete Achsen wirkend angeordnet sind.
Spannvorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupt-Spannelement (26) und das Aktorelement (28) derart angeordnet sind, dass diese auf zwei unterschiedliche Angriffspunkte eines schwenkbar gelagerten Hebelelementes (30) wirken.
Spannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupt-Spannelement (26) und das Aktorelement (28) auf einer gemeinsamen Achse unmittelbar aufeinander wirkend angeordnet sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Spannrolle (36) vorgesehen ist und die erste Spannrolle (24) und die zweite Spannrolle (36) über einen Ω-Bügel (38) miteinander verbunden sind, wobei das Haupt-Spannelement (26) ein Spannen des Ω-Bügels (38) bewirkt und das Aktorelement (28) einem Spannen des Ω-Bügels (38) entgegenwirkt.
Zugmitteltrieb mit einem umlaufenden Zugmittel (12) und einer auf dieses Zugmittel (12) wirkenden Spannvorrichtung (22) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Zugmitteltrieb nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupt-Spannelement (26) so gewählt ist, dass es die im Betrieb unter Berücksichtigung der während der Lebensdauer des Zugmitteltriebes (12) auftretenden Elastizitäten maximal erforderliche Vorspannkraft bereitstellt.
Zugmitteltrieb nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Haupt-Spannelement (26) innerhalb des umlaufenden Zugmittels (12) angeordnet ist und das Aktorelement (28) außerhalb des umlaufenden Zugmittels (12) angeordnet ist, b) das Haupt-Spannelement (26) außerhalb des umlaufenden Zugmittels (12) angeordnet ist und das Aktorelement (28) innerhalb des umlaufenden Zugmittels (12) angeordnet ist oder c) das Haupt-Spannelement (26) und das Aktorelement (28) beide innerhalb oder beide außerhalb des Zugmittels (12) angeordnet sind.
Zugmitteltrieb nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Umschlingungswinkel an mindestens einem Umlenkelement (14) kleiner als 180° ist, b) der Zugmitteltrieb (10) Teil eines Motors ist und die Aktorelement-Steuerung abhängig von dem Zustand des Motors erfolgt und/oder c) eine Sensiereinheit und eine Auswerteeinheit zur Erfassung, Speicherung und Auswertung von Funktionsparametern des Aktorelements (28) vorgesehen sind.