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Die Erfindung betrifft einen Riemenscheibenentkoppler zur Antriebsmomentübertragung vom Riemen eines Nebenaggregate-Riementriebs auf die Welle eines der Nebenaggregate, mit:
- - einer auf der Welle zu befestigenden Nabe,
- - einer auf der Nabe drehbar gelagerten Riemenscheibe,
- - und einer im Antriebsmomentfluss zwischen der Riemenscheibe und der Nabe angeordneten Reihenschaltung aus einem Schlingband und einer vom Schlingband umschlossenen Schraubendrehfeder, die sich jeweils unter Übertragung des Antriebsmoments radial aufweiten.
Dabei verspannt sich das Schlingband mit einem ersten Wicklungsabschnitt gegen einen ersten Innenmantel, der gegenüber der Riemenscheibe drehfest ist, und/oder mit einem zweiten Wicklungsabschnitt gegen einen zweiten Innenmantel, der gegenüber der Riemenscheibe drehbar ist.
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Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten, die von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine in deren Nebenaggregate-Riementrieb eingeleitet werden, können bekanntlich durch Riemenscheibenentkoppler kompensiert werden, die im Englischen üblicherweise als Decoupler bezeichnet und typischerweise als Generator-Riemenscheibe ausgebildet sind. Das Schlingband dient als Einwegkupplung, die im geschlossenen Zustand das Antriebsmoment von der Riemenscheibe auf die Nabe überträgt, wobei die Elastizität der mit dem Schlingband in Reihe geschalteten Entkopplerfeder die aus dem Riementrieb stammenden Drehungleichförmigkeiten glättet. Bei verzögert rotierender Riemenscheibe öffnet das Schlingband, wobei - dann umgekehrt - kein nennenswertes Drehmoment von der Nabe auf die Riemenscheibe übertragen werden kann, so dass die träge Generatorwelle die Riemenscheibe überholen kann.
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Gattungsgemäße Riemenscheibenentkoppler sind beispielsweise aus
DE 10 2015 202 527 B3 ,
DE 10 2015 224 608 A1 und
DE 10 2016 211 558 A1 bekannt. Die mit dem übertragenen Antriebsmoment zunehmende Aufweitung der Schraubendrehfeder wird durch den Innenmantel des Schlingbands begrenzt, das sich ebenfalls in maximal aufgespreiztem Reibeingriff befindet. Nach Überschreiten des dabei übertragenen Grenzantriebsmoments steigt die effektive Federkennlinie des Riemenscheibenentkopplers sprunghaft an, da eine weitere Aufweitung der Schraubendrehfeder durch das Schlingband blockiert ist.
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Die mit dem übertragenen Antriebsmoment zunehmende mechanische Belastung der Schraubendrehfeder kann bekanntlich durch Hülsen beschränkt werden, die in dem radialen Zwischenraum zwischen der Schraubendrehfeder und dem Schlingband verlaufen, um den Freiraum für die radiale Aufweitung der Schraubendrehfeder zu begrenzen. Derartige Riemenscheibenentkoppler sind beispielsweise aus
US 7,975,821 B1 und
US 2013/0217524 A1 bekannt. Bei diesen Entkopplern verspannt sich das Schlingband lediglich gegen den mit der Riemenscheibe drehfesten ersten Innenmantel, während das mit der Schraubendrehfeder gekoppelte Schlingbandende formschlüssig in einem Mitnehmer eingehangen ist, der das Antriebsmoment in die Schraubendrehfeder einleitet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Federcharakteristik eines Riemenscheibenentkopplers der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll das Schlingband die Schraubendrehfeder mit Windungsabschnitten umschließen, die im antriebsmomentfreien Zustand zum ersten Innenmantel und/oder zum zweiten Innenmantel radial beabstandet sind, wobei die sich radial aufweitende Schraubendrehfeder das Schlingband unter Verkleinerung des Radialabstands der Windungsabschnitte zum ersten Innenmantel und/oder zum zweiten Innenmantel aufspreizt.
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Erfindungsgemäß wirkt das Schlingband selbst als Bandage, die der Aufweitung der Schraubendrehfeder einen elastischen Widerstand entgegensetzt. Dieser Widerstand führt dazu, dass die effektive Federsteifigkeit des Riemenscheibenentkopplers über die Federsteifigkeit der Schraubendrehfeder hinaus ansteigt, sobald die Schraubendrehfeder die radial abstehenden Windungsabschnitte des Schlingbands elastisch aufspreizt. Damit kann auf die im Stand der Technik bekannten Hülsen verzichtet werden, die als Biegespannungsbegrenzer der Schraubendrehfeder in dem Ringraum zwischen der Schraubendrehfeder und dem Schlingband angeordnet ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkopplers für den im Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine angeordneten Generator dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 den Riemenscheibenentkoppler in perspektivischer Teilschnittdarstellung;
- 2 den Riemenscheibenentkoppler im Längsschnitt;
- 3 die Schraubendrehfeder des Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung;
- 4 das Schlingband des Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer Einzelteildarstellung;
- 5 das Schlingband in axialer Draufsicht;
- 6 eine charakteristische Kennlinie des vom Riemenscheibenentkoppler übertragenen Antriebsmoments.
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Die 1 und 2 zeigen den Riemenscheibenentkoppler 1 in verschiedenen Schnittdarstellungen. Eine hohlzylindrische Riemenscheibe 2, deren vom Riemen umschlungener Außenmantel 3 der Poly-V-Form des Riemens entsprechend profiliert ist, wird vom Riemen in der in 1 eingezeichneten Drehrichtung angetrieben. Die Riemenscheibe 2 ist drehbar auf einer Nabe 4 gelagert, die fest mit der Generatorwelle verschraubt wird. Hierzu hat die Nabe 4 im Mittelabschnitt ein Innengewinde 5 und am generatorfernen, vorderen Endabschnitt einen Innenvielzahn 6 als Eingriffskontur für das Schraubwerkzeug. Die Lagerung der Riemenscheibe 2 auf der Nabe 4 erfolgt am generatorseitigen Ende radial und axial mittels eines Wälzlagers und am generatorfernen Ende radial mittels eines Gleitlagers. Das Wälzlager ist ein einreihiges und beidseitig abgedichtetes Kugellager 7, und das Gleitlager ist ein Radiallagerring 8 aus Polyamid, der mit dem Innenmantel der Riemenscheibe 2 in unmittelbarem Gleitkontakt steht.
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Die Riemenscheibe 2 hat am generatorfernen Ende eine im Durchmesser gestufte Erweiterung 9, in die nach dem Verschrauben des Riemenscheibenentkopplers 1 auf die Generatorwelle eine Schutzkappe 10 eingeschnappt wird.
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Die für die Funktion des Riemenscheibenentkopplers 1 wesentlichen Komponenten sind eine als Schlingband 11 ausgebildete Einwegkupplung und eine - bezüglich des Antriebsmomentflusses von der Riemenscheibe 2 auf die Nabe 4 - mit dem Schlingband 11 in Reihe geschaltete Schraubendrehfeder 12. Die Schraubendrehfeder 12 erstreckt sich im wesentlichen koaxial zur Drehachse 13 des Riemenscheibenentkopplers 1, wobei das Schlingband 11 radial zwischen der Riemenscheibe 2 und der Schraubendrehfeder 12 angeordnet ist und folglich die Schraubendrehfeder 12 umschließt. Die Schraubendrehfeder 12 hat einen trapezförmigen Drahtquerschnitt, und das Schlingband 11 hat einen rechteckigen Drahtquerschnitt.
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Sowohl das rechts gewickelte Schlingband 11 als auch die links gewickelte Schraubendrehfeder 12 haben beidseitig schenkellose Enden, die das Schlingband 11 bzw. die Schraubendrehfeder 12 bei der Übertragung des Antriebsmoments radial aufweiten. Dabei verspannt sich ein im Antriebsmomentfluss seitens der Riemenscheibe 2 verlaufender erster Wicklungsabschnitt des Schlingbands 11 gegen einen zylindrischen ersten Innenmantel 14, der gegenüber der Riemenscheibe 2 drehfest ist. Der erste Innenmantel 14 ist durch eine erste Hülse 15 gebildet, die in der Riemenscheibe 2 mittels eines Pressverbands befestigt ist. Ein im Antriebsmomentfluss seitens der Schraubendrehfeder 12 verlaufender zweiter Wicklungsabschnitt des Schlingbands 11 verspannt sich gegen einen zylindrischen zweiten Innenmantel 16, der gegenüber der Riemenscheibe 2 drehbar ist.
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Der zweite Innenmantel 16 ist durch eine zweite Hülse 17 gebildet, die in der ersten Hülse 15 drehbar gelagert ist und deren Innenmantel 16 den gleichen Radius R1 wie der erste Innenmantel 14 hat.
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Das von der Riemenscheibe 2 eingeleitete Antriebsmoment wird durch Haftreibung zwischen der ersten Hülse 15 und dem Schlingband 11 einerseits und zwischen dem Schlingband 11 und der zweiten Hülse 17 andererseits in die Schraubendrehfeder 12 eingeleitet und von dort aus auf die Nabe 4 übertragen. Die auf die zweite Hülse 17 wirkenden Axialkräfte der Schraubendrehfeder 12 werden über einen Gleitlagerring 18 am Innenring 19 des Kugellagers 7 abgestützt.
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Das antriebseitige Federende 20 der in 3 als Einzelteil dargestellten Schraubendrehfeder 12 liegt an einem mit der zweiten Hülse 17 drehfesten Federteller 21 an, und das abtriebseitige Federende 22 liegt an einem mit der Nabe 4 drehfesten Federteller 23 an. Der antriebseitige Federteller 21 ist Teil der als Blechumformteil hergestellten zweiten Hülse 17. Der abtriebseitige Federteller 23 ist ebenfalls einteilig mit der Nabe 4 ausgebildet und hat am Außenmantel eine Umlaufnut 24, die den Radiallagerring 8 axial einfasst. Die beiden Federteller 21, 23 haben jeweils der stirnseitigen Kontur der Schraubendrehfeder 12 entsprechend eine axial rampenförmig ansteigende und an einer umfänglichen Stufe zurückspringende Federanlagefläche. Das von der Riemenscheibe 2 auf die Nabe 4 übertragene Antriebsmoment wird über den Druckkontakt zwischen den umfänglichen Stirnseiten 25 und 26 der Federenden 20 bzw. 22 und den - in den Figuren nicht sichtbaren - Stufen der Federteller 21 bzw. 23 übertragen.
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Das Schlingband 11 ermöglicht ein Überholen der Generatorwelle und der darauf befestigten Nabe 4 gegenüber der Riemenscheibe 2. In diesem Zustand zieht sich das Schlingband 11 auf seinen (unbelasteten) Ausgangsdurchmesser zusammen und rutscht in einer oder beiden Hülsen 15, 17 durch, wobei sich das dann übertragbare Drehmoment auf das Gleitreibmoment zwischen den beiden durchrutschenden Kontaktpartnern reduziert. Die Gleitreibung bewirkt, dass ein oder beide Federenden 20, 22 der Schraubendrehfeder 12 mit einem Reibmoment beaufschlagt werden, das die Federenden 20, 22 in die axial ansteigende Umfangsrichtung der Federanlageflächen an den Federtellern 21 bzw. 23 beaufschlagt. Dieser unerwünschte Rampenhochlauf der Schraubendrehfeder 12 wird durch einen sogenannten Anti-ramp-up Mechanismus verhindert. Dabei bilden die Federenden 20, 22 mit den Federtellern 21 bzw. 23 gegenseitige Drehanschläge, die seitens der Schraubendrehfeder 12 durch miteinander identische Aussparungen 27 an den Federenden 20, 22 und seitens der Federanlageflächen durch - in den Figuren nicht sichtbare - Vorsprünge auf den Federtellern 21, 23 gebildet sind. Diese Drehanschläge ermöglichen es, dass sich auch im Überholbetrieb des Riemenscheibenentkopplers 1 trotz des dann wirkenden Gleitreibmoments die relative Umfangsposition der Federenden 20, 22 gegenüber den Federtellern 21, 23, wie sie im Antriebsmoment übertragenden Druckkontakt vorliegt, nicht oder nicht wesentlich verändert.
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Die 4 und 5 zeigen eine erfindungsgemäße Formgebung des dort als Einzelteil dargestellten Schlingbands 11, das die Schraubendrehfeder 12 mit einer von der vollkommenen Zylinderform abweichenden Wicklung umschließt. In Zusammenschau mit 2 wird deutlich, dass das Schlingband 11 Windungsabschnitte 28 aufweist, die im antriebsmomentfreien Zustand des Riemenscheibenentkopplers 1 zum ersten Innenmantel 14 und zum zweiten Innenmantel 16 radial beabstandet sind. Das Schlingband 11 weist weitere Windungsabschnitte 29 auf, die sich mit dem ersten Innenmantel 14 und dem zweiten Innenmantel 16 in permanentem Reibkontakt befinden. Die Windungsabschnitte 28 und die weiteren Windungsabschnitte 29 sind in alternierender Folge, also miteinander abwechselnd angeordnet, wobei es sich bei den Schlingbandenden 30 und 31 um die sich in permanentem Reibkontakt befindlichen, weiteren Windungsabschnitte 29 handelt.
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In einer nicht dargestellten Alternativausführung kann eines der beiden Schlingbandenden 30, 31 von der Kreisform abweichen und formschlüssig mit der Riemenscheibe 2 bzw. mit der zweiten Hülse 17 verbunden sein. In einer solchen Ausführung wäre lediglich der zweite Innenmantel 14 bzw. der erste Innenmantel 16 existent, gegen den sich das alternativ ausgeführte Schlingband verspannt.
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Vorliegend sind die Windungsabschnitte 28 mit dem Radius R2 als auch die weiteren Windungsabschnitte 29 mit dem Radius R1 kreisbogenförmig, wobei die Beziehung R2>R1 gilt. In einer nicht dargestellten Alternativausführung können beispielsweise die radial beabstandeten Windungsabschnitte 28 gerade, d.h. auf einer Sekante durch den zylindrischen Hüllkreis des Schlingbands 11 verlaufen.
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Der radiale Abstand zwischen der Schraubendrehfeder 12 und dem Schlingband 11 ist bezüglich der weiteren Windungsabschnitte 29 lokal um das Maß reduziert, um das der dortige Windungsabschnitt 28 radial zum ersten Innenmantel 14 bzw. zum zweiten Innenmantel 16 beabstandet ist. Dieser reduzierte Abstand bewirkt, dass die unter Übertragung des Antriebsmoments sich radial aufweitende Schraubendrehfeder 12 das Schlingband 11 elastisch aufspreizt, so dass sich der Radialabstand der Windungsabschnitte 28 zum ersten Innenmantel 14 und/oder zum zweiten Innenmantel 16 so lange verkleinert, bis sich - bei entsprechend hohem Antriebsmoment - sowohl die weiteren Windungsabschnitte 29 als auch die Windungsabschnitte 28 in vollständigem Kontakt mit dem ersten Innenmantel 14 und dem zweiten Innenmantel 16 befinden.
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6 zeigt den dazugehörigen Drehmomentverlauf des Riemenscheibenentkopplers 1 als Diagramm, in dem eine charakteristisch ansteigende Kennlinie des Antriebsmoments T über dem relativen Drehwinkel α der Riemenscheibe 2 gegenüber der Nabe 4 aufgetragen ist. Die Kennlinie hat zwischen den Drehwinkeln P0 und P1 einen relativ flachen Verlauf, da sich in diesem Drehwinkelbereich die Schraubendrehfeder 12 ungehindert, d.h. ohne oder ohne nennenswertes Aufspreizen des Schlingbands 11 aufweitet. Folglich korrespondiert dieser flache Verlauf mit der Torsionssteifigkeit der Schraubendrehfeder 12.
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Die Kennlinie hat in dem sich daran bis zum Drehwinkel P2 anschließenden Drehwinkelbereich einen Gradienten, der gegenüber der dort in Verlängerung gepunktet dargestellten Kennlinie der Schraubendrehfeder 12 deutlich größer ist. Dieser erhöhte Gradient entspricht der effektiven Torsionssteifigkeit des Riemenscheibenentkopplers 1, die in dem Winkelbereich zwischen P1 und P2 aufgrund der radialen Verschaltung der sich aufweitenden Schraubendrehfeder 12 und des von dieser aufgespreizten Schlingbands 11 größer als die bloße Torsionssteifigkeit der Schraubendrehfeder 12 ist. Das Schlingband 11 wirkt dort als zusätzliche Feder, die ab dem Drehwinkel P2 quasi in Parallelschaltung zur Schraubendrehfeder 12 das Antriebsmoment von der Riemenscheibe 2 auf die Nabe 4 überträgt. Damit kann der Riemenscheibenentkoppler 1 in einem vergleichsweise großen Drehwinkelbereich - vorliegend zwischen P1 und P2 - bei gleicher Aufweitung und folglich gleichen Materialspannungen der Schraubendrehfeder 12 ein höheres Antriebsmoment übertragen.
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Ab dem Verdrehwinkel P2 ist das Schlingband 11 im wesentlichen vollständig aufgespreizt und befindet sich in vollumfänglichem Kontakt mit dem ersten Innenmantel 14 und dem zweiten Innenmantel 16. In dieser Blockstellung umschließt das Schlingband 11 die maximal aufgeweitete und vollumfänglich darin anliegende Schraubendrehfeder 12 praktisch unelastisch, so dass die Schraubendrehfeder 12 gemäß des dann zu P3 nahezu senkrecht ansteigenden Gradienten ein weiter erhöhtes Antriebsmoment ohne nennenswerte weitere Torsion überträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Riemenscheibenentkoppler
- 2
- Riemenscheibe
- 3
- Außenmantel der Riemenscheibe
- 4
- Nabe
- 5
- Innengewinde
- 6
- Innenvielzahn
- 7
- Kugellager
- 8
- Radiallagerring
- 9
- Erweiterung
- 10
- Schutzkappe
- 11
- Schlingband
- 12
- Schraubendrehfeder
- 13
- Drehachse
- 14
- erster Innenmantel
- 15
- erste Hülse
- 16
- zweiter Innenmantel
- 17
- zweite Hülse
- 18
- Gleitlagerring
- 19
- Innenring
- 20
- antriebseitiges Federende
- 21
- antriebseitiger Federteller
- 22
- abtriebseitiges Federende
- 23
- abtriebseitiger Federteller
- 24
- Umlaufnut
- 25
- Stirnseite des Federendes
- 26
- Stirnseite des Federendes
- 27
- Aussparung
- 28
- Windungsabschnitt
- 29
- weiterer Windungsabschnitt
- 30
- Schlingbandende
- 31
- Schlingbandende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015202527 B3 [0003]
- DE 102015224608 A1 [0003]
- DE 102016211558 A1 [0003]
- US 7975821 B1 [0004]
- US 2013/0217524 A1 [0004]
