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Die Erfindung betrifft einen Zugmittelspanner für einen Zugmitteltrieb, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Spannrolle mit einer Rollenachse, wobei die Spannrolle um die Rollenachse rotierbar auf einem Zugmittel derart abrollbar aufsetzbar ist, dass das Zugmittel umlenkbar und/oder spannbar ist;
- - einen Spannhebel mit einer Lagerachse, wobei auf dem Spannhebel die Spannrolle aufgenommen ist, wobei der Spannhebel um die Lagerachse schwenkbar ist und wobei der Spannhebel zwischen der Lagerachse und der Rollenachse einen Hebelarm bildet;
- - ein Federmittel, mittels welchem eine Spannkraft derart auf den Spannhebel aufgebbar ist, dass die Spannrolle um die Lagerachse gegen das Zugmittel schwenkbar ist;
- - und einen Aktor, mittels welchem eine Aktorkraft derart auf den Spannhebel aufbringbar ist, dass die Spannrolle um die Lagerachse gegen das Zugmittel schwenkbar ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum aktiven Betrieb eines solchen Zugmittelspanners, einen Zugmitteltrieb mit einem solchen Zugmittelspanner, sowie einen Antriebsstrang mit einem solchen Zugmitteltrieb.
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Gemäß dem Stand der Technik sind sogenannte P0-Mild-Hybride, bei welchen ein Starter-Generator vorgesehen ist, bekannt. Der Starter-Generator ist ein Elektromotor, welcher bevorzugt die konventionelle Lichtmaschine ersetzt und im Generatorbetrieb wie eine Lichtmaschine betreibbar ist, wobei mit diesem Elektromotor die Verbrennungskraftmaschine anlassbar ist. Anlassen bedeutet, dass dieser Elektromotor ein Starterdrehmoment abgibt, mit welchem die Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine aus dem Stand auf eine Mindestdrehzahl bringbar ist, ab welcher der befeuerte Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einsetzen kann. Es ist beispielsweise angestrebt, einen bisher vorgesehenen Ritzelstarter durch den Starter-Generator zum Anlassen über den Riementrieb vollständig zu ersetzen.
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Das übertragbare Drehmoment im Riementrieb ist von der Vorspannung des Riemens begrenzt. Eine hohe Vorspannung, aus welcher resultierend ein höheres Drehmoment übertragbar ist, bewirkt eine höhere Last auf den Reibflächen und Lagern und somit im übrigen Betriebsbereich unnötige Reibungsverluste.
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Nun ist angedacht, einen elektrischen Riemenspanner einzusetzen, welcher mittels eines Aktors in die Lage versetzt ist, die Riemenspannung gesteuert zu erhöhen. Dazu wirkt der Aktor auf die Spannrolle derart ein, dass diese den Riemen stärker umlenkt beziehungsweise quer in den Riemenverlauf eingefahren wird.
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Gemäß der
US 2015/0 275 751 A1 ist ein gesteuerter Spanner für einen Nebenaggregatetrieb und ein Nebenaggregatetrieb umfassend den genannten Spanner offenbart. Bei diesem soll gemäß Zusammenfassung eine Zugspannung im Riemen von einer Spannrolle aktiv gesteuert werden, indem eine zu einer Schwenkachse (A) konzentrische Schraubendrehfeder
7 von einem Aktuator
8 parallel unterstützt wird. Gemäß dortigem Absatz [0017] ist zur Gewährleistung eines ausreichenden Drehmoments von dem Aktuator
8 ein zweistufiges Planetengetriebe vorgesehen. Gemäß der Offenbarung umfasst der Spanner kein schwingungsdämpfendes Element zum Ausgleichen von Spannungsschwankungen im Riemen.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft einen Zugmittelspanner für einen Zugmitteltrieb, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Spannrolle mit einer Rollenachse, wobei die Spannrolle um die Rollenachse rotierbar auf einem Zugmittel derart abrollbar aufsetzbar ist, dass das Zugmittel umlenkbar und/oder spannbar ist;
- - einen Spannhebel mit einer Lagerachse, wobei auf dem Spannhebel die Spannrolle aufgenommen ist, wobei der Spannhebel um die Lagerachse schwenkbar ist und wobei der Spannhebel zwischen der Lagerachse und der Rollenachse einen Hebelarm bildet;
- - ein Federmittel, mittels welchem eine Spannkraft derart auf den Spannhebel aufgebbar ist, dass die Spannrolle um die Lagerachse gegen das Zugmittel schwenkbar ist;
- - und einen Aktor, mittels welchem eine Aktorkraft derart auf den Spannhebel aufbringbar ist, dass die Spannrolle um die Lagerachse gegen das Zugmittel schwenkbar ist, wobei der Aktor zu dem Federmittel parallel geschaltet ist.
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Der Zugmittelspanner ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass er eine Lageraufnahme mit einem sich von der Lagerachse radial weg erstreckenden Lagerhebel aufweist, wobei das Federmittel eine zur Lagerachse windschiefe Federachse aufweist und beabstandet zur Lagerachse an dem Lagerhebel abgestützt ist.
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Es wird im Folgenden auf die jeweilige Rotationsachse, beispielsweise die Rollenachse oder die Lagerachse, Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden.
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Der hier vorgeschlagene Zugmittelspanner weist einen Aktor auf, welcher elektrisch steuerbar, und bevorzugt als Elektromotor mit elektrischem Leistungsstrom oder Leistungsspannung als direkte Steuergröße beaufschlagt, mit Magnetkräften ein Drehmoment erzeugt. Alternativ ist der Aktor ein Drucknehmer und wird von einem Druckgeber mit einem Geberaktor beziehungsweise einer Hydraulikpumpe oder einem Pneumatikkompressor mit einem Druck versorgt. In letzterem Fall ist der Geberaktor des Druckgebers oder die Hydraulikpumpe beziehungsweise der Pneumatikkompressor und/oder ein Steuerventil elektrisch steuerbar; dann ist der Aktor des Zugmittelspanners mittelbar, nämlich entsprechend über ein Hydrauliksystem beziehungsweise ein Pneumatiksystem, elektrisch steuerbar.
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Der Zugmitteltrieb ist beispielsweise an einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet und in erster Linie (Hauptbetriebszustand) zum Versorgen von Nebenaggregaten vorgesehen. Hier hat der Zugmitteltrieb die zusätzliche Aufgabe, wie eingangs beschrieben ein Drehmoment von einem Starter-Generator auf die im Hauptbetriebszustand als Drehmomentquelle eingerichtete Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine zu übertragen, um die Abtriebswelle aus dem Stand auf die jeweils erforderliche Mindestdrehzahl zu beschleunigen. Zusätzlich ist es unter Umständen erwünscht, ein unterstützendes Drehmoment von dem Starter-Generator zuzugeben, was als Boosten bezeichnet wird. Das Zugmittel ist beispielsweise ein Riemen, bevorzugt ein Keilrippenriemen. Alternativ ist das Zugmittel beispielsweise ein Zahnriemen oder eine Kette.
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Die Spannrolle des Zugmittelspanners liegt auf dem Zugmittel auf, bevorzugt von außerhalb des auf den antreibenden und angetriebenen Rollen gebildeten Zugmittelrings. Solche Rollen sind beispielsweise der Abtriebswelle und der Generatorwelle des Starter-Generators drehmomentübertragend zugeordnet. Die Spannrolle ist um ihre Rollenachse rotierbar, sodass das Zugmittel mit geringen Reibungsverlusten infolge der mittels der Spannrolle eingebrachten Querkraft um lenkbar und/oder spannbar ist. Es sei darauf hingewiesen, dass eine von der Spannrolle eingebrachte Querkraft auf das Zugmittel in einer Umlenkung mit geringer oder vernachlässigbarer Erhöhung der Zugmittelspannung und auch eine Erhöhung der Zugmittelspannung mit geringer oder vernachlässigbarer Umlenkung vorliegen können. In der Regel treten aber sowohl eine Veränderung der Umlenkung und eine Veränderung der Zugmittelspannung auf, wenn die Querkraft verändert wird.
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Die Spannrolle ist an einem Ende eines Spannhebels gelagert beziehungsweise das Lager, beispielsweise Wälzlager, der Spannrolle ist an diesem Ende gehalten. Der Spannhebel wiederum weist eine Lagerachse auf, um welche der Spannhebel schwenkbar ist. Weil der Spannhebel einen Hebelarm zwischen der Lagerachse und der Rollenachse bildet, ist damit die Spannrolle schwenkbar. Die Spannrolle ist also entlang einer Kreisbahn mit der Lagerachse als Zentrum bewegbar. Die Querkraft auf das Zugmittel ist mittels der Verlagerung der Spannrolle auf der Kreisbahn, also dem Schwenkbogen, veränderbar.
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Für eine erwünschte Grundspannung in dem Zugmittel, beispielsweise für den Hauptbetriebszustand mit Drehmomentabgabe über die Abtriebswelle, ist ein Federmittel vorgesehen. Infolge der Spannkraft des Federmittels ist also die Spannrolle um die Lagerachse gegen das Zugmittel gedrückt. Das Federmittel ist bevorzugt justierbar eingerichtet, sodass Fertigungstoleranzen, Montagetoleranzen und Materialtoleranzen (vor allem des eingesetzten Zugmittels) ausgleichbar sind. Das Federmittel ist bevorzugt windschief zu der Lagerachse angeordnet, besonders bevorzugt als (über die Winkellage der Spannrolle veränderlich angeordnete) Sekante zum Schwenkbogen der Spannrolle angeordnet. Alternativ ist das Federmittel konzentrisch zu der Lagerachse angeordnet, beispielsweise als Schraubendrehfeder, als Bogenfeder oder als Federpaket(e) in einer Trägerscheibe, wobei das Federmittel dann axial in Reihe mit dem Aktor angeordnet ist.
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Damit die Zugmittelspannung aktiv veränderbar ist, ist ein Aktor gemäß der obigen Beschreibung vorgesehen. Auf ein elektrisches Signal hin ist eine Aktorkraft erzeugbar. Diese Aktorkraft wird auf den Spannhebel aufgebracht. Dadurch wird die Spannrolle um die Lagerachse gegen das betreffende Zugmittel geschwenkt. Die Aktorkraft wirkt zusätzlich oder ersetzend zu der Spannkraft des Federmittels auf den Spannhebel; und zwar wirkt die Aktorkraft parallel zu der Spannkraft, weil der Aktor zu dem Federmittel parallel geschaltet ist. Wird infolge der zugeschalteten Aktorkraft das Federmittel von einem entsprechenden Anschlag des Spannhebels (im Weiteren Spannanschlag) abgehoben, so wirkt die Aktorkraft ab diesem Zustand allein auf den Spannhebel. Bevorzugt bleibt das Federmittel mit dem Spannhebel in kraftübertragendem Kontakt und innerhalb eines auslegungsgemäßen vorgespannten Federwegs, also bei einer Ausführung als Druckfeder unter Drucklast. In diesem Fall wirkt der Aktor in allen aktiven Betriebszuständen beziehungsweise die Aktorkraft stets parallel zu der Spannkraft des Federmittels. Der Aktor wirkt also über einen separaten Aktoranschlag auf den Spannhebel. Damit ist der Zugmittelspanner mit einem insgesamt geringen Bauraum ausführbar.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass das Federmittel im aktiven Betriebszustand des Aktors entlastet wird. Die maximal benötigte Aktorkraft ist somit allein von der benötigten Vorspannkraft im Zugmittel abhängig, welche zum Starten des Motors in allen Betriebszuständen benötigt wird. Daraus wiederum resultiert eine geringe Baugröße des Aktors, woraus ein weiter verringerter benötigter Bauraum für den Zugmittelspanner resultiert.
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Der Zugmittelspanner kann ein hydraulisches Dämpferelement umfassen, sodass Spannungsschwankungen in dem Zugmittel nicht zu einem zu schnellen Reagieren und bevorzugt nicht zu einem Aufschwingen des Zugmittelspanners führen können. Ein zu schnell reagierender Zugmittelspanner bildet meist infolge der Trägheit nicht zur rechten Zeit eine ausreichende Gegenkraft und weicht einer übermäßigen Zugmittelspannung nicht zur rechten Zeit aus, sondern kann sogar eine Spannungsüberhöhung erzeugend der Zugmittelschwingung entgegenschwingen. Das Dämpferelement weist also neben einem (nahezu reinen) proportionalen, also (theoretisch) sprunghaften, Regelungsverhalten ein für die meisten Anwendungen notwendiges integratives, also zeitlich mittelndes, Regelungsverhalten auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Zugmittelspanners ist der Aktor:
- - als Hohlwellenmotor mit einer hohlen Betätigungswelle ausgeführt,
- - koaxial zu der Lagerachse angeordnet,
- - und unmittelbar auf einen Aktoranschlag des Spannhebels bei der Lagerachse wirkend eingerichtet.
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Der hier vorgeschlagene Aktor weist eine Hohlwelle auf, welche hier als Betätigungswelle bezeichnet wird, über welche ein Drehmoment um die Lagerachse von dem Aktor an den Spannhebel abgebbar ist. Bevorzugt ist der Aktor ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator drehmomentabgestützt ist und der Rotor mit der Betätigungswelle drehmomentsteif verbunden ist. Der Aktoranschlag ist (zumindest mittelbar) fest mit der Betätigungswelle verbunden oder bildet lediglich einen zu der Betätigungswelle losen Flansch beziehungsweise lose Nut, in welche das Drehmoment beziehungsweise die Aktorkraft des Aktors einleitbar ist, sodass damit der Spannhebel in Spannrichtung geschwenkt wird.
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Indem der Aktor koaxial zu der Lagerachse angeordnet ist, ist der dafür zusätzlich benötigte Bauraum gering. Es ist abgesehen von dem Bauraum, welcher für den Aktor benötigt wird, ein Bauraum vergleichbar mit einem Zugmittelspanner ohne aktive Spanneinrichtung einrichtbar.
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Bevorzugt ist ein gemeinsames Rotationslager vorgesehen, welches den Spannhebel und die Betätigungswelle des Aktors lagert.
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Das gemeinsame Rotationslager ist ein Lager zum Reduzieren der Reibung der Relativbewegung, beispielsweise ein Gleitlager oder ein Wälzlager. Hierzu ist beispielsweise sowohl die Betätigungswelle als auch der Spannhebel in einem Innenring gehalten und ein zugehöriger und relativ zu dem Innenring reibungsarm rotierbarer Außenring ist radial außen abgestützt. Alternativ ist dies umgekehrt ausgeführt, wobei bevorzugt ein Bolzen, besonders bevorzugt ein Schraubbolzen, durch die Bauteile des Zugmittelspanners zentral hindurchragt und den Innenring bildet oder aufnimmt, auf welchem der Spannhebel und die Betätigungswelle rotierbar gelagert sind. Dabei werden die Bauteile axial zueinander positioniert gehalten, und bevorzugt an einer Wandung, beispielsweise der Motorwand, befestigt. Damit ist eine sehr gute Zerfallsicherheit des Zugmittelspanners gegen Axialkräfte gebildet. Unter Umständen ist der Bolzen als Stufenbolzen mit definierten Absätzen und/oder Nuten für entsprechende Sicherungselemente, beispielsweise ein Seeger-Ring, zum axialen Positionieren der Bauteile versehen. Hierdurch ist die Anzahl der Bauteile und eine mögliche Verkettung von als Federelemente wirkende (Lager-) Spalten reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Zugmittelspanners umfasst der Aktor ein Planetenwälzgetriebe mit miteinander in drehmomentübertragender Wälzverbindung stehenden Rädern, nämlich mit einem Sonnenrad, mit einem Hohlrad und mit einem zumindest ein Planetenrad umfassenden Planetenträger.
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Der hier vorgeschlagene Aktor ist besonders klein ausführbar, weil auf geringem Bauraum, nämlich mittels des Planetenwälzgetriebes, eine deutliche Steigerung des Drehmoments möglich ist. Bei einem Aktor ist der (Außen-) Durchmesser, aber auch die axiale Länge, ein entscheidender Faktor für das abgebbare maximale Drehmoment. Je geringer also das benötigte Drehmoment ist, desto (radial, und auch axial) kleiner ist ein Aktor ausführbar. Im Vergleich zu der Ausführungsform eines vorbekannten Spanners, beispielsweise wie in der vorhergehend zitierten
US 2015 / 0 275 751 A1 ist der Aktor aber auf vergleichbarem, beispielsweise gleichem, Gesamtbauraum der Antriebsvorrichtung umfassend den Aktor und das Getriebe deutlich größer und/oder mit einem deutlich größeren radialen Luftspalt ausführbar, sodass eine größere Leistungsdichte, also ein größeres Drehmoment aufbringbar ist. Denn gemäß der
US 2015 / 0 275 751 A1 ist der Aktor in (vollständiger) axialer Überlappung radial innerhalb einer Schraubendrehfeder unterzubringen. Eine solche Anordnung ist dann sinnvoll, wenn die Abnahme des erzeugbaren Drehmoments über ein geeignetes Getriebe (dort ein zweistufiges Planetenradgetriebe) und/oder eine geeignete axiale Baulänge ausgleichbar ist. Für viele Anwendungen ist aber eine insgesamt geringere axiale Baulänge notwendig. Diese ist gemäß hier vorgeschlagener Konfiguration des Zugmittelspanners bei nicht unbedingt größerem oder sogar geringerem radialen Bauraum ermöglicht, wenn das Federmittel und der Aktor wie hier vorgeschlagen räumlich getrennt sind, also axial in Reihe oder mit zu der Lagerachse windschiefer Federachse.
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Das Planetenwälzgetriebe ist bevorzugt konventionell ausgeführt. Unabhängig von der Ausführungsform des Planetenwälzgetriebes sind die Funktionseinheiten beziehungsweise Wälzräder hier konventionell bezeichnet und übernehmen die konventionellen Funktionen. Beispielsweise ist das zentral angeordnete Sonnenrad mit der Betätigungswelle des Aktors drehmomentübertragend, bevorzugt drehmomentsteif, verbunden. Das Hohlrad ist fixiert und bildet eine Momentenabstützung oder ist über eine weitere Übersetzungsstufe mittelbar abgestützt, also als Mehrstufengetriebe ausgeführt. Der Planetenträger wird von dem Sonnenrad angetrieben und infolge des erzwungenen Abrollens des zumindest einen Planetenrads am stehenden Hohlrad ist dem Planetenträger eine (untersetzte) Rotation um die Lagerachse aufgezwungen. Der Planetenträger wirkt, bevorzugt mit der Lagerwelle für das zumindest eine Planetenrad, gegen den Aktoranschlag des Spannhebels.
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Für ein Mehrstufengetriebe sind auch andere Konfigurationen einsetzbar. Für einen geringen Bauraumbedarf und geringe Fertigungskosten, Montagekosten und Materialkosten ist der Einsatz eines einstufigen Planetengetriebes gemäß obiger Beschreibung vorteilhaft. Diese Randbedingungen sind jedoch abhängig von dem individuellen Einsatz und nach fachmännischen Überlegungen auszuwählen.
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Bevorzugt ist das Planetenwälzgetriebe selbsthemmend eingerichtet.
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Damit ist es möglich, den Aktor nur dann mit Leistungsstrom beziehungsweise Leistungsspannung zu versorgen, wenn eine Zugmittelspannung verändert werden soll. Ist eine Soll-Winkelstellung des Spannhebels eingestellt, ist der Aktor abschaltbar beziehungsweise die Stromaufnahme auf ein für eine Lageerfassung notwendiges Niveau absenkbar (Messstrom beziehungsweise Messspannung). Die Kraft wird nun infolge der Selbsthemmung des Planetenwälzgetriebes aufgenommen. Erst wenn die Lage der Spannrolle wieder verändert, insbesondere die Zugmittelspannung wieder auf ein niedrigeres Niveau gebracht werden soll, muss der Aktor aktiviert werden, insbesondere beim Entspannen einzig um die Selbsthemmung des Planetenwälzgetriebes zu überwinden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Zugmittelspanners ist weiterhin eine Lageraufnahme mit einem Hülsenabschnitt vorgesehen, wobei in dem Hülsenabschnitt der Aktor und/oder das Hohlrad des Planetenwälzgetriebes nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung rotatorisch abgestützt sind.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein sehr kompakter Aufbau mit wenigen Bauteilen möglich. Der Hülsenabschnitt ist als starres Widerlager für den Stator des Aktors und/oder das Hohlrad, bevorzugt für beide, vorgesehen. Besonders bevorzugt ist diese Ausführungsform mit dem gemeinsamen Rotationslager für die Betätigungswelle und den Spannhebel kombiniert. Alternativ oder zusätzlich ist diese Ausführungsform mit einem zentral angeordneten Bolzen kombiniert, welcher die Bauteile axial zueinander positioniert, und bevorzugt an einer Wandung, beispielsweise der Motorwand, befestigt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Zugmittelspanners ist weiterhin ein Freilauf vorgesehen, wobei mittels des Freilaufs der Aktor von einer Gegenkraft des Zugmittels auf die Spannrolle freigehalten ist.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist ein Freilauf vorgesehen, welcher eine Belastung des Aktors und/oder des Planetenwälzgetriebes in der gleichen (Dreh-) Richtung wie die (Dreh-) Richtung des Drehmoments des Aktors zum Erhöhen der Querkraft auf das Zugmittel unterbindet. In der anderen (Dreh-) Richtung, also der Gegendrehrichtung, welche der Aktorkraft entgegenwirkt, wird die Kraft übertragen, sodass die Zugmittelspannung beziehungsweise die Umlenkung des Zugmittels von der Aktorkraft gehalten wird.
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Bevorzugt ist der Freilauf als zu der Lagerachse koaxiale Ringnut gebildet, wobei die Ringnut sich von dem Aktoranschlag umfänglich erstreckt, sodass eine Drehung des Spannhebels um die Lagerachse allein gegen die Spannkraft des Federmittels ermöglicht ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Freilauf in einer Ausführungsform zwei oder mehr Ringnutabschnitte umfasst, wobei eine Trennwandung zwischen zwei Ringnutabschnitten in der Gegendrehrichtung den Aktoranschlag bildet.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Aktor beziehungsweise der auf den (spannhebelseitigen) Aktoranschlag wirkende (aktorseitige) Gegenanschlag, beispielsweise der Planetenträger, in einem inaktiven Betriebszustand, also wenn allein das Federmittel auf den Spannhebel einwirkt, von dem Aktoranschlag so weit beabstandet, dass Winkelschwankungen des Spannhebels auf den Gegenanschlag nicht übertragbar sind.
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Dies hat zur Folge, dass die Komponenten für geringe Lasten oder nur kurzzeitig hohe Lasten auslegbar sind, sodass Bauraum und Kosten einsparbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Zugmittelspanners ist weiterhin eine Lageraufnahme mit einem sich von der Lagerachse radial weg erstreckenden Lagerhebel vorgesehen, wobei das Dämpferelement eine Dämpferachse aufweist und beabstandet zu der Lagerachse an dem Lagerhebel abgestützt ist, sodass die Dämpferachse eine Sekante zu dem Schwenkbogen des Spannhebels bildet.
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Dieser Aufbau gleicht einer Schere mit dem Lagerhebel und dem relativ dazu schwenkbaren Spannhebel. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein solcher Zugmittelspanner als Baueinheit vormontiert und (in sich) justiert auslieferbar ist, sodass diese Baueinheit nur noch an einer dafür vorgesehenen Wandung befestigt werden muss.
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Das Dämpferelement, bevorzugt baueinheitlich mit dem und/oder koaxial zu dem Federmittel ausgeführt, drückt oder zieht die beiden Hebel auseinander. Gemäß oben vorgeschlagener Ausführungsform ist das Dämpferelement mit einer Dämpferachse, also gerade, mit einem Hydraulikzylinder beziehungsweise Doppelzylinder ausgeführt. Das Federmittel ist beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgeführt. Somit bildet das Dämpferelement (und vorzugsweise auch das Federmittel) eine windschiefe Gerade zu der Lagerachse, bevorzugt eine Sekante des Schwenkbogens, welcher beim Schwenken des Lagerhebels von der Spannrolle zurückgelegt wird. Diese Sekante weist bevorzugt eine veränderliche Neigung zu diesem Schwenkbogen auf, weil der Aufnahmepunkt, also das Widerlager, des Dämpferelements an dem Lagerhebel (schwenkbar) fixiert ist.
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Bevorzugt bildet das Dämpferelement mit dem Federmittel in Baueinheit ausgeführt das einzige Spannelement und das einzige Dämpfelement für die Spannrolle. In einer Ausführungsform ist der Druck im Hydraulikzylinder steuerbar. In einer anderen Ausführungsform ist Die Baueinheit aus Federmittel und Dämpferelement mit über eine auslegungsgemäße Lebensdauer konstanten Federeigenschaft und Dämpfereigenschaften ausgeführt, also nicht regelbar, sondern wird bei der Montage, oder auch bei Wartungsarbeiten, mit einem Druckmedium befüllt und/oder justiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum aktiven Betrieb eines Zugmittelspanners nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a. Erhalten einer Vorgabe, die Zugmittelspannung auf einen vorbestimmten Sollwert aktiv zu erhöhen;
- b. Ausgeben eines Signals zum Ausgeben eines Leistungsstroms oder einer Leistungsspannung an den Aktor;
- c. Erfassen des abgegebenen Leistungsstroms und/oder der abgegebenen Leistungsspannung;
- d. auf Basis des erfassten Leistungsstroms und/oder der erfassten Leistungsspannung, Ermitteln des Istwerts der erzeugten Zugmittelspannung;
- e. auf Basis der ermittelten Zugmittelspannung, Vergleichen des Istwerts mit dem Sollwert der Zugmittelspannung gemäß Schritt a. und bei vorbestimmungsgemäß zu großer Abweichung des Istwerts von dem Sollwert, Anpassen des Signals zum Ausgeben eines Leistungsstroms oder einer Leistungsspannung an den Aktor, wobei Schritt b. bis e. wiederholt werden.
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Der hier aktiv zu betreibende, also zu steuernde, Zugmittelspanner ist in einer Umgebung wie zuvor beschrieben einsetzbar, also beispielsweise bei einem Zugmitteltrieb zum Übertragen eines Drehmoments von einer Abtriebswelle einer Verbrennungskraftmaschine auf eine Generatorwelle eines Starter-Generators. Es wird daher insoweit auf vorige Beschreibung verwiesen.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren ist (zu einem beliebigen Zeitpunkt beziehungsweise Schritt) beendet, wenn die erhöhte Zugmittelspannung nicht mehr benötigt wird, beispielsweise weil nun wieder die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine ein Drehmoment an die Generatorwelle des Starter-Generators abgibt, wofür die von dem Federmittel erzeugte Zugmittelspannung ausreicht.
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Bei vorbekannten Lösungen ist bisher stets über Kraft-Messmittel oder Lage-Messmittel die Zugmittelspannung bestimmt worden. Hier wird nun vorgeschlagen, dies allein mittels Erfassen des abgegebenen Leistungsstroms und/oder der abgegebenen Leistungsspannung vorzunehmen. Die dafür notwendigen Messmittel sind stets Bestandteil eines elektrischen Aktors. Somit ist der Aufwand für die Messung und Montage von Messmitteln verringert und zudem Bauraum eingespart.
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Vorteilhaft ist bei dem hier vorgeschlagenen Zugmittelspanner, dass die Spannkraft des Federmittels und der Widerstand des Dämpferelements keinen oder nur einen gut vorhersagbaren Einfluss auf die aus der Aktorkraft resultierenden Zugmittelspannung hat, weil das Federmittel entlastet wird, wenn die Aktorkraft aufgebracht wird. Damit ist der empirisch oder rechnerisch bestimmbare Zusammenhang zwischen Leistungsstrom und/oder Leistungsspannung und Aktorkraft, sowie der empirisch oder rechnerisch bestimmbare Zusammenhang zwischen Aktorkraft und Spannrollenlage und damit Zugmittelspannung im Vorfeld ermittelbar und unterliegt damit keinen oder nur geringen Schwankungen in Bezug auf das Federmittel und des Dämpferelements, also beispielsweise deren Montagetoleranz. Während nämlich ein Federmittel auch bei schwankenden Federeigenschaften auf eine vorbestimmte Federkonstante mittels Justieren der Federlänge über einen gewünschten Federweg einstellbar ist, ist der Weg bis zur Auf-Block-Belastung gerade dadurch stets unterschiedlich.
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Das Verfahren ist computerimplementiert ausführbar und daher als Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt ausführbar. Dieses enthält Code, welcher installiert auf beziehungsweise implementiert in einem Computer, beispielsweise einem Bordcomputer eines Kraftfahrzeugs, einem System-on-a-Chip oder einem Microcontroller, einzig oder unter anderem zum Ausführen einer Ausführungsform des hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Das Verfahren ist dabei nicht ausschließlich in einem einzigen System, sondern auch in Kommunikation mehrerer Systeme ausführbar und daher auch auf mehrere Computerprogramme und/oder Computerprogrammprodukte aufteilbar, beispielsweise einen Anteil des gesamten Codes beziehungsweise Verfahrens enthaltend für je einen (potentiellen) Kommunikationspartner. In einer Ausführungsform ist der Code zur Selbstinstallation (beispielsweise Plug-and-Play) auf der Elektronik des zu regelnden und zu steuernden Bauteils, beispielsweise des Zugmittelspanners, implementiert, wobei die Kommunikationspartner selbsttätig bei Inbetriebnahme des Bauteils die notwendigen Anteile des Codes erhalten und Zugriffrechte, beispielsweise auf einen Speicher und einen Prozessor, einräumen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Zugmitteltrieb für einen Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - ein Abtriebsrad zur Drehmomentabgabe;
- - ein Nebenrad zur Drehmomentaufnahme;
- - ein Zugmittel zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem Abtriebsrad und dem Nebenrad;
- - und einen Zugmittelspanner nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, mittels welchem das Zugmittel aktiv veränderbar umlenkbar und/oder aktiv veränderbar spannbar ist.
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Der hier vorgeschlagene Zugmitteltrieb ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment mittels eines Zugmittels, zum Beispiel einem Riemen, bevorzugt einem Keilrippenriemen, von einem Abtriebsrad auf ein Nebenrad oder umgekehrt (das Nebenrad ist dann das Starterrad eines Starter-Generators und somit ein drehmomentabgebendes Abtriebsrad) zu übertragen. Das Abtriebsrad ist beispielsweise mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine verbunden. Das Nebenrad ist beispielsweise mit der Eingangswelle eines Klimakompressors oder eines Starter-Generators verbunden. Die Spannrolle ist dazu eingerichtet, das Zugmittel umzulenken und/oder zu spannen. Der hier vorgeschlagene Zugmittelspanner ermöglicht ein aktives Spannen und/oder Umlenken des Zugmittels auf geringem Bauraum und/oder ist mit einem einfachen Verfahren aktiv betreibbar, sodass der Messaufwand hinsichtlich geringem benötigtem Bauraum und einfacher Einbindung in ein Regelungssystem vorteilhaft ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang, aufweisend ein Antriebsaggregat mit einer Abtriebswelle, einen Starter-Generator mit einem Starterrad und einen Zugmitteltrieb gemäß der obigen Beschreibung, wobei die Abtriebswelle über das Abtriebsrad mittels des Zugmitteltriebs über das entsprechende Starterrad mit dem Starter-Generator drehmomentübertragend verbunden ist.
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Der hier vorgeschlagene Antriebsstrang weist ein Antriebsaggregat mit einer Abtriebswelle, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Kurbelwelle, auf, welche mittels des Zugmitteltriebs die Nebenwelle eines Nebenaggregats antreibt, beispielsweise die Antriebswelle eines Generators oder eines Klimakompressors. Hier wird ein Antriebsstrang mit einem Zugmitteltrieb mit zumindest einem gedämpften Zugmittelspanner vorgeschlagen, wobei ein aktives Spannen und/oder Umlenken des Zugmittels auf geringem Bauraum ermöglicht ist. Gemäß einer Ausführungsform ist der Zugmittelspanner mit einem einfachen Verfahren aktiv betreibbar, sodass der Messaufwand hinsichtlich geringem benötigtem Bauraum und einfacher Einbindung in ein Regelungssystem vorteilhaft ist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Zugmittelspanner in seitlicher Ansicht;
- 2: der Zugmittelspanner gemäß 1 in einer Schnittansicht A-A;
- 3: der Zugmittelspanner gemäß 2 in einer Explosionsdarstellung;
- 4: der Zugmittelspanner gemäß 2 in einer Schnittansicht B-B; und
- 5: ein Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug mit Zugmitteltrieb.
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In 1 ist ein Zugmittelspanner 1 in seitlicher Ansicht gezeigt. Rechts in der Darstellung ist eine um eine Rollenachse 4 rotierbare Spannrolle 3 gezeigt, auf welche die Gegenkraft 23 (hier in einem Winkel ohne Beschränkung der Allgemeinheit gezeigt) des zu spannenden Zugmittels 5 (vergleiche 5) einwirkt. Über einen Spannhebel 6 ist die Spannrolle 3 um eine Lagerachse 7 schwenkbar und wird (bevorzugt in einem Hauptzustand) einzig von einem Federmittel 8 mit einer der Gegenkraft 23 entgegenwirkenden Spannkraft 9 beaufschlagt, um darüber eine gewünschte Zugmittelspannung einzustellen. Das Federmittel 8 ist hier baueinheitlich mit einem hydraulischen Dämpferelement 49 mit einem axialen Hydraulikzylinder mit koaxialer Federachse 26 und Dämpferachse eingerichtet. Das Dämpferelement 49 ist an einem Lagerhebel 25 (schwenkbar) abgestützt und hier mit einer geraden Federachse 26 ausgeführt, welche als Sekante zu dem Schwenkbogen 27, also einem Bogenabschnitt einer Kreisbahn, der Spannrolle 3 beziehungsweise deren Rollenachse 4 ausgerichtet ist. Um nun die Lage der Spannrolle 3 zu verändern, um das Zugmittel 5 (vergleiche 5) stärker umzulenken und/oder stärker zu spannen, ist ein Aktor 10 vorgesehen (hier verdeckt und daher gestrichelt dargestellt), mittels welchem parallel zu der Spannkraft 9 eine Aktorkraft 11, beziehungsweise das daraus jeweils resultierende Spannmoment beziehungsweise Aktormoment, auf den Spannhebel 6 aufbringbar ist. Hier ist zudem die Lage des Schnitts A-A für die Schnittansicht in 2 dargestellt.
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In 2 ist der Zugmittelspanner 1 in der Ausführungsform gemäß 1 in der Schnittansicht A-A, wie in 1 gekennzeichnet, dargestellt. Der Schnitt A-A führt durch die Lagerachse 7 und legt so eine bevorzugte Ausführungsform eines Aktors 10 frei. Mit dem Lagerhebel 25 (optional) einstückig ausgebildet ist eine Lageraufnahme 20 mit einem Hülsenabschnitt 21 zu sehen, welche also das gemeinsame Lager für den (dazu starren) Lagerhebel 25 und den Aktor 10, sowie den (dazu schwenkbaren) Spannhebel 6 bildet. Die Lageraufnahme 20 ist beispielsweise mit einer Motorwandung (nicht dargestellt, vergleiche 5) drehmomentabgestützt, gegebenenfalls mit einem (nicht dargestellten) Drehmomentflansch, axial verbindbar, hier mittels einer Zentralschraube 42. Der Schraubenkopf 43 der Zentralschraube 42 positioniert hier zudem den Spannhebel 6 und das (gemeinsame) Rotationslager 14 zu der Lageraufnahme 20 und stellt eine sehr gute Zerfallsicherung gegen Axialkräfte dar. Rechts in der Darstellung ist der Aktor 10 mit seinem an dem Hülsenabschnitt 21 drehmomentabgestützten Stator 46 und seinem um die Lagerachse 7 rotierbaren Rotor 47 zu erkennen. Mit dem Rotor 47 ist eine Betätigungswelle 12 drehmomentsteif verbunden, welche hier mittels einer ersten Gleithülse 44 auf dem Rotationslager 14 rotierbar gelagert ist. Die Betätigungswelle 12 bildet (hier axial in Überdeckung mit dem Lagerhebel 25) ein Sonnenrad 16 eines (optionalen) Planetenwälzgetriebes 15. Radial außerhalb und an dem Hülsenabschnitt 21 drehmomentabgestützt ist ein Hohlrad 17 vorgesehen. Zwischen dem (rotierbaren) Sonnenrad 16 und dem (stehenden) Hohlrad 17 abrollend angeordnet sind (hier drei, vergleiche 3 und 4) Planetenräder 18 angeordnet. Diese Planetenräder 18 sind mittels eines Planetenträgers 19 um ihre jeweils von den Trägerbolzen 48 definierten Radachse und um die Lagerachse 7 rotierbar gelagert. Die Trägerbolzen 48 bilden hier die aktorseitigen Anschlagelemente zum kraftübertragenden Anliegen an dem Aktoranschlag 13, sodass ein Drehmoment von dem Planetenträger 19 auf den Spannhebel 6 übertragbar ist. Der Spannhebel 6 ist mittels einer zweiten Gleithülse 45 auf dem Rotationslager 14 um die Lagerachse 7 schwenkbar gelagert. Das Planetenwälzgetriebe 15 ist beispielsweise mit einer Verzahnung, also als Zahnrädern ausgeführten Rädern, ausgeführt. Hier ist zudem die Lage des Schnitts B-B für die Schnittansicht in 4 dargestellt.
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In 3 ist der Zugmittelspanner 1 gemäß 2 in einer Explosionsdarstellung gezeigt, wobei der Übersichtlichkeit halber nicht alle Bauteile dargestellt sind. Die koaxiale Zuordnung von dem Rotor 47 des Aktors 10 zu dem Planetenwälzgetriebe 15 und zu dem Spannhebel 6 ist hier gut zu erkennen. Hier ist zu erkennen, dass eine (drei Teilstücke umfassende) zu der Lagerachse 7 konzentrische Ringnut 24 in dem Spannhebel 6 gebildet ist. Um die Rollenachse 4 in der Darstellung nach unten zu schwenken, ist ein Ende eines jeweiligen Teilstücks der Ringnut 24 als Aktoranschlag 13 ausgebildet. Ist ein Trägerbolzen 48 nicht gegen den Aktoranschlag 13 gefahren, also wird keine Aktorkraft 11 auf den Spannhebel 6 übertragen, ist so ein Freilauf 22 gebildet. Der Aktor 10 wird in einer solchen relativen Winkelstellung der Trägerbolzen 48 zu den korrespondierenden Aktoranschlägen 13 nicht ausgehend von einer Schwenkbewegung des Spannhebels 6 mit einer Gegenkraft 23 beaufschlagt (vergleiche 4).
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In 4 ist der Zugmittelspanner 1 gemäß 2 in der Schnittansicht B-B, wie in 2 gekennzeichnet, gezeigt. Der Schnitt B-B schneidet die Schraube 42. Die (drei) Trägerbolzen 48 des Planetenträgers 19 sind hier von dem jeweiligen Aktoranschlag 13 beabstandet in der (in drei Teilstücke unterteilten) Ringnut 24 in eine Freilaufstellung überführt, sodass also eine Schwenkbewegung des Spannhebels 6 infolge der Gegenkraft 23 nicht auf den Planetenträger 19, und damit nicht auf den Aktor 10 (vergleiche 2) einwirken kann. Eine Aktorkraft 11 ist somit in dieser relativen Winkelstellung der Trägerbolzen 48 nicht übertragbar.
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In 5 ist ein Antriebsstrang 28 in einem Kraftfahrzeug 36 mit einem Zugmitteltrieb 2 schematisch dargestellt. Hierbei ist ein Antriebsaggregat 30, dargestellt als drei-zylindrige Verbrennungskraftmaschine, mit seiner Motorachse 41 quer zur Längsachse 40 und vor der Fahrerkabine 39 des Kraftfahrzeugs 36 angeordnet. Das Antriebsaggregat 30 ist zum Antreiben eines Verbrauchers eingerichtet, wobei der Verbraucher hier beispielhaft ein linkes Antriebsrad 37, ein rechtes Antriebsrad 38 und ein Nebenaggregat 32 umfasst. Die Abtriebswelle 31 des Antriebsaggregat 30 ist mittels eines Abtriebsrads 29 als Antrieb für den Zugmitteltrieb 2 eingerichtet. Alternativ ist die Abtriebswelle 31 mittels des Starter-Generators 34 über den Zugmitteltrieb 2 antreibbar, bevorzugt anlassbar. Hierzu ist ein Zugmittel 5, beispielsweise ein Riemen, vorgesehen, welches zur Drehmomentübertragung um das Abtriebsrad 29 des Antriebsaggregats 30, um das Starterrad 35 des Starter-Generators 34, und hier zudem um ein Nebenrad 33 eines Nebenaggregats 32, beispielsweise eines (optionalen) Klimakompressors, als Umschlingring gespannt ist. Um eine definierte Drehmomentübertragung zu gewährleisten ist zumindest eine Spannrolle 3 des Zugmittelspanners 1 (vergleiche 1 bis 4) nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung gegen das Zugmittel 5 (vorzugsweise von außerhalb des Umschlingrings des Zugmittels 5) gespannt. Der Zugmittelspanner 1 ist hier an der Motorwand des Antriebsaggregats 30 befestigt.
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Hier ist ein aktiver gedämpfter Zugmittelspanner mit äußerst geringem benötigtem Bauraum sowie ein einfaches Verfahren zu dessen Betrieb vorgeschlagen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zugmittelspanner
- 2
- Zugmitteltrieb
- 3
- Spannrolle
- 4
- Rollenachse
- 5
- Zugmittel
- 6
- Spannhebel
- 7
- Lagerachse
- 8
- Federmittel
- 9
- Spannkraft
- 10
- Aktor
- 11
- Aktorkraft
- 12
- Betätigungswelle
- 13
- Aktoranschlag
- 14
- Rotationslager
- 15
- Planetenwälzgetriebe
- 16
- Sonnenrad
- 17
- Hohlrad
- 18
- Planetenrad
- 19
- Planetenträger
- 20
- Lageraufnahme
- 21
- Hülsenabschnitt
- 22
- Freilauf
- 23
- Gegenkraft
- 24
- Ringnut
- 25
- Lagerhebel
- 26
- Federachse
- 27
- Schwenkbogen
- 28
- Antriebsstrang
- 29
- Abtriebsrad
- 30
- Antriebsaggregat
- 31
- Abtriebswelle
- 32
- Nebenaggregat
- 33
- Nebenrad
- 34
- Starter-Generator
- 35
- Starterrad
- 36
- Kraftfahrzeug
- 37
- linkes Antriebsrad
- 38
- rechtes Antriebsrad
- 39
- Fahrerkabine
- 40
- Längsachse
- 41
- Motorachse
- 42
- Zentralschraube
- 43
- Schraubenkopf
- 44
- erste Gleithülse
- 45
- zweite Gleithülse
- 46
- Stator
- 47
- Rotor
- 48
- Trägerbolzen
- 49
- Dämpferelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0275751 A1 [0006]
- US 20150275751 A1 [0025]
