DE102019105235B4 - Belt drive of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Riementrieb eines Verbrennungsmotors, umfassend einen Generator (8) und einen dessen Generatorwelle antreibenden Entkoppler (5) mit:- einer vom Riemen (1) umschlungenen Riemenscheibe (4) mit einer ersten Innenmantelfläche (19),- einem gegenüber der Riemenscheibe (4) verdrehbaren Mitnehmer (22) mit einer zweiten Innenmantelfläche (20),- einer gegenüber der Riemenscheibe (4) und dem Mitnehmer (22) verdrehbaren Nabe (9), die auf der Generatorwelle befestigt ist,- und einer im Antriebsmomentfluss zwischen der Riemenscheibe (4) und der Nabe (9) angeordneten Reihenschaltung aus einem Schlingband (15) und einer Drehfeder (16), wobei das Schlingband (15) mit dessen Außenmantelfläche (18) in einer der oder beiden Innenmantelflächen (19, 20) mit Übermaß (P1, P2) eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Übermaß (P1, P2) so groß ist, dass für das vom Schlingband (15) auf die Drehfeder (16) maximal übertragbare Antriebsmoment T und für das maximale Betriebsmoment M der Drehfeder (16) das folgende Verhältnis in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Verbrennungsmotors gilt:T (n = 0) < M (n = ni) < T (n = ni) mit ni: Leerlaufdrehzahl.Belt drive of an internal combustion engine, comprising a generator (8) and a decoupler (5) driving its generator shaft with: - a belt pulley (4) wrapped around the belt (1) with a first inner lateral surface (19), - one rotatable with respect to the belt pulley (4) Driver (22) with a second inner lateral surface (20), - a hub (9) which can be rotated with respect to the belt pulley (4) and the driver (22) and is attached to the generator shaft, - and one in the drive torque flow between the belt pulley (4) and the hub (9) arranged in series of a loop strap (15) and a torsion spring (16), the loop strap (15) with its outer circumferential surface (18) in one of the or both inner circumferential surfaces (19, 20) with oversize (P1, P2 ) is clamped, characterized in that the oversize (P1, P2) is so large that for the maximum transferable drive torque T from the loop tape (15) to the torsion spring (16) and for the maximum operating torque M of the torsion spring (16) the f The following ratio, depending on the speed n of the internal combustion engine, applies: T (n = 0) <M (n = ni) <T (n = ni) with ni: idling speed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Riementrieb eines Verbrennungsmotors. Der Riementrieb umfasst einen Generator und einen dessen Generatorwelle antreibenden Entkoppler mit:
- - einer vom Riemen umschlungenen Riemenscheibe mit einer ersten Innenmantelfläche,
- - einem gegenüber der Riemenscheibe verdrehbaren Mitnehmer mit einer zweiten Innenmantelfläche,
- - einer gegenüber der Riemenscheibe und dem Mitnehmer verdrehbaren Nabe, die auf der Generatorwelle befestigt ist,
- - und einer im Antriebsmomentfluss zwischen der Riemenscheibe und der Nabe angeordneten Reihenschaltung aus einem Schlingband und einer Drehfeder,
- - a belt pulley with a first inner circumferential surface wrapped around by the belt,
- - a driver that can be rotated with respect to the pulley and has a second inner circumferential surface,
- - a hub that can be rotated with respect to the belt pulley and the driver and is attached to the generator shaft,
- - and a series connection of a loop band and a torsion spring arranged in the drive torque flow between the belt pulley and the hub,
Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten, die von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors in dessen Nebenaggregate-Riementrieb eingeleitet werden, können bekanntlich durch Entkoppler kompensiert werden, die im Englischen üblicherweise als Decoupler oder Isolator 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 Drehfeder die aus der Kurbelwelle stammenden und in den Riementrieb eingeleiteten 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 mit hoher Massenträgheit behaftete Generatorwelle die Riemenscheibe überholen kann.Torsional vibrations and irregularities that are introduced from the crankshaft of an internal combustion engine into its belt drive for ancillary units can, as is known, be compensated for by decouplers, which are usually referred to as decouplers or isolators and are typically designed as generator pulleys. The loop is used as a one-way clutch that, when closed, transfers the drive torque from the belt pulley to the hub, whereby the elasticity of the torsion spring connected in series with the loop smooths the rotational irregularities from the crankshaft and introduced into the belt drive. When the belt pulley rotates with a delay, the loop belt opens, whereby - then vice versa - no significant torque can be transmitted from the hub to the belt pulley, so that the generator shaft, which is subject to high inertia, can overtake the belt pulley.
Riementriebe mit gattungsgemäßen Entkopplern sind aus zahlreichen Druckschriften und beispielsweise aus
Die
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Riementrieb der eingangs genannten Art konstruktiv dadurch zu verbessern, dass beim Starten des Verbrennungsmotors die mechanische Spannungsbelastung der Drehfeder durch möglichst niedrige Verdrehamplituden der Feder beschränkt ist.Proceeding from this, the present invention is based on the object of structurally improving a belt drive of the type mentioned at the outset by limiting the mechanical tension load on the torsion spring by the lowest possible torsional amplitudes of the spring when the internal combustion engine is started.
Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll das Schlingband mit einem solchen Übermaß eingepresst sein, dass für das vom Schlingband auf die Drehfeder maximal übertragbare Antriebsmoment T und für das maximale Betriebsmoment M der Drehfeder das folgende Verhältnis in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Verbrennungsmotors gilt:
T (n = 0) < M (n = ni) < T (n = ni) mit ni: Leerlaufdrehzahl.The solution for this results from the features of claim 1. Accordingly, the loop tape should be pressed in with such an oversize that for the maximum drive torque T that can be transmitted from the loop tape to the torsion spring and for the maximum operating torque M of the torsion spring, the following ratio is dependent on the Speed n of the combustion engine applies:
T (n = 0) <M (n = n i ) <T (n = n i ) with n i : idle speed.
Das maximale Betriebsmoment M (n = ni) der Drehfeder, nachfolgend kurz mit Mi bezeichnet, ergibt sich aus der maximalen Generatorlast zuzüglich der Drehmomentamplitude, mit der die Drehfeder die Drehungleichförmigkeiten im Riementrieb bei Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors kompensiert. Dabei ist das vom Schlingband auf die Drehfeder übertragbare Antriebsmoment T größer, so dass ab der Leerlaufdrehzahl, d.h. im gesamten Betriebsdrehzahlbereich des Verbrennungsmotors, das Antriebsmoment auf den Generator im wesentlichen schlupffrei übertragen wird.The maximum operating torque M (n = n i ) of the torsion spring, hereinafter referred to as M i for short, results from the maximum generator load plus the torque amplitude with which the torsion spring compensates for the rotational irregularities in the belt drive when the internal combustion engine is idling. The drive torque T that can be transmitted from the loop belt to the torsion spring is greater, so that from the idling speed, ie in the entire operating speed range of the internal combustion engine, the drive torque is transmitted to the generator essentially without slippage.
Der erfindungsgemäße Überlastschutz der Drehfeder ergibt sich dadurch, dass das maximal auf die Drehfeder übertragbare Antriebsmoment in einem Drehzahlbereich unterhalb des Leerlaufs kleiner ist als Mi, so dass innerhalb dieses Drehzahlbereichs die durch den Motorstartvorgang bedingten Drehschwingungsüberhöhungen des Riementriebs nicht vollumfänglich auf die Drehfeder übertragen, sondern gleichsam abgeschnitten werden. Diese Antriebsmomentbegrenzung wird durch die Eigenschaft des Schlingbands ermöglicht, sich fliehkraftbedingt radial aufweiten zu wollen und mit steigender Drehzahl mehr Haftreibung erzeugenden Anpressdruck auf die an- und abtriebseitigen Innenmantelflächen der Riemenscheibe bzw. des Mitnehmers auszuüben. Folglich nehmen die Schlupfgrenze und dementsprechend das maximal übertragbare Antriebsmoment mit fallender Drehzahl des Schlingbands ab. Die vorliegende Erfindung bedient sich dieser Charakteristik durch die Dimensionierung des Übermaßes, mit dem das Schlingband an- und/oder abtriebseitig eingespannt ist: dieses Übermaß ist so groß, dass bei stillstehendem Verbrennungsmotor, d.h. n = 0, das maximal vom Schlingband übertragbare Antriebsmoment kleiner als Mi ist. Damit werden unterhalb der Leerlaufdrehzahl Drehschwingungen, deren Amplituden zu einer Überschreitung des Grenzmoments Mi führen würden, infolge (intermittierenden) Schlupfs des Schlingbands nicht auf die Drehfeder übertragen.The overload protection of the torsion spring according to the invention results from the fact that the maximum drive torque that can be transmitted to the torsion spring in a speed range below idling is less than M i , so that within this speed range the excessive torsional vibrations of the belt drive caused by the engine start process are not transmitted to the torsion spring in full, but rather be cut off, as it were. This drive torque limitation is made possible by the property of the loop belt to want to expand radially due to centrifugal force and to exert more static friction generating contact pressure on the input and output-side inner circumferential surfaces of the pulley or the driver with increasing speed. Consequently the slip limit and accordingly the maximum transferable drive torque decrease with decreasing speed of the loop belt. The present invention makes use of this characteristic by dimensioning the oversize with which the loop belt is clamped on the drive and / or driven side: this oversize is so great that when the internal combustion engine is at a standstill, ie n = 0, the maximum drive torque that can be transmitted by the loop belt is less than M i is. Thus, below idle speed, torsional vibrations, the amplitudes of which would lead to the limit torque M i being exceeded, are not transmitted to the torsion spring as a result of (intermittent) slippage of the loop.
Dieser Überlastschutz wirkt zumindest innerhalb eines Teils des Startdrehzahlbereichs, wobei dieser Teilbereich dadurch maximiert wird, dass idealerweise Ti (kurz für T (n = ni)) nur geringfügig größer als Mi oder im Grenzfall praktisch gleich groß ist. Im Hinblick auf die Wirkung des Überlastschutzes kann es zudem vorteilhaft sein, dass die Schlupfgrenze des Schlingbands im Bereich der mittleren Startdrehzahl ns und folglich Ts = T (n = ns) vergleichsweise niedrig sind. Dann ist die Drehmomentdifferenz zwischen Ti und Mi sehr viel kleiner als zwischen Ti und Ts: Ti - Mi << Ti - Ts.This overload protection works at least within a part of the starting speed range, this sub-range being maximized in that ideally T i (short for T (n = n i )) is only slightly larger than M i or, in the borderline case, practically the same size. With regard to the effect of the overload protection, it can also be advantageous that the slip limit of the loop belt in the range of the average starting speed n s and consequently T s = T (n = n s ) are comparatively low. Then the torque difference between T i and M i is very much smaller than between T i and T s : T i - M i << T i - T s .
Vorzugsweise sind ein erster Außenmantelflächenabschnitt des Schlingbands mit einem ersten Übermaß P1 in der ersten Innenmantelfläche und ein zweiter Außenmantelflächenabschnitt des Schlingbands mit einem zweiten Übermaß P2 in der zweiten Innenmantelfläche eingespannt. Das erste Übermaß P1 ist größer als das zweite Übermaß P2. Das Verhältnis P1 > P2 bewirkt, dass das Schlingband zuerst gegenüber dem (angetriebenen) Mitnehmer schlupft und demgegenüber schlupfarm von der (antreibenden) Riemenscheibe mitgenommen wird. Hierdurch wird während des Motorstarts der im Mittel im Wesentlichen synchrone Drehzahlhochlauf der Nabe und der Generatorwelle mit der Riemenscheibe sichergestellt.A first outer circumferential surface section of the loop tape with a first oversize P 1 in the first inner circumferential surface and a second outer circumferential surface section of the loop tape with a second oversize P 2 in the second inner circumferential surface are preferably clamped. The first oversize P 1 is larger than the second oversize P 2 . The ratio P 1 > P 2 has the effect that the loop belt first slips in relation to the (driven) driver and, on the other hand, is carried along with little slip by the (driving) pulley. This ensures that the speed of the hub and the generator shaft with the belt pulley is essentially synchronized when the engine is started.
Das erste Übermaß P1 kann im Hinblick auf den synchronen Drehzahlhochlauf so groß sein, dass für das von der ersten Innenmantelfläche auf den ersten Außenmantelflächenabschnitt maximal übertragbare Haftreibmoment F1 und für das vom Schlingband auf die Drehfeder maximal übertragbare Antriebsmoment T das Verhältnis gilt: F1 (n = 0) > Ti.The first oversize P 1 can be so large with regard to the synchronous speed run-up that for the maximum static friction torque F 1 that can be transmitted from the first inner circumferential surface to the first outer circumferential surface section and for the maximum drive torque T that can be transmitted from the loop belt to the torsion spring, the ratio applies: F 1 (n = 0)> T i .
Das zweite Übermaß P2 kann so groß sein, dass für das vom zweiten Außenmantelflächenabschnitt auf die zweite Innenmantelfläche maximal übertragbare Haftreibmoment F2 gilt: F2 (n = 0) ~ 0. Diese Beziehung besagt, dass das Schlingband bei Motorstillstand und vernachlässigtem Reibmoment praktisch nicht in Antriebsmoment übertragenden Eingriff mit dem Mitnehmer gerät, sondern bei 100% Schlupf vollständig durchrutscht.The second oversize P 2 can be so large that the following applies to the maximum static friction torque F 2 that can be transferred from the second outer jacket surface section to the second inner jacket surface: F 2 (n = 0) ~ 0 does not engage in drive torque transferring engagement with the driver, but slips completely at 100% slip.
Eine günstige Herstellbarkeit des Entkopplers ist bezüglich der Übermaßeinstellung dadurch gegeben, dass die beiden Innenmantelflächen durchmessergleich sind und dass für die Durchmesser d1, d2 der beiden Außenmantelflächenabschnitte im ungespannten Zustand des Schlingbands das Verhältnis gilt: d1 > d2. Alternativ kann das Schlingband mit einem konstanten Außendurchmesser gewickelt sein, wobei dann das jeweilige Übermaß über - gegebenenfalls - unterschiedlich große Durchmesser der Innenmantelflächen eingestellt wird.A favorable producibility of the decoupler is given with regard to the oversize setting in that the two inner circumferential surfaces have the same diameter and that for the diameters d 1 , d 2 of the two outer circumferential surface sections in the untensioned state of the loop the relationship applies: d 1 > d 2 . Alternatively, the loop tape can be wound with a constant outer diameter, in which case the respective oversize is set over - if necessary - differently sized diameters of the inner circumferential surfaces.
Die Erfindung kann prinzipiell auch in anderen Riemenscheiben eines Riementriebs zur Anwendung kommen, wie beispielsweise in einem Kurbelwellen-Entkoppler.In principle, the invention can also be used in other belt pulleys of a belt drive, for example in a crankshaft decoupler.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines Riementriebs eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Entkoppler dargestellt ist. Es zeigen:
-
1 den Riementrieb in schematischer Darstellung; -
2 den Entkoppler im Längsschnitt; -
3 den Entkoppler in perspektivischer Explosion; -
4 das Schlingband des Entkopplers als perspektivisches Einzelteil; -
5 ein charakteristisches Drehmoment / Drehzahl - Diagramm des Entkopplers.
-
1 the belt drive in a schematic representation; -
2 the decoupler in longitudinal section; -
3 the decoupler in perspective explosion; -
4th the loop tape of the decoupler as a perspective item; -
5 a characteristic torque / speed diagram of the decoupler.
Der konstruktive Aufbau des Entkopplers
Die für die Funktion des Entkopplers
Das Schlingband
Das rechts gewickelte Schlingband
Die Einleitung des Antriebsmoments in die Drehfeder
Das Schlingband
Die erfindungsgemäße Konstruktion des Entkopplers
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die beiden Innenmantelflächen
- Drahtquerschnitt des Schlingbands
15 : 1,2 mm • 1,2 mm - Anzahl der Schlingbandwindungen: 20
- Windungsanzahl des ersten Außenmantelflächenabschnitts
18-1 : 10 - Windungsanzahl des zweiten Außenmantelflächenabschnitts
18-2 : 10 - Übermaß P1 = 0,5 mm
- Übermaß P2 = 0,05 mm
- mittlerer Windungsdurchmesser im eingespannten Zustand des Schlingbands: 38,5 mm
- Wire cross section of the loop tape
15th : 1.2mm • 1.2mm - Number of loop tape turns: 20
- Number of turns of the first outer lateral surface section
18-1 : 10 - Number of turns of the second outer circumferential surface section
18-2 : 10 - Oversize P 1 = 0.5 mm
- Oversize P 2 = 0.05 mm
- Average coil diameter in the clamped state of the loop tape: 38.5 mm
Diese Daten führen zu dem in
- - die mit F1 bezeichnete Drehmomentkurve stellt das an der Schlupfgrenze von der ersten Innenmantelfläche
19 der Hülse 21 auf den ersten Außenmantelflächenabschnitt18-1 des Schlingbands15 übertragbare Haftreibmoment in Abhängigkeit von n' dar. - - die mit F2 bezeichnete Drehmomentkurve stellt das an der Schlupfgrenze vom zweiten Außenmantelflächenabschnitt
18-2 auf diezweite Innenmantelfläche 20 übertragbare Haftreibmoment in Abhängigkeit von n' dar. - - das mit Gi bezeichnete Drehmoment ist die mittlere Generatorlast bei Leerlaufdrehzahl
- - das maximale Betriebsmoment Mi der Drehfeder
16 ergibt sich aus der mittleren Generatorlast Gi zuzüglich der durch die Drehungleichförmigkeiten des Riementriebs bei Leerlaufdrehzahl n'i erzeugten Drehmomentamplituden der Drehfeder16 . - - die mit n's bezeichnete Drehzahl entspricht der - vom Startermotor erzeugten - mittleren Drehzahl ns des Verbrennungsmotors während des Startvorgangs.
- - The torque curve denoted by F 1 represents that at the slip limit of the first inner lateral surface
19th the sleeve21 on the first outer circumferential surface section18-1 of the loop tape15th transferable static friction torque as a function of n '. - - The torque curve labeled F 2 represents that at the slip limit of the second outer circumferential surface section
18-2 on the second inner lateral surface20th transferable static friction torque as a function of n '. - - The torque designated by G i is the mean generator load at idling speed
- - The maximum operating torque M i of the torsion spring
16 results from the mean generator load G i plus the torque amplitudes of the torsion spring generated by the rotational irregularities of the belt drive at idle speed n ' i16 . - - The speed designated by n ' s corresponds to the mean speed n s of the internal combustion engine generated by the starter motor during the starting process.
Das vom Schlingband
Das Diagramm zeigt Folgendes:
- - für das bei Leerlaufdrehzahl n'i maximal übertragbare Antriebsmoment Ti = F2 (n'i) gilt das Verhältnis: Ti > Mi. Dieses Verhältnis besagt, dass bei Leerlaufdrehzahl n'i das zugehörige Generatorlastmoment Gi zuzüglich der Drehmomentamplituden der Drehfeder
16 im Wesentlichen schlupffreivon der Riemenscheibe 4 auf dieNabe 9 übertragbar sind. - - für das bei Motorstillstand (n' = n = 0) maximal übertragbare Antriebsmoment T (n' = 0) = T0 gilt das Verhältnis: T0 < Mi. Dieses Verhältnis besagt, dass es unterhalb der Leerlaufdrehzahl n'i einen Drehzahlbereich gibt, in dem die erfindungsgemäße Beschränkung des übertragbaren Antriebsmoments T wirksam ist.
- - für T (n' = n's) = Ts gilt weiterhin die Beziehung: Ti - Mi << Ti - Ts. Aus dieser Beziehung folgt, dass die erfindungsgemäße Beschränkung des übertragbaren Antriebsmoments T im nahezu gesamten Drehzahlbereich zwischen der mittleren Startdrehzahl n's und der Leerlaufdrehzahl n'i wirkt.
- - für T (n' = 0) gilt weiterhin: T (n' = 0) = F2 (n' = 0) ~ 0. Das bedeutet, dass bei Motorstillstand kein nennenswertes Antriebsmoment
T vom Schlingband 15 auf dieDrehfeder 16 übertragbar ist. - - für F1 gilt die Beziehung: F1 (n' = 0) > Ti als Voraussetzung für einen schlupfarmen und damit im Wesentlichen synchronen Drehzahlhochlauf des Schlingbands
15 und folglich derNabe 9 und der Generatorwellemit der Riemenscheibe 4 .
- - For the maximum transferable drive torque T i = F 2 (n'i) at idling speed n ' i , the ratio: T i > M i applies. This ratio means that at idling speed n ' i the associated generator load torque G i plus the torque amplitudes of the
torsion spring 16 essentially slip-free from the pulley4th on thehub 9 are transferable. - - For the maximum transferable drive torque T (n '= 0) = T 0 when the engine is at a standstill (n' = n = 0), the ratio: T 0 <M i applies. This ratio means that there is a speed range below the idling speed n 'i in which the inventive restriction of the transmittable drive torque T is effective.
- - for T (n '= n' s ) = T s the relationship continues to apply: T i - M i << T i - T s . It follows from this relationship that the inventive restriction of the transmittable drive torque T acts in almost the entire speed range between the mean starting speed n 's and the idling speed n' i.
- - For T (n '= 0) the following still applies: T (n' = 0) = F 2 (n '= 0) ~ 0. This means that when the motor is at a standstill, there is no significant drive torque T from the loop belt
15th on thetorsion spring 16 is transferable. - - For F 1 the relationship applies: F 1 (n '= 0)> T i as a prerequisite for a low-slip and thus essentially synchronous speed run-up of the loop belt
15th and consequently thehub 9 and the generator shaft with the pulley4th .
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