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Die Erfindung betrifft einen Riemenscheibenentkoppler zur Antriebsmomentübertragung von einem Drehantrieb auf einen Drehabtrieb, mit:
- - einem im Antriebsmomentfluss seitens des Drehantriebs angeordneten Antriebsteil,
- - einem im Antriebsmomentfluss seitens des Drehabtriebs angeordneten Abtriebsteil,
- - einer im Antriebsmomentfluss zwischen dem Antriebsteil und dem Abtriebsteil angeordneten Reihenschaltung aus einer Schraubendrehfeder und einer Einwegkupplung, die in Antriebsdrehrichtung ein Überholen des Abtriebsteils gegenüber dem Antriebsteil zulässt,
- - einem im Antriebsmomentfluss seitens des Antriebsteils angeordneten ersten Federteller für das erste Ende der Schraubendrehfeder
- - und einem im Antriebsmomentfluss seitens des Abtriebsteils angeordneten zweiten Federteller für das zweite Ende der Schraubendrehfeder,
wobei die Federenden an umfänglichen Stufen der Federteller stirnseitig anliegen und die Schraubendrehfeder unter Übertragung des Antriebsmoments radial aufweiten und wobei die Federenden und die Federteller gegenseitige Verdrehsicherungen haben, die jeweils in Antriebsdrehrichtung eine (übermäßige) Relativverdrehung des zweiten Federtellers gegenüber dem zweiten Federende und des ersten Federendes gegenüber dem ersten Federteller formschlüssig verhindern.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Nebenaggregate-Riementrieb mit einem Riemenscheibenentkoppler der genannten Art.
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Derartige Riemenscheibenentkoppler (Englisch: Decoupler) sind typischerweise in einem Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine verbaut. Sie können als Kurbelwellen-Riemenscheibenentkoppler auf der Kurbelwelle oder als Generator-Riemenscheibenentkoppler auf dem Generator angeordnet sein und den Eintrag von Drehschwingungen und -ungleichförmigkeiten der Kurbelwelle in den Nebenaggregate-Riementrieb bzw. in den Generator kompensieren. Die Reihenschaltung aus der Einwegkupplung und der Schraubendrehfeder überträgt im geschlossenen Zustand der Einwegkupplung das Antriebsmoment vom Antriebsteil auf das Abtriebsteil, wobei die Elastizität der Schraubendrehfeder die Drehungleichförmigkeiten glättet. Bei verzögert rotierendem Antriebsteil öffnet die Einwegkupplung, wobei - dann umgekehrt - kein nennenswertes Drehmoment vom Abtriebsteil auf das Antriebsteil übertragen werden kann. Im Falle des Generator-Riemenscheibenentkopplers kann dann die mit relativ großer Massenträgheit behaftete Welle des Generators dessen Riemenscheibe überholen.
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Die Einwegkupplung ist typischerweise ein Schlingband, das in der Reihenschaltung antriebseitig und radial zwischen der Schraubendrehfeder und der Riemenscheibe angeordnet ist. Obwohl das Schlingband bei überholender Generatorwelle geöffnet ist, kann das Reibmoment zwischen dem Innenmantel der Riemenscheibe und dem daran anliegenden Schlingband zu einer Relativverdrehung der beiden Federteller führen, wobei sich die Enden der Schraubendrehfeder von den umfänglichen Stufen der rampenförmigen Federteller entfernen und an deren Rampen hochlaufen. Der dabei infolge der Rampengeometrie effektiv abnehmende Axialbauraum für die Schraubendrehfeder kann bewirken, dass die Schraubendrehfeder die beiden Federteller axial auseinander drückt und so den Riemenscheibenentkoppler gleichsam axial sprengt. Eine ebenso unerwünschte Konsequenz ist die auffällige Akustik des Riemenscheibenentkopplers, wenn ein oder beide Federenden wiederholt an den Rampen hochlaufen und nach jeder Umdrehung an den Stufen zurück schnappen.
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Als Lösung für dieses Problem schlägt die
US 8 047 920 B2 einen sogenannten Anti-ramp-up Mechanismus vor, der die unerwünschte Relativverdrehung der beiden Federteller blockiert. Im Überholbetrieb laufen dann beide Federteller synchron und als Einheit mit der Schraubendrehfeder um und verhindern so den Rampenhochlauf der Federenden. Das Blockieren erfolgt konstruktiv durch Drehanschläge, die einerseits am Abtriebsteil und andererseits am antriebseitigen Federteller befestigt sind und im Überholbetrieb diesen Federteller mitnehmen.
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Ein Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art, der mit einer dazu alternativen Konstruktion den Rampenhochlauf der Federenden verhindert, geht aus der
DE 10 2015 202 043 A1 hervor. In diesem Fall werden die Federenden jeweils mittels eines umfänglichen Formschluss' mit dem zugehörigen Federteller gegen Wegdrehen von dessen umfänglicher Stufe gesichert.
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Ein weiterer Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2020 105 516 B3 bekannt.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art bzw. einen Nebenaggregate-Riementrieb mit einem solchen Riemenscheibenentkoppler in konstruktiv vorteilhafter Weise weiter zu entwickeln.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach sollen die die Federenden jeweils einen Windungsmittenradius Re haben, der von der Stirnseite des jeweiligen Federendes ausgehend zunächst bis zu einem kleinsten Windungsmittenradius Re, min kleiner wird, dann bis zu einem größten Windungsmittenradius Re, max größer wird und anschließend bis zu einem Windungsmittenradius Rm des zwischen den Federenden verlaufenden Federabschnitts kleiner wird. Dabei gilt für die Windungsmittenradien stets die Beziehung Re, min < Rm < Re, max, und die radialen Außenkonturen der Federenden schmiegen sich unter Bildung des Formschluss' an radiale Innenkonturen der Federteller an.
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Unter dem Begriff ‚Windungsmittenradius‘ ist der Abstand jedes Punkts auf der Federdrahtmitte von der Drehachse des Riemenscheibenentkopplers zu verstehen.
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Die erfindungsgemäße Formgebung jedes Federendes, dessen Windungsmittenradius Re derart zunächst kleiner und anschließend wieder größer wird, dass stets der kleinste Windungsmittenradius Re, min negativ und der größte Windungsmittenradius Re, max positiv vom Windungsmittenradius Rm der zwischen den Federenden verlaufenden Windungen abweicht, erlaubt die Herstellung einer - in Bezug auf das den Rampenhochlauf verhindernde Haltemoment - radial besonders kompakt bauenden und betrieblich stabilen Formschlussverbindung der Federenden mit den radialen Innenkonturen der Federteller.
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Der Windungsmittenradius Rm ist im Hinblick auf gleichmäßige Spannungsbelastungen der federnden Windungen vorzugsweise konstant.
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Der sich von der Stirnseite des jeweiligen Federendes bis zum kleinsten Windungsmittenradius Re, min erstreckende Federendabschnitt ist im Hinblick auf einen pressungsarmen Linienkontakt des Federendes mit der sich daran anschmiegenden radialen Innenkontur des Federtellers ungekrümmt.
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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 Riementrieb in schematischer Darstellung
- 2 den Riemenscheibenentkoppler im Längsschnitt;
- 3 die Nabe, die Schraubendrehfeder, die Einwegkupplung und den ersten Federteller des Riemenscheibenentkopplers in perspektivischer explodierter Darstellung;
- 4 die Schraubendrehfeder in bemaßter Seitenansicht;
- 5 die Schraubendrehfeder in bemaßter Draufsicht;
- 6 in perspektivischer Darstellung die Einwegkupplung und den ersten Federteller im Zusammenbau;
- 7 den Zusammenbau gemäß 6 in bemaßter Draufsicht;
- 8 die Nabe in perspektivischer Ansicht auf den zweiten Federteller;
- 9 den zweiten Federteller in bemaßter Draufsicht.
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Der in 1 dargestellte Nebenaggregate-Riementrieb 1 einer Brennkraftmaschine umfasst einen erfindungsgemäßen Riemenscheibenentkoppler 2, der - generisch formuliert - Antriebsmoment von einem Drehantrieb 3 auf einen Drehabtrieb 4 überträgt. Der Riemenscheibenentkoppler 2 ist vorliegend auf einem Generator 5 angeordnet und treibt die Generatorwelle 6 als Drehabtrieb 4 an. Der Drehantrieb 3 des Riemenscheibenentkopplers 2 ist der in der eingezeichneten Richtung umlaufende Riemen 7, der eine den Riemen 7 antreibende Riemenscheibe 8 einer Kurbelwelle, eine Umlenkrolle 9, eine Riemenscheibe 10 eines Klimakompressors, eine Spannrolle 11 eines den Riemen 7 vorspannenden Riemenspanners und eine Riemenscheibe 12 des Riemenscheibenentkopplers 2 als im Antriebsmomentfluss seitens des Drehantriebs 3 angeordnetes Antriebsteil 13 umschlingt.
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Die 2 und 3 zeigen den Aufbau und die Einzelteile des Riemenscheibenentkopplers 2 in verschiedenen Darstellungen. Die Riemenscheibe 12, deren vom Riemen 7 umschlungener Außenmantel ein der Poly-V-Form des Riemens 7 entsprechendes Profil hat, wird vom Riemen 7 in der in 3 eingezeichneten Drehrichtung angetrieben. Die Riemenscheibe 12 ist hohlzylindrisch und drehbar auf einer Nabe 14 gelagert, die - als im Antriebsmomentfluss seitens des Drehabtriebs 4 angeordnetes Abtriebsteil 15 - fest mit der Generatorwelle 6 verschraubt wird. Hierzu hat die Nabe 14 im Mittelabschnitt ein (nicht dargestelltes) Innengewinde und am generatorfernen, vorderen Endabschnitt einen Innensechskant 16 als Eingriffskontur für das Schraubwerkzeug. Die Lagerung der Riemenscheibe 12 auf der Nabe 14 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 17, und das Gleitlager ist ein Radiallagerring 18 aus Polyamid, der mit dem Innendurchmesser der Riemenscheibe 12 in unmittelbarem Gleitkontakt steht.
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Die Riemenscheibe 12 hat am generatorfernen Ende eine im Durchmesser gestufte Erweiterung 19, in die nach dem Verschrauben des Riemenscheibenentkopplers 2 auf die Generatorwelle 6 eine (nicht dargestellte) Schutzkappe eingeschnappt wird.
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Die für die Entkoppel- und Freilauffunktion des Riemenscheibenentkopplers 2 wesentlichen Komponenten sind eine Einwegkupplung 20 und eine Schraubendrehfeder 21, die als Reihenschaltung im Antriebsmomentfluss zwischen der Riemenscheibe 12 als Antriebsteil 13 und der Nabe 14 als Abtriebsteil 15 angeordnet sind. Die Einwegkupplung 20, die in der Antriebsdrehrichtung ein Überholen der Nabe 14 und mithin der Generatorwelle 6 gegenüber der Riemenscheibe 12 zulässt, ist ein im Antriebsmomentfluss zwischen der Riemenscheibe 12 und der Schraubendrehfeder 21 angeordnetes Schlingband 22, das sich koaxial zur Drehachse 23 des Riemenscheibenentkopplers 2 erstreckt und die Schraubendrehfeder 21 umschließt.
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Das Schlingband 22 ist rechts gewickelt, und die Schraubendrehfeder 21 ist links gewickelt. Bei der Übertragung des Antriebsmoments verspannt sich das im Antriebsmomentfluss seitens der Riemenscheibe 12 verlaufende erste Schlingbandende 24 gegen den zylindrischen Innenmantel einer Hülse 25, die in der Riemenscheibe 12 mittels eines Pressverbands drehbefestigt ist. Das im Antriebsmomentfluss seitens der Schraubendrehfeder 21 verlaufende zweite Schlingbandende 26 verspannt sich gegen den zylindrischen Innenmantel einer weiteren Hülse 27, die in der Riemenscheibe 12 drehbar gelagert ist. Beide Hülsen 25, 27 sind Blechformteile, wobei die weitere Hülse 27 Teil eines im Antriebsmomentfluss seitens der Riemenscheibe 12 angeordneten ersten Federtellers 28 für das dortige erste Ende der Schraubendrehfeder 21 ist. Ein im Antriebsmomentfluss seitens des Abtriebsteils 15 angeordneter zweiter Federteller 29 für das zweite Ende der Schraubendrehfeder 21 ist einstückig angeformter Teil der Nabe 14 und hat am Außenmantel eine Umlaufnut 30, die den Radiallagerring 18 axial einfasst. Die Federteller 28, 29 haben Federanlageflächen, die der stirnseitigen Kontur der Schraubendrehfeder 21 entsprechend an umfänglichen Stufen 31 und 32 (s. 8) zurückspringen. Die beiden Federenden 33 und 34 liegen stirnseitig an den Stufen 31 und 32 an und weiten die Schraubendrehfeder 21 unter Übertragung des Antriebsmoments radial auf. Die Schraubendrehfeder 21 ist mit axialer Vorspannkraft zwischen den Federtellern 28, 29 eingespannt, wobei der erste Federteller 28 mittels eines Gleitlagerrings 35 die Vorspannkraft am Außenring des Kugellagers 17 abstützt.
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Das in die Riemenscheibe 12 eingeleitete Antriebsmoment wird durch Haftreibung zwischen dem aufgeweiteten Schlingband 22 und den beiden Hülsen 25, 27 über den ersten Federteller 28 in die (Drehschwingungen im Antriebsmoment entkoppelnde) Schraubendrehfeder 21 eingeleitet und von dort in geglätteter Form auf den zweiten Federteller 29 und die Nabe 14 übertragen.
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Das Schlingband 22 ermöglicht bei Drehmomentumkehr ein Überholen der Nabe 14 als Abtriebsteil 15 gegenüber der Riemenscheibe 12 als Antriebsteil 13 und mithin der Generatorwelle 6 als Drehabtrieb 4 gegenüber dem Riemen 7 als Drehantrieb 3. In diesem Zustand zieht sich das Schlingband 22 auf seinen (unbelasteten) Ausgangsdurchmesser zusammen und rutscht in einer oder beiden Hülsen 25, 27 durch. Das dabei übertragbare Drehmoment reduziert sich auf das Gleitreibmoment zwischen den beiden durchrutschenden Kontaktpartnern. Im antriebsmomentfreien Betriebszustand des Riemenscheibenentkopplers 2, in dem die Nabe 14 die Riemenscheibe 12 in Antriebsdrehrichtung überholt, führt die Gleitreibung des dann durchrutschenden Schlingbands 22 dazu, dass ein oder beide Federenden 33, 34 mit einem Reibmoment beaufschlagt werden, das die Federenden 33, 34 in Umfangsrichtung der Federanlageflächen und weg von den Stufen 31, 32 beaufschlagt. Dieser unerwünschte Rampenhochlauf der Schraubendrehfeder 21 an einem oder beiden Federtellern 28, 29 wird durch einen Anti-ramp-up Mechanismus verhindert, der unter Einbeziehung der 4 bis 9 erläutert sei.
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Die Federenden 33, 34 und die Federteller 28, 29 haben gegenseitige Verdrehsicherungen, die jeweils in Antriebsdrehrichtung eine übermäßige Relativverdrehung des zweiten Federtellers 29 gegenüber dem zweiten Federende 34 und des ersten Federendes 33 gegenüber dem ersten Federteller 28 formschlüssig verhindern. Der Formschluss ermöglicht die Übertragung von umfänglichen Zugkräften an den Federenden 33, 34, so dass sich auch im Überholbetrieb des Riemenscheibenentkopplers 2 trotz des dann wirkenden Gleitreibmoments des durchrutschenden Schlingbands 22 die relative Umfangsposition der Federenden 33, 34 gegenüber den Federtellern 28, 29, wie sie im Antriebsmoment übertragenden Druckkontakt der Stufen 31, 32 mit den umfänglichen Stirnseiten 36 und 37 der Federenden 33, 34 vorliegt, nicht wesentlich verändert.
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Der verdrehsichernde Formschluss ist dadurch gebildet, dass die Federenden 33, 34 von der reinen Kreisbogenform abweichend gewickelt sind, wobei sich deren radiale Außenkonturen an radiale Innenkonturen der Federteller 28, 29 (unter Bildung des Form-Schlüsse) verdrehsicher anschmiegen. Erfindungsgemäß haben die Federenden 33, 34 jeweils einen in 5 gepunktet eingezeichneten Windungsmittenradius Re, der von deren Stirnseiten 36 bzw. 37 ausgehend zunächst bis zu einem kleinsten Windungsmittenradius Re, min kleiner wird, dann bis zu einem größten Windungsmittenradius Re, max größer wird und anschließend bis zu einem Windungsmittenradius Rm des zwischen den Federenden 33, 34 verlaufenden Federabschnitts kleiner wird. Dabei gilt für die Windungsmittenradien stets die Beziehung Re, min < Rm < Re,max.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel gilt weiterhin:
- - Der Windungsmittenradius Rm ist konstant, d.h. der Federwickelkörper ist zwischen den nicht kreisbogenförmigen Federnden 33, 34 rein zylindrisch.
- - Der sich von der Stirnseite 36, 37 des jeweiligen Federendes 33 bzw. 34 bis zum kleinsten Windungsmittenradius Re,min erstreckende Federendabschnitt ist über die Länge a ungekrümmt.
- - Für den Windungsmittenradius Re an der Stirnseite 36, 37 des jeweiligen Federendes 33 bzw. 34 gilt die Beziehung: Re > Rm, s. 5.
- - Die Windungsmittenradien Re, min und Re,max sind dem Federquerkraftabstützwinkel entsprechend um einen Winkel von 90° (zzgl. ± 10° Bauteiltoleranz) voneinander beabstandet.
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Die in 5 eingezeichnete Drahthöhe H der Schraubendrehfeder 21 ist über alle Federwindungen konstant, so dass für die radiale Außenkontur der Schraubendrehfeder 21 stets die Beziehung gilt: Ra, min < Ra < Ra,max. Unter den Außenradien Ra ist - entsprechend dem Windungsmittenradius Rm - der Abstand jedes Punkts auf der Federaußenkontur von der Drehachse 23 des Riemenscheibenentkopplers 2 zu verstehen. Die Beziehung besagt, dass im Bereich Re,min die Außenkontur der Federenden 33, 34 gegenüber dem dazwischen rein zylindrischen Federwickelkörper radial zurückspringt und im Bereich Re, max radial vorspringt.
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Das Schlingband 22 umschließt die Schraubendrehfeder 21 mit dem in 7 eingezeichneten Innenradius R'a, max. Der erste Federteller 28 schmiegt sich im Bereich der Stufe 31 mit einer sekantenartigen Einformung 38 an den dort ungekrümmten Federendabschnitt radial an.
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Der Innenmantel des zweiten Federtellers 29 umschließt die Schraubendrehfeder 21 mit dem in 9 eingezeichneten Innenradius R''a, max. Der zweite Federteller 29 schmiegt sich im Bereich der Stufe 32 mit einer sekantenartigen Einformung 39 an den dort ungekrümmten Federendabschnitt an.
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Die Maße R'a, min und R''a, min, um die die Einformungen 38 bzw. 39 von der Drehachse 23 beabstandet sind, und die Maß a' und a'', um die die Stufen 31 bzw. 32 von der Drehachse 23 beabstandet sind, sind so dimensioniert, dass die Zylinderachse des rein zylindrischen Abschnitts des Federwickelkörpers mit der Drehachse 23 weitestgehend identisch ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden für die formschlüssige Verdrehsicherung der Federenden 33, 34 gegenüber den Federtellern 28 bzw. 29 die folgenden Klemmbedingungen erfüllt:
- - erstes Federende 33 - erster Federteller 28: Ra, max + Ra > R'a, max + R'a, min
- - zweites Federende 34 - zweiter Federteller 29: Ra, max + Ra > R''a, max + R''a, min
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Diese Klemmbedingungen bewirken, dass sich die Stirnseiten 36, 37 der Federenden 33 bzw. 34 im Überholbetrieb des Riemenscheibenentkopplers 2 jeweils nicht mehr als 2 mm von den Stufen 31, 32 entfernen können.
