DE102020129440B3

DE102020129440B3 - Riemenscheibenentkoppler

Info

Publication number: DE102020129440B3
Application number: DE102020129440.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Goetz; Eugen Bauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2040-11-10

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Riemenscheibenentkoppler (2) zur Antriebsmomentübertragung von einem Drehantrieb (3) auf einen Drehabtrieb (4), mit:- einem im Antriebsmomentfluss seitens des Drehantriebs angeordneten Antriebsteil (13),- einem im Antriebsmomentfluss seitens des Drehabtriebs angeordneten Abtriebsteil (15),- einer im Antriebsmomentfluss zwischen dem Antriebsteil und dem Abtriebsteil angeordneten Reihenschaltung aus einer Schraubendrehfeder (21) und einer Einwegkupplung (20), die in Antriebsdrehrichtung ein Überholen des Abtriebsteils gegenüber dem Antriebsteil zulässt,- einem im Antriebsmomentfluss seitens des Antriebsteils angeordneten ersten Federteller (28) für das erste Ende der Schraubendrehfeder- und einem im Antriebsmomentfluss seitens des Abtriebsteils angeordneten zweiten Federteller (29) für das zweite Ende der Schraubendrehfeder (21).Die Federenden (37, 38) und die Federteller haben gegenseitige Verdrehsicherungen, die jeweils in Antriebsdrehrichtung eine Relativverdrehung des zweiten Federtellers gegenüber dem zweiten Federende und des ersten Federendes gegenüber dem ersten Federteller dadurch verhindern, dass die Federenden in keilförmigen Taschen (39, 40) der Federteller eingeklemmt sind. Die Keilform der Taschen ist in Axialrichtung der Schraubendrehfeder und zu dieser hin öffnend orientiert, wobei die Schraubendrehfeder zwischen den Federtellern mit einer axialen Vorspannkraft (Faxial) eingespannt ist, die das jeweils zwischen den Taschen und den Federenden wirkende Klemmmoment (Ma+ Mi) erzeugt.

Description

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,

Derartige Riemenscheibenentkoppler (Englisch: Decoupler) sind typischerweise als Riemenscheibenentkoppler eines Nebenaggregate-Riementriebs einer Brennkraftmaschine ausgebildet. 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.
Ein Generator-Riemenscheibenentkoppler geht beispielsweise aus der US 8,047,920 B2 hervor. Die Einwegkupplung ist als Schlingband ausgebildet, 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.
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.
Ein Riemenscheibenentkoppler, 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.
Ein gattungsgemäßer Riemenscheibenentkoppler, der den Rampenhochlauf durch Einklemmen der Federenden in keilförmigen Taschen der Federteller verhindert, ist aus der EP 3 194 809 B1 bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Riemenscheibenentkoppler der eingangs genannten Art in konstruktiv vorteilhafter Weise weiter zu entwickeln.
Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach soll die Keilform der Taschen in Axialrichtung der Schraubendrehfeder und zu dieser hin öffnend orientiert sein, wobei die Schraubendrehfeder zwischen den Federtellern mit einer axialen Vorspannkraft eingespannt ist, die das jeweils zwischen den Taschen und den Federenden wirkende Klemmmoment erzeugt.
Gegenüber dem aus der eingangs zitierten EP 3 194 809 B1 bekannten Riemenscheibenentkoppler ist der vorliegende Anti-ramp-up Mechanismus erheblich einfacher herstellbar. Denn der durch die axiale Federvorspannung belastete Keileingriff erlaubt es, die sich axial öffnende Keilform (bei gleichem Klemmmoment) deutlich unpräziser und folglich kostengünstiger als die sich umfänglich öffnende Keilform mit dem lediglich in Umfangsrichtung belasteten Keileingriff herzustellen.
In axialer Richtung kann der Klemmwinkel größer als ein Winkel sein, der in Axialrichtung zur Selbsthemmung des Keileingriffs führen würde.
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 in perspektivischem Längsschnitt;
3 den Riemenscheibenentkoppler in explodierter Schnittdarstellung;
4 den ersten Federteller in perspektivischer Draufsicht;
5 die Klemmverbindung des ersten Federendes mit dem ersten Federteller im Längsschnitt;
6 den zweiten Federteller in perspektivischer Draufsicht;
7 die Klemmverbindung des zweiten Federendes mit dem zweiten Federteller im Längsschnitt;
8 die Einzelheit X gemäß 5 mit darin eingezeichneten Kraftverhältnissen der Klemmverbindung;
9 die Drehmomentverhältnisse der Klemmverbindung gemäß den 5 und 7;
10 die Parameter der Klemmverbindung in tabellarischer Auflistung.

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.
Die 2 bis 7 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 2 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 Innenvielzahn 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.
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.
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.
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 als Blechformteil hergestellten 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. Die ebenfalls als Blechformteil hergestellte weitere Hülse 27 umfasst einen im Antriebsmomentfluss seitens der Riemenscheibe 12 angeordneten ersten Federteller 28 für das dortige erste Ende der Schraubendrehfeder 21. 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 33 und 34, die der stirnseitigen Kontur der Schraubendrehfeder 21 entsprechend an umfänglichen Stufen 35 und 36 zurückspringen. Die beiden Federenden 37 und 38 liegen umfänglich stirnseitig an den Stufen 35 und 36 an und weiten die Schraubendrehfeder 21 unter Übertragung des Antriebsmoments radial auf. Die Schraubendrehfeder 21 ist mit axialer Vorspannkraft F_axial zwischen den Federtellern 28, 29 eingespannt, wobei der erste Federteller 28 die Vorspannkraft am Außenring des Kugellagers 17 mittels eines Gleitlagerrings 41 abstützt.
Das in die Riemenscheibe 12 eingeleitete Antriebsmoment wird durch Haftreibung zwischen dem aufgeweiteten Schlingband 22 und den beiden Hülsen 25, 27 über die Stufe 35 am ersten Federteller 28 in die (Drehschwingungen im Antriebsmoment entkoppelnde) Schraubendrehfeder 21 eingeleitet und von dort in geglätteter Form über die Stufe 36 des zweiten Federtellers 29 auf die Nabe 14 übertragen.
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 rutscht das Schlingband 22 in einer oder beiden Hülsen 25, 27 durch, und 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 37, 38 mit einem Reibmoment M_Freilauf (s. 9) beaufschlagt werden, das die Federenden 37, 38 in Umfangsrichtung der Federanlageflächen 33, 34 und weg von den Stufen 35, 36 beaufschlagt. Dieser unerwünschte Rampenhochlauf der Schraubendrehfeder 21 an einem oder beiden Federtellern 28, 29 wird durch einen Anti-ramp-up Mechanismus verhindert, der unter nachfolgender Einbeziehung der 8 bis 10 erläutert sei.
Die Federenden 37, 38 und die Federteller 28, 29 haben gegenseitige Verdrehsicherungen, die jeweils in Antriebsdrehrichtung eine Relativverdrehung des zweiten Federtellers 29 gegenüber dem zweiten Federende 38 und des ersten Federendes 37 gegenüber dem ersten Federteller 28 verhindern. Die Verdrehsicherungen basieren auf reinem Kraftschluss, der durch jeweiliges Einklemmen der Federenden 37, 38 in keilförmigen Taschen 39 und 40 der Federteller 28 bzw. 29 erzeugt ist. Die Keilform der Taschen 39, 40, die sich von den Stufen 35, 36 ausgehend innerhalb eines Winkelbereichs von ca. 120° erstrecken, ist in Axialrichtung der Schraubendrehfeder 21 und zu dieser hin öffnend orientiert, wobei die Vorspannkraft F_axial der Schraubendrehfeder 21 ein jeweils zwischen den Taschen 39, 40 und den Federenden 37, 38 wirkendes Klemmmoment erzeugt. Dieses Klemmmoment ist die Summe aus einem am Außenradius R_a des jeweiligen Federendes 37, 38 wirkenden äußeren Klemmmoment $M_{a} = F_{N, a} * μ * R_{a}$
und einem am Innenradius R_i des jeweiligen Federendes 37, 38 wirkenden inneren Klemmmoment $M_{i} = F_{K e i l} * μ * R_{i}$
mit: $F_{K e i l} = \frac{F_{a x i a l}}{sin (α)}$
und $F_{N, i} = F_{N, a} = \frac{F_{a x i a l}}{tan (α)}$
Die für das Klemmmoment M_a + M_i und das Reibmoment M_Freilauf geltende Beziehung: $M_{F r e i l a u f} \leq M_{a} + M_{i}$
verhindert den Rampenhochlauf der Federenden 37, 38.
Für den Klemmwinkel α und den Reibkoeffizienten µ gilt die Beziehung: $\frac{α}{2} \geq arctan (μ)$
Für den Klemmwinkel gilt vorliegend: α ≥ 11,42°, so dass die Federenden 37, 38 ohne axiale Selbsthemmung in den Taschen 39, 40 eingeklemmt sind.
Die vorgenannten Parameter und das sich daraus rechnerisch ergebende Klemmmoment sind in 10 tabellarisch gelistet.
Die Taschen 39, 40 unterscheiden sich geometrisch voneinander. Die am ersten Federteller 28 angeformte Tasche 39 ist gegenüber der Tasche 40 am zweiten Federteller 29 umfänglich unterbrochen. Beide Taschen 39, 40 kontaktieren den Außenumfang der Federenden 37, 38 flächig und deren Innenumfang - bedingt durch den nur dort vorliegenden Klemmwinkel α - linienförmig.

Claims

Riemenscheibenentkoppler (2) zur Antriebsmomentübertragung von einem Drehantrieb (3) auf einen Drehabtrieb (4), mit: - einem im Antriebsmomentfluss seitens des Drehantriebs (3) angeordneten Antriebsteil (13), - einem im Antriebsmomentfluss seitens des Drehabtriebs (4) angeordneten Abtriebsteil (15), - einer im Antriebsmomentfluss zwischen dem Antriebsteil (13) und dem Abtriebsteil (15) angeordneten Reihenschaltung aus einer Schraubendrehfeder (21) und einer Einwegkupplung (20), die in Antriebsdrehrichtung ein Überholen des Abtriebsteils (15) gegenüber dem Antriebsteil (13) zulässt, - einem im Antriebsmomentfluss seitens des Antriebsteils (13) angeordneten ersten Federteller (28) für das erste Ende der Schraubendrehfeder (21) - und einem im Antriebsmomentfluss seitens des Abtriebsteils (15) angeordneten zweiten Federteller (29) für das zweite Ende der Schraubendrehfeder (21), wobei die Federenden (37, 38) an umfänglichen Stufen (35, 36) der Federteller (28, 29) stirnseitig anliegen und die Schraubendrehfeder (21) unter Übertragung des Antriebsmoments radial aufweiten und wobei die Federenden (37, 38) und die Federteller (28, 29) gegenseitige Verdrehsicherungen haben, die jeweils in Antriebsdrehrichtung eine Relativverdrehung des zweiten Federtellers (29) gegenüber dem zweiten Federende (38) und des ersten Federendes (37) gegenüber dem ersten Federteller (28) dadurch verhindern, dass die Federenden (37, 38) in keilförmigen Taschen (39, 40) der Federteller (28, 29) eingeklemmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilform der Taschen (39, 40) in Axialrichtung der Schraubendrehfeder (21) und zu dieser hin öffnend orientiert ist, wobei die Schraubendrehfeder (21) zwischen den Federtellern (28, 29) mit einer axialen Vorspannkraft (F_axial) eingespannt ist, die das jeweils zwischen den Taschen (39, 40) und den Federenden (37, 38) wirkende Klemmmoment (M_a + M_i) erzeugt.
Riemenscheibenentkoppler (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmwinkel (a) der Taschen (39, 40) so gewählt ist, dass die Federenden (37, 38) ohne axiale Selbsthemmung in den Taschen (39, 40) eingeklemmt sind.