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Die Erfindung betrifft einen Entkoppler zur Drehmomentübertragung von einem Drehantrieb auf einen Drehabtrieb, mit:
- - einem im Drehmomentfluss seitens des Drehantriebs angeordneten Antriebsteil,
- - einem im Drehmomentfluss seitens des Drehabtriebs angeordneten Abtriebsteil,
- - einer im Drehmomentfluss 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 Drehmomentfluss seitens des Antriebsteils angeordneten ersten Federteller mit einem axialen Anlagebereich für das erste Ende der Schraubendrehfeder
- - und einem im Drehmomentfluss seitens des Abtriebsteils angeordneten zweiten Federteller mit einem axialen Anlagebereich für das zweite Ende der Schraubendrehfeder, die durch die Federteller axial eingespannt ist,
wobei die Federenden unter Übertragung des Drehmoments an Umfangsstufen der Federteller stirnseitig anliegen.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine mit einem solchen Entkoppler.
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Derartige Entkoppler (Englisch: Decoupler) sind typischerweise als RiemenscheibenEntkoppler eines Nebenaggregate-Riementriebs einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Sie können als Kurbelwellen-Entkoppler auf der Kurbelwelle oder als Generator-Entkoppler 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 Drehmoment 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-Entkopplers kann dann die mit relativ großer Massenträgheit behaftete Welle des Generators dessen Riemenscheibe überholen.
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Zu den bekannten Ausführungen zählen:
- - Riemenscheibenentkoppler, die drehfest mit der Kurbelwelle verbunden sind und Drehmoment von der Kurbelwelle auf den Riemen übertragen. Sie weisen eine Einwegkupplung auf, die im geöffneten Zustand das Überholen des Riemens gegenüber der Kurbelwelle zulässt. Ein derartiger Riemenscheibenentkoppler ist beispielsweise aus der DE 10 2015 202 043 A1 und der WO 2004/011818 A1 bekannt.
- - Riemenscheibenentkoppler, die drehfest mit der Welle eines Generators verbunden sind und Drehmoment vom Riemen auf die Generatorwelle übertragen. Sie weisen eine mit der Schraubendrehfeder in Reihe geschaltete Einwegkupplung auf, die im geöffneten Zustand das Überholen der Generatorwelle gegenüber dem Riemen zulässt. Ein derartiger Riemenscheibenentkoppler ist ebenfalls aus der DE 10 2015 202 043 A1 und außerdem aus der US 9,759,274 B2 und der US RE45,156 E bekannt.
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Ein auf dem Generator angeordneter Riemenscheibenentkoppler rotiert entsprechend der Übersetzung des Riementriebs deutlich schneller als ein Riemenscheibenentkoppler auf der Kurbelwelle. Im ersteren Fall beeinträchtigen also durch Konstruktion und durch Bauteiltoleranzen bedingte Einzelunwuchten der Entkopplerkomponenten dessen Vibrationsverhalten erheblich stärker, zumal die Gesamtunwucht mit dem Quadrat der Drehzahl steigt. Die maximal zulässige Unwucht liegt bei solchen Riemenscheibenentkopplern typischerweise bei 40 gmm.
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Die Schraubendrehfeder hat einen signifikanten Einfluss auf die Unwucht, da zum einen typischerweise die Federenden angeschliffen sind und das dabei entfernte Federmaterial eine Teilunwucht erzeugt und zum anderen die Schraubendrehfeder unter Erzeugung einer weiteren Teilunwucht gegenüber der Drehachse des Entkopplers verkippen kann. Wie es in der
DE 10 2019 126 867 A1 vorgeschlagen ist, lassen sich die Unwucht des Entkopplers teilweise kompensieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das unwuchtbedingte Vibrationsverhalten eines Entkopplers der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.
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Die Lösung hierfür ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach sollen die axialen Anlagebereiche radial zur Drehachse des Entkopplers hin geneigt sein und durch Auflagerreaktion auf die axiale Spannkraft der Schraubendrehfeder ein Radialkräftepaar erzeugen, das die Federenden an umfänglich dazu benachbarte Komponenten des Entkopplers radial anlegt. Anders ausgedrückt: Ein Teil der axialen Vorspannkraft der Schraubendrehfeder wird durch die zur Drehachse orientierte Neigung der axialen Anlagebereiche in Radialkräfte umgelenkt, die als Kräftepaar die Schraubendrehfeder in permanenter radialer Anlage an den die Federenden umschließenden Entkopplerkomponenten halten. Diese Position und die damit einhergehende Unwucht der Schraubendrehfeder sind stabil, d.h. unabhängig davon, ob der Entkoppler momentan entweder Drehmoment überträgt oder sich im Überholbetrieb befindet, in dem bei bisher bekannten Entkopplern die axiale Ausrichtung der Schraubendrehfeder, d.h. deren Längsachse relativ zur Drehachse des Entkopplers undefiniert innerhalb des Kippspiels der Schraubendrehfeder und folglich deren betriebliche Unwucht schwanken können.
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Die auf diese Weise stabilisierte Unwucht kann mit bekannten Maßnahmen - beispielsweise wie in der eingangs zitierten
DE 10 2019 126 867 A1 vorgeschlagen - kompensiert werden, so dass im Ergebnis der Entkoppler mit einer niedrigen und zumindest schwankungsarmen Unwucht betrieben wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Entkopplers für den im Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine angeordneten Generator dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 den Riementrieb in schematischer Darstellung
- 2 den Entkoppler im Längsschnitt;
- 3 den Entkoppler in explodierter Darstellung aus einer ersten Perspektive;
- 4 den Entkoppler in explodierter Darstellung aus einer zweiten Perspektive;
- 5 die Nabe des Entkopplers im Längsschnitt;
- 6 die Nabe gemäß 5 in perspektivischer Darstellung;
- 7 die Mitnehmerhülse des Entkopplers in perspektivischer Darstellung;
- 8 die die Mitnehmerhülse gemäß 7 in perspektivischem Längsschnitt.
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Der in 1 dargestellte Nebenaggregate-Riementrieb 1 einer Brennkraftmaschine umfasst einen erfindungsgemäßen Entkoppler 2, der - generisch formuliert - Drehmoment von einem Drehantrieb 3 auf einen Drehabtrieb 4 überträgt. Der Entkoppler 2 ist vorliegend auf einem Generator 5 angeordnet und treibt dessen Generatorwelle 6 als Drehabtrieb 4 an. Der Drehantrieb 3 des Entkopplers 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 Entkopplers 2 als im Drehmomentfluss seitens des Drehantriebs 3 angeordnetes Antriebsteil 13 umschlingt.
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Die 2 bis 4 zeigen den Entkoppler 2 in verschiedenen Darstellungen. Die Riemenscheibe 12 ist hohlzylindrisch und hat einen Außenmantel, der der Poly-V-Form des Riemens 7 entsprechend profiliert ist. Die Riemenscheibe 12, die vom Riemen 7 in der in 3 eingezeichneten Pfeilrichtung drehangetrieben wird, ist drehbar auf einer Nabe 14 gelagert, die als im Drehmomentfluss seitens des Drehabtriebs 4 angeordnetes Abtriebsteil 16 fest mit der Generatorwelle 6 verschraubt wird. Hierzu hat die Nabe 14 im Mittelabschnitt ein Innengewinde 15 und am generatorfernen, vorderen Endabschnitt einen Innensechskant 42 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 umfänglich geschlitzter Radiallagerring 18 aus Polyamid, der in einer Umfangsnut 19 der Nabe 14 axial eingefasst ist und mit dem Innenmantel der Riemenscheibe 12 in unmittelbarem Gleitkontakt steht. Die Riemenscheibe 12 hat am generatorfernen Ende eine im Durchmesser gestufte Erweiterung 20, in die nach dem Verschrauben des Entkopplers 2 auf die Generatorwelle 6 eine Schutzkappe 21 eingeschnappt wird.
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Die für die Funktion des Entkopplers 2 wesentlichen Komponenten sind eine als Schlingband 22 ausgebildete Einwegkupplung und eine - bezüglich des Drehmomentflusses von der Riemenscheibe 12 auf die Nabe 14 - mit dem Schlingband 22 in Reihe geschaltete Schraubendrehfeder 23, deren Längsachse 24 gegenüber der Drehachse 25 des Entkopplers 2 geringfügig verkippt ist. Das Schlingband 22 ist radial zwischen der Riemenscheibe 12 und der Schraubendrehfeder 23 angeordnet. Die Schraubendrehfeder 23 ist links gewickelt und hat einen trapezförmigen Drahtquerschnitt. Das Schlingband 22 ist rechts und rein zylindrisch gewickelt und hat einen über alle Windungen konstanten rechteckigen Drahtquerschnitt.
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Das Schlingband 22 und die Schraubendrehfeder 23 haben beidseitig schenkellose Enden, die die Windungen des Schlingbands 22 bzw. der Schraubendrehfeder 23 bei der Übertragung des Drehmoments radial aufweiten. Das Schlingband 22 befindet sich in außenumfänglichem Reibkontakt mit einem gegenüber der Riemenscheibe 12 drehfesten Innenmantel 26 einerseits und mit dem Innenmantel 27 einer gegenüber der Riemenscheibe 12 drehbaren Mitnehmerhülse 28 andererseits und verspannt sich unter Übertragung des Drehmoments gegen die Innenmäntel 26, 27. Die Mitnehmerhülse 28 ist im Drehmomentfluss mit dem Schlingband 22 und der Schraubendrehfeder 23 in Reihe geschaltet und überträgt das Drehmoment vom Schlingband 22 auf die Schraubendrehfeder 23. Der Innenmantel 26 ist durch eine in der Riemenscheibe 12 eingepresste Antriebshülse 29 gebildet, die die Mitnehmerhülse 28 radial lagert und wie die Mitnehmerhülse 28 zwecks Verschleißfestigkeit ihrer Oberfläche wärmebehandelt ist. Die Riemenscheibe 12 ist hingegen nicht gehärtet.
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Das Schlingband 22 ermöglicht ein Überholen der Generatorwelle 6 und der darauf befestigten Nabe 14 gegenüber der Riemenscheibe 12. In diesem Überholbetrieb des Entkopplers 2 rutscht das Schlingband 22 in der Mitnehmerhülse 28 und/oder in der Antriebshülse 29 durch, und das dabei übertragbare Drehmoment beschränkt sich auf das Gleitreibmoment zwischen den beiden durchrutschenden Kontaktpartnern.
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Das antriebseitige Federende 30 der Schraubendrehfeder 23 liegt an einem Federteller 31 an, der Teil der Mitnehmerhülse 28 ist und sich von deren Innenmantel 27 radial einwärts erstreckt. Das abtriebseitige Federende 32 liegt an einem mit der Nabe 14 drehfesten Federteller 33 an und ist vorliegend ebenfalls einteilig mit der Nabe 14 ausgebildet. Die Schraubendrehfeder 23 ist mit axialer Spannkraft zwischen den Federtellern 31, 33 eingespannt. Die beiden Federteller 31, 33 haben jeweils eine Federanlage, die an einer Umfangsstufe 34 bzw. 35 zurückspringt (s. 7 bzw. 6). Das von der Riemenscheibe 12 auf die Nabe 14 übertragene Drehmoment wird über den Druckkontakt der umfänglichen Stirnseiten der Federenden 30, 32 mit den Umfangsstufen 34, 35 der Federteller 31 bzw. 33 übertragen.
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Die Drehlagerung der Mitnehmerhülse 28 erfolgt einerseits radial über eine Durchmesserstufe 36 der Antriebshülse 29 und andererseits sowohl radial als auch axial über einen zwischen der Mitnehmerhülse 28 und dem Kugellager 17 eingelegten Gleitlagerring 37 aus Polyamid. Der Gleitlagerring 37 umschließt eine Durchmesserstufe 38 der mit der axialen Spannkraft der Schraubendrehfeder 23 beaufschlagten Mitnehmerhülse 28, um diese radial gegen den Innenmantel 39 der Riemenscheibe 12 und axial gegen den Au-ßenring des Kugellagers 17 zu lagern.
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Die Federenden 30, 32 sind jeweils mit Radialspalt von umfänglich dazu benachbarten Komponenten des Entkopplers 2 umschlossen: Das am Federteller 31 der Mitnehmerhülse 28 anliegende antriebseitige Federende 30 ist mit Radialspalt vom Schlingband 22 umschlossen, und das abtriebseitige Federende 32 ist mit Radialspalt vom Federteller 33 umschlossen.
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Wie es in den 5 bis 8 verdeutlicht ist, haben die die Schraubendrehfeder 23 einspannenden Federanlagen der Federteller 31, 33 axiale Anlagebereiche 40 bzw. 41 für die Federenden 30 bzw. 32. Die axialen Anlagebereiche 40, 41 steigen (entlang ihrer Umfangsrichtung) korrespondierend zur Windungssteigung der Schraubendrehfeder 23 axial an und sind erfindungsgemäß radial zur Drehachse 25 des Entkopplers 2 hin geneigt. Diese radiale Neigung bewirkt jeweils eine Auflagerreaktion an den axialen Anlagebereichen 40, 41, die der Hangabtriebskraft an einer schiefen Ebene entsprechend die axiale Spannkraft der Schraubendrehfeder 23 in ein Radialkräftepaar umlenkt. Das Radialkräftepaar, das in 2 und in den 6 und 7 durch die dort eingezeichneten Pfeile illustriert ist, legt die Federenden 30, 32 an die umfänglich dazu benachbarten Komponenten, d.h. an das Schlingband 22 bzw. den Federteller 33 radial an. Die damit einhergehende Verkippung der Schraubendrehfeder 23 ist in 2 durch deren gleichermaßen verkippte Längsachse 24 gegenüber der Drehachse 25 des Entkopplers 2 verdeutlicht.
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Der in 5 am axialen Anlagebereich 41 eingezeichnete Neigungswinkel α ist so dimensioniert, dass die Radialkräfte jeweils größer als die dazu gegensinnigen Reibkontaktkräfte zwischen den Federenden 30, 32 und den zugehörigen axialen Anlagebereichen 40, 41 sind und sich dementsprechend außerhalb der Selbsthemmung befinden.
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Die geneigten axialen Anlagebereiche 40, 41 sind bezüglich der Umfangsstufen 34 bzw. 35 so positioniert, dass das Radialkräftepaar die Federenden 30, 32 an das Schlingband 22 bzw. an den Federteller 33 an radialen Anlagebereichen anlegt, die jeweils einen Anlagepunkt beinhalten, der entlang des jeweiligen Federendes 30, 32 um 90° ± 10° zu dessen zugehöriger Stirnseite umfänglich beabstandet ist. Die Kräftepfeile in den 6 und 7 zeigen jeweils auf diesen Anlagepunkt. Die so orientierte Anlage bewirkt, dass die Verkippung der Schraubendrehfeder 23 unabhängig davon, ob der Entkoppler 2 entweder Drehmoment überträgt oder sich im Überholbetrieb befindet, im Wesentlichen unverändert bleibt, da sich die Federenden 30, 32 stets um etwa 90° zu den Umfangsstufen 34 bzw. 35 versetzt in radialer Anlage mit dem Schlingband 22 bzw. mit dem Federteller 33 befinden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nebenaggregate-Riementrieb
- 2
- Entkoppler
- 3
- Drehantrieb
- 4
- Drehabtrieb
- 5
- Generator
- 6
- Generatorwelle
- 7
- Riemen
- 8
- Riemenscheibe
- 9
- Umlenkrolle
- 10
- Riemenscheibe
- 11
- Spannrolle
- 12
- Riemenscheibe
- 13
- Antriebsteil
- 14
- Nabe
- 15
- Innengewinde
- 16
- Abtriebsteil
- 17
- Kugellager
- 18
- Radiallagerring
- 19
- Umfangsnut
- 20
- Erweiterung
- 21
- Schutzkappe
- 22
- Schlingband
- 23
- Schraubendrehfeder
- 24
- Längsachse
- 25
- Drehachse
- 26
- Innenmantel
- 27
- Innenmantel
- 28
- Mitnehmerhülse
- 29
- Antriebshülse
- 30
- Federende
- 31
- Federteller
- 32
- Federende
- 33
- Federteller
- 34
- Umfangsstufe
- 35
- Umfangsstufe
- 36
- Durchmesserstufe
- 37
- Gleitlagerring
- 38
- Durchmesserstufe
- 39
- Innenmantel
- 40
- axialer Anlagebereich
- 41
- axialer Anlagebereich
- 42
- Innensechskant
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015202043 A1 [0004]
- WO 2004/011818 A1 [0004]
- US 9759274 B2 [0004]
- US RE45156 E [0004]
- DE 102019126867 A1 [0006, 0009]
