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Die
Erfindung betrifft einen Startergenerator mit Riemenscheibe, innerhalb
der Riemenscheibe angeordneter Welle und einem Freilauf, der mittels einer
Federeinrichtung belasteten Klemmkörper aufweist, mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie eine Riemenscheibe mit den
im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Merkmalen.
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Riemengetriebene
Startergeneratoren für Verbrennungsmotoren
der gattungsgemäßen Art sind
bekannt. Sie sind eine favorisierte Variante für ein verschließarmes Startsystem,
welches in Fahrzeugen mit Start-Stop-Automatik zum Einsatz kommt,
da durch die hierbei auftretende Verzehnfachung der Startvorgänge der
konventionelle Einspurstarter nicht mehr verwendet werden kann.
In WO 01/77520 A1 und WO 01/88369 A1 sind Vorrichtungen zum Kuppeln
eines riemengetriebenen Startergenerators mit einem Verbrennungsmotor
offenbart. Diese weisen ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad
auf, wobei die Umschaltung bei Drehmomentumkehr aktiv durch Kupplungselemente
erfolgt.
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Riemenscheiben
mit Freilauf, kurz Riemenfreilaufscheiben, werden ebenfalls im Stand
der Technik beschrieben. Sie weisen einen Freilaufring und Klemmkörper mit
einer Federeinrichtung auf. Diese im Stand der Technik beschriebenen
Riemenscheiben mit Freilauf kön nen
aber für
den riemengetriebenen Startergenerator nicht zum Einsatz kommen,
da beim Einsatz des riemengetriebenen Startergenerator im Starterbetrieb,
also als Motor zum Start eines Verbrennungsmotors, das Drehmoment in
entgegengesetzter Richtung zum Drehmoment im Generatorbetrieb, also
bei laufendem Verbrennungsmotor, auftritt.
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Vorteil der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Startergenerator
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet dem gegenüber den
Vorteil, dass im Generatorbetrieb die Funktion der bekannten Freilaufriemenscheibe
erfüllt wird
und im Starterbetrieb entgegengesetzte Drehmomente übertragen
werden. Dies wird durch den Einsatz eines Doppelfreilaufs im riemengetriebenen Startergenerator
erreicht. Der Doppelfreilauf weist paarweise einander zugeordnete
Klemmkörper
auf, zwischen denen die Federeinrichtung angeordnet ist. Die Klemmkörper wirken
mit unterschiedlichen Klemmspalten zusammen. Es ist eine die Welle
umgebende Nabe vorgesehen, wobei zwischen Nabe und Welle eine Federkopplung
mit mindestens zwei Federn vorgesehen ist. Die Klemmkörper zwischen Nabe
und Riemenscheibe sind mit einem Steuerkäfig, der mit der Riemenscheibe
gekoppelt ist, angeordnet.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Kopplung des Steuerkäfigs mit der Riemenscheibe
mittels Reibelementen erfolgt. Durch diese Kopplung erfolgt die
Umschaltung des Doppelfreilaufs bei Drehmomentumkehr. Der Vorteil
einer Kopplung mittels Reibelementen liegt darin, dass die Kopplung
nicht starr ist, sondern wirkverbunden ist. Sie ist auf der anderen
Seite so starr, dass bei einer Bewegung der Riemenscheibe der Steuerkäfig dieselbe
Bewegung wie die Riemenscheibe ausführt. Wenn die Richtung der Riemenscheibe
sich um dreht, dreht sich damit auch die Bewegungsrichtung des Steuerkäfigs um.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Federn der Federkopplung zwischen Welle
und Nabe unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen. Dadurch wird
ein Winkelbereich vorgeschaltet, der lediglich kleine Drehmomente übertragen
kann. Dadurch stellt sich eine „Lose" ein, wobei die „Lose" einen größeren Winkel aufweist als ein
Differenzwinkel zwischen Riemenscheibe und Welle. Dieser Differenzwinkel
ergibt sich insbesondere beim Start des Verbrennungsmotors und resultiert
aus der ungleichförmigen
Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors und aus dem, unter seiner
trägen
Masse gleichförmiger
umlaufenden, Startergenerator. Diese Ungleichförmigkeit ist nur zu Beginn
des Startvorgangs beachtlich groß und nimmt mit zunehmender
Drehzahl des Verbrennungsmotors ab.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Federkopplung zwischen Nabe und Welle sind die Federn als Spiralfedern
ausgebildet. Vorteilhaft ist hierbei, dass trotz kleinem Bauraum
eine große Wirkungskraft
erreicht wird.
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Zusätzlich zu
der Wirkung der Federn können
in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel auch Dämpfungsräume vorhanden
sein, die mit mindestens einem Medium gefüllt sind. Diese Dämpfungsräume bilden
sich zwischen dem Mitnehmer der Welle und der Innenkontur der Nabe
aus. Sie wirken wie Drosseln. Als Medium können hier Gase mit unterschiedlichen
Kompressibilitätseigenschaften
oder auch Flüssigkeiten
mit unterschiedlichen Viskositäten
verwendet werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
der Freiwinkel der Federkopplung eingestellt werden, nämlich durch
Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Naben mit Mitnehmern
und zugeordneten Federn. Die geometrische Hintereinanderschaltung
der Naben mit Mitnehmern und zugeordneten Federn kann sowohl auf
der Achse der Welle hintereinander, also axial, erfolgen, als auch
koaxial. Koaxial bedeutet hier ringförmig um die Welle angeordnete
Narben. Hierbei stellt jeweils die innenliegende Nabe die Welle
für die
nächste
Nabe dar, sodass mehrere Paare aus Nabe und Welle mit dazwischen angeordneten
Federn realisiert sind. Es ist möglich den
Freiwinkel durch Verwendung verschiedener Federn mit unterschiedlicher
Steifigkeit zu vergrößern
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Figuren
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1:
Anordnung des erfindungsgemäßen riemengetriebenen
Startergenerators und eines Verbrennungsmotors,
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2:
Längsschnitt
des Startergenerator entlang der Linie I-I aus 1 in
Ruhestellung,
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3:
Längsschnitt
des Startergenerators entlang der Linie I-I aus 1 im
Starterbetrieb,
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4:
Längsschnitt
des Startergenerators entlang der Linie I-I aus 1 im
Generatorbetrieb.
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1 zeigt
eine Anordnung eines Startergenerators 1 mit einer Welle 3,
die eine Wellenachse 4 aufweist und mit dem Startergenerator 1 verbunden ist.
Die Welle 3 ist Teil einer Vorrichtung 5, von
der lediglich eine Riemenscheibe 7 in dieser Figur gezeigt ist.
Die Riemenscheibe 7 ist mittels eines Riemen 9 mit
einer Riemenscheibe 11 eines Verbrennungsmotors 15 verbunden.
Die Riemenscheibe 11 ist durch eine Welle 13 mit
dem Verbrennungsmotor 15 verbunden.
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In 2 ist
der erfindungsgemäße Startergenerator 1 mit
der Vorrichtung 5 entlang der Linie I-I der in 1 dargestellten
Anordnung gezeigt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern
bezeichnet. Es wird auf die Beschreibung zu 1 verwiesen, um
Wiederholungen zu vermeiden.
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Die
Vorrichtung 5 weist die Riemenscheibe 7, die Welle 3 des
Startergenerators 1 und eine zwischen der Welle 3 und
der Riemenscheibe 7 angeordnete Nabe 19 auf. Die
Welle 3 weist an einem äußeren Umfang 21 einen
Mitnehmer 23 auf, der einstückig mit der Welle 3 verbunden
ist. Der Mitnehmer 23 weist eine nahezu rechteckige Grundfläche 25 auf,
die nahezu senkrechte Seitenflächen 26 und 26' besitzt. In
der Figur ist lediglich die rechteckige Grundfläche 25 gezeigt. Eine
geometrische Abmessung des Mitnehmers 23 in Richtung der
Wellenachse 4 ist in der Schnittdarstellung nicht zu erkennen. Die
Nabe 19 weist eine Innenkontur 29 auf. An der
Innenkontur 29 ist einstückig mit der Nabe 19 ein
Mitnehmer 31 ausgebildet. Von dem Mitnehmer 31 ist ebenfalls
eine Grundfläche 33 in
der Figur gezeigt. Die Grundfläche 33 der
Nabe 19 weist eine nahezu senkrecht zur Innenkontur 29 der
Nabe 19 ausgerichtete Seitenflächen 35 und eine zu
dieser nahezu parallelen Seitenfläche 35' auf. Zwischen der Seitenfläche 35' des Mitnehmers 31 und
der Seitenfläche 26 des
Mitnehmers 23 ist eine Feder 37 angeordnet. Zwischen
der Seitenfläche 26' des Mitnehmers 23 und
der Seitenfläche 35 des
Mitnehmers 33 ist eine Feder 39 angeordnet. Die
Federn 37 und 39 weisen unterschiedliche Steifigkeiten
auf. Dreht sich die Welle 3 rechtsdrehend wird die Feder 39 zusammengedrückt, dreht
sich die Welle 3 linksdrehend wird die Feder 37 zusammengedrückt. Dreht
sich hingegen die Nabe 19 rechtsdrehend wird die Feder 37 zusammengedrückt und
wenn die Nabe 19 sich linksdrehend bewegt wird die Feder 39 zusammengedrückt. Die
Welle 3 und die Nabe 19 sind also entsprechend den
Federwegen 37 und 39 relativ zueinander verdrehbar.
Dabei können
von der Nabe 19 auf die Welle 3 Drehmomente übertragen
werden und umgekehrt. Durch die unterschied lichen Steifigkeiten
der Federn 37 und 39 ist der zur Übertragung
gleicher Drehmomente notwendige Verdrehwinkel unterschiedlich groß. Der Abstand
zwischen Mitnehmers 23 und Mitnehmers 31, der
durch die Federn 37 und 39 einstellbar ist, wird
als Freiwinkel 41 bezeichnet.
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Die
Nabe 19 weist eine Außenkontur 43 auf. Zwischen
der Außenkontur 43 der
Nabe 19 und der Riemenscheibe 7 ist ein Doppelfreilauf 47 angeordnet.
Der Doppelfreilauf 47 weist mindestens zwei Klemmelemente 49 und 51 auf
sowie ein zwischen zwei Klemmelementen 49 und 51 angeordnete
Federeinrichtung 53 und einen Steuerkäfig 55. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
weist der Doppelfreilauf sechs der mindestens zwei Klemmelemente 49 und 51 auf,
also insgesamt zwölf,
jeweils paarweise zusammenwirkende, Klemmelemente. Der Steuerkäfig 55 ist über hier
nicht dargestellte Reibelemente mit der Riemenscheibe 7 wirkverbunden,
so dass ein Drehmoment übertragen
wird. Dies bedeutet, dass bei Drehung der Riemenscheibe 7 in
eine Richtung der Steuerkäfig 55 in
derselben Richtung mitgedreht wird. Folgt die Belastung des Steuerkäfigs 55 durch die
mittels der Nabe 19 beaufschlagten Klemmelemente 49 oder 51 wird
der Steuerkäfig 55 durch
die mittels Reibelemente geleistete Kopplung mit der Riemenscheibe 7 daran
gehindert durch die Nabe 19 gedreht zu werden. Die Klemmelemente 49 und 51 des
Doppelfreilaufs 47 können
in verschiedenen Ausführungen
eingesetzt werden, beispielsweise als Rollenklemmkörper oder
Kugeln.
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Es
ist auch möglich
mehrere Naben und Wellen mit Federn hintereinander zu schalten.
Die Hintereinanderschaltung von Naben und Wellen kann axial hintereinander
geschaltete Wellen und Naben aufweisen. Denkbar ist es auch Naben
und Wellen koaxial, also zwiebelschalenförmig, hintereinander zu schalten,
wobei eine innenliegende Nabe als Welle für die außenliegende Nabe dient.
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Zwischen
den Mitnehmern der Nabe 19 und der Welle 3 werden
Räume gebildet,
die vorzugsweise mit Medien gefüllt
werden, die mehr oder weniger kompressibel sind, und so zu einer
zusätzlichen Dämpfung von
Stößen und
Geräuschen
führen.
Es ist auch denkbar, dass die Federn durch Räume, die mit Medien gefüllt sind,
ersetzt werden, so dass die Einstellung des Freiwinkels durch beispielsweise zwei
mit unterschiedlich kompressiblen Gasen gefüllte Räume erfolgt. Es ist auch möglich, dass
unterschiedlich große
Drosseln durch die Räume
ausgebildet werden. Unter Medien können Flüssigkeiten oder auch Gase verstanden
werden. Allgemein gesagt können
Flüssigkeiten
Gegenkräfte
aufnehmen und damit eine Dämpfung
der Relativbewegung bewirken. Die Dämpfung kann eingestellt werden
durch die Wahl des Mediums und dadurch dass die Räume mit
mehr oder weniger großen
Drosseln zusammenwirken durch die das jeweilige Medium ein- und
ausströmt.
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Zwischen
dem Mitnehmer 23 der Welle 3 und dem Mitnehmer 31 der
Nabe 19 wird der Freiwinkel 41 ausgebildet. Es
ist, wie bereits beschrieben, auch möglich Naben und Wellen hintereinander
zu schalten, so dass der resultierende Freiwinkel sich aus der Summe
der einzelnen Freiwinkel zwischen jeweils einem Paar, bestehend
aus einer Nabe und einer Welle, zusammensetzt.
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In 3 ist
die Vorrichtung 5 im Starterbetrieb gezeigt. Ein durch
die Welle 3 eingebrachtes rechtsdrehendes Drehmoment, welches
durch den Pfeil 59 symbolisiert ist, wird über die
weiche Feder 39, die hier im auf Block gedrückten Zustand
gezeigt ist, vom Mitnehmer 23 der Welle 3 über den
Mitnehmer 31 der Nabe 19 schließlich auf
die Nabe 19 übertragen.
Ist die Feder 39 als weiche Feder, das heißt mit geringer
Federsteifigkeit, ausgebildet werden schon bei kleinen Drehmomenten
große
Wellendrehwinkel und damit große
Differenzwinkel zur Nabe 19 erzeugt. Die Nabe 19 beginnt
sich zu drehen und damit wird der Steuerkäfig 55, der über nicht
dargestellte Reibelemente mit der Riemenscheibe 7 gekoppelt ist,
durch die Riemen scheibe 7 zurückgehalten. Damit wird eine
Klemmspalte 63 freigegeben und der Klemmkörper 49 überträgt das rechtsdrehende
Drehmomente, dargestellt als Pfeil 59, von der Nabe 19 auf
die Riemenscheibe 7. Die Klemmkörper 51 bilden jetzt
einen selbstabhebenden Freilauf. Das heißt die Klemmkörper 51,
die durch die Fliehkraft an die Innenwand der Riemenscheibe 7 gedrückt werden, laufen
mit der Riemenscheibe 7 als starrer Körper um, übertragen keine Momente und
führen
keine Relativbewegung zur Riemenscheibe 7 aus. Dreht sich aufgrund
der Ungleichförmigkeit
des Verbrennungsmotors 15 die Drehmomentrichtung um, so
wird aufgrund des mit Klemmkörper 49 geschlossenen
Freilaufs die Nabe 19 durch die Feder 39 beschleunigt. Eine
Umkehr des rechtsdrehenden Drehmoments, das über die Feder 39 auf
die Nabe 19 übertragen wird,
erfolgt erst, wenn der Federweg der Feder 39 vollständig ausgenutzt
ist. Wenn die beiden Mitnehmer 31 und 23 an der
Feder 37 aufeinander prallen, öffnet der über die Klemmkörper 49 gebildete
Freilauf 41. Der über
die Klemmkörper 51 gebildete
Freilauf 41 kann jetzt schließen. Es wären zu diesem Zeitpunkt Drehmomente
von der Riemenscheibe 7 über die Nabe 19 auf
die Welle 3 übertragen
worden, welches zu Schäden
an der Welle 3 geführt
hätte,
wenn die Umkehr des Freilaufs der Klemmkörper nicht erfolgt wäre. Deshalb
muss der Freiwinkel 41 zwischen dem Mitnehmer 23 und
dem Mitnehmer 31 so gewählt
werden, dass vor dem Verschließen
des Klemmkörpers 51 der
Drehmomenteintrag, der durch die Richtungsumkehr des Drehmoments
verursacht war, beendet sein muss. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
sich dabei ein von der Feder 39 und von dem Freiwinkel 41 ausgleichbare
Winkeldifferenz ergibt, die größer/gleich
dem größten Differenzwinkel
während
des Startvorgangs ist.
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Der
Freiwinkel 41 und damit die ausgleichbare Winkeldifferenz,
kann vergrößert werden,
indem Naben mit Mitnehmern und Federn hintereinander geschaltet
werden. Unter Hintereinanderschaltung kann sowohl eine axiale Hintereinanderschaltung von
Naben und Wellen verstanden werden, als auch eine koaxiale Hintereinanderschaltung analog
einem zwiebelartigem Aufbau. Bei der koaxialen Hintereinanderschaltung
von Naben und Wellen fungiert jeweils die Außenseite einer Nabe als Welle
für die nächste darüber liegende
Nabe.
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In 4 ist
die Vorrichtung 5 im Generatorbetrieb, also bei laufendem
Verbrennungsmotor 15 dargestellt. Ein rechtsdrehendes Drehmoment,
dargestellt als Pfeil 65, bewegt die Riemenscheibe 7 rechtsdrehend
und schleppt mittels der nicht dargestellten Reibelemente den Steuerkäfig 55 rechtsdrehend
mit. Dadurch werden Klemmspalte 61 für die Klemmelemente 51 freigegeben.
Die Klemmelemente 51 werden durch die Federn 53 in
Klemmspalte 61 bewegt und übertragen damit die rechtsdrehenden Drehmomente 65 von
der Riemenscheibe 7 auf die Nabe 19. Der Mitnehmer 31 überträgt durch
die Feder 37 das rechtsdrehende Drehmoment über den Mitnehmer 23 auf
die Welle 3. Die Klemmkörper 49 werden
durch den Steuerkäfig 55 daran
gehindert in die Klemmspalte 63 zu fallen und werden durch
die Fliehkraft nach außen
gedrückt,
so dass sie mit der Riemenscheibe 7 als starrer Körper umlaufen,
also kein Drehmoment übertragen.
Sie bilden so einen verschleißarmen
selbstabhebenden Freilauf.
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Vor
dem Starten des Verbrennungsmotors 15 ist es notwendig,
trotz Einsatz eines Riemenspanners in der Seite des Riemens 9,
die zwischen Riemenscheibe 7 und Riemenscheibe 11 liegt,
die Riemenspannung in dem Bereich des Riemens 9 der zwischen
der Riemenscheibe 7 des Startergenerators 1 und
der Riemenscheibe 11 des Verbrennungsmotors 15 liegt,
unter Last zu setzten. Hierzu wird die Riemenscheibe 7 des
Startergenerators 1 entgegen dem Uhrzeigersinn in Linksrichtung
gedreht. Da die Riemenscheibe 11 des Verbrennungsmotors 15 in Ruhe
ist, spannt sich der Riemen 9 zwischen Riemenscheibe 7 des
Startergenerators 1 und Riemenscheibe 11 des Verbrennungsmotors 15.
In der Vorrichtung 5 stellen sich die in 4 beschriebenen Verhältnisse
für die
Klemmkörper 49 und 51 ein.
Die Welle 3 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn und der Mitnehmer 23 wird
auf den Mitnehmer 31 der Nabe 19 hin bewegt und überträgt somit
das linksdrehende Drehmoment 69 auf die Nabe 19.
Durch die Drehung der Nabe 19 entgegen dem Uhrzeigersinn wird
der Klemmkörper 51 auf
den Klemmkörper 49 zu bewegt.
Da die Riemenscheibe 7 nicht in Bewegung ist bleiben die
Steuerkäfige 55 in
Ruhe und es wird der Klemmspalt 61 freigegeben. Die Federn 53 pressen
die vor den Federn 53 liegenden Klemmkörper 49 in die Klemmspalte 63 und übertragen
somit das Drehmoment 69 von der Nabe 19 auf die
Riemenscheibe 7. Die Riemenscheibe 7 wird somit
gedreht und spannt den Riemen 9 zwischen Riemenscheibe 7 des
Startergenerators 1 und Riemenscheibe 11 des Verbrennungsmotors 15 gegen
das negative Schleppmoment des Verbrennungsmotors 15, da
die Riemenscheibe 11 in Ruhe ist.
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Hierdurch
wird eine bessere Verkeilung des Riemens 9 an einen während des
Startvorgangs des Verbrennungsmotors 15 lastabgewandten
Winkelbereichs der Riemenscheibe 11 des Verbrennungsmotors
erreicht. Letztlich lässt
sich so ein höheres
anfängliches
Startmoment übertragen,
ohne dass es zu einem Durchrutschen des Riemens 9 kommt.
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Es
ist ferner denkbar die Riemenscheibe 7 zusätzlich auch
nur am Verbrennungsmotor 15 vorzusehen.