DE19849886A1 - Riementrieb, insbesondere bei Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Fahrzeugs - Google Patents

Riementrieb, insbesondere bei Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Fahrzeugs

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Abstract

Der erfindungsgemäße Riementrieb weist in üblicher Weise mindestens zwei Riemenscheiben (10, 11) auf, wobei jedoch sowohl am sogenannten Leertrum wie auch am Lasttrum, d. h. also an beiden gegenüberliegenden Riemenseiten, jeweils eine Spannrolle (16, 17) unter Federkraft anliegt. Dabei ist es beispielsweise möglich, in beide Richtungen Drehmomente zu übertragen und so den Generator einer Brennkraftmaschine auch als Starter zu verwenden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Riementrieb, insbesondere für Nebenaggregate eines Fahrzeugs, z. B. Generator, Wasserpumpe und andere. Derartige Riementriebe weisen vielfach nur eine Riemenebene zur Drehmomentübertragung auf. Dazu wird ein Keilrippenriemen mit Rippen in Riemen- Längsrichtung verwendet. Diese Anordnung hat sich bei Kraftfahrzeugen als kostengünstige Lösung durchgesetzt. Synchron-Zahnriemen, d. h. Riemen mit Zähnen in Querrichtung desselben, Ketten, Schubgliederbänder oder Zahnradgetriebe zu verwenden, wäre zwar prinzipiell für den Antrieb eines Fahrzeug-Generators möglich und könnte der Anforderung an den Starterbetrieb des Fahrzeugs gerecht werden, ist aber aufwendiger.
Die Drehmomente an Flach-, Keil- oder Keilrippenriementrieben werden durch Reibung zwischen Riemen und Scheiben übertragen und sind durch Scheibendurchmesser, Umschlingungswinkel, Riemenspannungen und daraus resultierende Riemen-Dicke und -Breite begrenzt. Die Vergrößerung der Riemendicke erfordert zur Reduzierung der Biegespannungen im Riemen auch die Vergrößerung der Riemenscheiben. Bei für Kraftfahrzeuganwendungen genormten Profilen ist die Riemenbreite gleichbedeutend mit der Anzahl der Rippen.
Die kleinste Scheibe im Riementrieb hat in den meisten Fällen der Generator, um ihn für ausreichende Stromerzeugung gegenüber dem Verbrennungsmotor mit höheren Drehzahlen zu betreiben. Insbesondere nahe der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors sind mindestens um den Faktor zwei ins Schnelle übersetzte Generatordrehzahlen erwünscht. Aus Bauraumgründen verbieten sich in gleichem Verhältnis vergrößerte Scheiben auf Kurbel- und Nebenaggregatewellen Um das sehr viel höhere Startmoment am Starter-Generator zu übertragen, müßte unter Beibehaltung der Scheibendurchmesser die Riemenbreite auf ein nicht vertretbares Maß ansteigen. Es ist allgemein bekannt, bei Riementrieben Spannvorrichtungen anzuwenden, die üblicherweise aus einer federbelasteten Spannrolle besteht, die am sogenannten Leertrum mit der kleineren Riemenspannung angeordnet ist. Diese, auch heute in Kraftfahrzeugen verwendete Riemen- Spannvorrichtung sind jedoch für unterschiedliche Drehmomentrichtungen z. B. beim Start- und Generator-Betrieb ist der elektrischen Maschine nicht geeignet. Zur Drehmomentenbildung ist es in Flach-, Keil- und Keilrippen- Riementrieben erforderlich, daß das sogenannte Leertrum eine gewisse Mindestspannung aufweist. Unabhängig von der Drehrichtung vertauschen sich bei Umkehr der Drehmomentenrichtung Last- und Leertrum. Wird nur eine Spannrolle im Riementrieb verwendet, so gibt es je nach Drehmomentenrichtung einen Betriebszustand, bei dem die Riemenspannung verloren geht, die Drehmomentenbildung nicht möglich ist und der Riemen sogar seine Führung in den Scheiben verlieren kann.
Vorteile und Aufgabe der Erfindung
Der erfindungsgemäße Riementrieb, insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Antrieb von Nebenaggregaten, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, hat den Vorteil, daß der vom Riementrieb angetriebene Generator auch als Starter des Fahrzeugs betrieben und der kostengünstige Großserienkraftfahrzeug-Riementrieb beibehalten werden kann. Dazu ist zu bemerken, daß bei heutigen Anforderungen an das elektrische Bordnetz in Kraftfahrzeugen Generator und Starter im gleichen Leistungsbereich liegen. Sie weisen jedoch unterschiedliche Charakteristiken auf. Der Generator arbeitet mit kleinen Drehmomenten bei hohen Drehzahlen, der Starter mit hohen Drehmomenten bei kleinen Drehzahlen.
Die Erfindung zeigt vor allem einen relativ einfachen und sehr wirksamen Weg auf, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung.
Zeichnung
Diese zeigt in den Fig. 1a und 1b einen Riementrieb nach dem Stand der Technik in sehr vereinfachter Darstellung, in den Fig. 2a, 2b, 2c ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Riementriebs, in den Fig. 3, 4a und 4b sowie 5a und 5b Abwandlungen des erfindungsgemäßen Prinzips, in Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Starter-Generator- Antrieb mit erfindungsgemäßen Riementrieb im Längsschnitt, stark vereinfacht, in Fig. 7 einen Schnitt längs A-A nach Fig. 6 um 45°gedreht, in Fig. 8 ein Abwandlungsbeispiel nach Fig. 6 und Fig. 9 eine Einzelheit nach Fig. 8 in Seitenansicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Fig. 1a und 1b zeigen ein und denselben Riementrieb nach dem Stand der Technik mit zwei Riemenscheiben 10, 11 und einer durch eine Druckfeder 13 belasteten Spannrolle 12 die gegen einen über die Riemenscheiben geschlungenen Riemen 14 drückt. Die Spannrolle 12 ist richtig angeordnet, wenn die Riemenscheibe 10 im Uhrzeigersinn die Scheibe 11 antreibt, d. h. die Lage der Spannrolle ist in vorgesehener Drehmomentenrichtung richtig angeordnet. Das sogenannte Lasttrum (langer Pfeil) des Riemens 14 befindet sich unten, das Leertrum (Kurzer Pfeil) oben. Die Fig. 1b zeigt den Riementrieb in falscher Drehmomentrichtung, die z. B. bei Drehschwingungen der Brennkraftmaschine auftreten kann. Das Lasttrum liegt oben, die Spannrolle 12 ist dort unnötig, das Leertrum unten und da keine Spannkraft auf dieses einwirkt, verliert es seine Vorspannung weitgehend und es kann zu gefährlichen Schwingungserscheinungen kommen.
Dieser Nachteil wird gemäß Fig. 2 bis 9 durch die erfindungsgemäßen, nachfolgenden Konstruktionen dadurch gelöst, daß an beiden Seiten des Riemens 14 zwischen den Riemenscheiben 10 und 11 zwei Spannrollen 16, 17 angeordnet sind, die sich gegenseitig elastisch durch die Zugfeder 13 abstützen, und damit kann sich die Spannrolle 17 im Lasttrum unter der erhöhten Spannung einstellen, ohne daß die Vorspannung im Leertrum verloren geht. Es sei hierbei noch auf die unterschiedlichen Drehmomente bzw. Kraftpfeile an den Riemenscheiben bzw. den Riemen hingewiesen, bzw. auf die beiden Drehmomentrichtungen nach den Fig. 2b und 2c bei denen die Riemenspannung im Leertrum unverändert bleibt. Lange Kraftpfeile bedeuten große Kräfte, kurze kleine. Drehmomentpfeile kennzeichnen die antreibende Scheibe.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt schematisch, daß sich die Spannrollen 16, 17 auch elastisch gegen Festpunkte 20, 21 abstützen können, und zwar jeweils durch eine Feder 18 bzw. 19.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4a und 4b, bei dem die Motorriemenscheibe 10 und die Generatorriemenscheibe 11 gleich groß sind, zeigt schematisch eine starke Feder 19, die in einem Gehäuse 23 angeordnet ist und die einen Festanschlag 22 hat, die im Generatorbetrieb unwirksam wird, in dem sie gegen den Gehäuseanschlag 23a läuft - siehe hierzu Fig. 4b. Die starke Feder 19 ist im Generatorbetrieb unwirksam, wenn sie am Gehäuseanschlag anliegt. Somit hat man gemäß Fig. 4b in diesem Betriebszustand eine geringe Vorspannung für Wirkungsgrad des Riementriebs und im Starterbetrieb gemäß Fig. 4a eine hohe Vorspannung für hohe übertragbare Momente.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4b, 5a und 5b sind die Träger 25a und 25b der Spannrollen 16, 17 gemeinsam in einer Scheibenachse 25c eines Startgenerators drehbar gelagert. Es wird wiederum auf die Pfeile verwiesen, woraus man erkennt, daß die Riemenscheibe 10 im Beispiel 5a im Uhrzeigersinn die Scheibe 11 antreibt, so daß das untere Riementeil das Lasttrum ist, beim Ausführungsbeispiel nach Figur Sb ist dieses umgekehrt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den beiden Spannrollenträgern 25a, 25b eine gemeinsame Zugfeder 13 eingesetzt. Ebenso könnte - wie in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4a und 4b - zwischen einem der beiden Spannrollenträger und einem Festpunkt eine zusätzliche Feder mit Anschlag hinzugefügt werden, um den Wirkungsgrad im Generatorbetrieb und das übertragbare Moment im Starterbetrieb zu steigern. Auch könnte die eine Feder 13 gemäßt Fig. 4b zwischen den beiden Spannrollenträgern durch zwei Federn gegen Festpunkte derart ersetzt werden, daß eine davon für unterschiedliche Vorspannungen mit einem Anschlag versehen sein kann. Bei allen obigen Ausführungsbeispielen bedeutet der lange Pfeil am Riemen das Lasttrum, der Kurze das Leertrum.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 zeigt die Anwendung der Spannrollen nach den Fig. 5a und 5b bei einem Startergenerator 27 mit umschaltbarem Getriebe. Die Fig. 6 zeigt dabei in vereinfachter Darstellung einen Längsschnitt durch dieses Gerät. Mit 28a ist eine Riemenscheibe bezeichnet, die über den Keilriemen 28 von einer Brennkraftmaschine angetrieben ist. Die Riemenscheibe 28a hat etwa denselben Durchmesser wie die Riemenscheibe auf der Maschinenkurbelwelle. Die Spannrollenträger - nun bezeichnet mit 29a und 29b - tragen die beiden Spannrollen 30, 31, und sind voneinander unabhängig drehbar auf der Eingangswelle 32 des Startergenerators 27 gelagert. Elastische Glieder wie die Zugfeder 13 gemäß Fig. 9 bzw. die Druckfedern 18, 19 zur gegenseitigen Abstützung oder zur Abstützung gegen Festpunkte sind nicht dargestellt. Die Eingangswelle 32 ist mit einem Planetenträger 33 eines ersten Planetengetriebes 34 verbunden, das im Gehäuse 37 des Startergenerators angeordnet ist. Der Planetenträger 33 trägt Lagerbolzen 33a für mehrere Planetenräder 38, 39, die einerseits mit einem Hohlrad 41 kämmen, welches drehfest verbunden ist mit dem Gehäuse 37, andererseits mit dem Sonnenrad 42, welches drehfest verbunden ist mit einem zweiten Planetenträger 44 eines zweiten Planetengetriebes 45, welcher über ein Schaltglied 47 mit dem Sonnenrad 46 des zweiten Planetengetriebes verbunden ist und andererseits Planetenräder 48, 49 trägt, die mit einem Hohlrad 50 in Kämmeingriff stehen, das über das Schaltglied 51 am Außenumfang des Hohlrades 50 mit dem Hohlrad 50 und dem Gehäuse 52 in Wirkverbindung steht. Das Sonnenrad 46 ist drehfest verbunden mit dem Starter-Generator-Läufer 43.
Das erste Planetengetriebe 34 dient zur Übersetzungsanpassung an den Generatorbetrieb, das zweite Planetengetriebe 45 zur Übersetzungsanpassung an den Starterbetrieb. Die Schaltglieder 47, 51 können als weiter nicht dargestellte Schaltkupplungen oder Freiläufe ausgebildet sein. In der Ausbildung der Schaltglieder als Freiläufe gemäß Fig. 7 schließt im Generatorbetrieb das Schaltglied 47 über Freilaufrollen 47a, während das Schaltglied 51 überrollt wird. Somit läuft das zweite Planetengetriebe 45 als starrer Körper um, seine Komponenten haben dieselbe Drehgeschwindigkeit, und die Übersetzung ist dort eins. Im Falle des Starterbetriebs in gleicher Drehrichtung wird das Hohlrad 50 selbsttätig von dem Schaltglied 51 über dessen Freilaufrollen 51a festgebremst und die Übersetzung beider Planetengetriebe 34, 35 wird nunmehr durch Überrollen des Schaltgliedes 47 wirksam.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 zeigt im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel, wie die Spannrollen 30, 31 zur Erhöhung des übertragbaren Drehmoments angetrieben werden können. Die Achsen der Spannrollen sind durch die Spannrollenträger 29a, 29b sowie durch ovale Ausnehmungen 53 im Gehäuse 52 des Startergenerators 27 hindurchgeführt und an ihren hinteren Enden mit Zahn- oder Reibrädern 54, 55 versehen, die in eine Außenverzahnung 57 eines Planetenträgers 58 eingreifen. Wälzkreisdurchmesser der Verzahnung auf dem Planetenträger 58 und Reibradius an der Riemenaußenseite sind gleich.
Für große Umschlingungswinkel an Riemenscheiben und Spannrollen für hohe Momentenübertragung sollten die Spannrollen möglichst dicht beieinander liegen, gerade so dicht, daß die Riementrums unter ihren Querschwingungen im Betrieb nicht aneinander stoßen.
Eine weitere Steigerung der Momentenübertragung ist möglich, wenn der Riemen beidseitig gerillt ist und in gerillte Spannrollen eingreift. Durch eine zweite Spannvorrichtung am Kurbelwellenantriebsrad und ein zusätzliches Reib- oder Zahnrad auf der Kurbelwelle kann die Momentenübertragung auch auf der Kurbelwellen-Riemenscheibe gesteigert werden.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Riementriebes für einen Startergenerator ist es erforderlich, daß mindestens eine Getriebestufe im Starter-Generator integriert ist, um am Startergenerator eine größere Riemenscheibe zu verwirklichen, bzw. daß die Übersetzung des Startergenerators durch die integrierte Getriebestufe und durch unterschiedliche Scheibendurchmesser auf Kurbel- und Startergeneratorwelle erzeugt wird, oder daß die Übersetzung des Startergenerators durch die integrierte Getriebestufe allein erzeugt wird, um gleichgroße Scheibendurchmesser auf Kurbel- und Startergeneratorwelle zu verwirklichen. Ferner ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 vorgesehen, daß im Starter-Generator ein zusätzliches, umschaltbares Getriebe integriert ist, um den Startergenerator an zwei unterschiedlichen Betriebsarten, d. h. 1. Generatorbetrieb und 2. Starterbetrieb anzupassen, wobei gemäß Fig. 6 und 8 zum selbsttätigen Umschalten Freiläufe verwendet werden, die mit größerem Schaltspiel vorgesehen werden. Das Vergrößerte Schaltspiel der Freiläufe ist größer als Drehschwingungsamplituden an der Starter- Generatorwelle gewählt. Gemäß Fig. 8 ist mindestens einer der Freiläufe durch eine umschaltbare Kupplung ersetzt, um den Startergenerator an drei unterschiedliche Betriebsarten, d. h.
  • 1. Generatorbetrieb bei hoher Motordrehzahl oder niedriger Stromanforderung, wenn das Schaltglied 51 offen und das Schaltglied 47 gesperrt ist,
  • 2. Generatorbetrieb bei niedriger Motordrehzahl und hoher Stromanforderung, wenn das Schaltglied 51 gesperrt und das Schaltglied 45 offen ist und
  • 3. Starterbetrieb bei gleichen Schaltgliedstellungen anzupassen.

Claims (11)

1. Riementrieb, insbesondere bei Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Fahrzeugs, wie Generator, Wasserpumpe und andere, mit einer Riemenspannvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Riemenspannvorrichtung in beiden Drehmoment- bzw. Drehrichtungen sowohl am Leertrum als auch am Lasttrum wirksam ist.
2. Riementrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Riemenspannvorrichtung aus zwei Spannrollen (16, 17, 30, 31) besteht, wobei die eine am Leertrum, die andere am Lasttrum des Riemens (10) wirksam ist.
3. Riementrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spannrollen gegenseitig elastisch abstützen, z. B. durch eine zwischen ihnen angeordnete vorgespannte Feder, insbesondere Zugfeder (13).
4. Riementrieb nach der Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Spannrolle eine Feder, insbesondere Druckfeder (18, 19) angeordnet ist von denen sich jede an einem Festpunkt (20, 21) abstützt.
5. Riementrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (19) einer der Spannrollen (17) mit einem Anschlag (23a) zusammenwirkt, der ihre Vorspannung nach einem bestimmten Federweg unwirksam macht.
6. Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (25a, 25b) der Spannrollen 16, 17) gemeinsam in einer Riemenscheibenachse (25c) drehbar gelagert sind und nur eine Zugfeder (13) zwischen beiden Spannrollen vorgesehen ist und deren Enden an den Trägern angreifen.
7. Riemenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (25a, 25b) der Spannrollen (16, 17) gemeinsam in einer Riemenscheibenachse (25c) drehbar gelagert sind, wobei zwei an Festpunkten angelenkte Federn vorgesehen sind, von denen eine mit einem Anschlag für maximale Vorspannung ausgestattet ist.
8. Riementrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Riementrieb zwischen Brennkraftmaschine und einem Startergenerator (27) angeordnet ist, der ein Umschaltgetriebe (34, 35) aufweist, welches im Starterbetrieb mit kleinerer Ausgangsdrehzahl die Brennkraftmaschine antreibt und im Generatorbetrieb den Starter-Generator mit großer Drehzahl antreibt.
9. Riementrieb nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltgetriebe, insbesondere Doppelplanetengetriebe am Generatorbetrieb zwischen zwei Getriebestufen umschaltbar ist.
10. Riementrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter-Generator (27) mit einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Starter-Generator Riemenscheibe (28a) mit an deren Riemen (14) anliegenden Spannrollen (30, 31), die über den Spannrollenträger (29a, 29b) auf der Eingangswelle (32) des Startergenerators (27) gelagert ist, die wiederum über ein erstes Planetengetriebe (34) und über ein nachgeschaltetes, zweites Planetengetriebe (45) und dessen Sonnenrad (46) mit der Ausgangswelle (43) des Starter-Generators verbunden ist.
11. Riementrieb für einen Startergenerator einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannrollen (30, 31) über Zahnräder oder Reibräder (54, 55) mit dem Planetenträger (58) des ersten Planetengetriebes (34) in Wirkverbindung stehen.
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