DE3610415C2 - Riemenantriebs-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Riemenantriebs- Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wenn eine Verbrennungskraftmaschine als Antrieb verwendet und deren Antriebskraft über einen Riemen auf eine angetriebene Welle übertragen wird, erzeugt die Verbrennungskraftmaschine nur während des Arbeits- oder Verbrennungshubs eine Antriebskraft. Infolgedessen tritt eine periodische Schwankung des Augenblickswertes der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Antriebswelle auf, mit der Folge, daß mit zunehmender Belastung der angetriebenen Welle der Einfluß der Schwankung auf die Winkelgeschwindigkeit noch stärker wird.

Aus diesem Grund ist auf der Kurbelwelle einer herkömm­ lichen Verbrennungskraftmaschine ein Schwungrad angeordnet, um das Trägheitsmoment zu erhöhen und dadurch einen gleichmäßigeren Lauf zu erzielen. Die Tor­ sionsfestigkeit der Kurbelwelle setzt einer Steigerung des Trägheitsmoments jedoch Grenzen, so daß es nicht möglich ist, die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (der Antriebswelle) auf weniger als 1,5 bis 2,0° bei einer Benzin-Verbrennungskraftmaschine (einem Otto-Motor) und auf weniger als etwa 6 bis 8° bei einem Diesel-Motor zu verringern. Bei einer Riemenan­ triebseinrichtung mit einer Verbrennungskraftma­ schine als Kraftquelle bewirkt daher die Schwankung der Winkelgeschwindigkeit gleichzeitig eine Schwankung der Umfangsgeschwindigkeit des Riemens, so daß bei hoher Drehträgheit der angetriebenen Welle als Folge der Schwankung der Umfangsgeschwindigkeit ein Schlupf zwi­ schen der Riemenscheibe der angetriebenen Welle und dem Riemen auftritt. Dies verursacht wiederum eine erhebli­ che Verringerung der Lebensdauer des Riemens.

So verursachen beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug, dessen Generator von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird, die Schwankungen der Winkelgeschwin­ digkeit der Kurbelwelle des Motors wegen der hohen Dreh­ trägheit der Generatorwelle ständig einen Schlupf zwi­ schen dem Riemen und der Riemenscheibe auf der Genera­ torwelle. Selbst wenn der Schlupf jedesmal nur gering ist, hat er erhebliche Probleme zur Folge, z. B. die Ab­ nutzung der Berührungsflächen, die Erzeugung von Rei­ bungswärme und Geräuschen. Da ferner der Generator zwecks Erhöhung seiner Drehzahl gegenüber der der An­ triebswelle durch ein Drehzahlübersetzungsgetriebe mit einer einen kleinen Durchmesser aufweisenden Riemen­ scheibe angetrieben wird, machen sich die erwähnten Schwierigkeiten noch deutlicher bemerkbar.

Insbesondere bei gerippten Keilriemen, die immer häufi­ ger zur Verringerung des Raumbedarfs verwendet werden, ist der Schlupf ein Problem, das nicht übersehen werden kann, weil die Abnutzung der Riemenoberfläche unmittel­ bar für eine erhebliche Verringerung der Lebensdauer des Riemens verantwortlich ist.

Um dieses Problem zu lösen, sind bereits die verschie­ densten Maßnahmen ergriffen worden, um die Struktur oder Festigkeit des Riemens zu verbessern. Obwohl diese Maß­ nahmen bereits zu einer gewissen Verringerung der Abnut­ zung des Riemens und der Geräuschentwicklung geführt haben, ist es bisher dennoch nicht gelungen, die durch die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit der Antriebs­ welle verursachten Schwierigkeiten vollständig zu besei­ tigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Riemen­ antriebs-Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art an­ zugeben, bei der bzw. dem die Verringerung der Lebens­ dauer des Riemens aufgrund von Schwankungen der Winkel­ geschwindigkeit des Antriebs vollständig vermieden und daher die Lebensdauer des Riemens gesteigert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeich­ net.

Hierbei wird die Übertragung des Antriebsdrehmoments vom Riemen auf die Riemenwelle oder von der Riemenwelle auf den Riemen jedesmal durch die Freilaufkupplung (auch Überhol- oder Einweg-Kupplung genannt) unterbrochen, wenn die Winkelgeschwindigkeit auf seiten der Antriebs­ welle abnimmt.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Die GB 2 096 237 A und die JP 58-220925 sprechen zwar die Problematik der Drehzahlschwankungen an, enthalten jedoch keinerlei Hinweise bezüglich der Anordnung einer Freilaufkupplung.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbei­ spiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Kurven zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung einer Riemen­ antriebs-Brennkraftmaschine,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 5 einen Graphen, der Untersuchungsergebnisse bei der erfindungsgemäßen Einrichtung im Vergleich zu bekannten Einrichtungen veranschaulicht.

Wie bereits erwähnt wurde, schwankt bei einer herkömm­ lichen Verbrennungskraftmaschine das Antriebsdreh­ moment bzw. der Augenblickswert der Winkelgeschwindig­ keit der Kurbelwelle, wobei die Schwankung der Winkelge­ schwindigkeit bei einem Otto-Motor etwa 1,5 bis 2,0° oder weniger und bei einem Diesel-Motor etwa 6 bis 8° oder weniger beträgt. So kann nach Fig. 1 selbst bei einer konstanten oder normalen hohen Drehzahl die Schwankung der Winkelgeschwindigkeit in extrem kurzen Zyklen oder Schwingungen mit einer Periodendauer von beispielsweise 1/60 Sekunden auftreten.

Wenn unter diesen Umständen bei einer herkömmlichen Riemenantriebs-Brennkraftmaschine die Drehträgheit der angetriebenen Welle groß ist, kann die angetriebene Wel­ le nach einem Wechsel von zunehmender Winkelgeschwindig­ keit in einem Bereich A zu abnehmender Geschwindigkeit in einem Bereich B nach Fig. 1 nicht mit der abnehmenden Geschwindigkeit im Bereich B Schritt halten, so daß ihre Winkelgeschwindigkeit sich nur entsprechend der strich­ punktierten Linie ändert. Die Differenz Δd der Winkelge­ schwindigkeiten führt daher zu einem Schlupf des Riemens.

Erfindungsgemäß wird die Antriebskraft daher nur bei zunehmender Winkelgeschwindigkeit in den Bereichen A nach Fig. 1 übertragen, dagegen wird die Übertragung von der Antriebsseite auf die Seite der angetriebenen Welle in den Bereichen B bei abnehmender Winkelgeschwindigkeit selektiv unterbrochen. Die Drehzahl der angetriebenen Welle kann daher kurzzeitig höher als die der Antriebs­ welle liegen.

Mit anderen Worten, die Antriebskraft wird - wie Fig. 2 zeigt - nur während der Zunahme der Winkelgeschwindig­ keit in den Bereichen A übertragen. In den Bereichen B darf sich die Antriebswelle dagegen frei drehen, wie es durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Wenn die Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Welle dann wie­ der im Punkt P mit der wieder zunehmenden Winkelge­ schwindigkeit auf der Antriebsseite übereinstimmt, wer­ den die beiden Wellen wieder gekuppelt.

Während der Dauer der Unterbrechung der Übertragung der Antriebskraft tritt daher, weil der Antrieb des Riemens nur mit einer Riemenscheibe erfolgt, die eine sehr viel kleinere Drehträgheit als die angetriebene Welle auf­ weist, trotz der Tatsache, daß die Riemenscheibe und der Riemen in Berührung bleiben, entweder überhaupt kein Schlupf oder nur ein vernachlässigbar geringer Schlupf auf, der praktisch überhaupt keinen Einfluß hat, weil er die Folge des Trägheitsmoments lediglich der Riemen­ scheibe ist.

Um dies zu erreichen, enthält die Einrichtung nach Fig. 3 Riemenscheiben 1A und 2A, die jeweils auf einer An­ triebswelle 1, deren Winkelgeschwindigkeit geringfügig periodisch schwankt, und auf einer angetriebenen Welle 2 mit verhältnismäßig großer Drehträgheit gelagert sind. Beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine kann es sich bei der Welle 1 um die Kurbelwelle und bei der Welle 2 um die eines Wechsel­ stromgenerators handeln. Die eine oder beide Riemenschei­ ben 1A und 2A ist bzw. sind über eine Freilaufkupplung 3A (auch Überholkupplung oder Einwegkupplung genannt), die nur bei zunehmender Winkelgeschwindigkeit einkup­ pelt, mit der zugehörigen rotierenden Welle verbunden, und ein Riemen 4 ist um die Riemenscheiben 1A und 2A herumgelegt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist nur eine Kupplung 3A vorgesehen, und zwar zwischen der Riemenscheibe 2A und der Welle 2.

Wenn daher die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 1 abnimmt, dreht sich die Welle 2 relativ zur Welle 1 frei weiter und schneller als die Welle 1, während die Übertragung des Antriebsdrehmoments kurzzeitig unter­ brochen ist.

Bei der Freilaufkupplung 3A kann es sich um eine Sperr­ klinken-, eine Klemmrollen- oder eine andere herkömmli­ che Freilaufkupplung handeln, sofern sie ein Drehmoment nur in der einen Richtung überträgt.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 (Ausführung 1) ist ein gerippter Keilriemen 4 um eine Riemenscheibe 1A, die einen Durchmesser von 135 mm aufweist und auf der An­ triebs- oder Kurbelwelle 1 eines Diesel-Motors D gela­ gert ist, und um eine Riemenscheibe 2A herumgeführt, die einen Durchmesser von 77 mm aufweist und über eine Klemmrollen-Freilaufkupplung 3A auf einer Generatorwelle 2 gelagert ist. Mit 5 ist eine Riemenscheibe bezeichnet, die einen Durchmesser von 135 mm aufweist und auf einer eine (nicht dargestellte) Wasserpumpe antreibenden Welle 5A gelagert ist.

Bei einer anderen Ausführung (Ausführung 2) ist die antriebswellenseitige Riemenscheibe 1A auf der Ahtriebs­ welle 1 über eine Klemmrollen-Freilaufkupplung 3A (die durch gestrichelte Linien dargestellt ist) gelagert, während die anderen Riemenscheiben 2A und 5 unmittelbar mit ihren Wellen verbunden sind.

Bei einer weiteren Ausführung (Ausführung 3) sind beide Riemenscheiben 1A und 2A auf der Antriebswelle 1 und der angetriebenen Welle 2 über Klemmrollen-Freilaufkupp­ lungen 3A gelagert.

Bei allen drei Ausführungen nach Fig. 4 wurde während des Betriebs des Motors die Drehzahl der Antriebswelle allmählich von etwa 700 auf etwa 1300 Umdrehungen pro Minute erhöht, und gleichzeitig wurden die Änderungen der Winkelgeschwindigkeitsschwankungen der Generator­ welle 2 gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Fig. 5 dargestellt.

Die für den bekannten Stand der Technik geltende Kurve in Fig. 5 veranschaulicht die Schwankung der Winkelge­ schwindigkeit der Generatorwelle, wenn keine Freilauf­ kupplung verwendet wird. Wie Fig. 5 deutlich zeigt, ist beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Win­ kelgeschwindigkeitsschwankung auf Seiten der Generator­ welle sehr klein und weitgehend konstant, obwohl die Riemenscheibe auf der Generatorwelle einen kleineren Durchmesser als die auf der Antriebswelle aufweist, um die Generatorwelle mit höherer Drehzahl laufen zu lassen.

Die nachstehende Tabelle zeigt noch weitere Meßergeb­ nisse hinsichtlich der Lebensdauer, Wärmeentwicklung und Geräuschentwicklung des Keilriemens bei 850 Umdre­ hungen pro Minute für alle drei Ausführungen nach Fig. 4.

Die Wärmeentwicklung wurde an einer ersten Stelle, wo der Riemen mit der Generator-Riemenscheibe in Berührung kommt, und an einer zweiten Stelle, wo der Riemen die Generator-Riemenscheibe verläßt, gemessen.

Tabelle

Wie die Tabelle zeigt, sind alle drei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in der Lage, eine ununterbrochene Betriebsdauer von wenigstens 100 Stunden ohne Schäden zu überstehen, wobei darüber hinaus weder Wärme noch Geräusche entwickelt werden. Im Vergleich zum Stand der Technik bietet die Erfindung daher erhebliche Vor­ teile.

Ferner hat sich gezeigt, daß sich die Meßergebnisse praktisch nicht ändern, wenn anstelle eines gerippten ein einfacher Keilriemen verwendet wird.

Da erfindungsgemäß bei der Übertragung des Drehmoments eine Antriebswelle, deren Winkelgeschwindigkeit ständig schwankt, die Übertragung nur in der einen Richtung er­ folgt und die Übertragung eines Drehmoments in der ent­ gegengesetzten Richtung selektiv unterbrochen wird, wird der Riemen nicht übermäßig beansprucht und seine Lebens­ dauer verlängert. Die Erfindung ist besonders bei Rie­ menantriebs-Brennkraftmaschinen geeignet, bei denen Beschleunigungskräfte übertragen werden. Da die Erfin­ dung einfach durch Zwischenschalten einer Freilaufkupp­ lung zwischen der Riemenscheibe und einer rotierenden Welle verwirklicht werden kann, ist die Durchführung des Verfahrens einfach, so daß es nunmehr möglich ist, ein Riemengetriebe bei Kraftübertragungssystemen zu verwen­ den, bei denen die Kurbelwelle eines Diesel-Motors als Antriebswelle dient, was bisher auf Schwierigkeiten ge­ stoßen ist. Die Erfindung bietet daher erhebliche Vor­ teile.

Claims (4)

1. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine mit einer An­ triebswelle mit einer ersten Riemenscheibe, einer angetriebenen Welle mit einer zweiten Riemenschei­ be, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Freilaufkupplung zwischen den Wellen und den Rie­ menscheiben angeordnet ist, die nur dann einkup­ pelt, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Antriebs­ welle zunimmt.

2. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen der angetriebenen Welle und der zweiten Riemen­ scheibe angeordnet ist.

3. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen der angetriebenen Welle und der ersten Riemenschei­ be angeordnet ist.

4. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der erwähnten Kupplungen vorgesehen sind, wobei je eine der Kupp­ lungen zwischen je einer der Riemenscheiben und der zugehörigen Welle angeordnet ist.