DE4435201C2 - Riemenscheiben-Abkopplung für Kolbenmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Riemenscheiben-Abkopplung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei Verbrennungskraftmaschinen, wie Benzin- oder Dieselmoto­ ren, vollführt die Kurbelwelle während des Betriebes gaskraft­ induzierte Drehschwingungen unterschiedlicher Frequenz, die auf die angetriebenen Aggregate wie Getriebe, Einspritzpumpe, Ölpumpe, Lüfter, Nockenwelle, Lichtmaschine, Wasserpumpe, Servopumpe, Klimakompressor, mechanische Aufladesysteme usw. übertragen werden. Diese Drehschwingungen können beispiels­ weise im Getriebe Zahnradgeräusche verursachen, die bei heuti­ gen Kraftfahrzeugen mit besonders guter Geräuschdämpfung, insbesondere solchen der Komfortklasse, als besonders störend empfunden werden.

Zur Verringerung solcher Getriebegeräusche werden z. B. so­ genannte Zweimassenschwungräder verwendet, während für den Abbau der massenkraftinduzierten Drehschwingungen höherer Frequenzen Ein- und Zweimassenschwingungsdämpfer Verwendung finden. Der Einsatz der vorstehend erwähnten Zweimassenschwun­ gräder, welche die niederfrequent abgestimmte Entkopplung von zwei Schwungrädern ermöglicht, läßt allerdings die Amplituden der die Ungleichförmigkeit erzeugenden gaskraftinduzierten niederfrequenten Drehschwingungen erheblich ansteigen.

Insbesondere beim Starten bzw. Abstellen von Kolbenmotoren erreichen diese Schwingungen Amplitudenwerte bis ca. +/- 15° und führen zu erheblichen Problemen bei der Übertragung der erforderlichen Leistungen auf die genannten Aggregate. Dies gilt insbesondere für Motoren mit Mehrventiltechnik, sowie Direkteinspritzung mit und ohne zusätzliche Aufladung, vor allem im Dieselbereich mit den bekannt hohen Verbrennungs­ drücken.

Da die Kraftübertragung von der Kurbelwelle auf die angetrie­ benen Aggregate üblicherweise über Keil-/Keilrippenriemen oder Zahnriemen erfolgt, werden diese relativ hohen niederfrequen­ ten Drehschwingungen häufig mit schädlicher Wirkung auf diese Aggregate übertragen. Dabei kann der für die Kraftübertragung verwendete Riemen ebenfalls in kritische Schwingungne versetzt werden. Da diese Schwingungn ein Über- bzw. Abspringen der Riemen zur Folge haben könnten, ist es notwendig, diese be­ sonders straff zu spannen bzw. automatisch nachspannende Ele­ mente zu verwenden, um Folgeschäden zu vermeiden. Jedoch be­ stehen derzeit erhebliche Probleme bei der Verwendung von Riemenspannsystemen, die ohne zusätzliche hydraulische Dämp­ fung betrieben werden.

Eine geeignete Möglichkeit zur Reduzierung dieser niederfre­ quenten Drehschwingungen besteht darin, die Riemenscheibe von der Kurbelwelle abzukoppeln. Hierzu ist es bekannt geworden, die Riemenscheibe so mit der Nabe zu verbinden, daß zwischen der Riemenscheibe und der Nabe eine Relativdrehbewegung er­ möglicht wird. Hierbei ist es jedoch unumgänglich, die Rela­ tivdrehbewegung zu bedämpfen und außerdem Endanschläge zur Begrenzung der möglichen Relativbewegung vorzusehen, um Schä­ den an den Übertragungselementen zu vermeiden.

Derartig ausgeführte Lösungen weisen jedoch den entscheidenden Nachteil auf, daß sie infolge der Verwendung von Stahlfedern keine ausreichende Dämpfung realisieren können, sonder le­ diglich eine abkoppelnde Wirkung bei niedriger Frequenz bie­ ten, aber hohe Amplituden zwischen der Nabe und der Riemen­ scheibe beim Anlassen und Abstellen des Motors nicht verhin­ dern können, was zu einem problematischen Flattern des an­ treibenden Riemens führen kann.

Aus der DE 41 08 480 C2 ist nun eine elastische Kupplung mit zusammengefaßter Lagerung und Drehbegrenzung bekannt geworden, bei der ein Nabenring und ein diesen teilweise umschließender Schwungring vorgesehen sind, die um eine gemeinsame Achse relativ zueinander verdrehbar angeordnet sind. Zwischen dem Naben- und dem Schwungring befindet sich ein ringförmig an­ geordneter Federkörper aus einem elastomeren Material, wobei die Drehbewegung durch Anschlagflächen, die durch Flansche in Verbindung mit zugehörigen Ausnehmungen gebildet werden, be­ grenzt wird. Die Drehmomentübertragung erfolgt hier durch den Federkörper und durch Reibflächen und/oder die Anschläge, wobei für die Dämpfung der Relativdrehbewegungen zwischen dem Nabenring und dem Schwungring angeordete Gleitflächen verwen­ det werden. Diese Gleitflächen dienen gleichzeitig zur Über­ tragung Radialkräften.

Mit einer solchen Anordnung können höherfrequente Schwingungen und niederfrequente Schwingungen geringer Amplitude gut ge­ dämpft werden, wobei allerdings niederfrequente Schwingungen mit hoher Amplitude nahezu nicht gedämpft werden, da der Fe­ derkörper ein relativ hartes Ansprechverhalten zeigt.

Aus der US-PS 2,159,235 ist ein Torsions-Schwingungsdämpfer zur Dämpfung massenkraftinduzierter Schwingungen der Kurbel­ welle eines Kraftfahrzeugs bekannt. Bei solchen Torsions- Schwingungsdämpfern wird die Schwingungsenergie durch eine auf der treibenden Masse über einem Dämpfungskörper angeordnete Tilgerschwungmasse aufgezehrt. Der in der US-PS 2,159,235 beschriebene Torsions-Schwingungdämpfer besteht im wesentli­ chen aus einem relativ schweren äußeren Element, das entspre­ chend träge ist und als Tilgerschwungmasse dient. Weiterhin ist ein auf der Kurbelwelle gelagertes inneres Element vor­ gesehen. Beide Elemente sind unnachgiebig aus Metall ausge­ bildet. Das äußere Element ist mit radial einwärts gerichteten Rippen versehen. Das auf der Kurbelwelle gelagerte innere Element ist mit radial auswärts gerichteten Rippen versehen. Beide Elemente greifen ineinander und zwischen diesen ist ein massiver Gummikörper unter Vorspannung eingesetzt. Mit der Vorspannung des Gummikörpers läßt sich das Tilgungssystem auf die Eigenfrequenz der Kurbelwelle einstellen bzw. abstimmen. Gaskraftinduzierte niederfrequente Drehschwingungen aufgrund der Ungleichförmigkeit eines Kolbenmotors lassen sich mit dem beschriebenen Torsions-Schwingungsdämpfer nicht reduzieren.

Aus der DE 89 12 387 U1 ist ebenfalls eine solcher Torsions- Schwingungsdämpfer zur Tilgung massenkraftinduzierter hoch­ frequenter Schwingungen beschrieben. Eine Tilgung der nieder­ frequenten Drehschwingungen ist mit einem solchen Torsions- Schwingungsdämpfer ebenfalls nicht möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kompak­ te Riemenscheiben-Abkopplung für Kolbenmotoren zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine wirksame Reduzierung der nie­ derfrequenten Schwingungen hoher Amplitude, der sogenannten Ungleichförmigkeiten, auf dem Antriebsriemen erlaubt.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch diese Lösung wird eine weitgehende Abkopplung der Rie­ menscheibe von der Nabe erreicht, so daß gaskraftinduzierte Schwingungen niedriger Frequenz und hoher Amplitude nicht, oder nur in geringem Maße auf die Riemenscheibe übertragen werden. Die Drehmomentübertragung erfolgt durch die viskoela­ stischen Segmente, vorzugsweise aus Gummi bestehend, indem diese sich entsprechend der Amplitude der Schwingung mehr oder weniger stark gegen die Rippen drücken, mit denen sie kammer­ artig im Eingriff stehen. Dabei erfolgt durch die federbilden­ den viskoelastischen Segmente gleichzeitig eine Dämpfung der Schwingungen, d. h. die hohen Amplituden der Drehschwingungen - resultierend aus der Ungleichförmigkeitsbewegung der Kurbel­ welle - werden effektiv bedämpft. Damit wird auf einfache Weise erreicht, daß diese relativ hohen niederfrequenten Dreh­ schwingungen nicht auf die angetriebenen Aggregate übertragen und die ansonsten auftretenden kritischen Schwingungen der Riemen vermieden werden.

Um eine möglichst gute Kraftübertragung zu erreichen, befinden sich zwischen den Rippen jeweils Aussparungen, in die die Segmente eingreifen.

Die Segmente tauchen weiterhin in der Nullage berührungslos in die Aussparungen zwischen den Rippen ein, so daß sowohl ein Freigang, als auch ein einstellbares entsprechend weiches Ansprechen erreicht wird.

In einer fertigungstechnisch vorteilhaften Fortbildung der Erfindung sind die viskoelastischen Segmente auf einer inneren Kreisringbahn der Nabe abstandsweise zueinander angeordnet und radial einwärts gerichtet, wobei die Rippen radial auswärts gerichtet aus der Riemenscheibe hervorstehen und jeweils zwi­ schen zwei benachbarten Segmenten angeordnet sind.

In einer weiteren Fortbildung der Erfindung sind die Segmente durch festhaftendes Vulkanisieren an dem Rohrabschnitt mit der Nabe verbunden, so daß eine besonders dauerhafte Verbindung erreicht wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Segmente einen pilzförmigen Querschnitt aufweisen, wodurch das einstellbare weiche Ansprechen der federnden/dämpfenden Segmente erreicht wird.

Es ist weiterhin zweckmäßig, die Form der Aussparungen zwischen den Rippen so auszugestalten, daß sie der Form der Segmente derart angepaßt sind, daß die erforderliche Kennlinie der Federsteifigkeit erreicht wird.

Die Segmente können eine derartige konstruktive und/oder viskoelastische Einstellung aufweisen, daß die rückstellende Federwirkung zwischen der Nabe und der Riemenscheibe weich einsetzt.

Ein besonders günstiges Abkopplungsverhalten wird erreicht, wenn die Federrate der Segmente eine nichtlineare Kennlinie aufweist.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Segmente mit reibungsvermindernden Additiven versehen sind, wobei beispielsweise der Gummimischung der Segmente Graphit hinzugefügt werden kann. Diese Additive be­ wirken bezüglich des Abriebes eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer, da dadurch die Reibung zwischen den Segmenten und den Rippen wesentlich verringert wird.

Anstelle der Beimischung von Graphit können die Segmente und/- oder die Rippen mit einer PTFE-Beschichtung versehen werden, die ebenfalls zu einer Verminderung der Reibung führt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Relativbewegung zwischen der Nabe und der Riemenscheibe durch wenigstens zwei Endanschläge auf ein vorgegebenes Maß be­ grenzt, vorzugsweise kleiner +/- 15°,

Besonders günstige Kraftübertragungsverhältnisse ohne Quer­ kräfte werden erreicht, wenn das Wälzlager, die Segmente, die Rippen und die Riemenspur auf einer gemeinsamen Symmetrieebene radial übereinander angeordnet sind. Diese besondere Ausge­ staltung hat den Vorteil, daß durch die Riemenscheiben-Abkopp­ lung selbst keine Taumelbewegungen erzeugt werden.

Zur gleichzeitigen Dämpfung von massenkrafterregten Schwingun­ gen höherer Frequenz ist es zweckmäßig, auf der Nabe zusätz­ lich ein Feder-Masse-System in Form eines Tilgungssystems, bestehend aus wenigstens einer Tilgerschwungmasse und einer zugehörigen Gummispur, zu installieren, d. h. einen Schwingungstilger bekannter Bauart zu bilden, der auch als Zweimassenschwingungstilger ausgeführt sein kann.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Riemenscheiben Abkopplung, und

Fig. 2 eine im Schnitt dargestellte ausschnittsweise Seiten­ ansicht der Riemenscheiben-Abkopplung.

Entsprechend Fig. 1 besteht die Riemenscheiben-Abkopplung aus einer Nabe 1, die mit einer nicht dargestellten Antriebswelle eines Kraftfahrzeuges verdrehfest verbunden werden kann und einer relativ zu dieser verdrehbaren Riemenscheibe 2. Die Riemenscheibe 2 ist mit einer Riemenspur 3 - hier in Form einer 6-rilligen Keilriemenspur dargestellt - versehen. Diese Riemenspur 3 dient zur Aufnahme und Führung eines sogenannten Keilrippenriemens, der seinerseits Aggregate wie Licht­ maschine, Wasserpumpe, Servopumpe, Klimakompressor, Lüfter, mechanisches Aufladesystem usw. antreibt.

Zur Realisierung einer besonders reibungsarmen Relativbewegung zwischen der Nabe 1 und der Riemenscheibe 2 ist zwischen diesen ein Wälzlager 4 derart angeordnet, daß dessen Innenring 5 mit der Nabe 1 und dessen Außenring 6 mit der Riemenscheibe 2 fest verbunden ist. Zur Gewährleistung einer präzisen axia­ len Führung der Riemenscheibe 2 ist das Wälzlager 4 als Kugel­ lager ausgebildet, wobei selbstverständlich auch ein einstell­ bares Kegelrollenlager, oder ein Gleitlager, verwendet werden kann.

Zur Übertragung von Drehmomenten und zur Dämpfung von nieder­ frequenten Drehschwingungen größerer Amplitude zwischen der Nabe 1 und der Riemenscheibe 2 sind auf einer in der Riemen­ scheibe 2 befindlichen Kreisringbahn 7 gleichmäßig verteilte viskoelastische Segmente 8, beispielsweise aus Gummi be­ stehend, angeordnet, die radial einwärts gerichtet sind. Die Segmente 8 sind festhaftend auf einem Rohrabschnitt 9 vulkani­ siert, der in die Kreisringbahn 7 der Nabe 1 eingepreßt ist. Diese Segmente 8 stehen mit nichtelastischen Rippen 10 kamm­ artig im Eingriff, die mit der Riemenscheibe 2 fest verbunden sind.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind gleichmäßig auf der Kreisringbahn 7 verteilte Segmente 8 vorgesehen, wobei die Anzahl je nach der Größe der zu übertragende Dremomente ge­ wählt werden kann. Die mit der Riemenscheibe 2 verbundenen Rippen 10 ragen jeweils zwischen die Segmente 8 hinein, ohne diese in der Nullage zu berühren. Um bei einer Relativbewegung zwischen der Nabe 1 und der Riemenscheibe 2 ein weiches An­ sprechen zu erreichen, befinden sich zwischen den Rippen 10 jeweils Aussparungen 11, deren Form gezielt der Form der Seg­ mente 8 angepaßt ist, wobei die Rippen 10 beidseitig angeord­ nete schräge Anlaufflanken 12 aufweisen.

Dadurch wird erreicht, daß die Kontaktfläche zwischen den Segmenten 8 und den Rippen 10 mit steigender Auslenkung zu­ nimmt und somit sich die rückstellende Kraft nichtlinear ver­ größert, so daß die gaskraftinduzierten Schwingungen in dem erforderlichem Maß aufgefangen und nicht oder nur in geringem Maße auf die Riemenscheibe 2 übertragen werden.

Die durch die Segmente 8 erzeugte rückstellende Kraft kann auch durch eine entsprechende Einstellung der Federrate der Segmente 8 und/oder deren äußerer Form verändert werden, so daß eine nichtlineare Kennlinie erreicht wird.

Um die Relativbewegung zwischen der Nabe 1 und der Riemen­ scheibe 2 bei extremen Drehmomenten bzw. Drehmomentschwankun­ gen in Grenzen zu halten, sind zusätzliche Endanschläge 13 vorgesehen (Fig. 1). Diese Endanschläge 13 beschränken die maximale Relativdrehbewegung zweckmäßigerweise auf kleiner +/- 15°. Diese Begrenzung dient zur Vermeidung einer Schädigung bzw. zur Reduzierung des Verschleißes der Segmente 8 und somit der Erhöhung der Lebensdauer der Riemenscheiben-Abkopplung.

Um eine möglichst hohe mechanische Belastbarkeit der Riemen­ scheibe 2 zu erreichen, sind das Wälzlager 4, die Segmente 8, die Rippen 10 und die Riemenspur 3 auf einer gemeinsamen Symmetrieebene radial übereinander angeordnet. Dadurch werden die vom Riemen ausgeübten Zugkräfte optimal über das Wälzlager 4 auf die Nabe 1 übertragen und somit Querkräfte vermieden. Damit wird auf einfache Weise verhindert, daß die Riemen­ scheiben-Abkopplung Taumelbewegungen ausführt.

Die vorstehend beschriebene Riemenscheiben-Abkopplung kann auch durch ein Tilgungssystem, bestehend aus wenigstens einer Tilgerschwungmasse 14 und einer zugehörigen Gummispur 15 zwischen der Nabe 1 und der Tilgerschwungmasse 14 zur Dämpfung von Schwingungen höherer Frequenz ergänzt werden. Dieses auf eine definierte Eigenfrequenz abgestimmte Tilgungssystem befindet sich, wie in Fig. 1 dargestellt, im festem Verbund mit der Nabe 1, wobei die Feder durch die Gummispur 15 gebil­ det wird und die Tilgerschwungmasse 14 als ein die Nabe 1 umschließender Ring ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch Zweimassentilger bekannter Bauart verwendet werden. Die Konstruktion besteht dann aus zwei Schwungmassen, die konzen­ trisch zueinander angeordnet und untereinander und über zwei Gummispuren mit der Nabe 1 verbunden sind.

Bezugszeichenliste

1

Nabe

2

Riemenscheibe

3

Riemenspur

4

Wälzlager

5

Innenring

6

Außenring

7

Kreisringbahn

8

Segment

9

Rohrabschnitt

10

Rippe

11

Aussparung

12

Anlaufflanke

13

Endanschlag

14

Tilgerschwungmasse

15

Gummispur

Claims (15)

1. Riemenscheiben-Abkopplung für Kolbenmotoren mit einer auf der Kurbelwelle des Motors drehfest montierten Nabe, einer relativ zu dieser mittels eines Wälzlagers oder Gleit­ lagers verdrehbaren Riemenscheibe mit einer Riemenspur, sowie Endanschlägen zur Begrenzung der Relativbewegung zwischen der Nabe und der Riemenscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß federbildende viskoela­ stische Segmente (8) und Rippen (10) aus einem nicht nach­ giebigen Material einander abwechselnd und abstandsweise kammerartig ineinandergreifend auf einer Kreisbahn zwi­ schen der Riemenscheiben (2) und der Nabe (1) angeordnet sind, und daß die Segmente (8) und die Rippen (10) jeweils einseitig entweder mit der Riemenscheibe (2) oder der Nabe (1) verbunden sind, wobei die Segmente (8) in der Nullage berührungslos in Ausparungen (11) zwischen den Rippen eintauchen.

2. Riemenscheiben-Abkopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die viskoelastischen Segmente (8) auf einer inneren Kreisringbahn (12) der Nabe (1) abstandsweise nebeneinander angeordnet und radial einwärts gerichtet sind.

3. Riemenscheiben-Abkopplung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rippen (10) radial auswärts gerichtet aus der Riemenscheibe (2) hervorstehen und jeweils zwischen zwei benachbarten Seg­ menten (8) angeordnet sind.

4. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (8) durch festhaftende Vulkanisation an dem Rohr­ abschnitt (9) mit der Nabe (1) verbunden sind.

5. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (8) einen pilzförmigen Querschnitt aufweisen.

6. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Aussparungen (11) der Form der Segmente (8) ange­ paßt ist.

7. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (8) eine derartige konstruktive und/oder visko­ elastische Einstellung aufweisen, daß die rückstellende Federwirkung zwischen der Nabe (1) und der Riemenscheibe (2) weich einsetzt.

8. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federrate der Segmente (8) eine nichtlineare Kennlinie aufweist.

9. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (8) mit reibungsvermindernden Additiven versehen sind.

10. Riemenscheiben-Abkopplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gummimischung der Segmente (8) Graphit zugefügt ist.

11. Riemenscheiben-Abkopplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (8) und/- oder die Rippen (10) mit einer PTFE-Beschichtung versehen sind.

12. Riemenscheiben-Abkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen der Nabe (1) und der Riemenschei­ be (2) durch wenigstens zwei Endanschläge (13) auf ein vorgegebenes Maß begrenzt wird.

13. Riemenscheiben-Abkopplung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälz­ lager (4), die Segmente (8), die Rippen (10) und die Rie­ menspur (3) auf einer gemeinsamen Symmetrieebene radial übereinander angeordnet sind.

14. Riemenscheiben-Abkopplung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Nabe (1) ein Tilgungssystem, bestehend aus wenigstens einer Tilgerschwungmasse (14) und einer zugehörigen Gummi­ spur (15), zur Dämpfung von Drehschwingungen höhere Fre­ quenz verbunden ist.

15. Riemenscheiben-Abkopplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Tilgungssystem als Zweimassen-Schwingungssystem ausgebildet ist.