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Hintergrund der Erfindung
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Sachgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen Zusatzriementriebsysteme von Brennkraftmaschinen,
die jeweils eine einheitliche Vorrichtung aufweisen, welche sowohl
die Motorstartfunktion, als auch die Stromerzeugungsfunktion erfüllt, wie
beispielsweise der manchmal als Gen-Star bezeichnete Motor/Generator.
Insbesondere betrifft sie derartige Systeme bei Kraftfahrzeuganwendungen.
Insbesondere betrifft die Vorrichtung einen Spanner und eine Anordnung
für Riementriebsysteme,
die jeweils einen Motor/Generator und jeweils einen Spanner aufweisen.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Brennkraftmaschinen
verwenden üblicherweise
Kraftübertragungsriementriebsysteme,
um Kraft von der Kurbelwelle des Motors abzuziehen und an eine oder
mehrere Motorhilfs- oder -zusatzeinrichtungen abzugeben. Bei Kraftfahrzeuganwendungen umfassen
diese Zusatzeinrichtungen Servolenkpumpen, Wasserpumpen, Klimaanlagenkompressoren, Kraftstoffpumpen
und Lichtmaschinen. Von Beginn an befand sich der Hauptkraftabgriffspunkt
derartiger Motoren an der Kurbelwelle, die aus der Rückseite des
Motors ragt, an welcher der Antriebsstrang zum Antreiben der Räder zum
Bewegen des Fahrzeugs angebracht ist. Die Zusatzeinrichtungen werden über eine
Riemenscheibe angetrieben, die an der Vorderseite der Kurbelwelle
angebracht ist. jede Zusatzeinrichtung ist mit einer Riemenscheibe
versehen. Sämtliche
Riemenscheiben stehen über
einen oder mehrere um sie geführte
Kraftübertragungsriemen
in mechanischer Verbindung miteinander. Es ist ein Verfahren zum
Spannen je des Kraftübertragungsriemens
vorgesehen. Der Kraftübertragungsriemen,
die Riemenscheiben und die Riemenspannung bewirkende Vorrichtungen
bilden das Zusatzriementriebsystem.
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Frühere Systeme
umfassten mehrer Keilriemen. Üblicherweise
wurde jeder Riemen durch manuelles Einstellen und Fixieren der Position
einer Zusatzeinrichtung oder einer Umlenkscheibe pro Riemen gespannt.
Diese werden als Riementriebe mit festem Mittelpunkt ("locked center") bezeichnet, da keine
Vorrichtungen für
eine automatische Bewegung irgendeiner der Riemenscheiben vorgesehen sind,
um den sich verändernden
Zustand des Riemens oder des Triebs insgesamt auszugleichen. Streckt
sich der Riemen, oder wird er auf andere Weise länger, verringert sich die Spannung
des Riemens. Ferner muss die Spannung des Riemens für den korrekten
Betrieb des Riementriebsystems ausreichend hoch eingestellt sein,
um den "Worst-Case"-Zustand aufzufangen.
Derartige "Worst-Case"-Zustände können das
Ergebnis von Extremen in der Temperatur, dem Motorbetrieb oder dem
Betrieb der Zusatzeinrichtungen sein.
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Es
besteht ein Interesse daran, das Volumen des Motorraums von Automobilen
zu verkleinern. Um die kleineren Motorräume zu ermöglichen, wurden die Motoren
in vielerlei Hinsicht kleiner, einschließlich der Zusatzriementriebsysteme.
Dies wurde zumindest teilweise erreicht, indem die Anzahl der verwendeten
Riemen verringert wurde. Mit dem Entfernen jedes Riemens und der
Verringerung der Anzahl von Lagen, die sich von der Vorderseite
des Motors aus erstrecken, wird die Gesamtentfernung, über die
sich das Riementriebsystem von der Vorderseite des Motors aus erstreckt,
reduziert. Dies hat letztlich zur Verwendung eines einzigen Serpentinenriemens
für zahlreiche
Anwendungen geführt.
Der Serpentinenriemen wurde wegen der Art und Weise, in der er sich um
die verschiedenen Riemenscheiben in einer Reihe von Biegungen sowohl
vorwärts,
als auch rückwärts schlängelt, so
genannt. Für
Serpentinenanwendungen ist ein Keilrippen- oder ein Micro-V-Riemen
(eingetragenes Warenzeichen der Gates Rubber Company) am besten
geeignet.
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Die
Beschränkungen
der einen festen Mittelpunkt vorsehenden Lösung für das Riemenspannen werden
bei Serpentinenanwendungen noch verschärft. Dementsprechend weisen
die meisten modernen Serpentinenriementriebe einen automatischen
Spanner auf, mittels welchem die sich verändernden Bedingungen des Riementriebsystems
besser ausgeglichen werden können.
In der Grundform weist ein automatischer Spanner einen Rahmen oder einen
Befestigungspunkt auf, der direkt an dem Zylinderblock des Motors
oder indirekt an einer Stelle des Fahrzeugs angebracht wird, der
in bezug zu dem Motor des Fahrzeugs stationär ist, sowie eine Riemenscheibe,
welche in der Drehebene des Riementriebsystems gegen den Riemen
drückt.
Ein bewegbares Teil oder ein Verbindungsbereich erstreckt sich zwischen
dem Rahmen und der Riemenscheibe, um über die Riemenscheibe Druck
auf den Riemen aufzubringen. Der Druck bewirkt eine Verlängerung
der Strecke, über
welche der Riemen geführt
wird, und bewirkt so, dass der Riemen gespannt ist. Verschiedene
Verfahren und Geometrien wurden verwendet, um die Vorspannkraft
bereitzustellen. Üblicherweise dient
ein elastisches Teil, beispielsweise eine Stahlfeder, dazu, das
bewegbare Teil in einer drehenden Bewegung zu drücken, wodurch die Riemenscheibe dazu
neigt, sich in Richtung einer Riemenfläche zu bewegen, wodurch wiederum
die Spannung des Riemens verstärkt
wird.
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Ein
Spanner mit nur diesen Elementen erzeugt eine im wesentlichen konstante
Kraft auf die Riemenfläche,
wenn sich das System im Ruhezustand befindet (d. h. die Riemenscheiben
sich nicht drehen). Maßänderungen
des Triebsystems, die durch Zeit, Temperatur oder Herstellungsschwankungen
verursacht werden, werden durch die Wirkung des elastischen Teils
recht gut ausgeglichen, zumindest innerhalb der Grenzen des elastischen
Teils und der Geometrie des Spanners. Die Spannung des Riemens bleibt
somit relativ konstant, wenn sich das System in der Ruhestellung
befindet, obwohl der Riemen sich gestreckt haben kann oder der Motor
warm oder kalt sein kann. Ein Spanner, der nur diese Elemente aufweist,
kann jedoch unter Umständen
nicht für
sämtliche
Betriebsbedingungen des Motors eine geeignete Riemenspannung aufrechterhalten.
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Ein
Riementriebsystem schwingt im Betrieb aufgrund der Einwirkungen
von Torsionsvibrationen oder anderer Winkelbeschleunigungen der
Kurbelwelle oder Zusatzeinrichtung, der Einflüsse nicht ausgeglichener Bedingungen,
oder anderer Einflüsse.
Torsionsschwingungen der Kurbelwelle treten zum Teil infolge der
einzelnen Impulse auf, welche der Kurbelwelle durch die Verbrennungszyklen
jeder Kombination aus Zylinder und Kolben vermittelt werden. Die
Schwingungen führen
zum Vibrieren des Riemens. Dies führt wiederum zu einem Vibrieren
der bewegbaren Teile des Spanners. In diesen bewegbaren Teilen bildet
sich ein Moment, welches die Kraft, welche die Riemenscheibe auf
die Riemenfläche
aufbringt, und die Spannung des Riemens verändert. Die sich verändernde
Spannung des Riemens kann zu einer nicht akzeptablen Leistung des
Riementriebsystems führen.
Es können
Probleme hinsichtlich der kurzfristigen Leistung auftreten, wenn
beispielsweise der Riemen des Riementriebsystems übermäßig rutscht,
wodurch die Effizienz oder die Kraftübertragungsfähigkeit
des Systems eingeschränkt
ist, oder übermäßige Geräuschentwicklung
aufgrund des Rutschens oder andere Dinge auftreten können. In
anderen Fällen
führt die
für eine
kurzfristige gewünschte Leistung
des Riemens notwendigerweise aufzubringende Spannung zu langfristigen
Problemen wie das vorzeitige Versagen eines oder mehrerer Teile
des Systems, einschließlich
des Riemens, oder einer oder mehrerer Zusatzeinrichtungen.
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Um
diesen Problemen gerecht zu werden und somit die Leistung der Spanner
zu verbessern, wurden in Spannern Dämpfungseinrichtungen vorgesehen.
Frühe gedämpfte Spanner
wiesen eine symmetrische Dämpfung
auf, bei der die Bewegung der bewegbaren Teile der Spanner ungefähr gleich
gedämpft
wurden, ungeachtet der Tatsache, ob die momentane Bewegung in eine
die Spannung des Riemens verstärkende
Richtung oder in eine die Spannung des Riemens verringernde Richtung
ging. Das Dämpfen
wirkt mit den Kräften
zusammen, welche von den elastischen Teilen aufgebracht werden,
um zu einer modifizierten Vorspannung an der Grenzfläche von
Riemenscheibe und Riemen zu führen.
In anderen Spannern wurde eine asymmetrische Dämpfung eingesetzt. Üblicherweise
werden solche Spanner derart gedämpft,
dass die Dämpfung
des bewegbaren Teils minimal ist, wenn sich der Spanner in die Riemen spannrichtung
bewegt, und dass sie maximal ist, wenn er sich in die Riemenentspannungsrichtung
bewegt. Bei einem Ansatz wird ein Schuh gegen eine Lauffläche unter
einem von der Normalen auf die Oberfläche der Lauffläche verschiedenen
Winkel gedrückt.
Infolgedessen führt
die Relativbewegung des Schuhs und der Lauffläche in eine Richtung zum Abheben
des Schuhs von der Lauffläche.
Hierdurch verringert sich der Druck an ihrer Grenzfläche, es
verringert sich die Reibung, welche die Dämpfung bewirkt, und dadurch
wird die Dämpfung
verringert. In der anderen Richtung wird der Schuh gegen die Lauffläche verkeilt
und die Dämpfung
wird verstärkt.
Ein Beispiel ist in dem
US-Patent 5 964 674 ,
erteilt an Serkh et al., beschrieben. Hierin werden Spanner mit
einer einzelnen Riemenscheibe verwendet, welche gegen eine Riemenfläche vorgespannt
ist, um Spannung aufzubringen. Die Vorspannung gegen den Riemen
erfolgt ferner lediglich in bezug auf den Motorblock.
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Das
US-Patent 4 416 647 , erteilt
an White, Jr., beschreibt die Verwendung von Spannern mit zwei Riemenscheiben,
welche auf den Kraftübertragungsriemen
drücken.
Das Patent '647
gibt an, der Ansatz sei zum Spannen eines Systems mit einer zyklischen
Belastung nützlich,
beispielsweise für
einen Klimaanlagenkompressor. Eine der Riemenscheiben drückt auf
einen Teil des Kraftübertragungsriemens unmittelbar
stromaufwärts
der zyklischen Last. Die andere Riemenscheibe drückt hingegen unmittelbar stromabwärts der
zyklischen Last auf den Kraftübertragungsriemen.
Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die beiden Riemenscheiben in bezug zueinander an einem Winkelteil
befestigt, das um seinen Scheitelpunkt schwenkbar ist. Die Anordnung
wird in Richtung des Kraftübertragungsriemens
gedrückt,
um eine statische Spannung wie bei einem festen Mittelpunkt zu bewirken.
Die Schwenkeinrichtung soll dynamische Spannung aufnehmen. Statische
Spannung ist das Ergebnis der von dem Spanner in der Riemenspannrichtung
auf den Kraftübertragungsriemen
aufgebrachten Spannung, mit dem Effekt einer Verlängerung
der Strecke, welche der Kraftübertragungsriemen
um die Riemenscheiben des Systems herum laufen muss. Angenommen,
jede der Riemenscheiben des Systems könne frei drehen, so wäre die Spannung
an jedem Trum dieselbe, und es handelte sich um eine statische Spannung.
Die dynamische Spannung ist die Spannung über die Länge des Kraftübertragungsriemens,
welche das Ergebnis der durch die Einflüsse eines Drehmoments auf jede
der Riemenscheiben und verschiedener Unausgewogenheiten des Systems
veränderten
statischen Spannung ist. Ein zusätzliches
Ergebnis ist, dass jedes Trum eine andere Spannung aufweist.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist jede der beiden Riemenscheiben an einem separaten Arm befestigt,
der sich jeweils einzeln um den Schwenkpunkt Bewegen kann. Die beiden
Arme sind durch eine Feder aufeinander zu vorgespannt. Das Patent '647 gibt an, jedes
der Ausführungsbeispiele durch
das Zusammenwirken der Riemenscheiben mit den separaten Kraftübertragungsriementrums gedämpft wird.
Es findet sich keine Angabe darüber, dass
eine Reibung oder eine andere Dämpfung
an dem Schwenkpunkt vorgenommen wird, egal ob sich die Riemenscheiben
in bezug auf den Motor oder in bezug auf einander bewegen.
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Üblicherweise
ist ein elektrischer Anlassermotor zum Drehen der Kurbelwelle des
Motors vorgesehen, so dass die Verbrennung eingeleitet werden kann
und der Motor zu laufen beginnt. Der Anlassermotor befindet sich
am hinteren Ende des Motors und kann intermittierend an dem hinteren
Bereich der Kurbelwelle über
ein Getriebe angreifen.
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Gegenwärtig besteht
ein zunehmender Druck, eine Verringerung von Emissionen und eine Kraftstoffersparnis
durch die Verringerung des Gewichts von Fahrzeugen und eine Reduzierung
der Anzahl der unter der Motorhaube befindlichen Bauteile zu erreichen.
Ein auf diese Ziele gerichteter Lösungsansatz sieht eine Kombination
der Funktion des Startermotors und der Funktion des Generators zu
einer einzigen Vorrichtung, einem Motor/Generator oder Gen-Star, vor. Ebenfalls
im Hinblick auf das Ziel der Erhöhung
der Kraftstoffersparnis sieht der Gen-Star die Verwendung eines
Merkmals vor, das "Stop-in-Idle" genannt wird. Bei
diesem Merkmal wird der Motor angehalten, wenn er ansonsten im Leerlauf betrieben
würde,
und anschließend
wieder gestartet, wenn das Fahrzeug wieder Bewegung aufnehmen soll.
Dieses Merkmal erhöht
die Anforderungen an Zusatzriementriebe erheblich. Bei der Anwendung
ist der Motor/Generator über
den Zusatzriementrieb in mechanischer Verbindung mit der Kurbelwelle
vorgesehen. Der Motor/Generator und der Zusatzriementrieb sind üblicherweise
auf der Vorderseite des Motors angeordnet. Jedoch ist es beabsichtigt,
diese Systeme an anderen Stellen, einschließlich der Rückseite des Motors anzuordnen.
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Das
Erscheinen von Gen-Star-Systemen stellt den Entwickler von Kraftübertragungsriementreibsystemen
vor erheblich neue Herausforderungen jenseits einfacher Schwingungsbelastungen. Eine
wesentliche Herausforderung unter diesen stellt die Entwicklung
eines Spannsystems, das zu einer akzeptablen Leistung führt, dar,
indem ein Zusatzriementrieb mit dieser neuen Vorrichtung vorgesehen wird,
der nicht nur eine erhebliche Last- und Rotationsträgheit bietet,
sondern dem Zusatzriementrieb auch ein großes Antriebsdrehmoment hinzufügt. Ferner
liefert er dieses große
Antriebsdrehmoment auf einer intermittierenden Basis.
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Ein
als Lösungsansatz
für das
Spannen eines Zusatzriementriebs bezeichnetes Spannsystem, das einen
Motor/Generator aufweist, ist in der Japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
JP1997000359071 beschrieben.
In dieser Veröffentlichung
wird das Vorsehen eines herkömmlichen
einarmigen automatischen Spanners in Anlage an das Trum des Riemens
beschrieben, welches im Startmodus des Motor/Generators das lockerste
Trum sein würde,
wäre nicht
der Spanner vorgesehen. Dieses Trum entspricht dem Trum, das den
Riemen aufnimmt, unmittelbar nachdem der Riemen die Motor/Generator-Riemenscheibe
passiert hat, wenn sich der Riemen in seiner normalen Betriebsrichtung bewegt.
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Das
beschriebene Spannsystem hat sich als nicht optimal erwiesen. Um
kurzfristig eine akzeptable Leistung zu erzielen, muss die langfristige
Leistung des Riemens geopfert werden und die Breite des Riemens,
der zum Erreichen einer adäquaten
kurzfristigen Leistung verwendet werden muss, ist nicht optimal.
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Das
an Bartos et al. erteilte
US-Patent
4 758 208 beschreibt die Verwendung zweier Arme, die jeweils
eine Riemenscheibe tragen. Die Arme sind mit Schwenkpunkten versehen,
die mit der Welle eines Gen-Star übereinstimmen. Die beiden Arme
sind durch eine Feder aufeinander zu vorgespannt. Die Spannvorrichtung
sieht ebenfalls vor, dass der Gen-Star begrenzt drehbar angebracht
ist, so dass das Gehäuse
in Reaktion darauf, ob der Gen-Star als Anlasser oder als Generator
arbeitet, um wenige Grad drehbar ist. Dieses reaktive Moment betätigt zwei
Riegel, die je nach dem Modus abwechselnd den einen oder den anderen
Arm gegen Bewegung fixieren. Auf diese Weise wird der Arm, welcher
dem Kraftübertragungsriementrum
zugeordnet ist, das an der Gen-Star-Riemenscheibe mit der stärksten Spannung
endet, infolge des Gen-Star-Betriebsmodus
in seiner Position fixiert. Der freie Arm bringt sodann Spannung
auf das Kraftübertragungsriemensystem
auf. Dieser Spanner ist offensichtlich komplex, erfordert eine spezielle
Befestigung des Gen-Star mit verschleißanfälligen bewegbaren Teilen, und
ist nicht flexibel in der Anwendung. Ferner beschreibt das Patent '208 nicht die Berücksichtigung
des Vorsehens einer Dämpfung
der Bewegung der beiden Riemenscheiben zur Verbesserung der Systemleistung.
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Es
bleibt somit der Bedarf an einem Spanner und ein System zur Verwendung
in Verbindung mit einem Gen-Star bestehen, das gleichzeitig eine
adäquate
kurzfristige Leistung sowie eine adäquate langfristige Leistung
bietet, die Breite des für
jede gegebene Anwendung einsetzbaren Riemens optimiert, die Kosten
und die Komplexität
gering hält,
und hinsichtlich der Gen-Star-Systeme,
in denen er einsetzbar ist, flexibel ist.
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Das
den nächstkommenden
Stand der Technik bildende Patent
DE
198 49 659 beschreibt eine Spannvorrichtung, die auf zwei
Stränge
eines Zugelements, beispielsweise eines flexiblen Riemens, einwirkt,
die unterschiedliche Zugkräfte
aufbringen, wobei die Spannvorrichtung die Stränge lediglich mittels eines
Spanners vorspannt, und bei der die Spannkräfte sich an die unterschiedlichen
Zugkräfte
anpassen sollen. Schwenkhebel der Spannvorrichtung sind durch Hebelarme,
einen inneren Hebelarm und einen äußeren Hebelarm, gebildet, die
sich von dem Drehpunkt jedes Schwenkhebels aus erstrecken. Das freie
Ende des äußeren Hebelarms
jedes Schwenkhebels ist mit einer Spannrolle verbunden. Das freie Ende
des inneren Hebelarms jedes Schwenkhebels ist gelenkig an einem
Ende der Spanner-Dämpfer-Einheit
angebracht. Die Spanner-Dämpfer-Einheit
ist nicht stationär,
d. h. sie ist nur zwischen den inneren Hebelarmen befestigt und überträgt, mit
einem Dämpfungseffekt,
die Reaktionskräfte,
die während
des Spannvorgangs zwischen dem ersten und dem zweiten Strang auftreten.
Die Längen
des inneren und des äußeren Arms
jedes Schwenkhebels sind mit einem bestimmten Verhältnis zueinander ausgebildet.
Dieses Längenverhältnis ist
für jeden der
Schwenkhebel verschieden. Es ist an die zum Spannen jedes Strangs
erforderlichen Spannkräfte angepasst,
die von Strang zu Strang verschieden sind. Da jeder Schwenkhebel
an seinem Schwenkpunkt um eine stationäre Achse schwenkbar ist, wird die
Spannkraft des Spanners auf das Spannelement und somit den betreffenden
Strang mit einer dem Verhältnis
entsprechenden Hebelwirkung übertragen.
Dieses Verhältnis
bestimmt, ob die Spannkraft des Spanners durch den Schwenkhebel
vor der Übertragung
an das Spannelement verringert oder erhöht wird. Die unterschiedlichen
spezifischen Verhältnisse
der Längen
der Schwenkhebel bilden ein gemeinsames Hebelsystem in der Spannvorrichtung. Dieses
Hebelsystem verändert
sein Hebelwirkung entsprechend den von einem Strang an den anderen übertragenen
Reaktionskräften.
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Der
Vorteil einer derartigen Spannvorrichtung soll sein, dass die Spannkräfte von
Strang zu Strang unterschiedlich definiert werden können, dass eine
Veränderung
der Spannkräfte
möglich
ist, indem die Schwenkhebel durch Schwenkhebel mit einem anderen
Längenverhältnis ersetzt
werden, dass nur eine Spanner-Dämpfer-Einheit
erforderlich ist, dass Spannvorrichtungen mit unterschiedlichen
Spann- und Dämpfungseigenschaften
durch jede beliebige geeignete Kombination von Spanner-Dämpfer-Einheiten
und Schwenkhebeln gebildet werden können, und dass das Zugelement
entsprechend dem Betriebsmodus nur so weit wie durch die Kraftübertragung
erforderlich vorgespannt wird und auf diese Weise von unnötigem Verschleiß frei ist.
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Überblick über die Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zusatzriementriebspanner
und ein solches System mit einer Ausbildung zu schaffen, welche
die Kombination von kurzfristiger Leistung und langfristiger Leistung
verbessert und die Riemenauswahl optimiert.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zusatzriementriebspanner
und ein solches System mit einer Ausbildung zu schaffen, welche
die Kosten und die Komplexität
gering hält und
hinsichtlich der Gen-Star-Systeme,
auf die es angewendet werden kann, flexibel ist.
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Zur
Lösung
der genannten und anderer Aufgaben ist die vorliegende Erfindung
durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
zugehörigen
Zeichnungen, welche in der Beschreibung enthalten sind und einen
Teil derselben bilden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
bezeichnen, zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Zusatzriementriebsystemausbildung
mit einem Motor/Generator, wobei sich das System im Generatormodus
befindet.
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2 eine
schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Zusatzriementriebsystemausbildung
mit einem Motor/Generator, wobei sich das System im Startmodus befindet.
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Spanners, der Teil eines bevorzugten
Zusatzriementriebsystems mit einem Motor/Generator ist.
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4 eine
perspektivische Darstellung eines Spanners, der Teil eines bevorzugten
Zusatzriementriebsystems mit einem Motor/Generator ist, wobei Teile
weggeschnitten sind.
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5 ein
Schnitt entlang der Linie 5-5 in 3.
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6 eine
Draufsicht auf einen Spanner, der Teil eines bevorzugten Zusatzriementriebsystems
mit einem Motor/Generator ist.
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7 ein
Schnitt entlang der Linie 7-7 in 5.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Zusatzriementriebsystems 10 ist in den 1 und 2 dargestellt.
Es umfasst einen Motor/Generator 12, eine Motor/Generator-Riemenscheibe 14,
eine Servolenkungspumpenriemenscheibe 18, eine Klimaanlagenkompressorriemenscheibe 20,
eine Wasserpumpenriemenscheibe 22, eine Kurbelwellenriemenscheibe 24,
einen Doppel-Spanner 28, eine erste Spannerriemenscheibe 16,
eine zweite Spannerriemenscheibe 26 und einen Kraftübertragungsriemen 30 auf.
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Zwar
sind spezifische Zusatzeinrichtungsriemenscheiben in einer spezifischen
geometrischen Anordnung dargestellt, jedoch sei darauf hingewiesen,
dass die vorliegende Erfindung, je nach Anwendung, auf verschiedene
Anzahlen und Kombinationen von Zusatzeinrichtungen und geometrischen
Anordnungen anwendbar ist, einschließlich sowohl Konfigurationen
in Serpentinen-, als auch Nicht-Serpentinenform. Bei der dargestellten
Konfiguration handelt es sich um eine Serpentinenform. Somit ist der
Kraftübertragungsriemen 30 üblicherweise
vom Keilrippentyp. Jedoch kann die Erfindung unter Einschluss sämtlicher
Ar ten von Riemen ausgeführt werden.
Ferner kann diese Darstellung auch als eine Ebene von Riemen/Riemenscheiben
in einem Zusatzriementreibsystem mit mehreren Riemen angesehen werden.
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Der
mit "Riemenlaufrichtung" bezeichnete Pfeil
gibt die Riemenlaufrichtung während
des Normalbetriebs sowohl im Generator-, als auch im Start-Modus
an. Eine stromabwärtige
Bewegung entlang dem von dem Kraftübertragungsriemen 30 verfolgten
Wegs bedeutet eine Bewegung in der Riemenlaufrichtung. Eine stromaufwärtige Bewegung
ist eine Bewegung entgegen der Riemenlaufrichtung.
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Stromabwärts gesehen,
beginnend an der Kurbelwellenriemenscheibe 24, erstreckt
sich ein Trum 32 zwischen der Kurbelwelle und dem Motor/Generator über die
Strecke, welche an einem Ende mit dem letzten Kontaktpunkt zwischen
der Kurbelwellenriemenscheibe 24 und dem Kraftübertragungsriemen 30 beginnt
und mit dem anderen Ende an den ersten Kontaktpunkt zwischen der
Motor/Generator-Riemenscheibe 14 und dem Kraftübertragungsriemen 30 endet.
Ein erstes Motor/Generator-Kurbelwellen-Trum 34 erstreckt
sich über
die Strecke, welche an dem letzten Kontaktpunkt zwischen der Motor/Generator-Riemenscheibe 14 und dem
Kraftübertragungsriemen 30 beginnt
und an dem ersten Kontaktpunkt zwischen der Servolenkungspumpenriemenscheibe 18 und
dem Kraftübertragungsriemen 30 endet.
Bei der Darstellung in den 1 und 2 existieren
der weitere Motor/Generator-Kurbelwellen-Trums 34', 34'' bzw. 34'''. Die Anzahl
und die Anordnung der Kurbelwellen-Motor/Generator-Trums 32 und
der Motor/Generator-Kurbelwellen-Trums 34 hängen von
der Anzahl und der Anordnung der Zusatzvorrichtungsriemenscheiben
für eine
bestimmte Anwendung ab.
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Die
Richtung des Drehmoments an der Motor/Generator-Riemenscheibe 14 und
an der Kurbelwellenriemenscheibe 24 kehrt sich in Abhängigkeit von
dem Betriebsmodus des Zusatzriementriebssystems 10 um,
wie durch die mit "Drehmoment" bezeichneten Pfeile
an jeder Riemenscheibe 14 und 24 in den 1 und 2 dargestellt.
Im Generatormodus liefert die Kurbelwellenrie menscheibe 24 das
gesamte Antriebsdrehmoment. Die Wasserpumpenriemenscheibe 22,
die Klimaanlagenkompressorriemenscheibe 20, die Servolenkungspumpenriemenscheibe 18 und
die Motor/Generator-Riemenscheibe 14 verbrauchen das Antriebsdrehmoment,
wobei ein geringer Verbrauch durch die erste Spannerriemenscheibe 16 und
die zweite Spannerriemenscheibe 26 erfolgt. Im Startmodus
liefert die Motor/Generator-Riemenscheibe 14 das gesamte
Antriebsdrehmoment. Die Kurbelwellenriemenscheibe 24, die
Wasserpumpenriemenscheibe 22, die Klimaanlagenkompressorriemenscheibe 20 und
die Servolenkungspumpenriemenscheibe 18 verbrauchen das
Antriebsdrehmoment, wobei ein geringer Verbrauch durch die erste
Spannerriemenscheibe 16 und die zweite Spannerriemenscheibe 26 erfolgt.
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Im
Allgemeinen und ungeachtet der Betriebsmodi wäre, angenommen jede der Riemenscheiben
wäre frei
drehbar, die Spannung an jedem Trum die gleiche und es bestünde eine
statische Spannung. Wie in den 1 bis 6 für dieses
bevorzugte Ausführungsbeispiel
dargestellt, ist die statische Spannung das Ergebnis der von dem
Spanner 28 über
das elastische Teil 38 auf den Kraftübertragungsriemen 30 aufgebrachten
Kraft, wobei dieses auf die Kombination aus dem ersten Verbindungsarm 42 und
dem zweiten Verbindungsarm 44 einwirkt, wodurch die erste
Spannerriemenscheibe 16 und die zweite Spannerriemenscheibe 26 aufeinander
zu vorgespannt oder gegenseitig vorgespannt werden, und wobei auf
die Kombination aus dem Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 32 und
dem Motor/Generator-Kurbelwellen-Trum 34 Druck aufgebracht
wird, wodurch wiederum die Entfernung vergrößert wird, welche der Kraftübertragungsriemen 30 um
sämtliche
Riemenscheiben zurücklegen
muss.
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Im
herkömmlichen
oder Generatormodus, der in 1 dargestellt
ist, liefert die Kurbelwellenriemenscheibe 24 das Antriebsdrehmoment.
Das letzte Motor/Generator-Kurbelwellen-Trum 34''' wird
zu dem Trum mit der größten Spannung.
Jede Riemenscheibe stromaufwärts
der Kurbelwellenriemenscheibe 24 absorbiert einen Teil
des Antriebsdrehmoments und bewirkt, unter Nichtberücksichtigung
der Auswirkungen des Spanners, eine Verringerung der Spannung in
dem unmittelbar stromaufwärtigen Trum.
Die Motor-Generator- Riemenscheibe 14 weist die
größte Last
auf. Schließlich
wird das Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 32 das
Trum mit der geringsten Spannung.
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Im
Startmodus, der in 2 dargestellt ist, liefert der
Motor/Generator 12 das Antriebsdrehmoment. Das Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 32 wird
das Trum mit der größten Spannung.
Das Motor/Generator-Kurbelwellen-Trum 34 wird das Trum mit
der geringsten Spannung. Anders als im Generatormodus stellt die
Kurbelwellenriemenscheibe 24 die größte Last dar. Üblicherweise
wird die Optimierung als eine Funktion der Abfolge der verschiedenen Lasten
und der Anordnung des Spanners in der Ausgestaltung des Triebs angesehen.
Es ist ersichtlich, dass eine Ausgestaltung, diem Generatormodus
optimiert, von einer Ausgestaltung, die im Startmodus optimiert,
erheblich verschieden ist.
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Bei
dem herkömmlichen
Zusatz-Keilriementriebsystem sind die grundlegenden Ausbildungsüberlegungen
die folgenden: 1) Wahl der Riemenbreite (üblicherweise als Anzahl der
Rippen angegeben) und die Typenauswahl unter Berücksichtigung des erwarteten
aufgebrachten und verbrauchten Drehmoments; und 2) die Wahl der
statischen Spannung, derart dass diese unter derjenigen liegt, welche
entweder den Riemen oder Teile des Systems bis zu einer Verringerung
der Lebensdauer unter eine akzeptable Spanne oder bis zum Beginn
eines inakzeptablen Rutschens belastet. Die Wahl des Riementyps und
der Breite beeinflusst ferner die Lebensdauer des Riemens. Auch
besteht ein gegenseitiger Einfluss zwischen diesen beiden grundlegenden
Gestaltungsüberlegungen.
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Ein
stetiges Ziel für
den Entwickler von Zusatzriementriebsystemen ist das Optimieren
beider Überlegungen
im Hinblick auf die Kosten und die Komplexität. Die Optimierung wird durch
die Verwendung zahlreicher, dem Fachmann auf dem Gebiet bekannter
geometrischer Parameter und Materialparameter erreicht. Unter diesen
findet sich die Anordnung der treibenden und getriebenen Riemenscheiben,
basierend auf der Trägheit
oder einem anderen Drehmoment desselben.
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Antriebssysteme,
welche einen Motor/Generator aufweisen, ermöglichen diese besondere Optimierung
in keinem Fall, sie bringen neue und schwierige Beschränkungen
auf, und haben sich bisher der praktischen Optimierung entzogen.
Die Wurzel der Schwierigkeiten liegt in der Tatsache, dass die Riemenscheiben,
welche das Antriebsdrehmoment liefern und das größte Trägheitsdrehmoment bieten, je nach
dem Betriebsmodus verschieden sind. Ferner liegen größere Trägheitsdrehmomente
vor als sie üblicherweise
in einem herkömmlichen
Triebsystem anzutreffen sind.
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Der
gegeneinander vorgespannte Doppelriemenscheibenspanner 28 der
vorliegenden Erfindung optimiert das Zusatzriementriebsystem 10 bei
bestimmten Anwendungen für
eine Kombination der Modi, insbesondere bei einer Verwendung in
der Ausgestaltung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Wie
in den 3 bis 6 dargestellt, weist der Spanner 28 eine
erste Spannerriemenscheibe 16, eine zweite Spannerriemenscheibe 26,
ein elastisches Teil 38, einen Schwenkbolzen 40,
einen ersten Verbindungsarm 42 und einen zweiten Verbindungsarm 44,
einen Dämpferschuh 46,
eine Dämpferlauffläche 48,
eine Befestigungsplatte 50, einen ersten Riemenscheibenbolzen 52,
einen zweiten Riemenscheibenbolzen 54, eine Buchse 56,
eine Unterlegscheibe 57, einen Schwenkzapfen 58,
eine erste Armnabe 60 und eine zweite Armnabe 62 auf.
Die erste und die zweite Riemenscheibe 16 und 26 sind an
einem ersten bzw. einem zweiten Verbindungsarm 42 und 44 durch
Kugellageranordnungen gelagert. Die Kugellageranordnungen umfassen
Lager 70 und Laufringe 72.
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Sowohl
der erste, als auch der zweite Verbindungsarm 42 und 44 ist
jeweils auf dem Schwenkzapfen 58, gestützt durch die Buchse 56 und
die Unterlegscheibe 57 drehbar gelagert. Die erste Armnabe 60 und
die zweite Armnabe 62 berühren die Buchse 56 und
die Unterlegscheibe 57, die wiederum den Schwenkzapfen 59 und
den Schwenkbolzen 40 berühren. Es ist beabsichtigt,
dass jedes Element eine Passung aufweist, die zu einer erheblichen
Reibung führt.
Derartige Reibung verleiht dem ersten und zweiten Verbindungsarm 42 bzw. 44 zusätzliche Dämpfung in
bezug auf die Befestigungsbasis 50, die an einem in bezug
auf den (nicht dargestellten) Zylinderblock des Motors stationär befestigt
ist.
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Zwar
sind der erste und der zweite Verbindungsarm 42 und 44 in
bezug auf die Befestigungsbasis drehbar, jedoch sind sie nicht in
bezug zueinander drehbar. Sie sind vielmehr aufgrund der ihnen von
dem elastischen Teil 38 verliehenen Kraft aufeinander zu
vorgespannt, welche durch den Dämpfungsmechanismus
modifiziert ist, der den Dämpferschuh 46 umfasst,
welcher auf der Lauffläche 48 sitzt,
die auf der Innenfläche
der zweiten Armnabe 62 ausgebildet ist. Die durch die Grenzfläche zwischen dem
Dämpferschuh 46 und
der Dämpferlauffläche bewirkte
Reibung dämpft
die Bewegung des ersten und des zweiten Verbindungsarms 42 und 44,
jedoch nur relativ zueinander.
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Das
elastische Teil 38 ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
eine Stahl-Torsionsfeder, die über
den Dämpferschuh 46 und
den Dämpferschuhanschlag 64 indirekt
an dem ersten Verbindungsarm 42 an dem Dämpferschuhfederanbringpunkt 66 und
an dem zweiten Armfederanbringpunkt 68 direkt an dem zweiten
Verbindungsarm 44 angebracht. Das elastische Element 38 ist
gewunden, um auf den zweiten Verbindungsarm 44 ein Drehmoment im
Uhrzeigersinn aufzubringen, wie in 4 dargestellt,
und ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn auf den Dämpferschuh 46 aufzubringen,
wie in 6 dargestellt. Das dem Dämpferschuh 46 vermittelte Drehmoment
im Gegenuhrzeigersinn wird an den Dämpferschuhanschlag 64 und
somit an den ersten Verbindungsarm 42 übertragen, an dem der Dämpferschuhanschlag 64 angebracht
ist.
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Bei
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist jede in bezug auf die Befestigungsplatte 50 aufgebrachte
Dämpfung
symmetrisch, sei sie durch den Passsitz der ersten Armnabe 60,
der zweiten Armnabe 62, der Buchse 56, der Unterlegscheibe 57, des
Schwenkzapfens 58 und des Schwenkbolzens 40 aufgebracht.
Ein Passsitz dieser Art fügt
ferner eine symmetrischen Vorspannungskomponente zu der Dämpfung des
ersten Verbindungsarms 42 in bezug auf den zweiten Verbindungsarm 44 hinzu.
Es sei darauf hingewiesen, dass selbst eine symmetrische Dämpfung zu
einer asymmetrischen Vorspannung führt, da sich die Dämpfungskräfte zu den
Gesamtvorspannungskräften
in einer Bewegungsrichtung addieren und in der anderen Richtung
subtrahieren.
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Die
zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsarm 42 und 44 bewirkte
Dämpfung
weist eine asymmetrische Komponente auf, so dass die kombinierte
Bewegung der ersten und der zweiten Riemenscheibe 16 und 26 bei
der voneinander weg gerichteten Bewegung stärker gedämpft ist als bei der aufeinander
zu gerichteten Bewegung. Dies trifft zu, egal ob sich die erste
oder die zweite Riemenscheibe 16 und 26 in die
Riemenspann- oder der Riemenentspannungsrichtung bewegt. Bei der
Riemenentspannungsrichtung handelt es sich, wenn auf die erste oder
die zweite Riemenscheibe 16 bzw. 26 einzeln bezug
genommen wird, um die Richtung der ersten bzw. der zweiten Riemenscheibe 16 und 26,
die zu einem Führen
des Riemens 30 über
eine kürzere Strecke
führt.
Die Riemenspannung ist einfach umgekehrt hierzu. Wenn auf die Bewegung
der ersten und der zweiten Riemenscheibe 16 und 26 bezug
genommen wird, so handelt es sich bei der Riemenentspannungsrichtung
jedoch um die Richtung, in welcher sich die erste und die zweite
Riemenscheibe 16 und 26 weiter voneinander weg
bewegen. Die Riemenspannung ist wiederum umgekehrt hierzu.
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Wie
in 7 dargestellt, weist der Ansatz 67 der
Schuhfeder eine Biegeachse A auf. Der Halbmesser B erstreckt sich
von dem Mittelpunkt des Schwenkzapfens 58 durch den Mittelpunkt
des Kontakts zwischen dem Dämpferschuh 46 und
der Dämpferlauffläche 48.
Die Sehne C verläuft
senkrecht zum Halbmesser B und trifft auf die beiden äußersten
Kontaktpunkte zwischen Dämpferschuh 46 und
Dämpferlauffläche 48.
Es ist ersichtlich, dass die Biegeachse A die Sehne C unter einem
Winkel X schneidet und daher nicht zu der Sehne C parallel ist. Die
Entfernung von dem Kontaktpunkt zwischen dem Ansatz 67 der
Schuhfeder und dem Schwenkzapfen 58, der als Schwenkpunkt
P bezeichnet ist, und dem Mittelpunkt des Kontakts zwischen dem
Dämpferschuh 46 und
der Dämpferlauffläche 48 ist
die feste Strecke R1. Der Winkel X bewirkt die
Asymmetrie der Dämpfung,
wie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsarm 42 und 44.
Im Ruhezustand verlängern
der Ansatz 67 der Schuhfeder und der Dämpferschuh 46 die
feste Strecke R1, um die Füllstrecke
R2 zu erreichen, wodurch die Dämpferlauffläche 48 mit
der vollen von dem elastischen Element 38 gelieferten Kraft
berührt
wird.
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Wenn
die erste und die zweite Riemenscheibe 16 und 26 sich
in der Riemenspannrichtung aufeinander zu bewegen, bewegt sich die
Dämpferlauffläche 48 im
Uhrzeigersinn in bezug auf den ersten Verbindungsarm 42.
Hierdurch wird wiederum der Dämpferschuh 46 und
der Ansatz 67 der Schuhfeder im Uhrzeigersinn um den Schwenkpunkt
P bewegt. Hierdurch wird die Füllstrecke
R2 entsprechend im Uhrzeigersinn bewegt.
Es ist ersichtlich, dass die Füllstrecke
R2 hierdurch länger wird. Jedoch kann die feste
Strecke R1 nicht länger werden. Somit wird der Dämpferschuh 46 von
der Dämpferlauffläche 48 abgehoben,
wobei ein Teil der ansonsten von dem elastischen Teil 39 gelieferten
Kraft absorbiert wird. Die Reibung an der Oberfläche des Dämpferschuhs 46 und
der Dämpferlauffläche 48 wird
reduziert, was zu einer verringerten Dämpfung in der Riemenspannrichtung
führt.
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Wenn
sich die erste und die zweite Riemenscheibe 16 und 26 in
der Riemenentspannungsrichtung voneinander weg bewegen, bewegt sich
die Dämpferlauffläche 48 in
bezug auf den ersten Verbindungsarm 42 im Gegenuhrzeigersinn.
Hierdurch wird wiederum der Dämpferschuh 46 und
der Ansatz 67 der Schuhfeder im Gegenuhrzeigersinn um den Schwenkpunkt
P bewegt. Hierdurch wird die Füllstrecke
R2 entsprechend im Gegenuhrzeigersinn bewegt.
Es ist ersichtlich, dass die Füllstrecke
R2 dadurch kürzer wird. Jedoch kann die
feste Strecke R1 nicht kürzer werden. Der Dämpferschuh 46 drückt somit
auf die Dämpferlauffläche 48,
wodurch die von dem elastischen Teil 38 gelieferte Kraft
verstärkt
wird. Die Reibung an den Flächen
des Dämpferschuhs 46 und
der Dämpferlauffläche 48 wird
verstärkt,
was zu einer verstärkten
Dämpfung
in der Riemenspannrichtung führt.
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Wenn
sich der Betriebsmodus des Systems vom statischen Zustand in den
Generatormodus ändert,
nehmen, wie zuvor erörtert,
sämtliche
Kurbelwellen-Motor/Generator-Trums 34, 34', 34'' und 34''' eine stärkere Spannung
auf, als das Motor/Generator-Kurbelwellen-Trum 32. Somit
ist die zum Spannen des Kurbelwellen-Motor/Generator-Trums 34 führende Kraft
größer als
die Kraft, die zum Spannen des Motor/Generator-Kurbelwellen-Trums 32 führt. Bei
dem in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden der zweite Verbindungsarm 44 und die zugehörige zweite
Spannerriemenscheibe 26 in eine Position gedrückt, die
es dem Kraftübertragungsriemen 30 in
dem Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 34 ermöglicht,
den kürzesten
Weg zu nehmen. Wie dargestellt, entspricht dies dem zweiten Verbindungsarm 44,
der eine Position annimmt, die im wesentlichen senkrecht zu einem
gestreckten Kraftübertragungsriemen 30 in
dem Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 34 ist. Diese besondere und
meist bevorzugte Geometrie bewirkt, dass die zweite Spannerriemenscheibe 26 das
Ende ihrer Bewegung in der Riemenentspannungsrichtung erreicht,
während
sie dennoch den Kraftübertragungsriemen 30 umlenkt.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass,
bei einem weniger bevorzugten Ausführungsbeispiel die Drehung
des zweiten Verbindungsarms 44 um den Hauptschwenkbolzen 40 durch
das Vorsehen von Anschlägen
begrenzt werden kann. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Anordnung des Hauptschwenkbolzens 40 in
Verbindung mit der Länge
des zweiten Verbindungsarms 44 derart vorgenommen wird,
dass das Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 34 gestreckt
wird, ohne dass die zweite Spannerriemenscheibe 26 das
Ende ihres Bewegungsweges erreicht. In jedem dieser Fälle erreicht der
Kraftübertragungsriemen 30 die
kürzeste
mögliche
Strecke in dem Kurbelwellen-Motor/Generator-Trum 34.
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Würde diese
Neupositionierung in dem Kurbelwellen-Motor/Generator-Trums 34 ohne
ein anderes entsprechendes Ereignis erfolgen, würde die statische Spannung
des Riementriebsystems 10 verringert. Das Drehen des zweiten
Verbindungsarms 44 um den Hauptschwenkbolzen 40 bringt
jedoch eine Belastung auf das elastische Teil 38 auf, wodurch wiederum
die Vorspannkraft auf den ersten Verbindungsarm 42 verstärkt wird.
Dies bewirkt eine gleich starke Erhöhung der von der ersten Spannerriemenscheibe 16 auf
den Kraftübertragungsriemen 30 in dem
Motor/Generator-Kurbelwellen-Trum 32 aufgebrachten Kraft.
Dementsprechend bleibt die statische Spannung des Kraftübertragungsriemens 30 durch den
Wechsel der Betriebsmodi von statisch, oder nicht laufend, zum Generatormodus
im wesentlichen unverändert.
Die Analyse gilt gleichermaßen
für einen
Wechsel der Modi vom Start- in den Generatormodus.
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Beim
Wechsel von Generator- in den Startmodus gilt das Umgekehrte. Das
heißt,
die erste Spannerriemenscheibe 16 erreicht die Grenze des Bewegungsweges
in der Entspannungsrichtung. Die auf die zweite Spannerriemenscheibe 26 wirkende Spannkraft
wird verstärkt.
Die auf den Kraftübertragungsriemen 30 wirkende
Kraft bleibt im wesentlichen unverändert.
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Die
in den beschriebenen Ausführungsbeispielen
enthaltene vorliegende Erfindung erreicht eine erhebliche Optimierung
der langfristigen und der kurzfristigen Leistung und der Riemenwahl,
während gleichzeitig
die Kosten und die Komplexität
verringert werden und eine verbesserte Flexibilität hinsichtlich der
Gen-Star-Systeme, auf die sie anwendbar ist, ermöglicht ist.