WO2014127755A1 - Riemenscheibenanordnung für einen riementrieb zum antrieb von nebenaggregaten eines kraftfahrzeugs und verfahren zum antrieb eines über eine riemenscheibenanordnung angebundenen nebenaggregats eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Riemenscheibenanordnung für einen riementrieb zum antrieb von nebenaggregaten eines kraftfahrzeugs und verfahren zum antrieb eines über eine riemenscheibenanordnung angebundenen nebenaggregats eines kraftfahrzeugs Download PDF

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pulley
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electric machine
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Oliver Dippold
Ralf Wagner
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1815—Rotary generators structurally associated with reciprocating piston engines

Definitions

  • the invention relates to a belt pulley arrangement for a belt drive for driving ancillaries of a motor vehicle and a method for driving a connected via a pulley arrangement Ne- ben aggregate of a motor vehicle, with the aid of an accessory of a motor vehicle, such as a cooling water pump, via a traction means using one of a Motor vehicle engine torque can be driven.
  • a belt drive with an input pulley for driving ancillaries is known, which is connected via a planetary gear with a crankshaft of the internal combustion engine, which can be driven via the driven pulley traction means output pulleys various ancillaries.
  • an electric machine is connected to the traction means via a further output pulley to generate electrical energy in generator mode from the mechanical energy of the traction means or to make an additional torque input into the traction means in engine operation can.
  • a belt pulley arrangement for a belt drive for driving ancillaries of a motor vehicle is provided with a pulley for introducing a torque to be supplied via a traction means, an output shaft for driving an auxiliary unit, in particular a cooling water pump, an electric machine for transmitting torque between the pulley and the output shaft, wherein the electric machine has a rotor connected to the pulley and a stator connected to the output shaft, wherein the electric machine with an electric power source for accelerating the output shaft and / or with an electric energy sink for braking the output shaft is electrically connected, a first speed measuring device for detecting the Time course of the speed of the pulley and / or a second speed measuring device for detecting the time course of the rotational speed of the output shaft and a it is connected to the electric power source and / or the electric power sink control device for regulating a time course of the rotational speed of the output shaft by a temporary electrical connection of the power source and / or energy giesen in response to
  • the output shaft can be electromagnetically connected to the pulley. can be coupled so that can be changed by influencing a forming between the rotor and the stator electrical and / or magnetic field, the power flow between the pulley and the output shaft. This makes it possible in particular to be able to operate the output shaft at a high speed of the pulley below an allowable maximum speed and / or even at a low speed of the pulley above a designated minimum speed.
  • the energy source and / or the energy sink may be connected to the windings of the rotor and / or the stator of the electrical machine.
  • the energy source and the energy sink may in particular be the same component, preferably a rechargeable battery (rechargeable battery), such as a motor vehicle battery.
  • electrical energy previously stored in the energy sink can be used as an energy source for the acceleration of the output shaft.
  • the output shaft When electric power is supplied, the output shaft may be accelerated in addition to the speed introduced by the pulley, whereby the output shaft overruns the pulley ("overtaking operation.") When electric power is dissipated, the output shaft may be decelerated compared to the speed input from the pulley , whereby the output shaft rotates slower than the pulley ("brake operation").
  • braking mode can preferably be an electrical load and / or a electrical storage to be connected to the electrical machine.
  • the electrical resistance of the connected load can be infinitely large, whereby substantially no drag torque arises anymore.
  • the rated speed of the output shaft can be decoupled from the speed of the pulley.
  • the speed curve of the output shaft can be decoupled almost arbitrarily from the speed curve of the pulley.
  • rotational speed fluctuations of a motor vehicle which have propagated completely or partially, in the traction means of the pulley arrangement, can be forwarded to the drive shaft in a time-varying manner.
  • occurring in the drive shaft speed fluctuations may be out of phase with the speed variations of the pulley, in which the amplitude is reduced, changed in frequency, attenuated and / or substantially completely eradicated.
  • the speed curve of the drive shaft detected by the second speed measuring device can be taken into account by the control device, for example to determine a suitable time and / or a suitable duration of connecting the energy source and / or energy sink.
  • a feed-Foward control can be achieved, can be detected early in the expected changes in the speed of the drive shaft and taken into account in the control of the speed of the drive shaft.
  • the electric machine is operated in particular exclusively as an electromechanical converter.
  • the electric machine is designed, for example, as a DC drive or AC drive.
  • the electric machine can in particular be permanently energized or externally excited. par- dere it is possible to design the electric machine as a synchronous machine or asynchronous machine.
  • the electrical and / or magnetic field formed between the rotor and the stator can be changed, for example, by allowing the rotor to be displaced axially relative to the stator so that the axial extent can change, above which the power flow is transmitted relevant components, in particular permanent magnets and / or windings of the rotor and the stator are arranged in the radial direction one behind the other overlapping.
  • the rotor of the electric machine can rotate at the speed of the pulley.
  • the drive of the rotor takes place in particular via the pulley by a pulling means acting on the pulley.
  • the traction means is designed in particular as a belt, flat belt, V-belt, toothed belt, poly-V belt, rope, chain or the like. With the help of one or more pulleys, the wrap angle of the traction means on the pulley can be increased and / or a bias of the traction means can be adjusted.
  • the stator of the electric machine can rotate at the speed of the output shaft.
  • both the rotor and the stator rotate, wherein by influencing the electromagnetic field between the rotor and the stator, in particular by an individually adjustable energizing windings of the stator and / or the rotor, a speed difference between the rotor and the stator can be increased or decreased, in particular to be able to control a desired rated speed on the output shaft.
  • the desired rated speed of the output shaft may in particular be variable and change during operation.
  • a desired volumetric flow of an auxiliary unit designed as a cooling water pump can be regulated as a function of the temperature of a motor vehicle component to be cooled by this cooling water pump, so that the nominal rotational speed of the cooling unit with this cooling water pump Pump connected output shaft to adjust the desired flow rate can change.
  • the auxiliary unit may be provided, for example, to mechanically or electrically lock the output shaft and to prevent a power input into the auxiliary unit.
  • the rotor can be connected via a, in particular switchable, freewheel with the pulley and / or the stator via a, in particular switchable, freewheel with the output shaft.
  • the auxiliary unit is, for example, a cooling water pump, oil pump, air conditioning compressor of an air conditioner, fuel pump, alternator, lubricant pump, mechanical supercharger / compressor for charge air compression in rechargeable power vehicle engines.
  • the connected electrical power of the energy source and / or energy sink in particular oscillating, can be varied.
  • the electrical connection and disconnection of the energy source and / or energy sink can, in principle, be carried out according to the principle of pulse wave modulation in order to provide a specific power.
  • a suitable power control for example by means of a variable resistor, potentiometer and / or transistor, and intermediate values in the electrical power can be easily provided and in particular infinitely, preferably continuously changed.
  • a switching element for producing a substantially rotationally fixed coupling of the pulley with the output shaft in the event of a dropping current flow in the electric machine.
  • a fail-safe functionality for the auxiliary unit which, for example, in the event of a failure of the vehicle electrical system voltage, at least an unregulated operation of the auxiliary unit as a function of the rotational speed of the belt. menu disc possible.
  • the switching element is configured as a current-carrying electromagnet which, in the current-carrying state, biases a spring to cause a mechanical coupling of the belt pulley to the output shaft. If the power supply fails, the electromagnet can no longer pretension the spring so that the spring relaxes and, in particular, brings about frictional and / or positive coupling of the belt pulley to the output shaft.
  • the electric machine has windings, wherein the winding can be short-circuited in the case of a dropping current flow in the electric machine.
  • the switching element for producing a substantially rotationally fixed coupling of the pulley to the output shaft in the event of a dropping current flow in the electric machine can be configured for example as a space-saving electrical circuit which short circuits the windings, for example, if a power supply via an electrical system of the motor vehicle fails.
  • An electrical current can be induced in the windings, in particular by permanent magnets movable relative to the windings, and / or other current-carrying windings, so that an electromagnetic coupling between the rotor and the stator can be established.
  • an additional mechanical coupling of the rotor may be provided with the stator.
  • the stator has permanent magnets and the rotor windings or the stator has windings and the rotor permanent magnets, wherein the windings are connected via a non-contact or touch-contacting electrical contact, in particular sliding contact connection, with electrical lines for introducing and / or discharging electrical energy ,
  • the stator has permanent magnets and the rotor windings or the stator has windings and the rotor permanent magnets, wherein the windings are connected via a non-contact or touch-contacting electrical contact, in particular sliding contact connection, with electrical lines for introducing and / or discharging electrical energy .
  • a single electrical contact is required, for example via the sliding contact connection, whereby correspondingly less space is required.
  • a non-contact electrical contact is provided to exchange electrical energy between the electrical lines and the rotor and / or stator without mechanical grinding.
  • a supply voltage can be applied to operate the electric machine and / or to influence the electromagnetic field of the electric machine.
  • the energization of the electrical machine can take place via an intermediate electronic circuit, which may be connected on the one hand to the electrical lines and on the other hand to the at least one winding.
  • the electronic circuit can, for example, chop up the supply voltage, modulate it, in particular as a pulse wave modulation, and energize the at least one winding of the electrical machine, whereby the energization of the at least one winding can preferably be controlled and / or regulated with the aid of the electronic circuit.
  • the windings are connected to a carrier, wherein the carrier is connected via a radially extending connecting piece with the output shaft or the pulley, wherein the carrier to the direction away from the windings side a contact element for transmitting electrical energy, in particular a slip ring of Sliding contact connection, comprising.
  • the output shaft as the drive and the pulley as the output, so that the carrier and thus the windings can be connected to a drive shaft or a driven pulley.
  • the electrical contacting of the windings with the contact element can be carried out through the material of the carrier.
  • the contact element in particular the slip ring, can be riveted to the carrier, wherein a rivet extending through the material of the carrier can form and / or enable electrical contacting.
  • a receiving pocket can be formed between the contact element and the output shaft or the pulley, in which, for example, spring-loaded brushes can be arranged.
  • the brushes or other contacting elements may in particular be connected to a fixed holder which can be inserted into the pocket bounded by the carrier on one axial side of the belt pulley arrangement.
  • the holder may in particular be connected to an aggregate housing of the auxiliary unit, wherein preferably the aggregate housing of the ancillary unit can protrude axially into the belt pulley and / or the pulley arrangement.
  • the pulley has a radially outwardly facing tread for connecting the traction means, wherein radially within the tread substantially at the axial height of the tread an electronic circuit for operating the electric machine is arranged.
  • the design of the pulley for coupling with the traction means results in a cavity within the running surface of the pulley, which can be used by the electronic circuit.
  • the electronic circuit can be substantially completely covered by the tread.
  • the electronic circuit can in particular be connected in a rotationally fixed manner to windings of the electrical machine for which the electronic circuit controls the supply and / or removal of electrical energy.
  • the pulley has a radially outwardly facing tread for connecting the traction means, wherein radially within the tread substantially at the axial height of the tread of the rotor and the stator of the electric machine are arranged.
  • a cavity which can be used by the electric machine. Viewed radially from the outside, the electric machine can be substantially completely covered by the tread. This results in a space-saving design for the pulley assembly.
  • the invention further relates to a use of a pulley assembly, which may be as described above and further educated in a belt drive of a motor vehicle for the purpose of discharging a part of a motor vehicle from a motor vehicle to drive the motor vehicle provided torque to an accessory. Due to the influence of the electrical machine power flow between the pulley and the output shaft, it is not necessary to interpret the connected via the output shaft accessory for the most unfavorable operating point, so that by using the pulley arrangement for discharging the provided torque, the accessory may be smaller and dimensioned Reduction of the installation space for motor vehicle components, in particular of the installation space of over the belt drive drivable auxiliary units of a motor vehicle, is possible.
  • the invention further relates to a belt drive for driving auxiliary units of a motor vehicle with an input pulley connectable to an engine shaft, in particular a crankshaft, of an automobile engine, at least one output pulley coupled to the input pulley via a common pulling means for driving the associated auxiliary unit, in particular cooling water pump, wherein at least an output pulley is designed as a pulley assembly, which may be as described above and further developed.
  • a plurality of output pulleys are provided, wherein in particular several, Preferably, all, output pulleys are designed as a pulley assembly, which may be as described above and further educated.
  • the invention further relates to a method for driving a connected via a pulley assembly, which may be as described above and further educated accessory of a motor vehicle, in which the supply of electrical energy into the electrical machine and / or the removal of electrical energy from the electric machine in response to a speed of the pulley for controlling a time course of the rotational speed of the output shaft is performed.
  • a pulley assembly which may be as described above and further educated accessory of a motor vehicle, in which the supply of electrical energy into the electrical machine and / or the removal of electrical energy from the electric machine in response to a speed of the pulley for controlling a time course of the rotational speed of the output shaft is performed.
  • the time profile of the rotational speed of the output shaft to the time profile of the speed of the pulley is phase-shifted.
  • This can be due to a speed fluctuations of an automotive engine, of which a portion of the torque is used to drive ancillaries, responding to changed needs of an accessory.
  • the phase shift of the speed fluctuations may be provided such that the drive shaft of an auxiliary pump designed as an oil pump, taking into account the response over the length of the pumped conveying path is then provided an increased flow rate, if just because of the speed fluctuation of the motor vehicle engine is needed. This can reduce the amount of excessively pumped oil to increase efficiency and energy efficiency.
  • a maximum amplitude distance A- the time profile of the rotational speed of the output shaft to a rated speed is less than a maximum amplitude distance A 2 of the time profile of the speed of the pulley to the rated speed, in particular 0.00 ⁇ A
  • Speed variations introduced via the belt pulley can thereby be damped or even forwarded to the drive shaft in a substantially completely extinguished manner.
  • the maximum amplitude distance is understood to mean the amplitude of a maximum or a minimum within a period of time around a mean value defining the rated speed.
  • the rated speed is not constant within a period, but changes.
  • Non-sinusoidal speed variation can be approximated to a generally oscillating waveform to determine the maximum amplitude spacing.
  • 1 is a schematic sectional view of a pulley assembly
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the pulley arrangement of FIG. 1 in an overtaking operation
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the pulley arrangement of FIG. 1 in a fail-safe mode
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the pulley arrangement of FIG. 1 in a braking mode
  • FIG. 5 is a schematic diagram of speeds occurring in the pulley arrangement shown in FIG. 1 in a first operating mode
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of rotational speeds occurring in the pulley arrangement illustrated in FIG. 1 in a second operating mode
  • Fig. 7 is a schematic diagram of rotational speeds occurring in the pulley arrangement shown in Fig. 1 in a third mode of operation; and Fig. 8 is a schematic diagram of speeds occurring in the pulley arrangement shown in Fig. 1 in a fourth mode of operation.
  • the pulley assembly 10 shown in Fig. 1 has a pulley 12 with a radially outwardly facing tread 14 via which a provided by a crankshaft of an internal combustion engine of a motor vehicle torque of a traction means, such as flat belts, can be initiated.
  • the pulley 12 is coupled via an electric machine 16 to an output shaft 18 having an input shaft of a Auxiliary unit, such as a cooling water pump may be.
  • the electric machine 16 has a rotor 20 fixedly connected to the pulley 12 and a stator 22 spaced from the rotor 20 by an air gap.
  • the rotor 20 permanent magnets, while the stator 22 has windings.
  • the stator 22 is connected via a carrier 24 fixed to the output shaft 18.
  • the carrier 24 is configured annularly with a substantially U-shaped axially open cross-section.
  • the carrier 24 has at the base of the U-shaped cross section a radially extending connecting piece 26, so that between the stator 22 and the output shaft 18, a pocket 28 is formed, in which a sliding contact connection 30 is provided.
  • the sliding contact connection 30 has on the side facing away from the stator 22 side slip rings 32, press against the spring-loaded with compression springs 34 brushes 36 to make electrical contact.
  • the compression spring 34 and the brush 36 connected to the compression spring 34 are guided in an abrasive brush guide 38.
  • the abrasive brush guide 38 is connected to a fixed holder 40.
  • the holder 40 may in particular be connected to an aggregate housing 42 of the ancillary unit, wherein the aggregate housing 42 may preferably project axially at least partially into the pulley 12 and / or the pulley arrangement 10.
  • electrical lines 44 may be guided, which may be electrically connected to the brushes 36.
  • a Supply and / or discharge of electrical energy via the electrical lines 44 are controlled, whereby the electromagnetic field between the rotor 20 and the stator 22 can be influenced.
  • the rotational speed of the output shaft 18 is not fixedly connected to the output shaft 18, but mounted relatively rotatably via a roller bearing 48.
  • electric power E is supplied to the output shaft 18 can be added to the introduced via the pulley 12 mechanical energy accelerated to mech in addition, so that the stator 22 of the output shaft 18 can rotate at a speed n s that is larger by a factor s than the speed n R of the rotor 20 of the pulley 12 ("overtaking operation") .
  • a small part of the supplied energy is lost as a loss energy E v and is not transmitted to the output shaft 18, whereby the output from the output shaft 18 mechanical energy Ab meC h is slightly lower.
  • the electronic circuit 46 can short-circuit the windings of the stator 22 so that the output shaft 18 can rotate at a speed n s which is substantially close to the speed n R of the rotor 20 corresponds to ("fail-safe operation").
  • a small part of the supplied energy is lost as loss energy E v and is not transmitted to the output shaft 18, so that the speed n s of the output shaft 18 taking into account the energy loss E v is slightly smaller than the rotational speed n R of the rotor 20, whereby the mechanical energy Ab meC h emitted by the output shaft 18 is slightly lower, but the loss energy E v is usually so small that the factor s approaches 1 to a good approximation.
  • the speed 50 is plotted against the time 52 and the speed curve 54 of the pulley 12 and the speed curve 56 of the output shaft 18 are shown.
  • the speed curve 54 of the pulley 12 substantially corresponds to the possibly already damped speed curve of the crankshaft ("KW") during the speed curve 56 of the output shaft 18 of Operating speed of the associated auxiliary unit (“Agg") corresponds.
  • a speed curve 54 of the belt pulley 12 is shown with a substantially sinusoidal torsional vibration about a rated speed 58, wherein in real situations the nominal speed 58 can change over time and / or the torsional vibration of a pure sinusoidal shape, for example by superposition of several different vibrations, may differ.
  • the speed curve 56 of the output shaft 18 is phase-shifted by corresponding energy supply and / or energy dissipation of the electric machine 16 by about 90 ° to the speed curve 54 of the pulley 12, so that vibrations can pick up on mechanical components.
  • the rotational speed curve 56 of the output shaft 18 is additionally damped, so that a maximum amplitude spacing A, of the rotational speed curve 56 of the output shaft 18 is lower than the rated speed 58 maximum amplitude distance A 2 of the speed curve 54 of the pulley 12 to the rated speed 58. In the illustrated embodiment, approximately A-
  • / A 2 0.5.
  • the damping of the speed curve 56 of the output shaft 18 shown in FIG. 5 can also be independent of a phase shift or with a different phase shift of the speed fluctuations in the speed curve 54 of the pulley 12 and in the speed curve 56 of the output shaft 18 are present.
  • the speed curve 56 of the output shaft 18 is shifted by a phase shift that differs from 90 °.
  • the speed curve 56 of the output shaft 18 is so strongly damped that all speed fluctuations in the speed curve 56 of the output shaft 18 are substantially are completely eradicated.
  • the maximum amplitude distance A-, the speed curve 56 of the output shaft 18 to the nominal speed 58 is substantially zero, so that in the illustrated embodiment, approximately A-
  • / A 2 0.0 applies.
  • the speed curve 56 of the output shaft 18 thereby coincides substantially with the rated speed 58.

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Abstract

Es ist eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer Riemenscheibe zum Einleiten eines über ein Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer Abtriebswelle zum Antrieb eines Nebenaggregats, insbesondere Kühlwasserpumpe, einer elektrischen Maschine zur Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle, wobei die elektrische Maschine einen mit der Riemenscheibe verbundenen Rotor und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Stator aufweist, wobei die elektrische Maschine mit einer elektrischen Energiequelle zum Beschleunigen der Abtriebswelle und/oder mit einer elektrischen Energiesenke zum Abbremsen der Abtriebswelle elektrisch anschließbar ist, einer ersten Drehzahlmesseinrichtung zur Detektion des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Riemenscheibe und/oder einer zweiten Drehzahlmesseinrichtung zur Detektion des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle und einer mit der elektrischen Energiequelle und/oder mit der elektrischen Energiesenke verbundenen Regeleinrichtung zum Regeln eines zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle durch ein zeitlich begrenztes elektrisches Anschließen der Energiequelle und/oder Energiesenke in Reaktion auf den detektierten zeitlichen Verlaufs der Drehzahl. Durch den von der elektrischen Maschine beeinflussbaren Leistungsfluss zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Antrieb eines über eine Riemenscheibenanordnung angebundenen Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs
Beschreibung Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Antrieb eines über eine Riemenscheibenanordnung angebundenen Ne- benaggregats eines Kraftfahrzeugs, mit deren Hilfe ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, über ein Zugmittel mit Hilfe eines von einem Kraftfahrzeugmotor bereitgestelltem Drehmoments angetrieben werden kann. Aus DE 101 48 961 A1 ist ein Riementrieb mit einer Eingangsriemenscheibe zum Antrieb von Nebenaggregaten bekannt, der über ein Planetengetriebe mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei über das von der Riemenscheibe angetriebene Zugmittel über Ausgangsriemenscheiben verschiedene Nebenaggregate angetrieben werden können. Zusätzlich ist über eine weitere Ausgangsriemenscheibe auch eine elektrische Maschine an das Zugmittel angebunden, um im Generatorbetrieb aus der mechanischen Energie des Zugmittels elektrische Energie zu erzeugen oder im Motorbetrieb einen zusätzlichen Drehmomenteintrag in das Zugmittel leisten zu können. Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Bauraum für Kraftfahrzeug komponen- ten zu reduzieren.
Gegenstand der Erfindung Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über einen Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraft- fahrzeugs, ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Riemenscheibenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Antrieb eines über eine Riemenscheibenanordnung angebundenen Nebenaggre- gats eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer Riemenscheibe zum Einleiten eines über ein Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer Abtriebswelle zum Antrieb eines Nebenaggregats, insbesondere Kühlwasserpumpe, einer elektrischen Maschine zur Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle, wobei die elektrische Maschine einen mit der Riemenscheibe verbundenen Rotor und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Stator aufweist, wobei die elektrische Maschine mit einer elektrischen Energiequelle zum Beschleunigen der Abtriebswelle und/oder mit einer elektrischen Energiesenke zum Abbremsen der Abtriebswelle elektrisch anschließbar ist, einer ersten Drehzahlmesseinrichtung zur Detektion des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Riemenscheibe und/oder einer zweiten Drehzahlmesseinrichtung zur Detektion des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle und einer mit der elektrischen Energiequelle und/oder mit der elektrischen Energiesenke verbundenen Regeleinrichtung zum Regeln eines zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle durch ein zeitlich begrenztes elektrisches Anschließen der Energiequelle und/oder Ener- giesenke in Reaktion auf den detektierten zeitlichen Verlaufs der Drehzahl.
Mit Hilfe der durch den Rotor und dem Stator ausgebildeten elektrischen Maschine kann die Abtriebswelle elektromagnetisch mit der Riemenscheibe ge- koppelt werden, so dass durch Beeinflussung eines sich zwischen dem Rotor und dem Stator ausbildenden elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Leistungsfluss zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle verändert werden kann. Dadurch ist es insbesondere möglich die Abtriebswelle auch bei einer hohen Drehzahl der Riemenscheibe unterhalb einer zulässigen maximalen Drehzahl und/oder auch bei einer niedrigen Drehzahl der Riemenscheibe oberhalb einer vorgesehenen minimalen Drehzahl betreiben zu können. Durch den von der elektrischen Maschine beeinflussbaren Leistungsfluss zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist.
Die Energiequelle und/oder die Energiesenke kann mit den Wicklungen des Rotors und/oder des Stators der elektrischen Maschine verbunden sein. Die Energiequelle und die Energiesenke können insbesondere das selbe Bauteil sein, vorzugsweise eine aufladbare Batterie (Akkumulator), wie beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie. Vorzugsweise kann zuvor in der Energiesenke gespeicherte elektrische Energie als Energiequelle für die Beschleunigung der Abtriebswelle genutzt werden. Durch die Zufuhr elektrischer Energie der elektrischen Maschine aus der Energiequelle und/oder der Abfuhr elektrischer E- nergie aus der elektrischen Maschine zur Energiesenke kann der Betrag und/oder das Vorzeichen einer Drehzahldifferenz zwischen der Drehzahl der Riemenscheibe und der Drehzahl der Abtriebswelle gezielt verändert werden. Bei einer Zufuhr elektrischer Energie kann die Abtriebswelle zusätzlich zu der von der Riemenscheibe eingeleiteten Drehzahl beschleunigt werden, wodurch die Abtriebswelle die Riemenscheibe überholt („Überholbetrieb"). Bei einer Abfuhr elektrischer Energie kann die Abtriebswelle im Vergleich zu der von der Riemenscheibe eingeleiteten Drehzahl abgebremst werden, wodurch die Abtriebswelle langsamer als die Riemenscheibe dreht („Bremsbetrieb"). Im Bremsbetrieb kann vorzugsweise ein elektrischer Verbraucher und/oder ein elektrischer Speicher an die elektrische Maschine angeschlossen werden. Insbesondere kann der elektrische Widerstand des angeschlossenen Verbrauchers unendlich groß sein, wodurch im Wesentlichen kein Schleppmoment mehr entsteht. Insbesondere kann die Nenndrehzahl der Abtriebswelle von der Drehzahl der Riemenscheibe entkoppelt werden. Insbesondere ist es möglich durch die Verbindung der elektrischen Maschine mit der Energiesenke elektrische Energie für ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs oder zur Speicherung elektrischer Energie zu erzeugen („Generatorbetrieb") oder bei einem Bremsvorgang des Kraftfahrzeugs einen Teil der Bremsleistung als elektrische Energie zu- rückzugewinnen („Rekuperation").
Mit Hilfe der Regeleinrichtung kann der Drehzahlverlauf der Abtriebswelle nahezu beliebig von dem Drehzahlverlauf der Riemenscheibe entkoppelt werden. Dadurch können insbesondere Drehzahlschwankungen eines Kraftfahrzeug mo- tors, die sich ganz oder teilweise, in dem Zugmittel der Riemenscheibenanordnung fortgepflanzt haben, zeitlich verändert an die Antriebswelle weitergeleitet werden. Insbesondere können in der Antriebswelle auftretende Drehzahlschwankungen zu den Drehzahlschwankungen der Riemenscheibe phasenverschoben, in der der Amplitude reduziert, in der Frequenz verändert, gedämpft und/oder im Wesentlichen vollständig getilgt vorliegen. Zur Regelung des gewünschten Drehzahlverlaufs der Antriebswelle kann der von der zweiten Drehzahlmesseinrichtung detektiert Drehzahlverlauf der Antriebswelle von der Regeleinrichtung berücksichtigt werden, beispielsweise um einen geeigneten Zeitpunkt und/oder eine geeignete Dauer des Anschließens der Energiequelle und/oder Energiesenke zu ermitteln. Mit Hilfe der ersten Drehzahlmesseinrichtung kann eine Feed-Foward-Regelung erreicht werden, bei der zu erwartende Veränderungen der Drehzahl der Antriebswelle frühzeitig erkannt und bei der Regelung der Drehzahl der Antriebswelle berücksichtigt werden können. Die elektrische Maschine wird insbesondere ausschließlich als elektromecha- nischer Wandler betrieben. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als Gleichstromantrieb oder Drehstromantrieb ausgestaltet. Die elektrische Maschine kann insbesondere permanent erregt oder fremd erregt sein. Insbeson- dere ist es möglich die elektrische Maschine als Synchronmaschine oder Asynchronmaschine auszugestalten. Das sich zwischen dem Rotor und dem Stator ausbildende elektrische und/oder magnetische Feld kann beispielsweise dadurch verändert werden, dass der Rotor relativ zu dem Stator axial verschoben werden kann, so dass sich die axiale Erstreckung ändern kann, über welcher die für die Übertragung des Leistungsflusses relevanten Bauteile, insbesondere Permanentmagnete und/oder Wicklungen, des Rotors und des Stators in radialer Richtung hintereinander überlappend angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich den Rotor soweit relativ zum Stator axial zu verschieben, dass eine Leistungsübertragung zwischen dem Rotor und dem Stator unterbrochen werden kann, beispielsweise um das über die Abtriebswelle angeschlossene Nebenaggregat von dem Riementrieb abzukoppeln.
Der Rotor der elektrischen Maschine kann mit der Drehzahl der Riemenscheibe rotieren. Der Antrieb des Rotors erfolgt insbesondere über die Riemenscheibe durch ein an der Riemenscheibe angreifendes Zugmittel. Das Zugmittel ist insbesondere als Riemen, Flachriemen, Keilriemen, Zahnriemen, Poly-V-Riemen, Seil, Kette oder ähnliches ausgestaltet. Mit Hilfe einer oder mehrerer Umlenkrollen kann der Umschlingungswinkel des Zugmittels an der Riemenscheibe erhöht werden und/oder eine Vorspannung des Zugmittels eingestellt werden. Der Stator der elektrischen Maschine kann mit der Drehzahl der Abtriebswelle rotieren. Das heißt im normalen Betrieb kann sowohl der Rotor als auch der Stator rotieren, wobei durch eine Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes zwischen dem Rotor und dem Stator, insbesondere durch ein individuell einstellbares Bestromen von Wicklungen des Stators und/oder des Rotors, eine Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor und dem Stator erhöht oder verringert werden kann, insbesondere um eine gewünschte Nenndrehzahl an der Abtriebswelle regeln zu können. Die gewünschte Nenndrehzahl der Abtriebswelle kann insbesondere variabel sein und sich im laufenden Betrieb ändern. Beispielsweise kann ein gewünschter Volumenstrom eines als Kühlwasserpumpe ausgestalteten Nebenaggregats in Abhängigkeit von der Temperatur einer von dieser Kühlwasserpumpe zu kühlenden Kraftfahrzeugkomponente geregelt werden, so dass sich die Nenndrehzahl der mit dieser Kühlwasser- pumpe verbundenen Abtriebswelle zur Einstellung des gewünschten Volumenstroms ändern kann. Falls das Nebenaggregat zwischenzeitlich nicht betrieben werden soll, kann beispielsweise vorgesehen sein die Abtriebswelle mechanisch oder elektrisch zu sperren und einen Leistungseintrag in das Nebenag- gregat zu unterbinden. Vorzugsweise kann der Rotor über einen, insbesondere schaltbaren, Freilauf mit der Riemenscheibe und/oder der Stator über einen, insbesondere schaltbaren, Freilauf mit der Abtriebswelle verbunden sein. Dies ermöglicht es für bestimmte Betriebssituationen einen Leistungsfluss von der Riemenscheibe zur Abtriebswelle zu unterbrechen, ohne über die elektrische Maschine unnötige Blindleistung zu erzeugen oder das Nebenaggregat, insbesondere in einer Start-Stopp-Situation, einer Change-of-mind Situation oder bei einem Start des Kraftfahrzeugmotors zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zumindest kurzzeitig rein elektrisch zu betreiben. Das Nebenaggregat ist beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, Ölpumpe, Klimakompressor einer Klimaanlage, Kraftstoffpumpe, Lichtmaschine, Schmierstoffpumpe, mechanischer Lader/Kompressor für Ladeluftverdichtung bei aufladbaren Kraftvahrzeugmotoren.
Insbesondere ist die angeschlossene elektrische Leistung der Energiequelle und/oder Energiesenke, insbesondere schwingungsförmig, variierbar. Das e- lektrische Anschließen und Abtrennen der Energiequelle und/oder Energiesenke kann zur Bereitstellung einer bestimmten Leistung grundsätzlich nach dem Prinzip der Pulswellenmodulation erfolgen. Durch eine geeignete Leistungssteuerung, beispielsweise mit Hilfe eines veränderbaren Widerstands, Potentiometers und/oder Transistors, können auch Zwischenwerte in der elektrischen Leistung einfach bereitgestellt werden und insbesondere stufenlos, vorzugsweise kontinuierlich verändert werden.
Vorzugsweise ist ein Schaltelement zur Herstellung einer im Wesentlichen drehfesten Koppelung der Riemenscheibe mit der Abtriebswelle im Falle eines wegfallenden Stromflusses bei der elektrischen Maschine vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine Fail-Safe-Funktionalität für das Nebenaggregat, das beispielsweise bei einem Ausfall der Bordnetzspannung zumindest einen ungeregelten Betrieb des Nebenaggregats in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rie- menscheibe ermöglicht. In diesem„Fail-Safe"-Betriebszustand kann eine rein mechanische Koppelung der Riemenscheibe mit der Abtriebswelle vorliegen. Beispielsweise ist das Schaltelement als stromdurchflossener Elektromagnet ausgestaltet, der im stromdurchflossenen Zustand eine Feder zur Herbeifüh- rung einer mechanischen Koppelung der Riemenscheibe mit der Abtriebswelle vorspannt. Bei einem Ausfall der Stromversorgung kann der Elektromagnet die Feder nicht mehr vorspannen, so dass sich die Feder entspannt und insbesondere eine reibschlüssige und/oder formschlüssige Koppelung der Riemenscheibe mit der Abtriebswelle herbeiführt.
Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine Wicklungen auf, wobei die Wicklung im Falle eines wegfallenden Stromflusses bei der elektrischen Maschine kurzschließbar ist. Das Schaltelement zur Herstellung einer im Wesentlichen drehfesten Koppelung der Riemenscheibe mit der Abtriebswelle im Falle eines wegfallenden Stromflusses bei der elektrischen Maschine kann dadurch beispielsweise als bauraumsparende elektrische Schaltung ausgestaltet sein, welche die Wicklungen kurzschließt, wenn beispielsweise eine Stromversorgung über ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs ausfällt. In die Wicklungen kann insbesondere von relativ zu den Wicklungen bewegbaren Permanent- magneten und/oder anderen bestromten Wicklungen ein elektrischer Strom induziert werden, so dass sich eine elektromagnetische Koppelung zwischen dem Rotor und dem Stator einstellen kann. Vorzugsweise kann eine zusätzliche mechanische Koppelung des Rotors mit dem Stator vorgesehen sein. Insbesondere weist der Stator Permanentmagneten und der Rotor Wicklungen auf oder der Stator weist Wicklungen und der Rotor Permanentmagneten auf, wobei die Wicklungen über eine berührungslose oder berührungsbehaftete elektrische Kontaktierung, insbesondere Schleifkontaktverbindung, mit Elektro- leitungen zum Einleiten und/oder Ausleiten von elektrischer Energie verbunden sind. Je nach Ausgestaltung und/oder Einsatzzweck können Permanentmagnete und Wicklungen vertauscht sein. Grundsätzlich ist es möglich sowohl für den Stator als auch für den Rotor stromdurchfließbare, vorzugsweise individuell und unabhängig von einander regelbare Wicklungen vorzusehen, um beson- ders viele Regelungsmöglichkeiten für die elektrische Maschine erreichen zu können. Wenn entweder nur ein Stromkreis an den Wicklungen vorliegt, ist nur eine einzelne elektrische Kontaktierung beispielsweise über die Schleifkontaktverbindung erforderlich, wodurch entsprechend weniger Bauraum erforderlich ist. Besonders bevorzugt ist eine berührungslose elektrische Kontaktierung vorgesehen, um ohne mechanisches Schleifen elektrische Energie zwischen den Elektroleitungen und dem Rotor und/oder Stator auszutauschen. Durch die elektrische Kontaktierung kann eine Versorgungsspannung angelegt werden, um die elektrische Maschine zu betreiben und/oder das elektromagnetische Feld der elektrischen Maschine zu beeinflussen. Die Bestromung der elektrischen Maschine kann hierbei über eine zwischengeschaltete Elektronikschaltung erfolgen, die einerseits mit den Elektroleitungen und andererseits mit der mindestens einen Wicklung verbunden sein kann. Die Elektronikschaltung kann beispielsweise die Versorgungsspannung zerhacken, modulieren, insbe- sondere als Pulswellenmodulation, und die mindestens eine Wicklung der e- lektrischen Maschine bestromen, wobei vorzugsweise die Bestromung der mindestens einen Wicklung mit Hilfe der Elektronikschaltung gesteuert und/oder geregelt werden kann. Vorzugsweise sind die Wicklungen mit einem Träger verbunden, wobei der Träger über ein in radialer Richtung verlaufendes Verbindungsstück mit der Abtriebswelle oder der Riemenscheibe verbunden ist, wobei der Träger zu an der von den Wicklungen wegweisenden Seite ein Kontaktelement zur Übertragung elektrischer Energie, insbesondere einen Schleifring der Schleifkontakt- Verbindung, aufweist. Ferner ist es möglich die Abtriebswelle als Antrieb und die Riemenscheibe als Abtrieb zu verwenden, so dass der Träger und damit die Wicklungen mit einer Antriebswelle oder einer Abtriebsscheibe verbunden sein können. Die elektrische Kontaktierung der Wicklungen mit dem Kontaktelement kann durch das Material des Trägers hindurch erfolgen. Beispielswei- se kann das Kontaktelement, insbesondere der Schleifring, mit dem Träger vernietet sein, wobei ein durch das Material des Trägers hindurch verlaufender Niet eine elektrische Kontaktierung ausbilden und/oder ermöglichen kann. Durch den in radialer Richtung verlaufenden Anteil des Trägers mit Hilfe des Verbindungsstücks kann der das Kontaktelement beziehungsweise den Schleifring tragende Teil des mit der Abtriebswelle beziehungsweise mit der Riemenscheibe verbundenen Trägers zu der Abtriebswelle beziehungsweise zu der Riemenscheibe beabstandet positioniert sein. Dadurch kann zwischen dem Kontaktelement und der Abtriebswelle beziehungsweise der Riemenscheibe eine Aufnahmetasche ausgebildet werden, in der beispielsweise federbelastete Schleifbürsten angeordnet werden können. Die Schleifbürsten oder sonstige Kontaktierungselemente können insbesondere mit einem feststehenden Halter verbunden sein, der an einer axialen Seite der Riemenschei- benanordnung in die von dem Träger begrenzte Tasche eingesetzt werden kann. Der Halter kann insbesondere mit einem Aggregatgehäuse des Nebenaggregats verbunden sein, wobei vorzugsweise das Aggregatgehäuse des Nebenaggregats axial in die Riemenscheibe und/oder die Riemenscheibenanordnung hineinragen kann.
Besonders bevorzugt weist die Riemenscheibe eine nach radial außen weisende Lauffläche zur Anbindung des Zugmittels auf, wobei radial innerhalb der Lauffläche im Wesentlichen auf axialer Höhe der Lauffläche eine Elektronikschaltung zum Betrieb der elektrischen Maschine angeordnet ist. Über die Aus- gestaltung der Riemenscheibe zur Koppelung mit dem Zugmittel ergibt sich innerhalb der Lauffläche der Riemenscheibe ein Hohlraum, der von der Elektronikschaltung genutzt werden kann. Von radial außen betrachtet kann die Elektronikschaltung im Wesentlichen vollständig von der Lauffläche abgedeckt sein. Die Elektronikschaltung kann dadurch insbesondere drehfest mit Wick- lungen der elektrischen Maschine verbunden sein, für welche die Elektronikschaltung die Zufuhr und/oder Abfuhr elektrischer Energie steuert. Dadurch ist es nicht erforderlich für den Betrieb der elektrischen Maschine außerhalb der Riemenscheibenanordnung eine gesonderte Schaltungselektronik vorzusehen, die über Schleifkontakte oder andere Formen der Anbindung mit der elektri- sehen Maschine verbunden werden muss. Dadurch ergibt sich ein bauraumsparender Aufbau für die Riemenscheibenanordnung. Insbesondere weist die Riemenscheibe eine nach radial außen weisende Lauffläche zur Anbindung des Zugmittels auf, wobei radial innerhalb der Lauffläche im Wesentlichen auf axialer Höhe der Lauffläche der Rotor und der Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind. Über die Ausgestaltung der Riemen- Scheibe zur Koppelung mit dem Zugmittel ergibt sich innerhalb der Lauffläche der Riemenscheibe ein Hohlraum, der von der elektrischen Maschine genutzt werden kann. Von radial außen betrachtet kann die elektrische Maschine im Wesentlichen vollständig von der Lauffläche abgedeckt sein. Dadurch ergibt sich ein bauraumsparender Aufbau für die Riemenscheibenanordnung.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer Riemenscheibenanordnung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, in einem Riementrieb eines Kraftfahrzeugs zum Zwecke der Ausleitung eines Teils eines von einem Kraftfahrzeug motor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs be- reitgestellten Drehmoments an ein Nebenaggregat. Durch den von der elektrischen Maschine beeinflussbaren Leistungsfluss zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass durch die Verwendung der Riemenscheibenanordnung zur Ausleitung des bereitgestellten Drehmoments das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs mit einer mit einer Motorwelle, insbesondere Kurbelwelle, eines Kraftfahrzeugmotors verbindbaren Eingangsriemenscheibe, mindestens einer über ein gemeinsames Zugmittel mit der Eingangsriemenscheibe gekoppelten Ausgangsriemenscheibe zum Antrieb des zugeordneten Neben- aggregats, insbesondere Kühlwasserpumpe, wobei mindestens eine Ausgangsriemenscheibe als Riemenscheibenanordnung ausgestaltet ist, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Vorzugsweise sind mehrere Ausgangsriemenscheiben vorgesehen, wobei insbesondere mehrere, vorzugsweise alle, Ausgangsriemenscheiben als Riemenscheibenanordnung ausgestaltet sind, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Durch den von der elektrischen Maschine beeinflussbaren Leistungsfluss zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass durch den Riementrieb das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Antrieb eines über eine Riemenscheibenanordnung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, angebundenen Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Zufuhr von elektrischer Energie in die elektrische Maschine und/oder die Abfuhr von elektrischer Energie von der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Riemenscheibe zur Regelung eines zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle durchgeführt wird. Durch den von der elektrischen Maschine beeinflussbaren Leistungsfluss zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle ist es nicht erforderlich das über die Abtriebswelle angebundene Nebenaggregat für den ungünstigsten Betriebspunkt auszulegen, so dass das Nebenaggregat kleiner dimensioniert sein kann und eine Reduzierung des Bauraums für Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere des Bauraums von über den Riementrieb antreibbaren Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, ermöglicht ist. Stattdessen ist es möglich das Nebenaggregat für einen beabsichtigten Nenndrehzahlbereich auszulegen und durch die Beeinflussung des Leistungsflusses zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle den beabsichtigten Nenndrehzahlbereich für das jeweilige Nebenaggregat zu regeln. Das Verfahren kann insbesondere wie vorstehend anhand der Riemenscheibenanordnung erläutert aus- und weitergebildet sein.
Insbesondere ist der zeitliche Verlauf der Drehzahl der Abtriebswelle zum zeitlichen Verlauf der Drehzahl der Riemenscheibe phasenverschoben. Dadurch kann auf einen infolge von Drehzahlschwankungen eines Kraftfahrzeugmotors, von dem ein Teil des Drehmoments zum Antrieb von Nebenaggregaten verwendet wird, entsprechend geänderten Bedarf eines Nebenaggregats reagiert werden. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung der Drehzahlschwankungen derart vorgesehen sein, dass die Antriebswelle eines als Ölpumpe aus- gestalteten Nebenaggregats die Ölpumpe unter Berücksichtigung des Ansprechverhaltens über die Länge des gepumpten Förderwegs genau dann eine erhöhte Fördermenge zur Verfügung gestellt wird, wenn sie infolge der Drehzahlschwankung des Kraftfahrzeugmotors gerade gebraucht wird. Dadurch kann die Menge von sicherheitshalber zuviel gepumptem Öl reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad und die Energieeffizienz gesteigert wird.
Vorzugsweise ist ein maximale Amplitudenabstand A-, des zeitliche Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle zu einer Nenndrehzahl geringer als ein maximale Amplitudenabstand A2 des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Riemenscheibe zu der Nenndrehzahl, wobei insbesondere 0,00 < A-|/A2 < 1 ,00, vorzugsweise 0,01 < A1/A2 < 0,50, weiter bevorzugt 0,02 < A1/A2 < 0,10 und besonders bevorzugt 0,03 < A-,/A2 -S 0,05 gilt. Über die Riemenscheibe eingeleitete Drehzahlschwankungen können dadurch gedämpft oder sogar im Wesentlichen vollständig getilgt an die Antriebswelle weitergeleitet werden. Unter dem maxima- len Amplitudenabstand wird bei einer sinusförmigen Drehzahlschwankung die Amplitude eines Maximums oder eines Minimum innerhalb einer Periodendauer um einen die Nenndrehzahl definierenden Mittelwert verstanden. Bei einem Beschleunigen oder Abbremsen ist es möglich, dass die Nenndrehzahl innerhalb einer Periodendauer nicht konstant ist, sondern sich verändert. Nicht- sinusförmige Drehzahlschwankung können einem grundsätzlich schwingendem Verlauf angenähert werden, um den maximale Amplitudenabstand zu bestimmen.
Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Schnittansicht einer Riemenscheibenanordnung,
Fig. 2: eine schematische Prinzipdarstellung der Riemenscheibenanordnung aus Fig. 1 in einem Überholbetrieb,
Fig. 3: eine schematische Prinzipdarstellung der Riemenscheibenanordnung aus Fig. 1 in einem Fail-Safe-Betrieb,
Fig. 4: eine schematische Prinzipdarstellung der Riemenscheibenanordnung aus Fig. 1 in einem Bremsbetrieb, Fig. 5: ein schematisches Diagramm von in der in Fig. 1 dargestellten Riemenscheibenanordnung auftretenden Drehzahlen in einem ersten Betriebsmodus,
Fig. 6: ein schematisches Diagramm von in der in Fig. 1 dargestellten Riemenscheibenanordnung auftretenden Drehzahlen in einem zweiten Betriebsmodus,
Fig. 7: ein schematisches Diagramm von in der in Fig. 1 dargestellten Riemenscheibenanordnung auftretenden Drehzahlen in einem dritten Betriebsmodus und Fig. 8: ein schematisches Diagramm von in der in Fig. 1 dargestellten Riemenscheibenanordnung auftretenden Drehzahlen in einem vierten Betriebsmodus.
Die in Fig. 1 dargestellte Riemenscheibenanordnung 10 weist eine Riemenscheibe 12 mit einer nach radial außen weisenden Lauffläche 14 auf, über die ein von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitgestelltes Drehmoment von einem Zugmittel, beispielsweise Flachriemen, eingeleitet werden kann. Die Riemenscheibe 12 ist über eine elektrische Maschine 16 mit einer Abtriebswelle 18 gekoppelt, die eine Eingangswelle eines Nebenaggregats, beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, sein kann. Die elektrische Maschine 16 weist einen mit der Riemenscheibe 12 fest verbundenen Rotor 20 und einen über einen Luftspalt zu dem Rotor 20 beabstandeten Stator 22 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 20 Permanent- magneten auf, während der Stator 22 Wicklungen aufweist. Ferner ist der Stator 22 über einen Träger 24 fest mit der Abtriebswelle 18 verbunden. Der Träger 24 ist ringförmig mit einem im Wesentlichen U-förmigen axial geöffneten Querschnitt ausgestaltet. Der Träger 24 weist an der Basis des U-förmigen Querschnitts ein in radialer Richtung verlaufendes Verbindungsstück 26 auf, so dass sich zwischen dem Stator 22 und der Abtriebswelle 18 eine Tasche 28 ausbildet, in der eine Schleifkontaktverbindung 30 vorgesehen ist. Die Schleifkontaktverbindung 30 weist an der von dem Stator 22 wegweisenden Seite Schleifringe 32 auf, gegen die mit Druckfedern 34 federbelastete Schleifbürsten 36 drücken, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Die Druckfeder 34 und die mit der Druckfeder 34 verbundene Schleifbürste 36 sind in einer Schleifbürstenführung 38 geführt. Die Schleifbürstenführung 38 ist mit einem feststehenden Halter 40 verbunden. Der Halter 40 kann insbesondere mit einem Aggregatgehäuse 42 des Nebenaggregats verbunden sein, wobei das Aggregatgehäuse 42 vorzugsweise zumindest teilweise in die Riemenscheibe 12 und/oder die Riemenscheibenanordnung 10 axial hineinragen kann. Über den Halter 40 und/oder das Aggregatgehäuse 42 können Elektroleitungen 44 geführt sein, die mit den Schleifbürsten 36 elektrisch verbunden sein können. Mit Hilfe einer vollständig innerhalb der Riemenscheibe 12 angeordneten Elektronikschaltung 46, die insbesondere mit dem Träger 24 oder mit dem Halter 40 oder in einer mehrteiligen Ausgestaltung mit einem ersten Teil mit dem Träger 24 und mit einem zweiten Teil mit dem Halter 40 befestigt ist, kann eine Zufuhr und/oder Abfuhr von elektrischer Energie über die Elektroleitungen 44 gesteuert werden, wodurch sich das elektromagnetische Feld zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 22 beeinflussen lässt. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass die Drehzahl der Abtriebswelle 18 von der Drehzahl der Riemenscheibe 12 abweicht, insbesondere um für die Abtriebswelle 18 im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl der Riemenscheibe 12 eine beabsichtigte Nenndreh- zahl zu regeln. Hierzu ist die Riemenscheibe 12 nicht fest mit der Abtriebswelle 18 verbunden, sondern über ein Wälzlager 48 relativ drehbar gelagert.
Wenn wie in Fig. 2 dargestellt in die elektrische Maschine 16 über die Elektro- leitungen 44 elektrische Energie EAn zugeführt wird, kann die Abtriebswelle 18 zusätzlich zu der über die Riemenscheibe 12 eingeleiteten mechanischen E- nergie Anmech beschleunigt werden, so dass der Stator 22 der Abtriebswelle 18 mit einer Drehzahl ns rotieren kann, die um einen Faktor s größer als die Drehzahl nR des Rotors 20 der Riemenscheibe 12 ist („Überholbetrieb"). Ein gerin- ger Teil der zugeführten Energien geht als Verlustenergie Ev verloren und wird nicht an die Abtriebswelle 18 übertragen, wodurch die von der Abtriebswelle 18 abgegebene mechanische Energie AbmeCh etwas geringer ausfällt.
Wenn wie in Fig. 3 dargestellt weder über die Elektroleitungen 44 elektrische Energie zugeführt oder abgeführt wird, kann insbesondere die Elektronikschaltung 46 die Wicklungen des Stators 22 kurzschließen, so dass die Abtriebswelle 18 mit einer Drehzahl ns rotieren kann, die im Wesentlichen nahezu der Drehzahl nR des Rotors 20 entspricht („Fail-Safe-Betrieb"). Ein geringer Teil der zugeführten Energien geht als Verlustenergie Ev verloren und wird nicht an die Abtriebswelle 18 übertragen, so dass die Drehzahl ns der Abtriebswelle 18 unter Berücksichtigung der Verlustenergie Ev geringfügig kleiner als die Drehzahl nR des Rotors 20 ist, wodurch die von der Abtriebswelle 18 abgegebene mechanische Energie AbmeCh etwas geringer ausfällt. Die Verlustenergie Ev ist jedoch üblicherweise so gering, dass der Faktor s in guter Näherung 1 beträgt.
Wenn wie in Fig. 4 dargestellt aus der elektrischen Maschine 16 über die Elektroleitungen 44 elektrische Energie EAb abgeführt wird, beispielsweise um einen weiteren elektrischen Verbraucher zu betreiben und/oder erzeugte elektrische Energie zu speichern, kann die Abtriebswelle 18 im Vergleich zu der über die Riemenscheibe 12 eingeleitete mechanische Energie Anmech gebremst werden, so dass die Abtriebswelle 18 mit einer Drehzahl ns rotieren kann, die um einen Faktor s kleiner als die Drehzahl nR des Rotors 20 ist („Bremsbetrieb"). Ein geringer Teil der von der Riemenscheibe 12 zugeführten Energie geht als Ver- lustenergie Ev verloren und wird nicht über die elektrische Maschine 16 an die Abtriebswelle 18 übertragen, wodurch die von der elektrischen Maschine 16 an die Energiesenke abgebbare elektrische Energie EAb und von der Abtriebswelle 18 abgegebene mechanische Energie AbmeCh etwas geringer ausfällt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Diagramm ist die Drehzahl 50 über der Zeit 52 aufgetragen und der Drehzahlverlauf 54 der Riemenscheibe 12 sowie der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 eingezeichnet. Wenn die Riemenscheibenanordnung 10 auf der Abtriebsseite eines von einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugsangetriebenen Riementriebs zum Antrieb von Nebenaggregaten verwendet wird, entspricht der Drehzahlverlauf 54 der Riemenscheibe 12 im Wesentlichem dem gegebenenfalls bereits gedämpften Drehzahlverlauf der Kurbelwelle („KW") während der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 der Betriebsdrehzahl des zugehörigen Nebenaggregats („Agg") entspricht. Im dar- gestellten Ausführungsbeispiel ist vereinfacht ein Drehzahlverlauf 54 der Riemenscheibe 12 mit einer im Wesentlichen sinusförmigen Drehschwingung um eine Nenndrehzahl 58 dargestellt, wobei sich in realen Situationen die Nenndrehzahl 58 zeitlich verändern kann und/oder die Drehschwingung von einer reinen Sinusform, beispielsweise durch Superposition mehrerer verschiedener Schwingungen, abweichen kann. Im dargestellten ersten Betriebsmodus ist der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 durch entsprechende Energiezufuhren und/oder Energieabfuhren der elektrischen Maschine 16 um in etwa 90° zum Drehzahlverlauf 54 der Riemenscheibe 12 phasenverschoben, so dass sich auftretende Schwingungen an mechanischen Bauteilen aufheben können.
Im Vergleich zu dem in Fig. 5 dargestellten Betriebsmodus ist in dem in Fig. 6 dargestellten zweiten Betriebsmodus der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 zusätzlich gedämpft, so dass ein maximaler Amplitudenabstand A-, des Drehzahlverlaufs 56 der Abtriebswelle 18 zur Nenndrehzahl 58 geringer ist als ein maximaler Amplitudenabstand A2 des Drehzahlverlaufs 54 der Riemenscheibe 12 zur Nenndrehzahl 58. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gilt in etwa A-|/A2 = 0,5. Die in Fig. 5 dargestellte Dämpfung des Drehzahlverlaufs 56 der Abtriebswelle 18 kann auch unabhängig von einer Phasenverschiebung oder mit einer anderen Phasenverschiebung der Drehzahlschwankungen in dem Drehzahlverlauf 54 der Riemenscheibe 12 und in dem Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 vorliegen. Im Vergleich zu dem in Fig. 6 dargestellten Betriebsmodus ist in dem in Fig. 7 dargestellten dritten Betriebsmodus der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 um eine von 90° verschiedene Phasenverschiebung verschoben.
Im Vergleich zu dem in Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten Betriebsmodi ist in dem in Fig. 8 dargestellten dritten Betriebsmodus der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 so stark gedämpft, dass sämtliche Drehzahlschwankungen in dem Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 im Wesentlichen vollständig getilgt sind. Der maximale Amplitudenabstand A-, des Drehzahlverlaufs 56 der Abtriebswelle 18 zur Nenndrehzahl 58 beträgt im Wesentlichen Null, so dass im dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa A-|/A2 = 0,0 gilt. Der Drehzahlverlauf 56 der Abtriebswelle 18 fällt dadurch im Wesentlichen mit der Nenndrehzahl 58 zusammen.
Bezugszeichenliste
Riemenscheibenanordnung
Riemenscheibe
Lauffläche
elektrische Maschine
Abtriebswelle
Rotor
Stator
Träger
Verbindungsstück
Tasche
Schleifkontaktverbindung
Schleifring
Druckfeder
Schleifbürste
Schleifbürstenführung
Halter
Aggregatgehäuse
Elektroleitung
Elektronikschaltung
Wälzlager
Drehzahl
Zeit
Drehzahlverlauf der Riemenscheibe Drehzahlverlauf der Abtriebswelle
Nenndrehzahl
Anmech zugeführte mechanische Energie
Abmech abgeführte mechanische Energie
EAn zugeführte elektrische Energie
EAb abgeführte elektrische Energie Ev Verlustenergie
nR Drehzahl des Rotors
ns Drehzahl des Stators
A-, maximaler Amplitudenabstand des Drehzahlverlaufs der Abtriebswelle A2 maximaler Amplitudenabstand des Drehzahlverlaufs der Riemenscheibe

Claims

Patentansprüche
Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten, insbesondere Klimakompressor, Lichtmaschine, Ölpum- pe, Schmierstoffpumpe, Kraftstoffpumpe, eines Kraftfahrzeugs, mit einer Riemenscheibe (12) zum Einleiten eines über ein Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer Abtriebswelle (18) zum Antrieb eines Nebenaggregats, insbesondere Kühlwasserpumpe, einer elektrischen Maschine (16) zur Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe (12) und der Abtriebswelle (18), wobei die elektrische Maschine (16) einen mit der Riemenscheibe (12) verbundenen Rotor (20) und einen mit der Abtriebswelle (18) verbundenen Stator (22) aufweist, wobei die elektrische Maschine (16) mit einer elektrischen E- nergiequelle zum Beschleunigen der Abtriebswelle (18) und/oder mit einer elektrischen Energiesenke zum Abbremsen der Abtriebswelle (18) elektrisch anschließbar ist, einer ersten Drehzahlmesseinrichtung zur Detektion des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Riemenscheibe (12) und/oder einer zweiten Drehzahlmesseinrichtung zur Detektion des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle (18) und einer mit der elektrischen Energiequelle und/oder mit der elektrischen Energiesenke verbundenen Regeleinrichtung zum Regeln eines zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle (18) durch ein zeitlich begrenztes elektrisches Anschließen der Energiequelle und/oder Energiesenke in Reaktion auf den detektierten zeitlichen Verlaufs der Drehzahl.
2. Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die angeschlossene elektrische Leistung der Energiequelle und/oder Energiesenke, insbesondere schwingungsförmig, variierbar ist.
3. Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement zur Herstellung einer im Wesentlichen drehfesten Koppelung der Riemenscheibe (12) mit der Abtriebswelle (18) im Falle eines wegfallenden Stromflusses bei der elektrischen Maschine (16) vorgesehen ist.
4. Riemenscheibenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (16) Wicklungen aufweist, wobei die Wicklungen im Falle eines wegfallenden Stromflusses bei der elektrischen Maschine (16) kurzschließbar ist.
5. Riemenscheibenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (22) Permanentmagneten und der Rotor (20) Wicklungen aufweist oder der Stator (22) Wicklungen und der Rotor (20) Permanentmagneten aufweist, wobei die Wicklungen über ei- ne berührungslose oder berührungsbehaftete elektrische Kontaktierung, insbesondere Schleifkontaktverbindung (30), mit Elektroleitungen (44) zum Einleiten und/oder Ausleiten von elektrischer Energie verbunden sind.
6. Riemenscheibenanordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen mit einem Träger (24) verbunden sind, wobei der Träger (24) über ein in radialer Richtung verlaufendes Verbindungsstück (26) mit der Abtriebswelle (18) oder der Riemenscheibe (12) verbunden ist, wobei der Träger (24) zu an der von den Wicklungen wegweisenden Seite ein Kontaktelement zur Übertragung elektrischer Energie, insbesondere einen Schleifring (32) der Schleifkontaktverbindung (30), aufweist. Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs mit einer mit einer Motorwelle, insbesondere Kurbelwelle, eines Kraftfahrzeugmotors verbindbaren Eingangsriemenscheibe, mindestens einer über ein gemeinsames Zugmittel mit der Eingangsriemenscheibe gekoppelten Ausgangsriemenscheibe zum Antrieb des zugeordneten Nebenaggregats, insbesondere Kühlwasserpumpe, wobei mindestens eine Ausgangsriemenscheibe als Riemenscheibenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet ist.
Verfahren zum Antrieb eines über eine Riemenscheibenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angebundenen Nebenaggregats eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Zufuhr von elektrischer Energie in die elektrische Maschine (16) und/oder die Abfuhr von elektrischer Energie von der elektrischen Maschine (16) in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Riemenscheibe (12) zur Regelung eines zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle (18) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der zeitliche Verlauf der Drehzahl der Abtriebswelle (18) zum zeitlichen Verlauf der Drehzahl der Riemenscheibe (12) phasenverschoben ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem ein maximale Amplitudenabstand A-i des zeitliche Verlaufs der Drehzahl der Abtriebswelle (18) zu einer Nenndrehzahl geringer als ein maximale Amplitudenabstand A2 des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl der Riemenscheibe (12) zu der Nenndrehzahl ist, wobei insbesondere 0,00 < A-|/A2 < 1 ,00, vorzugsweise 0,01 < A1/A2 < 0,50, weiter bevorzugt 0,02 < A1/A2 < 0,10 und besonders bevorzugt 0,03 < A1/A2 < 0,05 gilt.
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