DE102008064341B4

DE102008064341B4 - Riemenscheibe mit Freilauf und Torsionsschwingungsdämpfer sowie Riemenstarter für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008064341B4
Application number: DE102008064341.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Jaeger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-12-20
Filing date: 2008-12-20
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2028-12-21
Also published as: DE102008064341A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Riemenscheibe (7) für einen Riementrieb (5), mit einer Nabe (12), einem Riemenscheibenring (13) mit mindestens einer Umfangsnut (10) für einen Riemen (6) des Riementriebs (5), einem Torsionsschwingungsdämpfer (16), sowie einer zwischen der Nabe (12) und dem Riemenscheibenring (13) angeordneten Freilaufkupplung (15). Die Erfindung betrifft weiter einen Riemenstarter (3) für eine Brennkraftmaschine (1) mit einer solchen Riemenscheibe (7). Um es zu ermöglichen, bei laufender Brennkraftmaschine (1) den Riementrieb (5) von der Kurbelwelle (4) abzukuppeln, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Riemenscheibenring (13) die Nabe (12) bzw. während des Andrehens die Kurbelwelle (4) bei geschlossener Freilaufkupplung (15) treibt und dass die Freilaufkupplung (15) öffnet, wenn die Nabe (12) bzw. die Kurbelwelle (4) den Riemenscheibenring (13) überholt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Riemenscheibe für einen Riementrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Riemenstarter für eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Riemenscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Hybridantriebe von Kraftfahrzeugen umfassen als Fahrantrieb neben einer Brennkraftmaschine entweder eine oder zwei elektrische Maschinen. Dort, wo nur eine elektrische Maschine als Fahrantrieb vorgesehen ist, wird diese elektrische Maschine häufig auch als Starter für die Brennkraftmaschine genutzt. In diesem Fall muss jedoch ein Teil der Leistung der elektrischen Maschine für den Startvorgang vorgehalten werden, um die Brennkraftmaschine während des rein elektrischen Fahrbetriebs starten zu können, ohne dass es zu einem für den Benutzer spürbaren ruckartigen Drehmomentabfall kommt. Dies führt jedoch im elektrischen Fahrbetrieb zu einer von Seiten des Benutzers unerwünschten spürbaren Einschränkung der Fahrleistung.
Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, neben der als Fahrantrieb dienenden elektrischen Maschine des Hybridantriebs eine kleinere elektrische Maschine vorzusehen, die nur als Starter zum Starten der Brennkraftmaschine dient. Diese elektrische Maschine könnte zwar grundsätzlich von einem herkömmlichen Serienstarter gebildet werden, dessen Ritzel mit einer Verzahnung eines Schwungrades der Brennkraftmaschine in Eingriff gebracht wird. Da die Montage eines derartigen Starters bei Hybridantrieben zum Beispiel auf Grund von Bauraumproblemen jedoch nicht immer möglich ist und da bei Verwendung eines derartigen Starters zudem der Start zu lange dauert, wurde daran gedacht, einen Riemenstarter zu verwenden, bei dem der Startermotor die Kurbelwelle über einen Riementrieb andreht. Um zu vermeiden, dass bei laufender Brennkraftmaschine der Riementrieb mitläuft, was zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine und einer verschleißbedingten Verringerung der Lebensdauer des Riementriebs führt, muss jedoch eine Kupplung vorgesehen werden, die den Riementrieb bei laufender Brennkraftmaschine von der Kurbelwelle abkoppelt. Grundsätzlich könnte eine solche Kupplung zwischen der Kurbelwelle und der Riemenscheibe des Riementriebs vorgesehen und zum Beispiel als Magnetkupplung ausgebildet werden. Eine derartige Kupplung ermöglicht zwar ein dynamisches Abkuppeln der Riemenscheibe, hat jedoch insofern Nachteile, als sie eine große Baulänge und ein verhältnismäßig großes Gewicht besitzt und einen zusätzlichen elektrischen Anschluss benötigt. Weiter muss zwischen dem Riementrieb und der Kurbelwelle zur Schwingungsentkopplung auch ein Torsionsschwingungsdämpfer vorgesehen werden, der die Bauraumprobleme weiter verschärft, so dass es von Vorteil wäre, die Kupplung und den Torsionsschwingungsdämpfer in die Riemenscheibe zu integrieren.
Aus der DE 44 26 690 C1 und der DE 10 2004 035 969 A1 sind bereits Riemenscheiben der eingangs genannten Art mit einer integrierten Freilaufkupplung und einem integrierten Torsionsschwingungsdämpfer bekannt, die jedoch Teil eines Riementriebs zum Antreiben von Nebenaggregaten einer Brennkraftmaschine sind, wobei nicht nur der Torsionsschwingungsdämpfer sondern auch die Freilaufkupplung die Aufgabe hat, Torsionsschwingungen der mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Nabe der Riemenscheibe zu dämpfen und eine Übertragung dieser Schwingungen durch den Riementrieb auf die Nebenaggregate zu verhindern.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Riemenscheibe und einen Riemenstarter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Riemenscheibe als Teil eines Riementriebs zwischen einem Startermotor und der Kurbelwelle einsetzbar ist, um bei laufender Brennkraftmaschine den Riementrieb von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abzukuppeln.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Riemenscheibe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Riemenscheibenring die Nabe treibt und dass die Freilaufkupplung öffnet, wenn die Nabe den Riemenscheibenring überholt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Freilaufkupplung eine Mehrzahl von federbelasteten Klemmkörpern umfasst, die zwischen der Nabe und dem Riemenscheibenring angeordnet sind und in geschlossenem Zustand der Freilaufkupplung infolge der Federbelastung gegen den Riemenscheibenring und die Nabe angepresst werden, während sie in geöffnetem Zustand der Kupplung vom Riemenscheibenring abgehoben sind.
Um zu gewährleisten, dass sich die in geöffnetem Zustand der Kupplung vom Riemenscheibenring abgehobenen federbelasteten Klemmkörper mit der Nabe mitdrehen, weist die Freilaufkupplung vorteilhaft einen drehfest mit der Nabe verbundenen Außenring, einen Innenring und mindestens einen Freilaufkäfig auf, welche die Klemmkörper schwenkbar aufnehmen.
Zur Zentrierung des Riemenscheibenrings in Bezug zur Nabe bei abgehobenen Klemmkörpern sowie zur drehbaren Lagerung des Riemenscheibenrings auf der Nabe dient vorteilhaft ein zwischen der Nabe und dem Riemenscheibenring angeordnetes Wälzlager, das zweckmäßig radial einwärts von der Freilaufkupplung angeordnet ist.
Der Torsionsschwingungsdämpfer umfasst vorzugsweise einen Schwungring, der über ein Elastomermaterial mit der Nabe verbunden ist. Um die Masse des Schwungrings zu minimieren, ist der Torsionsschwingungsdämpfer vorzugsweise radial auswärts von der Freilaufkupplung angeordnet, wobei er zweckmäßig mit einem allgemein zylindrischen Abschnitt der Nabe verbunden ist, der in den im Querschnitt U-förmigen Riemenscheibenring ragt.
Im Hinblick auf den Riemenstarter sieht die Erfindung vor, dass der Riementrieb eine Riemenscheibe, wie zuvor beschrieben umfasst, wobei der Riemenscheibenring über die Nabe die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine andreht, und wobei die Freilaufkupplung öffnet, wenn die Kurbelwelle den Riemenscheibenring überholt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine und eines die Kurbelwelle über einen Riementrieb andrehenden Starters;
2 eine Querschnittsansicht einer kurbelwellenseitigen Riemenscheibe des Riementriebs;
3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Riemenscheibe;
4 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts IV aus 2;
5 eine stark vergrößerte Ansicht eines Teils einer in die Riemenscheibe integrierten Freilaufkupplung.
Die in der Zeichnung dargestellte Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs mit Hybridantrieb ist mit einem sogenannten Riemenstarter 2 ausgestattet, d. h. einem elektrischen Startermotor 3, der beim Start der Brennkraftmaschine 1 deren Kurbelwelle 4 über einen Riementrieb 5 andreht.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der Riementrieb 5 einen Keilrippenriemen 6, der eine kurbelwellenseitige Riemenscheibe 7, eine starterseitige Riemenscheibe 8 und eine Riemenspannrolle 9 teilweise umschlingt. Der Keilrippenriemen 6 weist an seiner inneren Breitseite sechs überstehende Keilrippen mit V-förmigem Querschnitt auf, die in komplementär geformte Keilnuten 10 der Riemenscheiben 7, 8 eingreifen.
Während die starterseitige Riemenscheibe 8 einstückig ausgebildet und drehfest mit einer Starterwelle 11 des Startermotors 3 verbunden ist, umfasst die kurbelwellenseitige Riemenscheibe 7 eine drehfest mit der Kurbelwelle 4 verbundene Nabe 12, einen an seinem äußeren Umfang mit den Keilnuten 10 versehenen Riemenscheibenring 13, der mittels eines Wälzlagers 14 drehbar auf der Nabe 12 gelagert ist, einen zwischen dem Riemenscheibenring 13 und der Nabe 12 angeordneten Freilauf 15, sowie einen Torsionsschwingungsdämpfer 16.
Wie am besten in 2 und 4 dargestellt, besitzt der einstückig ausgebildete Riemenscheibenring 13 einen allgemein U-förmigen Querschnitt, wobei er aus einem inneren und einem äußeren allgemein zylindrischen Schenkelteil 17, 18 und einem die Schenkelteile 17, 18 verbindenden ebenen Jochteil 19 besteht. Der äußere Schenkelteil 18 ist an seinem äußeren Umfang mit den Keilnuten 10 für den Eingriff der Keilrippen des Keilrippenriemens 6 versehen, während der innere Schenkelteil 17 zwischen das Wälzlager 14 und den Freilauf 15 ragt und an seiner der Drehachse der Kurbelwelle 4 zugewandten Innenseite mit einer zylindrischen Auflagefläche 20 für einen Außenring 21 des Wälzlagers 14 versehen ist.
Wie ebenfalls am besten in 2 und 4 dargestellt, weist die einstückig ausgebildete Nabe 12 einen mehrfach im rechten Winkel abgebogenen Querschnitt auf, wobei sie sich aus mehreren in Bezug zur Drehachse der Kurbelwelle 4 in radialer Richtung verlaufenden allgemein ebenen ringförmigen Abschnitten 22, 23, 24 und mehreren in axialer Richtung der Drehachse verlaufenden allgemein zylindrischen Abschnitten 25, 26, 27 zusammensetzt.
Der radial innerste axiale Abschnitt 22 dient zur Befestigung an der Kurbelwelle 4 und ist zu diesem Zweck mit einer mittigen Bohrung und einer die Bohrung umgebenden Hirth-Verzahnung 28 versehen, die mit einer komplementären Hirth-Verzahnung am benachbarten Stirnende der Kurbelwelle 4 in Eingriff tritt, wenn die Nabe 12 mit einer die Bohrung durchsetzenden Befestigungsschraube an der Kurbelwelle 4 festgeschraubt wird.
Der angrenzende zylindrische Abschnitt 25 weist eine äußere Umfangsfläche auf, die im Zusammenwirken mit einer auf der Umfangsfläche gleitenden Dichtlippe eines drehfest in ein Steuergehäuse der Brennkraftmaschine eingepressten Radialwellendichtrings (nicht dargestellt) zur Abdichtung des Motorinnenraums nach außen zu dient.
Der radial äußerste zylindrische Abschnitt 27 greift in eine von den Schenkelteilen 17, 18 und dem Jochteil 19 des Riemenscheibenrings 13 begrenzte Ausnehmung ein, in welcher der Torsionsschwingungsdämpfer 16 durch einen Luftspalt 29 vom Riemenscheibenring 13 getrennt untergebracht ist.
Der Torsionsschwingungsdämpfer 16 besteht aus einem radial äußeren Schwungring 30 und einem zwischen dem Schwungring 30 und dem äußersten Nabenabschnitt 27 angeordneten elastomeren Gummiring 31, der den Schwungring 30 einstückig mit der Nabe 12 verbindet.
Der äußerste Abschnitt 27 der Nabe 12 begrenzt zusammen mit dem radial einwärts angrenzenden Abschnitt 24 und dem an diesen angrenzenden allgemein zylindrischen Abschnitt 26 ebenfalls eine Ausnehmung, die sich in der entgegengesetzten Richtung wie die Ausnehmung des Riemenscheibenrings 13 öffnet und zur Aufnahme des Wälzlagers 14 und des Freilaufs 15 sowie des inneren Schenkelteils 17 des Riemenscheibenrings 13 dient, der in die Ausnehmung ragt. Der Abschnitt 26 ist an seiner von der Drehachse der Kurbelwelle 4 abgewandten Außenseite mit einer zylindrischen Auflagefläche 32 für einen Innenring 33 des Wälzlagers 14 versehen.
Wie am besten in 3 dargestellt, sind der Jochteil 19 des Riemenscheibenrings 13 und der ebene ringförmige Abschnitt 24 der Nabe 12 zur Gewichtseinsparung mit länglichen, in Umfangsrichtung verlaufenden Durchbrechungen 34 bzw. 35 versehen.
Wie am besten in 4 dargestellt, handelt es sich bei dem Wälzlager 14 um ein abgedichtetes Radialkugellager, bei dem ein vom Innenring 33 und vom Außenring 21 begrenzter, zur Aufnahme der Wälzkörper 36 und eines Wälzkörperkäfigs 37 dienender Innenraum an den entgegengesetzten Stirnseiten des Lagers 14 durch ringförmige Kunststoffdichtungen 38 verschlossen ist.
Wie am besten in 3 bis 5 dargestellt, besteht die Freilaufkupplung 15 im Wesentlichen aus einem zur Drehachse der Kurbelwelle konzentrischen Außenring 39, einem zur Drehachse der Kurbelwelle 4 konzentrischen Innenring 40, einem zwischen dem Außenring 39 und dem Innenring 40 angeordneten federelastischen Käfig 41 und einer Vielzahl von schwenkbaren Klemmkörpern 42. Der Außenring 39 ist durch Vorsprünge 45 drehfest mit dem allgemein zylindrischen Abschnitt 27 der Nabe 12 verbunden, so dass sich der Außenring 39, der Käfig 41, der Innenring 40 und die Klemmkörper 42 bei rotierender Nabe 12 mit dieser mitbewegen.
Die Klemmkörper 42 stehen durch Öffnungen 43 im Außenring 39 nach außen und durch Öffnungen 44 im Innenring 40 nach innen über. Jeder der nockenartig geformten Klemmkörper 42 besitzt eine gerundete innere und äußere Anlagefläche 46, 47, von denen im Stillstand der Freilaufkupplung 15 infolge der Federbelastung der Klemmkörper 42 die erstere 46 gegen eine zylindrische äußere Umfangsfläche 48 des Schenkelteils 17 des Riemenscheibenrings 13 und die letztere 47 gegen eine zylindrische innere Umfangsfläche 49 des Abschnitts 27 der Nabe 12 angepresst wird. Diese Schwenkstellung der Klemmkörper 42 entspricht einem geschlossenen Zustand der Freilaufkupplung 15, in dem sich die Nabe 12 mit dem Riemenscheibenring 13 mitdreht, wenn dieser beim Starten der Brennkraftmaschine 1 vom Startermotor 3 über den Riementrieb 5 in Drehung versetzt wird.
Wenn die Drehzahl der Kurbelwelle 4 nach dem Starten der Brennkraftmaschine 1 ansteigt und dadurch die Nabe 12 in Richtung des Pfeils P in 5 über die Drehzahl des Riemenscheibenrings 13 hinaus beschleunigt wird, überholt der Abschnitt 27 der Nabe 12 den gegenüberliegenden inneren Schenkelteil 17 des Riemenscheibenrings 13. Dies bewirkt, dass die Klemmkörper 42 durch eine Relativbewegung des Innenrings 40 in Bezug zum Außenring 39 entgegen dem durch die Federbelastung verursachten Drehmoment M_F um ein begrenztes Maß in den Öffnungen 43, 44 in die in 5 dargestellte Schwenkstellung verschwenkt werden, in der ihre Anlageflächen 46 von der zylindrischen äußeren Umfangsfläche 48 des Schenkelteils 17 des Riemenscheibenrings 13 abgehoben sind und zwischen den Anlageflächen 46 und der Umfangsfläche 48 ein Spalt 50 mit einer Spaltbreite S vorhanden ist. Diese Schwenkstellung entspricht einem geöffneten Zustand der Freilaufkupplung 15, in dem sich die Nabe 12 unabhängig vom Riemenscheibenring 13 dreht. Dieser letztere kommt daher zum Stilltand, wenn vom Startermotor 3 über den Riemen 6 kein Drehmoment mehr auf ihn ausgeübt wird.
In diesem Zustand rollen die Wälzkörper 36 des Wälzlagers 14 auf dem im Stillstand befindlichen Außenring 21 und dem mit der Nabe 12 mitlaufenden Innenring 33 des Wälzlagers 14 ab.
Um ein Festsetzen der Klemmkörper 42 zu verhindern, wird die Freilaufkupplung 15 mit einem Schmiermittel geschmiert, das in den Zwischenraum zwischen dem Schenkelteil 17 des Riemenscheibenrings 13 und dem Abschnitt 27 der Nabe 12 eingebracht wird. Das Entweichen von Schmiermittel aus der Freilaufkupplung wird durch zwei Dichtringe oder Ringdichtungen 51, 52 verhindert, die jenseits der beiden entgegengesetzten Stirnenden der Freilaufkupplung zwischen den Schenkelteil 17 und den Abschnitt 27 eingesetzt sind, um den Zwischenraum nach außen hin abzudichten.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Riemenstarter
3: Startermotor
4: Kurbelwelle
5: Riementrieb
6: Keilrippenriemen
7: Riemenscheibe
8: Riemenscheibe
9: Riemenspannrolle
10: Keilnuten
11: Starterwelle
12: Nabe
13: Riemenscheibenring
14: Wälzlager
15: Freilaufkupplung
16: Torsionsschwingungsdämpfer
17: Schenkelteil Riemenscheibenring
18: Schenkelteil Riemenscheibenring
19: Jochteil Riemenscheibenring
20: Auflagefläche
21: Außenring Wälzlager
22: Abschnitt Nabe
23: Abschnitt Nabe
24: Abschnitt Nabe
25: Abschnitt Nabe
26: Abschnitt Nabe
27: Abschnitt Nabe
28: Hirth-Verzahnung
29: Spalt
30: Schwungring
31: Gummiring
32: Auflagefläche
33: Innenring Wälzlager
34: Durchbrechungen Riemenscheibenring
35: Durchbrechungen Nabe
36: Wälzkörper
37: Käfig Wälzlager
38: Dichtungen Wälzlager
39: Außenring Freilaufkupplung
40: Innenring Freilaufkupplung
41: Käfig Freilaufkupplung
42: Klemmkörper Freilaufkupplung
43: Öffnung Außenring
44: Öffnung Innenring
45: Vorsprung
46: Anlagefläche Klemmkörper
47: Anlagefläche Klemmkörper
48: Umfangsfläche Innenring
49: Umfangsfläche Außenring
50: Spalt
51: Ringdichtung
52: Ringdichtung

Claims

Riemenscheibe für einen Riementrieb, mit einer Nabe, einem Riemenscheibenring mit mindestens einer Umfangsnut für einen Riemen des Riementriebs, einem Torsionsschwingungsdämpfer, sowie einer zwischen der Nabe und dem Riemenscheibenring angeordneten Freilaufkupplung, dadurch gekennzeichnet, dass der Riemenscheibenring (13) die Nabe (12) bei geschlossener Freilaufkupplung (15) treibt und dass die Freilaufkupplung (15) öffnet, wenn die Nabe (12) den Riemenscheibenring (13) überholt.
Riemenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (15) eine Mehrzahl von federbelasteten Klemmkörpern (42) umfasst, die zwischen der Nabe (12) und dem Riemenscheibenring (13) angeordnet sind.
Riemenscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (42) in geschlossenem Zustand der Freilaufkupplung (15) infolge der Federbelastung gegen den Riemenscheibenring (13) und die Nabe (12) angepresst werden, während sie in geöffnetem Zustand der Kupplung (15) vom Riemenscheibenring (13) abgehoben sind.
Riemenscheibe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (42) in geschlossenem Zustand der Freilaufkupplung (15) gegen eine innere Umfangsfläche (49) der Nabe (12) und gegen eine äußere Umfangsfläche (48) des Riemenscheibenrings (13) angepresst werden.
Riemenscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufkupplung (15) einen drehfest mit der Nabe (12) verbundenen Außenring (39), einen Innenring (40) und mindestens einen Käfig (41) aufweist, in denen die Klemmkörper (42) schwenkbar sind.
Riemenscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsschwingungsdämpfer (16) einen über ein Elastomermaterial (31) mit der Nabe (12) verbundenen Schwungring (30) umfasst.
Riemenscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsschwingungsdämpfer (16) radial auswärts von der Freilaufkupplung (15) angeordnet ist.
Riemenscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zwischen der Nabe (12) und dem Riemenscheibenring (13) angeordnetes Wälzlager (14).
Riemenscheibe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (14) radial einwärts von der Freilaufkupplung (15) angeordnet ist.
Riemenscheibe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (14) radial einwärts vom Torsionsschwingungsdämpfer (16) angeordnet ist.
Riemenscheibe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (14) und die Freilaufkupplung (15) auf entgegengesetzten Seiten eines Teils (17) des Riemenscheibenrings (13) angeordnet sind.
Riemenstarter für eine Brennkraftmaschine, mit einem Startermotor, der die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen Riementrieb andreht, dadurch gekennzeichnet, dass der Riementrieb (5) eine Riemenscheibe (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, deren Riemenscheibenring (13) die Kurbelwelle (4) während des Andrehens bei geschlossener Freilaufkupplung (15) treibt und deren Freilaufkupplung (15) öffnet, wenn die Kurbelwelle (4) den Riemenscheibenring (13) überholt.
Riemenstarter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (12) der Riemenscheibe (7) drehfest mit der Kurbelwelle (4) verbunden ist.