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Eine schaltbare Riemenscheibe ist im Automobilbereich als Kupplung für einen Klimakompressor einsetzbar. Grundsätzlich ist die schalbare Kupplung überall einsetzbar, wo ein Abtrieb zu- bzw. abgeschaltet werden soll, mit den Voraussetzungen, dass der Antrieb über eine Scheibe und der Abtrieb über die Welle erfolgt. Eine Lastregelbarkeit des Abtriebes unterstützt den Ein- und Auskuppelprozess.
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Aufgrund der Auslegung des Magnetkreises und das dynamische Verhalten der Ankerscheibe wurden die Kennlinien so geändert, dass der Kupplung nur eine Ankerruhelage aufweist. In Bezug auf die Fertigung würden die Teile optimiert, um den axialen Bauraum zu reduzieren und die Montage zu vereinfachen. Beispielsweise werden die Komponenten so gefertigt, dass sie in mehrere leicht herstellbaren Einzelteile zerlegt werden können.
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Die Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren mit Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
- 1 eine bekannte Kennlinie Kraft vs. Ankerscheibenhub;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1;
- 3 eine erfindungsgemäße Kennlinie Kraft vs. Ankerscheibenhub;
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3;
- 5 eine bekannte schaltbare Riemenscheibe in perspektivischer Explosion;
- 6 eine Ankerscheibengruppe der bekannten Riemenscheibe im eingefahrenen (6a) bzw. ausgefahrenen Zustand (6b);
- 7 Klinken und Klinkenfedern der bekannten Riemenscheibe;
- 8 die schaltbare Kupplung der bekannten Riemenscheibe bei ausgefahrener Klinke in Vorneansicht. Ankerfeder und Ringfeder sind in 8a ausgeblendet, Linkeseite Ringfeder ausgeblendet;
- 9 die bekannte Riemenscheibe in perspektivischem Schnitt;
- 10 eine erfindungsgemäße schaltbare Riemenscheibe in perspektivischer Explosion;
- 11 eine formschlüssige Verbindung zwischen Balkenfeder und Wellenaufnahme mit 12-Kantgeometrie der erfindungsgemäßen Riemenscheibe in zwei Ansichten 11a und 11b;
- 12 keine formschlüssige Verbindung zwischen Fingerfeder und Wellenaufnahme der erfindungsgemäßen Riemenscheibe in zwei Ansichten 12a und 12b;
- 13 eine Ankerscheibengruppe ohne Federn der erfindungsgemäßen Riemenscheibe. 13a: eingefahrene Klinke. 13b: ausgefahrene Klinke;
- 14 Klinken und Klinkenfedern der erfindungsgemäßen Riemenscheibe;
- 15 den Klinkenmechanismus der erfindungsgemäßen Riemenscheibe im Zusammenbau;
- 16 die Ankerscheibe Tiefziehteil der erfindungsgemäßen Riemenscheibe in Seitenansicht (16a), Vorderansicht (16b) und Hinteransicht (16c);
- 17 die Ankerscheibengruppe der erfindungsgemäßen Riemenscheibe in perspektivischem Schnitt;
- 18 Bolzenvarianten der erfindungsgemäßen Riemenscheibe. 18a: Bolzen als Tiefziehteil und eine harte Hülse. 18b: Bolzen als Tiefziehteil und ein Gleitlagerring. 18c: Bolzen als Normteil (Niet) und eine harte Hülse;
- 19 die erfindungsgemäße Riemenscheibe in perspektivischem Schnitt.
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Zwei Ankerruhelagen: Bei der bisherigen Auslegung der Kennlinien (Kraft-Ankerscheibenhub in 1) der Kupplung gibt es 2 Ruhepunkte, den ersten in Formschlussposition, wo die Klinken aus eine Tasche der Riemenscheibe ausfahren können und den zweiten in der Nähe der entkoppelte Position. Das Problem mit dem ersten Punkt ist, dass er zwar ein Gleichgewichtpunkt ist, von dem aus die Axialkräfte Null sind, aber kein stabiler Punkt, da vor und nach diesem Punkt die auf den Anker wirkende Kraft immer in Richtung der Entkopplung zeigt, s. 2.
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Der zweite Punkt auch Stillstandposition genannt sollte er ein stabiler Punkt sein, bei dem die Kräfte Null sind und die Ankerscheibe in der abgekoppelten Position gehalten wird. Derzeit ist eine Auslegung mit diesen Anforderungen nicht möglich und dieser zweite Punkt liegt in einer ungünstigen Position zwischen den Formschluss und die entkoppelte Position. Deshalb muss die Kupplung, bis die Klinken vollständig eingefahren sind, positiv bestromt werden, s. 2.
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Die Drehmomentübertragung zwischen der Ringfeder 20 und der Wellenaufnahme 9 erfolgt derzeit durch die Vorspannung einer Tellerfeder 23, die die Ringfeder 20 und die Fingerfeder 21 gegen den Querschnittswechsel auf der Wellenaufnahme 9 drückt, s. 6. Dieses System wird auch als Fail-Safe-Mechanismus bezeichnet, da es so konstruiert ist, dass ab dem maximal zulässigen Drehmoment der Kontakt zwischen Feder und Wellenaufnahme verrutschen kann. Dieses System hat jedoch einige Nachteile:
- • Die Tellerfeder ist sehr steif, was die Montage erschwert
- • Die Tellerfeder benötigt axialen Platz
- • Die Tellerfeder erfordert eine zusätzliche Scheibe, die die Feder in Position halten muss, was extra axialen Platz beansprucht.
- • Bei einer Blockierung des Kompressors, bei der den Fail-Safe-Mechanismus gleiten muss, kann aufgrund der hohen Reibung zwischen der Wellenaufnahme und den Federn viel Wärme erzeugt werden. Die nicht abgeführt werden kann.
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Bei Überlast und Auslösen des Fail-Safe-Mechanismus muss die Ringfeder 20 zusammen mit der Ringfeder auf die Wellenaufnahme 9 gleiten, besteht gegenwärtig die Möglichkeit, dass der Fingerfeder 21 durch das Gleiten (Verdrehen), einen Teil des Drehmoments überträgt, was die Fingerfeder komplett beschädigen würde (System Funktionalität wird auch beeinträchtigt), weil beide Federn zusammen gegen die Welle gedrückt werden und die Fingerfeder ist nicht auf Drehmoment ausgelegt (6). Notiz: Problemstellung für „neue Feder ist last frei ausgelegt“.
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Das Ausfahren und Einfahren der Klinken 17 erfolgten durch zwei kleine Federn 18. Die Abstützung der Klinkenfedern erfolgt zwischen die inneren Wände der Ankerscheibe und zwei seitlichen Vorsprüngen an der Klinke 17.11, die als Stutzflächen dienen, wie in 7 dargestellt. Da es kleine Unterschiede in der Steifigkeit dieser Federn geben kann, kann eine Verkippung der Klinken an der Ankerscheibenführung eintreten. Dies kann dazu führen, dass die Klinken blockieren, und bei aus- oder einfahren fehlerhaft funktionieren.
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Die Führung der Klinken 17 erfolgt an den Seiten durch der Ankerscheibe 16, auf der Rückseite durch das Ankerblech 15 und auf der Vorderseite durch den Ankerring 19, wie in 6 gezeigt. Diese 3 Teilen Bilden die Ankerscheibe, diese dreiteilige Konstruktion erschwert die Montage, da alle Klinkenfeder gleichzeitig positioniert und vorgespannt werden müssen und anschließen mit dem Ankerring in Position gehalten.
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Zusätzlich hat der Ankerring 19 die Funktion den Weg der Klinke 17 beim Ausfahren zu begrenzen, diese Begrenzung wird durch den Vorsprung 17.1 der Klinke 17 ermöglicht. Der Vorsprung ist an einem Aussparung 19.1 im Ankerring geführt, wie in gezeigt. Der Grund diese Begrenzung besteht darin, den Kontakt zwischen den Klinken und dem Zahngrund 13.IV (9) zu vermeiden. Die Klinke in ausgefahrenen Zustand ist in dargestellt. Wenn keine Begrenzung vorhanden wäre und die Klinken bis zum Kontakt mit der Zahngrund herausfahren würde, würde zwischen beiden eine Reibungskraft entstehen, die Drehzahl abhängig ist. Diese Kraft bewirkt, dass die Kupplung bei hohen Drehzahlen nicht mehr ausgerückt werden könnte. Das Problem mit der aktuellen Konstruktion liegt in die Fertigung des Vorsprungs, er ist kompliziert und teuer, daher ist es nicht für die Serienproduktion geeignet.
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Der Platz, den die Ankerscheibe axial einnimmt, kann nicht weiter reduziert oder optimiert werden, da diese Gruppe aus drei Teilen besteht: Ankerblech 15, Ankerscheibe 16 und Ankerring 19. Darüber hinaus erlaubt der Ankerring 20 aufgrund seiner Ringform nicht die Konstruktion oder Positionierung anderer Komponenten, wie z.B. Federn, tangential zwischen den Klinken auf die Ankerscheibe, 6.
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In der alten Konstruktion müsste den inneren Durchmesser der Ankerscheibe 16 und des Ankerblechs 15 zusammen nachbearbeitet, da eine Presspassung zwischen Gleitlager 14 und Ankerscheibe 16 und Ankerblech 15 stattfindet, s. 6. Um die Funktionalität der Presspassung zu gewährleisten, müssen die innere Durchmesser genau die gleichen Abmessungen entsprechen. Falls sie nicht zusammen nachbearbeiten werden, kann wegen Toleranzen zu nicht vorgesehenen Problemen führen. Eine Presspassung zwischen Gleitlager und zwei verschiedenen Teilen ist für eine Serienkonstruktion zu aufwendig. Zusätzlich ist nach der Nacharbeit eine Paarung der Ankerscheiben und der Ankerbleche notwendig damit diese nicht vertauscht oder falsch montiert werden.
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Die Bolzen 22 werden aktuell gedreht, was in der Herstellung, wegen die komplizierte Geometrie, sehr kostenintensiv ist. Eine der Aufgaben der Bolzen ist die Drehmomentübertragung, derzeit werden die Bolzen gehärtet, damit diese die Anforderungen erfüllen können. Der Härteprozess trag nicht nur zusätzliche Aufwand und Kosten, er erschwert den Verstemmen-Prozess. Wenn die Ankerscheibe sich axial bewegt „gleiten“ oder reiben die Federn an den innen Seiten der gabelförmigen Kontur auf den Bolzen, d.h. eine Fläche mit geringem Reibungskoeffizienten ist nötig, um die Bewegung nicht zu behindern. Gegenwärtig gibt es keine Maßnahme, die diesen Faktor bei der Konstruktion berücksichtigt.
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Die Riemenscheibe 13 ist als eine dreiteilige Ausführung vorgesehen. Die Rillen 13.11 für die Riemen werden mittels ein Rollieren- oder Drehprozess hergestellt. Der Lagersitz 13.1 wird tiefgezogen. Beide Teile werden danach verbunden. Die Zahnkontur 13.111 wird aus einem Stahlblech gestanzt und mit der Riemenscheibe verpresst. Dieser Aufbau erfolgt durch komplizierte Positionierung der Bauteile (Zentrierung). Die Presspassung der Verzahnung kann möglicherweise für höhere Drehmomente nicht halten. Weiteres wird bei Stanzen viel Abfall (Material Verlust) erzeugt.
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Die erfinderische Lösung der Aufgabe besteht in:
- Eine Ruhelage: ein stabiler Punkt bei einem Hub von ca. 1mm (Stillstand oder Formschluss eingekuppelt)
- • Formschluss wenn Klinken ausgefahren
- • Entkoppelt wenn Klinken eingefahren
Steiler negativer Gradient mit Kraftnulldurchgang bei 1 mm Hub, d.h. bei Entfernung in beide Richtungen von der Ruhelage, jeweils hohe positive oder negative Kräfte, die den Ankerscheibe in die Ruhelage zurückdrücken, s. 3 und 4. Ermöglicht ein mechanisch robusteres System (sichere stabile Ankerposition, „Kurvenkräfte“ bei Quereinbau, Beschleunigungskräfte bei Längsbau)
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Die Drehmomentübertragung wird durch eine formschlüssige Verbindung zwischen Wellenaufnahme 9 und die 3-Punkt-Feder (früher Ringfeder) 20 gemacht. Die formschlüssige Verbindung kann zum Beispiel eine Polygongeometrie, die in die 3-Punkt-Feder als auch in die Wellenaufnahme angebracht ist. Beispielweise ist eine 12-Kantgeometrie in 11 dargestellt. Beide Konturen sind so angelegt, dass ab das maximale zulässige Drehmoment sich verdrehen können, was als Überlastschutz oder Fail-Safe-Mechanismus dient. Bei einmaliger Auslösung kann das Drehmoment noch übertragen werden, dauerhaftes Rutschen führt zu vorgesehener Zerstörung des Formschlüsses mit weniger Wärmeeintrag.
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Die Fingerfeder 21 ist lastfrei ausgelegt. Der Kontakt zwischen Wellenaufnahme 9 (wie Beispielhaft als 12-Kantgeometrie gezeichnet ist) und Fingerfeder 21 (Kreisförmig) kann kein Drehmoment übertragen. Da die Innendurchmesser der Fingerfeder nur die Spitzen des 12-Kant berührt, wie in 12 dargestellt
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Die Klinken 17 sind mit einer Feder 18 rückgefedert. Was eine Verkippung oder Verklemmung der Klinken verhindert sollte, s. 14. Mit dieser Lösung ist die Klinke mittig gefedert und nur durch eine einzige Feder, was die Anzahl der Bauteile auch reduziert. Die Abstützung der Feder erfolgt durch eine umgebogene Lasche 16.1 der Ankerscheibe, s. 13. Das Umbiegen eine Lachse kann sehr einfach und Kosten günstig gefertigt werden.
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Die Klinken werden in der Ankerscheibe geführt, sowohl an die Seiten als auch die Vorderseite, d.h. die Ankerscheibe übernimmt fast die kompletten Führungsaufgaben des Ankerrings, s. 14 und 15. Auf die hintere Seite ist die Klinke weiterhin durch das Ankerblech geführt. Die Ankerscheibe wird jetzt als Tiefziehteil gefertigt und beinhaltet die Aufnahme Geometrie für die Klinke, wie in 16 gezeigt. Als Folge davon kann der Ankerring 19 weggelassen werden. Vorteile der neuen Konstruktion ist eine leichte Ankerscheibe mit wenigen Komponenten, was auch die Montage der Klinken und Klinkenfedern deutlich erleichtert. Weitere Vorteile die neue Konstruktion ist eine längere Führung der Klinke in die Ankerscheibe, was die Verkippung der Klinken verhindert.
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Die Klinkenfeder 18 ist in die neue Auslegung in der Mitte positioniert, d.h. die seitlichen Vorsprünge der Klinken 17.11 können jetzt für die Begrenzung des Ausfahrens verwendet werden (15). Damit ist der Vorsprung 17.1 der Klinke und die Aussparung des Ankerrings 19.1 (7) nicht mehr benötigt. Damit entfällt das Problem der Herstellung dieses kleinen Vorsprunges, und die Ankerring-Begrenzungsaufgabe der Klinke ist ebenfalls von der Ankerscheibe übernommen.
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Aufgrund des Weglassens des Ankerringes 19 ist ein schmaler axialer Aufbau der Ankerscheibengruppe möglich. Erstens weil die Ankerscheibe jetzt zwei-Teilig aufgebaut ist, aber auch die Ringfeder 20 kein Ring mehr beträgt, sondern nur 3 Balken (3-Punkt-Feder). Die neue Federgeometrie kann im dem zwischen der Klinkenführung der Ankerscheibe tangential positioniert werden, d.h. die Federn können tiefer, fast auf gleicher Höhe wie die Klinken, aufgebaut werden und dadurch wird die Ankerscheibenbaugruppe mehrere Millimeter schmaler, s. 17.
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Die Ankerscheibe wird topfförmig als Bund 16.11 nach innen tiefgezogen (s. 16), d.h. die Kontakt Fläche für das Gleitlager ist jetzt länger und besteht nur aus einem einzigen Bauteil. Das Ankerblech hat einen größeren inneren Durchmesser und sitzt auf die Ankerscheibe. Das bedeutet, dass das Ankerblech nicht im Kontakt mit dem Gleitlager kommt und damit der Nachbearbeitungsschritt kann eingespart werden, was für die Fertigung weniger Schritten und weniger Aufwand bei der Montage bedeutet. Die größere Kontaktfläche des Gleitlagers reduziert die Gefahr eine mögliche Verkippung der Ankerscheibe.
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Die Bolzen können als Tiefziehteil hergestellt werden, was kostengünstiger für die Herstellung wäre. Alternativ besteht die Möglichkeit einen Niet (Normteil) für diesen Zweck einzusetzen. Um dem Härteprozess zu sparen wird die Bolzenführung als eine Extrabaugruppe eingeführt, die aus zwei Elementen verfügt. Aktuell besteht drei Möglichkeiten dies zu schaffen:
- a) Bolzen als Tiefziehteil und eine harte Hülse. Die Bolzen können weich ausgeführt werden, dadurch ist das Verstemmen der Bolzen einfach. Die harten Hülsen ertragen den Kontakt zwischen Feder und Bolzen für die Übertragung des Drehmomentes, s. 18 (a)
- b) Bolzen als Tiefziehteil und ein Gleitlagerring (Harter Ring). Die Bolzen können weich ausgeführt werden, dadurch ist das Verstemmen der Bolzen einfach. Der harte Ring vergrößert die Kontaktfläche zwischen Feder und Bolzen und erlaubt die Drehmomentübertragung. Der Ring kann als Schnittstelle mit der 3-Punkt-Feder betrachtet werden und hat eine innere Gleitfläche für die axiale Bewegung Zwischen Federaufnahmegeometrie und die Bolze, s. 18 (b)
- c) Bolzen als Normteil (Niet) und eine harte Hülse. Die Nieten als Normteile sind sehr kostengünstig, dadurch ist das Verstemmen sehr einfach. Die harten Hülsen werden entsprechend der Nietgeometrie gefertigt und ertragen den Kontakt zwischen Feder und Bolzen für die Übertragung des Drehmomentes, s. 18 (c)
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Die Riemenscheibe (19) ist als ein zweiteiliges Bauteil aufgebaut. Es sind mehrere Fertigungsmöglichkeiten möglich wie zum Beispiel:
- a) Die Hauptgeometrie der Riemenscheibe 13.1 kann tiefgezogen werden und in Anschluss rolliert 13.11, inklusive Schnappkappenanschluss 13.V. Die Zahnkontur 13.111 wird aus einem Stahlblech gestanzt und auf die Riemenscheibe verschweißt. In diese Variante muss die Hauptgeometrie 13.1 nacharbeitet (Drehprozess), um die Kontur der Haltekante einzubringen.
- b) Die Hauptgeometrie der Riemenscheibe 13.1 wird tiefgezogen und in Anschluss rolliert 13.11, inklusive Schnappkappenanschluss 13.V. Die Zahnkontur wird gesintert und beinhaltet die Haltekante und auf die Riemenscheibe verschweißt. Diese Variante ist im 15 dargestellt.
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- 1
- Kompressorwelle
- 2
- Bund des Kompressorgehäuses
- 3
- Spulengehäuse
- 4
- Spulen-Sicherungsring
- 5
- Spulenkörper
- 6
- Gehäuse-Distanzhülse
- 7
- Wälzlager
- 8
- Isolationshülse
- 9
- Wellenaufnahme
- 10
- Riemenscheiben-Sicherungsring
- 11
- Permanentmagnet
- 12
- Mutter (Kompressorwelle)
- 13
- Riemenscheibe
- I
- Riemenscheibe Hauptgeometrie
- II
- Rillen
- III
- Verzahnung (Zahnkontur)
- IV
- Zahngrund
- V
- Schnappkappenanschluss
- 14
- Gleitlager
- 15
- Ankerblech
- 16
- Ankerscheibe
- 17
- Klinke
- I
- Klinkevorsprung
- II
- Klinkenfedern Stütztflächen
- 18
- Klinkenfeder
- 19
- Ankerring
- I
- Aussparung der Ankerring
- 20
- Ringfeder
- 21
- Fingerfeder
- 22
- Bolzen
- I
- harte Hülse
- 11
- Gleitlagerring
- III
- Normteil (Niet)
- 23
- Tellerfeder
- 24
- Druckscheibe
- 25
- Ankerscheiben-Sicherungsring
- 26
- Deckel
- 27
- Hülse für Bolzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/215701 A1 [0003]
- DE 102018107060 A1 [0003]
- DE 102018107061 A1 [0003]
- DE 102018107062 A1 [0003]
