DE3610415C2 - Riemenantriebs-Brennkraftmaschine - Google Patents
Riemenantriebs-BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Riemenantriebs-
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wenn eine Verbrennungskraftmaschine als Antrieb
verwendet und deren Antriebskraft über einen Riemen auf
eine angetriebene Welle übertragen wird, erzeugt die
Verbrennungskraftmaschine nur während des Arbeits-
oder Verbrennungshubs eine Antriebskraft. Infolgedessen
tritt eine periodische Schwankung des Augenblickswertes
der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Antriebswelle
auf, mit der Folge, daß mit zunehmender Belastung der
angetriebenen Welle der Einfluß der Schwankung auf die
Winkelgeschwindigkeit noch stärker wird.
Aus diesem Grund ist auf der Kurbelwelle einer herkömm
lichen Verbrennungskraftmaschine ein Schwungrad
angeordnet, um das Trägheitsmoment zu erhöhen und
dadurch einen gleichmäßigeren Lauf zu erzielen. Die Tor
sionsfestigkeit der Kurbelwelle setzt einer Steigerung
des Trägheitsmoments jedoch Grenzen, so daß es nicht
möglich ist, die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle (der Antriebswelle) auf weniger als 1,5
bis 2,0° bei einer Benzin-Verbrennungskraftmaschine
(einem Otto-Motor) und auf weniger als etwa 6 bis 8° bei
einem Diesel-Motor zu verringern. Bei einer Riemenan
triebseinrichtung mit einer Verbrennungskraftma
schine als Kraftquelle bewirkt daher die Schwankung der
Winkelgeschwindigkeit gleichzeitig eine Schwankung der
Umfangsgeschwindigkeit des Riemens, so daß bei hoher
Drehträgheit der angetriebenen Welle als Folge der
Schwankung der Umfangsgeschwindigkeit ein Schlupf zwi
schen der Riemenscheibe der angetriebenen Welle und dem
Riemen auftritt. Dies verursacht wiederum eine erhebli
che Verringerung der Lebensdauer des Riemens.
So verursachen beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug,
dessen Generator von der Verbrennungskraftmaschine
angetrieben wird, die Schwankungen der Winkelgeschwin
digkeit der Kurbelwelle des Motors wegen der hohen Dreh
trägheit der Generatorwelle ständig einen Schlupf zwi
schen dem Riemen und der Riemenscheibe auf der Genera
torwelle. Selbst wenn der Schlupf jedesmal nur gering
ist, hat er erhebliche Probleme zur Folge, z. B. die Ab
nutzung der Berührungsflächen, die Erzeugung von Rei
bungswärme und Geräuschen. Da ferner der Generator
zwecks Erhöhung seiner Drehzahl gegenüber der der An
triebswelle durch ein Drehzahlübersetzungsgetriebe mit
einer einen kleinen Durchmesser aufweisenden Riemen
scheibe angetrieben wird, machen sich die erwähnten
Schwierigkeiten noch deutlicher bemerkbar.
Insbesondere bei gerippten Keilriemen, die immer häufi
ger zur Verringerung des Raumbedarfs verwendet werden,
ist der Schlupf ein Problem, das nicht übersehen werden
kann, weil die Abnutzung der Riemenoberfläche unmittel
bar für eine erhebliche Verringerung der Lebensdauer des
Riemens verantwortlich ist.
Um dieses Problem zu lösen, sind bereits die verschie
densten Maßnahmen ergriffen worden, um die Struktur oder
Festigkeit des Riemens zu verbessern. Obwohl diese Maß
nahmen bereits zu einer gewissen Verringerung der Abnut
zung des Riemens und der Geräuschentwicklung geführt
haben, ist es bisher dennoch nicht gelungen, die durch
die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit der Antriebs
welle verursachten Schwierigkeiten vollständig zu besei
tigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Riemen
antriebs-Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art an
zugeben, bei der bzw. dem die Verringerung der Lebens
dauer des Riemens aufgrund von Schwankungen der Winkel
geschwindigkeit des Antriebs vollständig vermieden und
daher die Lebensdauer des Riemens gesteigert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeich
net.
Hierbei wird die Übertragung des Antriebsdrehmoments vom
Riemen auf die Riemenwelle oder von der Riemenwelle auf
den Riemen jedesmal durch die Freilaufkupplung (auch
Überhol- oder Einweg-Kupplung genannt) unterbrochen,
wenn die Winkelgeschwindigkeit auf seiten der Antriebs
welle abnimmt.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeich
net.
Die GB 2 096 237 A und die JP 58-220925 sprechen zwar
die Problematik der Drehzahlschwankungen an, enthalten
jedoch keinerlei Hinweise bezüglich der Anordnung einer
Freilaufkupplung.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste
hend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbei
spiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 Kurven zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung einer Riemen
antriebs-Brennkraftmaschine,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
und
Fig. 5 einen Graphen, der Untersuchungsergebnisse bei
der erfindungsgemäßen Einrichtung im Vergleich
zu bekannten Einrichtungen veranschaulicht.
Wie bereits erwähnt wurde, schwankt bei einer herkömm
lichen Verbrennungskraftmaschine das Antriebsdreh
moment bzw. der Augenblickswert der Winkelgeschwindig
keit der Kurbelwelle, wobei die Schwankung der Winkelge
schwindigkeit bei einem Otto-Motor etwa 1,5 bis 2,0°
oder weniger und bei einem Diesel-Motor etwa 6 bis 8°
oder weniger beträgt. So kann nach Fig. 1 selbst bei
einer konstanten oder normalen hohen Drehzahl die
Schwankung der Winkelgeschwindigkeit in extrem kurzen
Zyklen oder Schwingungen mit einer Periodendauer von
beispielsweise 1/60 Sekunden auftreten.
Wenn unter diesen Umständen bei einer herkömmlichen
Riemenantriebs-Brennkraftmaschine die Drehträgheit der
angetriebenen Welle groß ist, kann die angetriebene Wel
le nach einem Wechsel von zunehmender Winkelgeschwindig
keit in einem Bereich A zu abnehmender Geschwindigkeit
in einem Bereich B nach Fig. 1 nicht mit der abnehmenden
Geschwindigkeit im Bereich B Schritt halten, so daß ihre
Winkelgeschwindigkeit sich nur entsprechend der strich
punktierten Linie ändert. Die Differenz Δd der Winkelge
schwindigkeiten führt daher zu einem Schlupf des
Riemens.
Erfindungsgemäß wird die Antriebskraft daher nur bei
zunehmender Winkelgeschwindigkeit in den Bereichen A
nach Fig. 1 übertragen, dagegen wird die Übertragung von
der Antriebsseite auf die Seite der angetriebenen Welle
in den Bereichen B bei abnehmender Winkelgeschwindigkeit
selektiv unterbrochen. Die Drehzahl der angetriebenen
Welle kann daher kurzzeitig höher als die der Antriebs
welle liegen.
Mit anderen Worten, die Antriebskraft wird - wie Fig. 2
zeigt - nur während der Zunahme der Winkelgeschwindig
keit in den Bereichen A übertragen. In den Bereichen B
darf sich die Antriebswelle dagegen frei drehen, wie es
durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Wenn die
Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Welle dann wie
der im Punkt P mit der wieder zunehmenden Winkelge
schwindigkeit auf der Antriebsseite übereinstimmt, wer
den die beiden Wellen wieder gekuppelt.
Während der Dauer der Unterbrechung der Übertragung der
Antriebskraft tritt daher, weil der Antrieb des Riemens
nur mit einer Riemenscheibe erfolgt, die eine sehr viel
kleinere Drehträgheit als die angetriebene Welle auf
weist, trotz der Tatsache, daß die Riemenscheibe und der
Riemen in Berührung bleiben, entweder überhaupt kein
Schlupf oder nur ein vernachlässigbar geringer Schlupf
auf, der praktisch überhaupt keinen Einfluß hat, weil er
die Folge des Trägheitsmoments lediglich der Riemen
scheibe ist.
Um dies zu erreichen, enthält die Einrichtung nach Fig.
3 Riemenscheiben 1A und 2A, die jeweils auf einer An
triebswelle 1, deren Winkelgeschwindigkeit geringfügig
periodisch schwankt, und auf einer angetriebenen Welle 2
mit verhältnismäßig großer Drehträgheit gelagert sind.
Beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine
kann es sich bei der Welle 1 um die
Kurbelwelle und bei der Welle 2 um die eines Wechsel
stromgenerators handeln. Die eine oder beide Riemenschei
ben 1A und 2A ist bzw. sind über eine Freilaufkupplung
3A (auch Überholkupplung oder Einwegkupplung genannt),
die nur bei zunehmender Winkelgeschwindigkeit einkup
pelt, mit der zugehörigen rotierenden Welle verbunden,
und ein Riemen 4 ist um die Riemenscheiben 1A und 2A
herumgelegt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
ist nur eine Kupplung 3A vorgesehen, und zwar zwischen
der Riemenscheibe 2A und der Welle 2.
Wenn daher die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle
1 abnimmt, dreht sich die Welle 2 relativ zur Welle 1
frei weiter und schneller als die Welle 1, während die
Übertragung des Antriebsdrehmoments kurzzeitig unter
brochen ist.
Bei der Freilaufkupplung 3A kann es sich um eine Sperr
klinken-, eine Klemmrollen- oder eine andere herkömmli
che Freilaufkupplung handeln, sofern sie ein Drehmoment
nur in der einen Richtung überträgt.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 (Ausführung 1) ist ein
gerippter Keilriemen 4 um eine Riemenscheibe 1A, die
einen Durchmesser von 135 mm aufweist und auf der An
triebs- oder Kurbelwelle 1 eines Diesel-Motors D gela
gert ist, und um eine Riemenscheibe 2A herumgeführt,
die einen Durchmesser von 77 mm aufweist und über eine
Klemmrollen-Freilaufkupplung 3A auf einer Generatorwelle
2 gelagert ist. Mit 5 ist eine Riemenscheibe bezeichnet,
die einen Durchmesser von 135 mm aufweist und auf einer
eine (nicht dargestellte) Wasserpumpe antreibenden Welle
5A gelagert ist.
Bei einer anderen Ausführung (Ausführung 2) ist die
antriebswellenseitige Riemenscheibe 1A auf der Ahtriebs
welle 1 über eine Klemmrollen-Freilaufkupplung 3A (die
durch gestrichelte Linien dargestellt ist) gelagert,
während die anderen Riemenscheiben 2A und 5 unmittelbar
mit ihren Wellen verbunden sind.
Bei einer weiteren Ausführung (Ausführung 3) sind beide
Riemenscheiben 1A und 2A auf der Antriebswelle 1 und
der angetriebenen Welle 2 über Klemmrollen-Freilaufkupp
lungen 3A gelagert.
Bei allen drei Ausführungen nach Fig. 4 wurde während
des Betriebs des Motors die Drehzahl der Antriebswelle
allmählich von etwa 700 auf etwa 1300 Umdrehungen pro
Minute erhöht, und gleichzeitig wurden die Änderungen
der Winkelgeschwindigkeitsschwankungen der Generator
welle 2 gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind
in Fig. 5 dargestellt.
Die für den bekannten Stand der Technik geltende Kurve
in Fig. 5 veranschaulicht die Schwankung der Winkelge
schwindigkeit der Generatorwelle, wenn keine Freilauf
kupplung verwendet wird. Wie Fig. 5 deutlich zeigt,
ist beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Win
kelgeschwindigkeitsschwankung auf Seiten der Generator
welle sehr klein und weitgehend konstant, obwohl die
Riemenscheibe auf der Generatorwelle einen kleineren
Durchmesser als die auf der Antriebswelle aufweist,
um die Generatorwelle mit höherer Drehzahl laufen zu
lassen.
Die nachstehende Tabelle zeigt noch weitere Meßergeb
nisse hinsichtlich der Lebensdauer, Wärmeentwicklung
und Geräuschentwicklung des Keilriemens bei 850 Umdre
hungen pro Minute für alle drei Ausführungen nach Fig.
4.
Die Wärmeentwicklung wurde an einer ersten Stelle, wo
der Riemen mit der Generator-Riemenscheibe in Berührung
kommt, und an einer zweiten Stelle, wo der Riemen die
Generator-Riemenscheibe verläßt, gemessen.
Wie die Tabelle zeigt, sind alle drei erfindungsgemäßen
Ausführungsformen in der Lage, eine ununterbrochene
Betriebsdauer von wenigstens 100 Stunden ohne Schäden
zu überstehen, wobei darüber hinaus weder Wärme noch
Geräusche entwickelt werden. Im Vergleich zum Stand
der Technik bietet die Erfindung daher erhebliche Vor
teile.
Ferner hat sich gezeigt, daß sich die Meßergebnisse
praktisch nicht ändern, wenn anstelle eines gerippten
ein einfacher Keilriemen verwendet wird.
Da erfindungsgemäß bei der Übertragung des Drehmoments
eine Antriebswelle, deren Winkelgeschwindigkeit ständig
schwankt, die Übertragung nur in der einen Richtung er
folgt und die Übertragung eines Drehmoments in der ent
gegengesetzten Richtung selektiv unterbrochen wird, wird
der Riemen nicht übermäßig beansprucht und seine Lebens
dauer verlängert. Die Erfindung ist besonders bei Rie
menantriebs-Brennkraftmaschinen geeignet, bei denen
Beschleunigungskräfte übertragen werden. Da die Erfin
dung einfach durch Zwischenschalten einer Freilaufkupp
lung zwischen der Riemenscheibe und einer rotierenden
Welle verwirklicht werden kann, ist die Durchführung des
Verfahrens einfach, so daß es nunmehr möglich ist, ein
Riemengetriebe bei Kraftübertragungssystemen zu verwen
den, bei denen die Kurbelwelle eines Diesel-Motors als
Antriebswelle dient, was bisher auf Schwierigkeiten ge
stoßen ist. Die Erfindung bietet daher erhebliche Vor
teile.
Claims (4)
1. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine mit einer An
triebswelle mit einer ersten Riemenscheibe, einer
angetriebenen Welle mit einer zweiten Riemenschei
be, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine
Freilaufkupplung zwischen den Wellen und den Rie
menscheiben angeordnet ist, die nur dann einkup
pelt, wenn die Winkelgeschwindigkeit der Antriebs
welle zunimmt.
2. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen
der angetriebenen Welle und der zweiten Riemen
scheibe angeordnet ist.
3. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen
der angetriebenen Welle und der ersten Riemenschei
be angeordnet ist.
4. Riemenantriebs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei der erwähnten
Kupplungen vorgesehen sind, wobei je eine der Kupp
lungen zwischen je einer der Riemenscheiben und der
zugehörigen Welle angeordnet ist.
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