DE4309548A1

DE4309548A1 - Antrieb von mindestens einem Zusatzaggregat einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4309548A1
Application number: DE19934309548
Authority: DE
Inventors: Henrik Dipl Ing Dr Brehler
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-09-29

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb von mindestens einem Zusatzaggre gat einer Brennkraftmaschine, das eine hohe Drehmasse aufweist, bei dem von einem Abtriebsrad einer Kurbelwelle aus über einen Treibriemen ein Antriebsrad des Zusatzaggregates antreibbar ist.

Ein derartiges Zusatzaggregat mit einer hohen Drehmasse ist beispiels weise die Lichtmaschine einer Brennkraftmaschine. Lichtmaschinen bzw. Generatoren werden direkt von der Brennkraftmaschine über Keilriemen mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 zu 2 bis 1 zu 3 angetrieben (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch, VDI-Verlag, 1987). Dabei ist das Antriebsrad drehfest mit dem Läufer der Lichtmaschine verbunden.

Die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle, verursacht durch den motorischen Verbrennungsprozeß führt zu erheblichen Belastungen des Riementriebs der Zusatzaggregate durch deren großes Massenträgheits moment. Dies führt in der Verzögerungsphase zur sehr hohen Belastung des eigentlichen Leertrumms, in dem in der Regel ein Riemenspanner zur Einstellung der richtigen Riemenkraft angeordnet ist. Durch die großen Verzögerungskräfte wird über die Riemenbelastung das Spannsystem dementsprechend ebenfalls sehr hoch belastet. Bei den so übertragenen Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsleistungen handelt es sich um soge nannte Scheinleistungen, die nicht in mechanische und somit elektri sche Energie umgewandelt werden können. Da die Drehungleichförmigkeit mit Absenkung der Motordrehzahl zunimmt, wird durch eine gewünschte Absenkung der Standgasdrehzahl die maximale Riemenspannung nochmals erhöht.

Da in bekannter Weise der Wirkungsgrad mancher Zusatzaggregate, bei spielsweise eines Generators mit steigender Drehzahl zunimmt, ist man zum sogenannten Lichtmaschinenhochtrieb übergegangen. Dabei wird die Drehzahl der Lichtmaschine im Bereich niedriger Motorendrehzahl über ein zusätzliches Getriebe hochübersetzt. Das dafür notwendige Getriebe sowie die höhere Drehzahl der Lichtmaschine führen dann allerdings ebenfalls zu einer weiteren Erhöhung der Riemen- und somit der Span nerbelastung.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die insbesondere auf das einge setzte Spannsystem und den Riemen eines Riementriebs wirkende Kraft zu senken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Antriebsrad des Zusatzaggregates ein Freilauf derart angeordnet ist, daß einer seits beschleunigte Drehbewegungen der Kurbelwelle durch den eingekup pelten Freilauf direkt auf das Antriebsrad des Zusatzaggregates über tragen werden, während andererseits der Freilauf entkoppelt ist, wenn die Eigenverzögerung des Zusatzaggregates unterhalb der an der Kurbel welle auftretenden Verzögerung liegt.

Durch die Anordnung eines solchen Freilaufes als Überholfreilauf wird erreicht, daß im Riementrieb das oder die Zusatzaggregate weiterlaufen können, wenn der Antrieb, das heißt in diesem Falle die Kurbelwelle langsamer läuft, das heißt, verzögert wird. Die Schaltfunktionen wie Freilaufen oder Sperren übernimmt der Freilauf selbsttätig zum richti gen Zeitpunkt und ohne zusätzliche Schaltglieder. Zweckmäßigerweise verwendet man als Freilauf einen gelagerten Hülsenfreilauf, bei dem zwei Radiallager jeweils seitlich neben dem eigentlichen Freilauf integriert sind. Um ein axiales Verschieben des Freilaufes auf der Welle zu vermeiden, empfiehlt es sich, einen Lagerkranz mit Kugeln zu bestücken.

Dadurch, daß im entkoppelten Zustand des Freilaufes die durch die Drehunförmigkeit der Kurbelwelle bedingte Massenträgheitsmomente nicht durch den Riemen auf das Zusatzaggregat übertragen werden, werden im Leertrumm des Riemenantriebs die auf den Riemen wirkenden Kräfte ent scheidend abgeschwächt. Mit einer Verringerung der auf den Riemen wirkenden Kräfte kann als Folge davon ein Spannsystem eingesetzt werden, daß eine geringere Spannkraft aufbringen muß. Dies sind in der Regel die wesentlich einfacheren mechanischen Spannsysteme.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Freilaufes die mittlere Drehzahl des Zusatzaggregates und damit die abgegebene Leistung erhöht wird. Zunächst wird das Zusatzaggregat durch die Kurbelwelle auf gleiche Winkelgeschwindigkeit beschleunigt. Tritt jetzt eine Abbremsung der Kurbelwelle durch die der Brennkraftmaschine eigenen Drehungleichförmigkeit ein, so kann durch den Überholfreilauf das Zusatzaggregat mit einer höheren Dreh zahl als die Kurbelwelle aufgrund ihres Massenträgheitsmomentes unge hindert weiterlaufen und somit Energie erzeugen. Fällt durch die abgenommene Last und die Reibungsverluste im Zusatzaggregat dessen Drehzahl unter die der Kurbelwelle ab, so schaltet der Freilauf wie derum und das Zusatzaggregat wird durch den eingekuppelten Freilauf in seiner Drehzahl beschleunigt.

Weitere, erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter ansprüche und werden im folgenden näher beschrieben.

So soll nach Anspruch 2 zwischen dem Außenring des Freilaufes und dem darauf befestigten Antriebsrad des Zusatzaggregats ein Dämpfungsele ment, beispielsweise eine Zwischenschicht aus einem Elastomer angeord net sein. Dadurch wird nach dem Prinzip einer elastischen Kupplung beim Einkuppeln des Freilaufes der sogenannte Einschaltstoß vermindert und somit die auf den Riemen ausgeübte Kraft nochmals verringert.

Bei zahlreichen Trieben werden die geschilderten Vorteile auch dann erreicht, wenn nach dem unabhängigen Anspruch 3 der Freilauf im An triebsrad der Kurbelwelle so angeordnet ist, daß einerseits beschleu nigte Drehbewegungen der Kurbelwelle durch den eingekuppelten Freilauf direkt auf das Antriebsrad des Zusatzaggregates übertragen werden, während andererseits der Freilauf entkoppelt ist, wenn die Eigenver zögerung des Zusatzaggregates unterhalb der von der Kurbelwelle vor gelegten Verzögerung liegt.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel anhand eines Lichtmaschinenantriebs näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Frontansicht einer Brennkraftmaschine mit einem Zahnriemenantrieb von der Kurbelwelle zu zwei obenliegenden Nockenwellen sowie einen Riemenantrieb von der Kurbelwelle zu einer Lichtmaschine,

Fig. 2 die Drehzahl einer Lichtmaschine mit und ohne erfin dungsgemäßen Freilauf bei einer mittleren Motordrehzahl von 750 Umdrehungen pro Minute und bei einer Leistungs abgabe der Lichtmaschine von 1000 Watt und

Fig. 3 die Drehzahl einer Lichtmaschine mit und ohne erfin dungsgemäßem Freilauf bei einer mittleren Motordrehzahl von 750 Umdrehungen pro Minute und einer Leistungsabga be der Lichtmaschine von 500 Watt.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Zahnriementrieb für eine Brennkraftmaschine treibt ein Zahnriemen 1 mit einer entsprechenden innenseitigen Zahnprofilierung und einer außenseitigen glatten Profi lierung von einer Kurbelwelle 2 über ein mit dieser verbundenes erstes Zahnriemenrad 3 ein zweites Zahnriemenrad 4 und ein drittes Zahnrie menrad 5 an, die mit entsprechenden obenliegenden Nockenwellen 6 und 7 treibend verbunden sind. Die Spannung des Zahnriemens wird durch die Spannrolle 8 gehalten.

Mit der Kurbelwelle 2 ist ein weiteres Riemenrad 9 verbunden, das über einen Poly-V-Riemen 10 ein Antriebsrad 11 einer Lichtmaschine an treibt. Die erforderliche Spannung des Riemens 10 wird mit einer Spannrolle 12 gehalten. Bei rechtsdrehender Kurbelwelle 2 ergibt sich hierbei ein gestrecktes Zugtrumm 13 und ein Lostrumm 14, das über die Spannrolle 12 geführt ist. Zwischen der Welle 15 der Lichtmaschine und deren Antriebsrad 11 ist erfindungsgemäß ein Freilauf 16 angeordnet.

Die Wirkungsweise dieses Riemenantriebs ist nun folgende:

Die von der Kurbelwelle 2 ausgehende Drehbewegung wird über das Rie menrad 9 und den Poly-V-Riemen 10 auf das Antriebsrad 11 der Licht maschine übertragen. Der erfindungsgemäß zwischen Welle 15 und An triebsrad 11 angeordnete Freilauf 16 wirkt als Überholfreilauf, der bei einem Nachhinken der Drehzahl der Kurbelwelle 2 freischaltet, so daß die Lichtmaschine aufgrund ihrer Massenträgheit ungehindert wei terlaufen kann. Fällt die Drehzahl der Lichtmaschine unter die Dreh zahl der Kurbelwelle 2 ab, so kuppelt der Freilauf 16 ein und die Drehbewegung der Kurbelwelle 2 wird wieder direkt auf das Antriebsrad 11 der Lichtmaschine übertragen.

Bei einer vorgegebenen Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle ent stehen bei einer unbelasteten Lichtmaschine Freilaufanteile von etwa 70-90%, das heißt die Lichtmaschine koppelt nur sehr kurzzeitig ein, um den durch Reibungsverlust im Aggregat entstehenden Drehzahlabfall auszugleichen. Dabei wird dann selbstverständlich auch die wirksame Kraft im Zugtrum des Riementriebs gemindert, da die träge Masse der Lichtmaschine kaum mehr beschleunigt werden muß. Auch bei belasteten Lichtmaschinen ergeben sich noch Freilaufanteile von mehr als 10%, das heißt die Lichtmaschine dreht im Mittel mit einer Drehzahl, die oberhalb der von der Kurbelwelle vorgelegten Drehzahl liegt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere für Motoren mit besonders niedriger Motordrehzahl, wie Dieselmotoren und damit sehr hoher Dre hungleichförmigkeit anwendbar, da das System im gewissen Maße wie ein Hochtrieb wirkt, das heißt im Bereich niedriger Drehzahl der Kurbel welle die Drehzahl der Lichtmaschine geringfügig erhöht und somit Trägheitsenergien in elektrische Energie umsetzt.

Ein Vorteil liegt darin, daß die aufgrund hoher Drehmassen bisher erforderliche Reduzierung des radialen Bauraumes der Lichtmaschine wegen des erfindungsgemäß eingesetzten Freilaufes nicht mehr erforder lich ist. Eine vergrößerte Lichtmaschine hat aber insgesamt einen größeren Wirkungsgrad und insbesondere bei niedrigen Drehzahlen eine höhere elektrische Leistung.

In den Fig. 2 und 3 ist die Drehzahl einer Lichtmaschine in Ab hängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei in beiden Fällen die mitt lere Motordrehzahl 750 Umdrehungen pro Minute beträgt. Während in Fig. 2 die Lichtmaschine mit einer Leistungsabgabe von 1000 Watt belastet ist, werden in Fig. 3 von der Lichtmaschine lediglich 500 Watt abgegeben.

In beiden Fällen ist erkennbar, daß die Drehzahl der Lichtmaschine ohne erfindungsgemäß integrierten Freilauf schneller absinkt (Kurve 18 und Kurve 20) als bei Einsatz der Lichtmaschine mit Freilauf (Kurve 17 und Kurve 19), das heißt durch die erfindungsgemäße Lösung wird die mittlere Drehzahl der Lichtmaschine durch deren Erhöhung der Massen trägheit gesteigert.

Vergleicht man die Drehzahl einer wenig belasteten, mit Freilauf ausgerüsteten Lichtmaschine (Kurve 19) mit der einer stärker belaste ten, ebenfalls mit Freilauf ausgerüsteten Lichtmaschine (Kurve 17) so stellt man fest, daß mit wachsender Leistungsabgabe die Drehzahl der Lichtmaschine schneller abfällt.

Bezugszeichenliste

1 Zahnriemen
2 Kurbelwelle
3 Zahnriemenrad
4 Zahnriemenrad
5 Zahnriemenrad
6 Nockenwelle
7 Nockenwelle
8 Spannrolle
9 Antriebsrad
10 Treibriemen
11 Antriebsrad
12 Spannrolle
13 Zugtrumm
14 Lostrumm
15 Welle der Lichtmaschine
16 Freilauf
17 Drehzahl der Lichtmaschine mit Freilauf
18 Drehzahl der Lichtmaschine ohne Freilauf
19 Drehzahl der Lichtmaschine mit Freilauf
20 Drehzahl der Lichtmaschine ohne Freilauf

Claims

1. Antrieb von mindestens einem Zusatzaggregat einer Brennkraftmaschi ne, das eine hohe Drehmasse aufweist, bei dem von einem Abtriebsrad (9) einer Kurbelwelle (2) aus über einen Treibriemen (10) ein An triebsrad (11) des Zusatzaggregates antreibbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß im Antriebsrad (11) des Zusatzaggregates ein Freilauf (16) derart angeordnet ist, daß einerseits beschleunigte Drehbewegun gen der Kurbelwelle (2) durch den eingekuppelten Freilauf (16) direkt auf das Antriebsrad (11) des Zusatzaggregates übertragen werden, während andererseits der Freilauf (16) entkoppelt ist, wenn die Eigen verzögerung des Zusatzaggregates unterhalb der an der Kurbelwelle (2) auftretenden Verzögerung liegt.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außenring des Freilaufes (16) und dem Antriebsrad (11) des Zusatz aggregates ein Dämpfungselement, beispielsweise eine Zwischenschicht aus einem Elastomer angeordnet ist.

3. Antrieb von mindestens einem Zusatzaggregat einer Brennkraftmaschi ne, das eine hohe Drehmasse aufweist, bei dem von einem Abtriebsrad (9) einer Kurbelwelle (2) aus über einen Treibriemen (10) ein An triebsrad (11) des Zusatzaggregates antreibbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß im Abtriebsrad (9) der Kurbelwelle (2) ein Freilauf (16) derart angeordnet ist, daß einerseits beschleunigte Drehbewegungen der Kurbelwelle (2) durch den eingekuppelten Freilauf (16) direkt auf das Antriebsrad (11) des Zusatzaggregates übertragen werden, während andererseits der Freilauf (16) entkoppelt ist, wenn die Eigenverzöge rung des Zusatzaggregates unterhalb der an der Kurbelwelle (2) auf tretenden Verzögerung liegt.