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33

481480

Aufbruch zu 48-V-RiementriebssystemenNeue Spanner- und Entkopplerlösungen für riemengetriebene Mild-Hybrid-Systeme

Andreas StufferDaniel HeinrichChristian HauckTimo SchmidtHermann Stief

482 48333Riementriebssysteme

Einleitung

Der Markt für Riementriebe ist in Bewe-gung geraten. Noch beim Schaeffler Kolloquium 2010 standen ausschließlich konventionelle Riementriebe mit reinem Lastbetrieb der Aggregate im Zentrum [1]. Seither haben Systeme mit Riemen- Starter-Generatoren an Bedeutung für die Riementrieb-Entwicklung gewonnen. Sie dienen dazu, zusätzliche Funktionen wie Rekuperation, Boostbetrieb und Motor-starts zu unterstützen und bieten so Vor-teile für Verbrauch und Funktion des Mo-tors.

Einen neuen Schub für Riemen-Starter-Generatoren (RSG) kann die Einführung von 48-V-Bordnetzen bedeuten. Diese ermöglichen grundsätzlich eine höhere elektrische Leistung und damit eine mil-de Hybridisierung des Antriebs zu ver-tretbaren Kosten. Durch erweiterte Funk-tionen – etwa Rekuperation und E-Boost – sind erhebliche Verbrauchseinsparungen von bis zu 14 Prozent im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) zu erreichen.

Für den Riemen bedeutet die Über-tragung immer höherer Leistungen und Drehmomente eine zunehmende dyna-mische Belastung. Gleichzeitig nimmt der Eintrag von Schwingungen in den Riementrieb zu, da immer häufiger Mo-toren mit geringen Zylinderzahlen, aber hohen Mitteldrücken und damit hohen Drehungleichförmigkeiten zum Einsatz kommen. Innovative Riemenspanner und Kurbelwellenentkoppler von Schaeffler sind in der Lage, die höheren Momente sicher zu übertragen und bei entspre-chender Gestaltung auch die Schwin-gung zu reduzieren.

Konventionelle Riemen-triebe und Riemenstarter-Anwendungen

Die Nebenaggregate werden bei moder-nen Verbrennungsmotoren nahezu aus-schließlich über Keilrippenriemen angetrie-ben. Dabei müssen die Riementriebe und ihre automatischen Spannsysteme folgen-de Anforderungen erfüllen: – automatische Einstellung der Riemen-

kraft bei Erstmontage und Service (To-leranzausgleich aller Triebkomponen-ten),

– nahezu konstante Riemenkraft über die gesamte Lebensdauer des Riementriebs (Ausgleich von Riemenlängung und -verschleiß),

– nahezu konstante Riemenkraft über den gesamten Motortemperaturbe-reich (Ausgleich der Wärmeausdeh-nung aller den Trieb beeinflussenden Bauteile),

– Abbau von dynamischen Kraftspitzen im Riementrieb,

– Minimierung von Schlupf, Geräusch und Riemenverschleiß,

– Erhöhung der Lebensdauer des gesam-ten Riementriebsystems,

– optimale Zuverlässigkeit des gesamten Riementriebsystems,

– Minimierung der Reibleistungsverluste im Gesamtsystem.

Moderne, optimal im Gesamtsystem abge-stimmte Nebenaggregatetriebe sind war-tungsfrei und erreichen Laufleistungen von über 240.000 km.

Für die Auslegung des Aggregate-triebs bietet Schaeffler eine Vielzahl von Produkten an. Mechanische und hydrauli-sche Riemenspanner liefern eine nahezu konstante Riemenkraft über Toleranzen, Lebensdauer und Temperaturbereich des

Motors hinweg sowie eine Dämpfung von Schwingungen im Riementrieb. Eine zusätzliche Schwingungsdämpfung und -entkopplung kann über die Verwendung von Entkopplungselementen erreicht wer-den. Dafür sind bei Schaeffler seit 1996 der OAP (Overrunning Alternator Pulley) als Freilaufriemenscheibe am Generator und seit 2013 der Riemenscheibenent-koppler als mechanische Entkopplung an der Kurbelwelle in Serie. Neben Einzel-komponenten bietet Schaeffler auch die Systementwicklung für den kompletten Riementrieb gemeinsam mit ContiTech an (Bild 1).

Die Funktion konventioneller Riemen-triebe ist dadurch geprägt, dass sich die Nebenaggregate im Lastbetrieb befinden, die Leistung also immer vom Motor zum Riementrieb übertragen wird. Im Gegen-satz dazu wird bei Anwendungen mit Rie-men-Starter-Generator die Leistung in eini-

gen Betriebspunkten vom Generator hin zum Motor übertragen (Generatorstart und Boostbetrieb).

Bei klassischen Riementrieben sind Spanner mit mechanischer und hydrauli-scher Dämpfeinheit gebräuchlich. Zusätz-lich wird oft ein Freilauf am Generator ein-gesetzt, der schnelle Drehmomentwechsel bei Schwingungen glättet und so die Dyna-mik reduziert. Diese Möglichkeit entfällt für Systeme mit Riemen-Starter-Generator, weil das Drehmoment in beide Richtungen übertragen werden muss, wodurch die Dy-namik im Riementrieb insgesamt deutlich kritischer ist.

Für den Start über den Riemen wird eine erweiterte Riemenspannfunktion be-nötigt, um eine Drehmomentenübertragung im Riementrieb in beiden Richtungen zu er-möglichen. Diese Funktion wird in Bild 2 an-hand von zwei mechanischen Riemenspan-nern dargestellt.

Umlenk- und Spannrollen

MechanischeRiemenspanner

HydraulischeRiemenspanner

Generatorfreilauf (OAP)

Riemen von ContiTech

Wasserpumpenlager

Riemenscheibenentkoppler

Bild 1 Schaeffler-Produktportfolio für den Riementrieb

484 48533Riementriebssysteme

Beim Antrieb des Motors durch den Gene-rator – beim Riemenstart oder beim Boost-betrieb – wird die Kraft über das obere Trum übertragen (links als Zugtrum gekennzeich-net). Für den Lastbetrieb des Generators (zum Beispiel bei Rekuperation) wird ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf den Generator übertragen (rechtes Riemen-trum, im Bild rechts als Zugtrum gekenn-zeichnet). Die Aufgabe des Spannersys-tems lautet dabei, die Vorspannung im Gesamtsystem zu halten und zu verhindern, dass im Leertrum die Riemenkraft abfällt.

Schon Anfang der 2000er-Jahre wur-den Riemenstarter-Anwendungen sehr in-tensiv untersucht [2]. Durch die Begrenzung der Leistung im 12-V-Bordnetz und die un-gewohnt problematische Schwingungsiso-lation gestaltete sich die Entwicklung je-doch schwierig. Citroën brachte 2005 als erster Hersteller eine Anwendung mit Rie-men-Startergenerator in Serie.

Seit 2011 ist eine neue Generation von Riemen-Starter-Generatoren mit deutlich erweiterten Funktionen in der Entwicklung. Ermöglicht wird dies durch die Verwen-dung eines 48-V-Bordnetzes, das Leistun-

gen bis etwa 12 kW ermöglicht. Dabei wird das bestehende 12-V-Bordnetz mit einem Spannungswandler an das ergänzte 48-V-Netz angekoppelt, das eine 48-V-Batterie mit zusätzlicher Kapazität und einen 48-V-Generator im Riementrieb enthält. Die er-höhte Kapazität des 48-V-Netzes ermög-licht zusätzliche Funktionen für den Riemenstarter, die in Bild 3 dargestellt wer-den. Die Erweiterung des Bordnetzes auf 48 V in Kombination mit einem Riemen-Starter-Generator wird dabei im Allgemei-nen als „Mild-Hybrid“ bezeichnet, der sich von Funktion und Kosten zwischen dem bisherigen 12-V-Bordnetz und dem Vollhy-brid mit Hochvolt-Spannungsversorgung einordnet.

Durch die höhere Leistungsübertragung über den Riemen entstehen neue Heraus-forderungen für die Auslegung des Riemen-triebs. Dies zeigt das folgende Anwen-dungsbeispiel, ein Mild-Hybrid in einem 1,6-l-Vierzylinder-Benzinmotor mit 130 kW Leistung und einem Drehmoment von 260 Nm in einem Mittelklassefahrzeug (1.400 kg Leergewicht) mit einem Sechsgang-Doppel-kupplungsgetriebe.

Für das Ausgangssystem wird ein Riemen-trieb mit Klimaanlage und 180-A-Genera-tor angenommen. Diese Technologie- kombination ist in der Mittelklasse bei verschiedenen Herstellern weit verbreitet. Bei der Erweiterung des Riementriebs auf ein 48-V-System bleibt die Klimaanlage bestehen, der konventionelle Generator, der bisher reinen Lastbetrieb ermöglicht,

wird jedoch durch einen 48-V-Riemen-Starter-Generator ersetzt. Dadurch entsteht auch der Bedarf für eine Anpassung des Riementriebs. Der mögliche Betriebsbe-reich für die beiden Generatorsysteme ist in Bild 4 dargestellt.

Um eine repräsentative Abbildung des Fahrverhaltens zu erhalten, wird an dieser Stelle auf den WLTP-Zyklus (Worldwide har-monized Light Test Procedure) zurückge-griffen [3] (Bild 5).

In der Abbildung wird die Leistung von Verbrennungsmotor und 48-V-Riemenstar-ter-Generator für die Beispielanwendung dargestellt. Am Signal der Generatorleis-tung sind gut die Bereiche mit Rekuperation (negativer Leistungsbereich) und Boostbe-trieb (positiver Leistungsbereich) erkennbar.Das Mild-Hybrid-System bietet die Vorteile: – Boostbetrieb, – Rekuperation, – schnellere und komfortablere Motorstarts

über den Generator sowie – elektrisches Fahren bei niedrigen Ge-

schwindigkeiten (z. B. als Komfortfunkti-on bei Stop-and-Go-Betrieb oder zur Abgasvermeidung in Tiefgaragen).

Start des Verbrennungsmotorsbzw. Boostbetrieb

Der Generator treibt den Motor an

Zugtrum

Leertrum

Rekuperations- undLastbetrieb

Der Motor treibt den Generator an

Zugtrum

Generator

Riemen KlimaanlageKurbelwelle

Riemenspanner

Leertrum

Bild 2 Belastung des Riementriebs in Boost- und Lastrichtung

Changeof Mind

KomfortStart-Stopp

Micro-Hybrid 12 V Mild-Hybrid 48 V

Vorspannungbereitstellen

StandardNebenaggregatetrieb

Ausgleich vonToleranzen

Vorspannungbereitstellen

Ausgleich vonToleranzen

Hybrid > 48 V

Vorspannungbereitstellen

Ausgleich vonToleranzen

Vorspannungbereitstellen

Ausgleich vonToleranzen

Changeof Mind

KomfortStart-Stopp

Changeof Mind

KomfortStart-Stopp

Energie-Rückgewinnung

Elektr. Leistung < 5 kW

Energie-Rückgewinnung

Elektr. Leistung < 12 kW

Lastpunkt-anhebung Boosten

Lastpunkt-anhebung Boosten

Elektr. FahrenAnfahrhilfeAnfahrhilfe

Energie-Rückgewinnung

Elektr. Leistung> 12 kW

Komplexität / Funktionsvielfalt

Riementriebsysteme

Bild 3 Funktionen verschiedener Hybridstufen

Mo

men

t am

Gen

erat

or

in N

m

-40

-20

0

20

40

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000Drehzahl Generator in min-1

konventioneller 12-V-Generator48-V-Riemen-Starter-Generator

Betriebsbereichdes Generators

Motorbetrieb

Generatorischer Betrieb

Bild 4 Betriebsbereich für einen konventionellen 12-V-Generator und einen 48-V-Riemen-Starter-Generator

486 48733Riementriebssysteme

Im Gegensatz zum Vollhybrid ist beim Mild-Hybrid der elektrische Motor als Riemen-Starter-Generator an den Verbrennungsmo-tor gekoppelt. Rekuperation und elektrisches Fahren sind nur bei drehendem Verbren-nungsmotor möglich – die Motorreibung muss also überwunden werden und reduziert die effektiv zur Verfügung stehende Leistung.

Damit kann der Verbrennungsmotor in Betriebspunkten mit besserem Wirkungs-grad betrieben werden, wodurch sich in Kombination mit der Bremsenergierückge-winnung und Segelphasen ein optimierter Verbrauch ergibt. Diskutiert werden aktuell Verbrauchsvorteile im Bereich von 4 % bis 14 % [4, 5] je nach zugrunde gelegtem Fahrzyklus, Motor und Systemabstimmung. Gleichzeitig ergibt sich für den Fahrer ein erhöhter Fahrkomfort durch eine sehr kom-fortable Startfunktion, die Unterstützung des Motors durch den Boostbetrieb und die Möglichkeit zu elektrischem Anfahren im Stop-and-Go-Betrieb.

mit 12-V-Systemen in Serienproduktion. Ein alternativer Aufbau benötigt nur einen Spanner, der allerdings um die Generator-drehachse schwenken kann. Ein solcher, so genannter Entkopplungsspanner bietet die meisten Vorteile. Bild 7 zeigt die Funktion des Riementriebsystems für verschiedene Betriebspunkte. Dargestellt ist ein Teil des WLTP-Zyklus, in dem es zu Boost- und Re-kuperationsbetrieb kommt. Zum Beginn des dargestellten Bereichs findet zudem ein Ge-neratorstart statt.

In dem oberen Diagramm werden Mo-tordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit dargestellt. Am Motorsignal sind die Schaltwechsel des Doppelkupplungsge-triebes und die Ungleichförmigkeit des Mo-tors durch die Motorzündung gut erkenn-bar. Über das in der Mitte dargestellte Moment von Verbrennungsmotor und Rie-men-Starter-Generator (auf die Motorüber-setzung umgerechnet) ist der Betriebszu-stand des Fahrzeugs gut erkennbar. Ein positives Moment am Riemen-Starter-Gene-rator zeigt Boostbetrieb an, negative Aus-

schläge zeigen ein Abbremsen des Fahr-zeugs mit Rekuperation an. Zur Bewertung der Dynamik im Riementrieb wird die Achskraft an der Riemenscheibe des Rie-men-Starter-Generators dargestellt.

Für das System mit zwei mechani-schen Riemenspannern sind deutlich hö-here dynamische Belastungen erkennbar. Der Bereich des maximal übertragbaren Moments ist jedoch begrenzt, da die bei-den Spanner die Vorspannung im Rie-mentrieb nicht vollständig halten können. Wenn die Spanner so abgestimmt wer-den, dass das Moment für den Generator-start voll übertragen werden kann, ergibt sich eine Begrenzung des maximal mögli-chen Rekuperationsmoments. Bei Reku-peration rutscht in diesem Beispiel der Riemen ab einem Generatorlastmoment von etwa 30 Nm durch. In Summe zeigen diese Erkenntnisse, dass der klassische Auslegungsansatz über zwei mechani-sche Spanner den gestiegenen Anforde-rungen nicht gewachsen ist. Der Riemen-trieb ist schlicht überlastet.

Auslegung des Riemenspanners beim Mild-Hybrid mit Riemen-Starter-Generator

Im Gesamtsystem bietet der Mild-Hybrid bezüglich Fahrdynamik und Verbrauch ei-nen nennenswerten Vorteil, der durch die Unterstützung des Verbrennungsmotors über den 48-V-Riemen-Starter-Generator realisiert wird. Dies erfordert eine geeig-nete Drehmomentenübertragung im Rie-mentrieb, die sich von den Spanner- und Dämpferlösungen für den konventionellen Riementrieb unterscheidet. Über die be-reits genannte Lösung mit zwei Einzel-spannern hinaus sind weitere Spanner-systeme denkbar, die in Bild 6 bezüg- lich der Anforderungen gegenübergestellt sind.

Von der klassischen Lösung mit zwei mechanischen Riemenspannern sind be-reits einige wenige Systeme in Kombination

-10

0

10

30

40

48-V-GeneratorVerbrennungsmotor

20

50

0

100

0 1.000 1.800 s

Ges

chw

ind

igke

it in

km

/hLe

istu

ng in

kW

Leistung für die Beispielanwendung mit 48-V-Riemen-Starter-Generator:

Bild 5 WLTP-Fahrprofil nach [3]

Startfunktion(Generatorstart)

Lastbetrieb

+ + + + ++ -

+ + 0 0 ++ 0

Packaging - - + 0 + 0

Kosten + -- 0 0 0 0

Transienter Betrieb + + 0 0 ++ -

zwei mechanische

Spanner

mechanischer +hydraulischer

Spanner

Generator-spanner

hydraulischerSpanner

im Lastraum

Entkopplungs-spanner

hydraulischerSpanner

im Leertrum

Im Folgenden betrachteteSpannervarianten

Bild 6 Aufbau von verschiedenen Spannsystemlösungen für den Riementrieb

488 48933Riementriebssysteme

Im Gegensatz dazu hat ein Entkopp-lungsspanner um den Generator deutliche Vorteile. Das bessere Halten der Vorspann-kraft im Leertrum zählt dazu ebenso, wie

deutlich geringere dynamische Lasten im Riementrieb durch die Motoranregung. Über die Einführung eines solchen Ent-kopplungsspanners wird die Dynamik im Riementrieb beherrschbar und die Funkti-onsvorteile durch das Mild-Hybrid-System sind voll realisierbar. Diesen Anforderungen entspricht ein von Schaeffler neu entwickel-ter Entkopplungsspanner, der in Bild 8 dar-gestellt wird.

Der Spanner besteht aus einem Gehäu-se, das über ein Gleitlager direkt an der E-Maschine angebunden ist und sich 360° um die E-Maschinenachse drehen lässt. Auf diesem Gehäuse ist eine Spannrolle fest angeordnet. Die zweite Spannrolle sitzt auf einem beweglichen Hebel und ist über ein Bogenfederpaket gegenüber dem Gehäuse angefedert. Dadurch erzeugt diese Spann-rolle die notwendige Riemenvorspannkraft und sie gleicht Toleranzen im Riementrieb aus (Bild 9).

Je nachdem, ob an der E-Maschine Last-moment anliegt (generatorischer Betrieb oder Rekuperation) oder ob sie Drehmo-ment erzeugt (Riemenstart, Boosten), ent-steht entweder im rechten oder im linken Riementrum das Zugtrum und auf der je-weiligen anderen Seite das Leertrum. Durch

eine entsprechende Pendelbewegung des Gesamtspan-ners um die E-Ma-schinenachse wird im Zugtrum der Spanner aus dem Trieb herausge-drückt und die je-weils andere Spann- rolle spannt über die geometrische Anbindung automa-tisch das Leertrum nach, wird also in den Trieb hineinge-

drückt. Bei einer Lösung mit zwei voneinan-der unabhängigen Spannern besteht diese geometrische Bindung nicht, was dazu führt, dass der Leertrumspanner vom Zug-trumspanner keine zusätzliche Unterstüt-zung zum Spannen des Leertrums erfährt (Bild 10).

Gehäuse

Spannrollen

Riemen-Starter-Generator

Hebelarme

Bild 8 Übersicht: Aufbau des Entkopplungs-spanners

zwei mechanische SpannerSystem mit Entkopplungsspanner

Ach

skra

ft R

SG

in N

Mo

men

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Nm

D

rehz

ahl i

n m

in-1

Verbrennungsmotor Riemen-Starter-Generator

Motordrehzahl Fahrzeuggeschwindigkeit

0

1.000

2.000

020406080100km/h

-100

0

100

200

0

1.000

2.000

3.000

1.020 1.040 1.060 1.080 1.100 s

Bild 7 Funktion des Riementriebsystems im WLTP-Zyklus

Trieb bei Motorstillstand Trieb während RSG-Start

KWAC

E

KWAC

E

Bild 9 Funktion des Entkopplungsspanners, Generatorstart mit Entkopp-lungsspanner

Trumkräfte F1/F2

bei Motorstillstand

E

KW

AC

Trumkraft F1

Trumkraft F2

Entkopplungs-spanner

getrennte Spanner

1.254 N

324 N

Entkopplungsspanner getrennte Spanner

Trumkraft

Spannerweg (Winkel)

164 N

1.522 N

Startfall

Trumkraft F1

Trumkraft F2

Trumkraft F1

Trumkraft F2

Bild 10 Vergleich der Leertrumriemenspannungen bei Motorstart

490 49133Riementriebssysteme

Im Bild 11 ist deutlich die zusätzliche Ent-kopplungswirkung des Spannsystems zu erkennen: Von der in den Trieb eingeleite-ten Drehungleichförmigkeit des Verbren-ners (grau) kommt durch die Pendelbewe-gung des Entkopplungsspanners nur noch ein geringer Teil (grün) an der E-Maschi-nenwelle an.

Diese Entkopplungswirkung reicht für viele Riementriebe mit Riemen-Starter-Ge-nerator aus. Aufgrund steigender Drehun-gleichförmigkeiten als Folge immer kleinerer Motoren mit höherer spezifischer Leistung

und verringerter Zylinderanzahl kann jedoch der Einsatz weiterführender Entkopplungs-maßnahmen erforderlich sein.

Riemenstarter-Systeme mit Kurbelwellenentkopplung

Bei der Leistungsübertragung zwischen Riemen-Starter-Generator und Motor be-wirkt der Entkopplungsspanner durch seine Gestaltung automatisch eine Beruhigung der Schwingungen im Riementrieb. Diese Funktion ist abhängig vom Layout des Rie-mentriebs und der Position der Aggregate sowie von der Anregung des Verbren-nungsmotors. Das Beispiel eines Mild-Hy-brid-Antriebs mit einem hoch aufgeladenen 2-l-Vierzylinder-Dieselmotor (470 Nm Mo-tormoment, 140 kW Motorleistung, in einem mittleren Oberklasse-Fahrzeug mit Sechs-gang-Doppelkupplungsgetriebe) zeigt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Entkopp-lung des Riementriebs durch einen Kurbel-wellenentkoppler. Bild 12 zeigt das Layout mit einer hier angenommenen, bauraumbe-

dingten Geometrieeinschränkung, die eine zusätzliche Umlenkrolle im Riementrieb er-fordert und dadurch den Arbeitsbereich des Entkopplungsspanners begrenzt.

In Bild 13 wird der Schwingwinkel des Motors am vorderen Kurbelwellenende über der Drehzahl des Motors dargestellt. Dabei hat dieser Motor eine deutlich größe-re Anregung des Riementriebs über die Kurbelwelle als der 1,6-l-Benzinmotor-An-wendung aus dem ersten Teil dieses Bei-trags. Die im Vergleich gestiegene Un-gleichförmigkeit des Verbrennungsmotors regt den Riementrieb zu höheren Schwin-gungen an, die nicht mehr alleine durch ei-nen Entkopplungsspanner beherrscht wer-den können. Zur Schwingungsreduzierung muss daher eine direkte Entkopplung an der Kurbelwelle über eine entkoppelte Rie-menscheibe verwendet werden (gestrichelte Linie).

Durch die Kurbelwellenentkopplung wird die Dynamik im Riementrieb auf ein akzep-tables Maß reduziert. Ob eine Kurbelwellen-entkopplung für einen Riementrieb benötigt wird, ist abhängig von den Randbedingun-gen wie Kurbelwellenanregung, Riemen-trieblayout und Aggregatelasten. Die maß-

geblichen Kriterien für eine Entkopplung auf der Kurbelwelle sind dabei: – die Entkopplung des Riementriebs im

Fahrbereich und – die Übertragung des Generatormo-

ments bei Generatorstart, Boost- und Rekuperationsbetrieb.Diese Anforderungen können mit dem

LuK-Riemenscheibenentkoppler (RSE) ab-gedeckt werden. Dieser entkoppelt den Riementrieb von Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors, indem eine ge-zielt ausgelegte Bogenfeder die Riemen-scheibe von der Kurbelwelle schwingungs-technisch trennt. Der RSE wird direkt auf der Kurbelwelle montiert. Er beinhaltet in der Regel zusätzlich einen Torsionsschwin-gungsdämpfer, der nötig ist, um die Eigen-schwingungen der Kurbelwelle im oberen Drehzahlbereich auf ein für die Dauerhalt-barkeit und den Akustikkomfort zulässiges Maß zu begrenzen (Bild 14).

20 30 40 50 60 70 80500

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1.500

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wel

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min

-1

Dre

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l Kur

bel

wel

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min

-1

Zeit in sZeit in s1.479,0 1.480,0 1.481,0 1.482,0

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750

800

850

900

Drehzahl E-MaschineDrehzahl Kurbelwelle

Bild 11 Entkoppelungswirkung des Spannsystems

KWAC

E

Bild 12 Layout des Riementriebs

0

1

2

3

4

5

1.000 2.000 3.000 4.000

Motordrehzahl in min-1

Win

kela

mp

litud

e in

°

Wirkung Riemen-Scheibenentkoppler

WirkungEntkopplungsspanner

Kurbelwelle 2,0 l DieselmotorKurbelwelle 1,6 l DieselmotorRS-EntkopplerRiemen-Starter-Generator

Bild 13 Motordynamik der Beispielanwendung

Torsions-schwingungsdämpfer

Riemenscheibe

Bogenfedern

Anbindung an die Kurbelwelle

Bild 14 Übersicht: Aufbau des Riemenscheiben-entkopplers

492 49333Riementriebssysteme

Die Riemenscheibe wird von den Schwingun-gen der Kurbelwelle entkoppelt. Dazu werden – wie bei einem Zweimassenschwungrad – Bogenfedern verwendet, die in einem Stahl-kanal liegen. Von der Kurbelwelle wird das Drehmoment über einen Flansch auf die Bo-genfedern übertragen, die sich an Anschlä-gen an der Riemenscheibe abstützen. Die Torsionskennlinie des Bauteils kann durch die Auswahl und Kombination der verwendeten Federn flexibel beeinflusst werden. Die Funk-tion des Systems mit Riemenscheibenent-koppler wird in Bild 15 dargestellt.

Die Darstellung der Funktion ist analog zu Bild 7 mit Motordrehzahl, Fahrzeugge-schwindigkeit, an der Kurbelwelle angrei-fendem Moment von Verbrennungsmotor und Riemenstartergenerator und der Achs-kraft an der Riemenstartergenerator-Riemen-scheibe für die Systemvarianten mit und ohne Riemenscheibenentkoppler.

Im Vergleich zu Entkopplern mit Elasto-merfedern, die als Feder eine Gummi-schicht verwenden, verfügen die mechani-

schen Bogenfedern über eine deutlich größere Federkapazität und ermöglichen so die Übertragung hoher Momente und Leis-tungen. Damit können auch die erhöhten Leistungsanforderungen für die Mild-Hyb-rid-Anwendung mit Riemen-Start-Stopp abgedeckt werden. Durch die Verwendung von mehreren Federstufen kann die Kennli-nie flexibel angepasst werden. Dies trägt dazu bei, Resonanzen beim Motorstart und im Fahrbetrieb zu vermeiden.

Die Auslegung des Systems ist so ge-wählt, dass Robustheitsanforderungen über die Lebensdauer optimal erfüllt werden. Die Auslegung berücksichtigt dabei: – je nach Anwendung mehr als eine Milli-

on Motorstarts durch Segel- und Start-Stopp-Betrieb,

– eine konstante Funktion des RSE über den Temperaturbereich des Motors und die Fahrzeuglebensdauer sowie

– eine Entkopplung des Riementriebs über den Funktionsbereich von Motor und Generator.

Klimatisierung des Fahrzeug-innenraums bei stehendem Verbrennungsmotor

Mit steigender Hybridisierung des Fahr-zeugs wird der Zeitraum, in dem der Ver-brennungsmotor läuft, immer kürzer. Dieser Effekt zeigt sich bereits an der Be-trachtung des WLTP-Zyklus bei Berück-sichtigung von Segel- und Start-Stopp-Betrieb und ist je nach Fahrprofil gerade für Fahrten im Innenstadtbereich sehr ausge-prägt (Bild 16).

Um eine Klimatisierung des Innenraums auch ohne Betrieb des Verbrennungsmo-tors zu ermöglichen, können unter anderem ein Latentwärmespeicher in der Klimaanla-ge, ein elektrischer Klimakompressor oder ein über den Startergenerator angetriebe-ner, im normalen Riementrieb liegender mechanischer Klimakompressor eingesetzt werden.

Latentwärmespeicher halten die Klima-funktion über einen eingebauten Wärme-speicher vor und sind verschiedenen Ein-schränkungen hinsichtlich der maximal speicherbaren Energie unterworfen. Sie er-fordern ein regelmäßiges Aufladen durch Betrieb des Verbrennungsmotors. Im Gegen-

satz dazu ermöglichen elektrische Klima-kompressoren oder Klimakompressoren, die über den Startergenerator angetrieben werden, längere Phasen ohne Betrieb des Verbrennungsmotors.

Der elektrische Klimakompressor erfor-dert jedoch einen zusätzlichen Elektromo-tor und reduziert den Wirkungsgrad des Klimakompressors bei laufendem Verbren-nungsmotor, da auch in diesem Zustand Verluste durch die Übertragung der Klima-kompressor-Antriebsleistung über das elek-trische Netz entstehen.

Als Alternative zu einem zusätzlichen Elektromotor kann für den Antrieb des Kli-makompressors bei stehendem Verbren-nungsmotor auch auf den vorhandenen Riemen-Starter-Generator zurückgegriffen werden, wenn der Riementrieb vom Ver-brennungsmotor abgekoppelt werden kann.

Dazu wird eine Kupplung in der Kurbel-wellenriemenscheibe benötigt. Ungeachtet dieser Komfortfunktion ist wie im konventio-nellen Riementrieb eine Entkopplung nötig. Die Entkopplung wird in dem von Schaeffler umgesetzten schaltbaren Riemenscheiben-entkoppler (RSES) zusätzlich dafür genutzt, um die dynamischen Drehmomente, die auf die Trennkupplung wirken, stark zu reduzie-ren. Dadurch wird ein einwandfreier Betrieb sichergestellt.

ohne Riemenscheibenentkopplermit Riemenscheibenentkoppler

Ach

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Mom

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rehz

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Verbrennungsmotor Riemen-Starter-Generator

Motordrehzahl Fahrzeuggeschwindigkeit

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2.000

020406080100km/h

-100

0

100

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0

1.000

2.000

3.000

1.020 1.040 1.060 1.080 1.100 s

Bild 15 Funktion des Riementriebs mit Riemenscheibenentkoppler

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Segelbetrieb möglichFahrzeug steht

Bild 16 Beispielanwendung im WLTP-Zyklus

494 49533Riementriebssysteme

Der schaltbare Riemenscheibenentkoppler (RSES) wird direkt auf der Kurbelwelle montiert (Bild 17). Analog zum normalen RSE verfügt er über einen Torsionsschwingungs-dämpfer zur Reduzierung der Drehschwin-gungen der Kurbelwelle und über Bogenfe-dern zur Entkopplung des Riementriebs von den Drehungleichförmigkeiten durch den Ver-brennungsprozess. Das bedeutet, alle Vorteile des konventionellen Riemenscheibenentkopp-lers bleiben weiterhin erhalten. Zwischen Bogenfedern und Riemenscheibe wird zu-sätzlich eine Kupplungseinheit integriert.

Der Riementrieb kann nun während des Motorstopps frei gedreht werden, indem der Drehmomentfluss zur Kurbelwelle über die Kupplungseinheit getrennt wird. Der mecha-nische Klimakompressor kann somit trotz des Stopp-Betriebs des Verbrennungsmo-tors autark betrieben werden. Für den Wie-derstart wird der Riementrieb wieder über die Kupplungseinheit mit der Kurbelwelle verbunden. Im normalen Fahrbetrieb kön-nen sowohl Boost- als auch Rekuperations-momente übertragen werden.

Die Kupplungseinheit kann in den existie-renden Bauraum des RSE integriert werden – es ergibt sich ein kompakter Aufbau mit geringem Gewicht.

Bild 18 zeigt die Funktion des RSES an-hand von einzelnen Punkten im WLTP-Zyklus für die Beispielanwendung. Durch die Ab-kupplung des Riementriebs wird ein Betrieb der Klimaanlage auch bei Stillstand des Mo-tors möglich. Bei laufendem Verbrennungs-motor wird der Riementrieb durch die Kur-belwellenentkopplung entkoppelt.

Neben der durch die Kurbelwellen-entkopplung für den Riementrieb entste-henden Vorteile, wie Reduzierung von dynamischen Lasten und Reibleistungs-reduzierung durch eine Absenkung der Riemenvorspannung, ergeben sich durch die Schaltfunktion weitere Vorteile. Der Klimakomfort bleibt während Motorstopp und Segelbetrieb erhalten – damit ergibt sich auch ein weiterer CO2-Vorteil durch eine mögliche Verlängerung der Stopp-Phasen.

Zusammenfassung und Ausblick

Gegenüber dem Stand von vor vier Jahren [1] haben Systeme mit Riemen-Starter-Ge-nerator bei der Riementriebentwicklung an Bedeutung gewonnen. Dies ist vor allem durch die Entwicklung von 48-V-Mild-Hy-brid-Systemen begründet.

Mild-Hybrid-Systeme können zu einer Ver-besserung von Fahrdynamik und Verbrauch beitragen. Damit einher gehen jedoch auch neue Anforderungen für die Auslegung im Riementrieb. Entkopplungsspanner und Riemenscheibenentkoppler, unabhängig ob schaltbar oder nicht, erweitern nicht nur die bisherige Schaeffler-Produktpalette für den Riementrieb (Bild 19). Die Innovationen er-gänzen auch die Auslegungsmöglichkeiten für Mild-Hybrid-Systeme mit einem Riemen-Starter-Generator.

0

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m/h Stopp Fahrt

MotorKlimaanlage

Bild 18 Funktion des RSES im Fahr- und Standklimabetrieb

Riemenscheiben-entkoppler schaltbar

Betätigungseinheit

Bild 17 Aufbau des schaltbaren Riemenscheiben-entkopplers

Spann-/Umlenkrollen

mechanische Riemenspanner

hydraulische Riemenspanner

Generatorfreilauf (OAP)

Riemen von ContiTech

Wasserpumpenlager Riemenscheibenentkoppler

schaltbarerRiemenscheibenentkoppler

Entkopplungsspanner

Bild 19 Überblick über das Schaeffler-Produktportfolio für den Riementrieb

496 49733Riementriebssysteme

Nachdem erste Systeme mit Riemenstarter im 12-V-System bereits auf dem Markt sind, folgen die Neuentwicklungen der Erwartung, dass sich die Bedeutung von Riemen-Starter-Generatoren durch den Wechsel hin zu 48-V-Mild-Hybrid-Systemen in den nächsten Jahren deutlich vergrößern wird und diese – ergänzend zum konventio-nellen Riementrieb – in der Zukunft eine er-weiterte Rolle spielen. Je nach Motorklasse ergeben sich unterschiedlich stark gestie-gene Anforderungen für die Riementrieb-auslegung. Diese können mit den Produk-ten von Schaeffler individuell erfüllt werden – von der Schwingungsberuhigung über den Entkopplungsspanner bis hin zum komplett entkoppelten Riementrieb mit Standklima-Funktion durch den schaltba-ren Riemenscheibenentkoppler.

Schaeffler setzt bei der Entwicklung des Riementriebs auf einen Systemansatz, bei dem die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten untereinander im Gesamt-system berücksichtigt werden. Mit den er-höhten Anforderungen nimmt dies an Be-deutung zu. Deshalb wird die Entwicklung von Riementrieben in Zukunft die Wechsel-wirkungen mit dem Gesamtsystem Fahr-zeug noch stärker als bisher beachten. Die-se Gesamtsystembetrachtung umfasst die Wechselwirkungen der einzelnen Kompo-nenten und die Nutzung über die Fahrzeug-lebensdauer. Während bislang die Systeme auf einzelne Betriebspunkte hin ausgelegt wurden, verschiebt sich durch die erhöhten Wechselwirkungen der Fokus auf die Be-rücksichtigung von kompletten Fahrten und die Nutzung des Fahrzeugs durch verschie-

dene Fahrer über die Fahrzeuglebensdauer. Durch das ausgeprägte Schaeffler-Know-how können Wechselwirkungen im Gesamt-system bei der Entwicklung mit einbezogen werden. Für den Fahrzeughersteller ergibt sich aus diesem Vorgehen von Schaeffler der Vorteil, dass bei der Riementriebent-wicklung die Auslegung der einzelnen Komponenten optimal aufeinander abge-stimmt werden kann.

Literaturverzeichnis

[1] Stief, H.; Pflug R.; Schmidt, T.; Fechler, C.: Riementriebsysteme, 9. Schaeffler Kolloquium, 2010, S. 265-277

[2] Bonkowski, M.; Bogner, M.: Der riemen-getriebene Startergenerator (RSG) als aktuelle Herausforderung für eine funktionsoptimierte Riementrieb-Systementwicklung. VDI- Umschlingungsgetriebe, 2003

[3] Tutuianu, M.; Marotta, A.; Steven, H.; Ericsson, E.; Haniu, T.; Ichikawa, N.; Ishii, H.: Development of a Worldwide harmonized Light duty driving Test Procedure (WLTP) - Draft Technical Re-port

[4] Hackmann, W.; Klein, B.; Götte, C.; Schmid, R.; Pujol, F.: 48 V – The Way to a High Volume Electrification. 22nd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, 2013

[5] Uhl, M.; Wüst, M.; Christ, A.; Pörtner, N.; Trofimov, A.: Electrified Powertrain at 48 V – More than CO2 and Comfort. 22nd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, 2013