Aufbruch zu 48-V-Riementriebssystemen

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1 Aufbruch zu 48-V-Riementriebssystemen Neue Spanner- und Entkopplerlösungen für riemengetriebene Mild-Hybrid-Systeme N O D H I O E A S M I O u e n l O A N G A D F J G I O J E R U I N K O P J E W L S P N Z A D F T O I E O H O I O O A N G A D F J G I O J E R U I N K O P O A N G A D F J G I O J E R O I E U G I A F E D O N G I U A m u H I O G D N O I E R N G M D S A U K Z Q I N K J S L O G D W O I A D U I G I r z H I O G D N O I E R N G M D S A U K n m H I O G D N O I E R N G E H X D B P O R U T E T M B C Y N V X A D G J L K H E S Y S C B M B C Y N V X A D G J F E F B S A T B G P D r D D L R a E F B A F V N K F N K R E W S P D L R n E F B A F V N K F N U D M G R D C K G R D C K D i B D L d B E u B A F V N K F N K R E W S P L O C Y Q D M F E F B S A T B G P D B D D L R B E z B A F V r K F N K R E W S P z L R B E o B A F V N K F N A A t R U A N D V N G I U o h E H X D B P O R U T E T M B C Y N V X A D G J L K H E S Y S C B M B C Andreas Y N V XStuffer A D G J O G D N p I E R N G M D S A U K Z Q H I O G D N w I E R N G M D A m O G I A t R s W o e U A R N H I O G D N O I p R N G M D S A U K Z Q I N K J S L W O Q T V I E P Daniel N z RHeinrich A U A H I r G D N O I q R N G M D S A 33 U K Z Q H I O G D N O I y R N G M D E K J S V C E S p P L D C K I O P M N E S W L N C a W Z Y K F E Q L O P N G S A Y B G D S W L Z U K Christian O G I KHauck C K P M N E S W L N C u W Z Y K F E Q L O P P M N E S W L N C t W Z Y K M O T J Q Y A H a N L S Q O M G D N V U S G R V L G R a K G E C L Z E M S A C I T P M O S G R U C Z Timo G Z Schmidt M O Q O D N V U S G R V L G R m K G E C L Z E M D N V U S G R V L G R x K G T N U L O P M S n B S X I N G R E E O M N Y A Z T E F N a X J R C N I F Z K M N D A B O N Y A M E C Hermann R J G NStief I N E E O M N Y A Z T E W N l X J R C N I F E E O M N Y A Z T E W N y X D C O E G B r O n B M N V C S E Y L i N E W C L V V V H N V u a J K U V X E S Y M N R E E W C L O M E P S C V C Y L i N E W C L V V F H N V o a J K U V Y L i N E W C L V V F H N V J Y I A N D i N r I C W Q Y J A O B R n L N F X T J G L D Q F H B v t G U P W Q V Z E S L N F A M U A N J Y Q Y O B R n L N F X T J O L D Q F H B w n G O B R n L N F X T J O L D Q K P E A N D e N o e U N O P L M Q A Y C B E F V B N C T E N A O D F E C K t a C T S V Q D E F B N I M B L P O P Q A Y C B E F V B N R T E N A O D F E C Q A Y C B E F V B N R T E N Z B P K O I m G L D D E G B E Q P M N E S W L N C a P Z Y K F E Q L O P N G F G r g H N W E D W C Y Q B E B G B A Y X S W A D C B P L M I J N T B G H U A Y X S W A D C B P L M I J T N E O G N e Z L S C V B N H Z U I O P L K U H G F T S A C V B O F E T Z H N A X C F t j K J Z M H Z D H N B N U I O P L K U H G F D S A C V B O F E T U I O P L K U H G F D S A C C R O S P a n n e r U Z T R E W Q H G F D L G E N D R R T C A S N I N R O A X E V E D K D L a g Q S W I E R T R Q H G F D L G E N D E R T C A S N I N R Q H G F D L G E N D E R T C B E F C E S s P M N O K H E S C B U P S K U P P L U Y G S G E B E R Z Y L I N D E R Z N U B F I M b C H S E H 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2 482 Riementriebssysteme Einleitung Der Markt für Riementriebe ist in Bewegung geraten. Noch beim Schaeffler Kolloquium 21 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 Motorstarts zu unterstützen und bieten so Vorteile für Verbrauch und Funktion des Motors. 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 milde Hybridisierung des Antriebs zu vertretbaren Kosten. Durch erweiterte Funktionen 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 Übertragung immer höherer Leistungen und Drehmomente eine zunehmende dynamische Belastung. Gleichzeitig nimmt der Eintrag von Schwingungen in den Riementrieb zu, da immer häufiger Motoren 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 entsprechender Gestaltung auch die Schwingung zu reduzieren. Konventionelle Riementriebe und Riemenstarter- Anwendungen Die Nebenaggregate werden bei modernen Verbrennungsmotoren nahezu ausschließlich über Keilrippenriemen angetrieben. Dabei müssen die Riementriebe und ihre automatischen Spannsysteme folgende Anforderungen erfüllen: automatische Einstellung der Riemenkraft bei Erstmontage und Service (Toleranzausgleich aller Triebkomponenten), nahezu konstante Riemenkraft über die gesamte Lebensdauer des Riementriebs (Ausgleich von Riemenlängung und -verschleiß), nahezu konstante Riemenkraft über den gesamten Motortemperaturbereich (Ausgleich der Wärmeausdehnung aller den Trieb beeinflussenden Bauteile), Abbau von dynamischen Kraftspitzen im Riementrieb, Minimierung von Schlupf, Geräusch und Riemenverschleiß, Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Riementriebsystems, optimale Zuverlässigkeit des gesamten Riementriebsystems, Minimierung der Reibleistungsverluste im Gesamtsystem. Moderne, optimal im Gesamtsystem abgestimmte Nebenaggregatetriebe sind wartungsfrei und erreichen Laufleistungen von über 24. km. Für die Auslegung des Aggregatetriebs bietet Schaeffler eine Vielzahl von Produkten an. Mechanische und hydraulische Riemenspanner liefern eine nahezu konstante Riemenkraft über Toleranzen, Lebensdauer und Temperaturbereich des Generatorfreilauf (OAP) Bild 1 Wasserpumpenlager Riemenscheibenentkoppler Riemen von ContiTech Schaeffler-Produktportfolio für den Riementrieb Mechanische Riemenspanner Hydraulische Riemenspanner Umlenk- und Spannrollen Motors hinweg sowie eine Dämpfung von Schwingungen im Riementrieb. Eine zusätzliche Schwingungsdämpfung und -entkopplung kann über die Verwendung von Entkopplungselementen erreicht werden. Dafür sind bei Schaeffler seit 1996 der OAP (Overrunning Alternator Pulley) als Freilaufriemenscheibe am Generator und seit 213 der Riemenscheibenentkoppler als mechanische Entkopplung an der Kurbelwelle in Serie. Neben Einzelkomponenten bietet Schaeffler auch die Systementwicklung für den kompletten Riementrieb gemeinsam mit ContiTech an (Bild 1). Die Funktion konventioneller Riementriebe ist dadurch geprägt, dass sich die Nebenaggregate im Lastbetrieb befinden, die Leistung also immer vom Motor zum Riementrieb übertragen wird. Im Gegensatz dazu wird bei Anwendungen mit die Leistung in einigen Betriebspunkten vom Generator hin zum Motor übertragen (Generatorstart und Boostbetrieb). Bei klassischen Riementrieben sind Spanner mit mechanischer und hydraulischer Dämpfeinheit gebräuchlich. Zusätzlich wird oft ein Freilauf am Generator eingesetzt, der schnelle Drehmomentwechsel bei Schwingungen glättet und so die Dynamik reduziert. Diese Möglichkeit entfällt für Systeme mit, weil das Drehmoment in beide Richtungen übertragen werden muss, wodurch die Dynamik im Riementrieb insgesamt deutlich kritischer ist. Für den Start über den Riemen wird eine erweiterte Riemenspannfunktion benötigt, um eine Drehmomentenübertragung im Riementrieb in beiden Richtungen zu ermöglichen. Diese Funktion wird in Bild 2 anhand von zwei mechanischen Riemenspannern dargestellt.

3 484 Riementriebssysteme Start des Verbrennungsmotors bzw. Boostbetrieb Der Generator treibt den Motor an Rekuperations- und Lastbetrieb Der Motor treibt den Generator an Standard Nebenaggregatetrieb Vorspannung bereitstellen Ausgleich von Toleranzen Micro-Hybrid 12 V Vorspannung bereitstellen Ausgleich von Toleranzen Mild-Hybrid 48 V Vorspannung bereitstellen Ausgleich von Toleranzen Hybrid > 48 V Vorspannung bereitstellen Ausgleich von Toleranzen Change of Mind Komfort Start-Stopp Change of Mind Komfort Start-Stopp Change of Mind Komfort Start-Stopp Zugtrum Generator Leertrum Leertrum Zugtrum Energie- Elektr. Leistung Rückgewinnung < 5 kw Energie- Elektr. Leistung Rückgewinnung < 12 kw Boosten Lastpunktanhebung Energie- Elektr. Leistung Rückgewinnung > 12 kw Lastpunktanhebung Boosten Riemenspanner Anfahrhilfe Anfahrhilfe Elektr. Fahren Riementriebsysteme Kurbelwelle Riemen Klimaanlage Komplexität / Funktionsvielfalt Bild 2 Belastung des Riementriebs in Boost- und Lastrichtung Bild 3 Funktionen verschiedener Hybridstufen Beim Antrieb des Motors durch den Generator beim Riemenstart oder beim Boostbetrieb wird die Kraft über das obere Trum übertragen (links als Zugtrum gekennzeichnet). Für den Lastbetrieb des Generators (zum Beispiel bei Rekuperation) wird ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf den Generator übertragen (rechtes Riementrum, im Bild rechts als Zugtrum gekennzeichnet). Die Aufgabe des Spannersystems lautet dabei, die Vorspannung im Gesamtsystem zu halten und zu verhindern, dass im Leertrum die Riemenkraft abfällt. Schon Anfang der 2er-Jahre wurden Riemenstarter-Anwendungen sehr intensiv untersucht [2]. Durch die Begrenzung der Leistung im 12-V-Bordnetz und die ungewohnt problematische Schwingungsisolation gestaltete sich die Entwicklung jedoch schwierig. Citroën brachte 25 als erster Hersteller eine Anwendung mit Riemen-Startergenerator in Serie. Seit 211 ist eine neue Generation von en mit deutlich erweiterten Funktionen in der Entwicklung. Ermöglicht wird dies durch die Verwendung eines 48-V-Bordnetzes, das Leistungen 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 erhöhte Kapazität des 48-V-Netzes ermöglicht zusätzliche Funktionen für den Riemenstarter, die in Bild 3 dargestellt werden. Die Erweiterung des Bordnetzes auf 48 V in Kombination mit einem Riemen- Starter-Generator wird dabei im Allgemeinen als Mild-Hybrid bezeichnet, der sich von Funktion und Kosten zwischen dem bisherigen 12-V-Bordnetz und dem Vollhybrid mit Hochvolt-Spannungsversorgung einordnet. Durch die höhere Leistungsübertragung über den Riemen entstehen neue Herausforderungen für die Auslegung des Riementriebs. Dies zeigt das folgende Anwendungsbeispiel, ein Mild-Hybrid in einem 1,6-l-Vierzylinder-Benzinmotor mit 13 kw Leistung und einem Drehmoment von 26 Nm in einem Mittelklassefahrzeug (1.4 kg Leergewicht) mit einem Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe. Für das Ausgangssystem wird ein Riementrieb mit Klimaanlage und 18-A-Generator angenommen. Diese Technologiekombination 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, Moment am Generator in Nm Bild 4 Motorbetrieb Generatorischer Betrieb Betriebsbereich des Generators Drehzahl Generator in min V- konventioneller 12-V-Generator Betriebsbereich für einen konventionellen 12-V-Generator und einen 48-V-Riemen- Starter-Generator wird jedoch durch einen 48-V-Riemen- Starter-Generator ersetzt. Dadurch entsteht auch der Bedarf für eine Anpassung des Riementriebs. Der mögliche Betriebsbereich 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 harmonized Light Test Procedure) zurückgegriffen [3] (Bild 5). In der Abbildung wird die Leistung von Verbrennungsmotor und 48-V-Riemenstarter-Generator für die Beispielanwendung dargestellt. Am Signal der Generatorleistung sind gut die Bereiche mit Rekuperation (negativer Leistungsbereich) und Boostbetrieb (positiver Leistungsbereich) erkennbar. Das Mild-Hybrid-System bietet die Vorteile: Boostbetrieb, Rekuperation, schnellere und komfortablere Motorstarts über den Generator sowie elektrisches Fahren bei niedrigen Geschwindigkeiten (z. B. als Komfortfunktion bei Stop-and-Go-Betrieb oder zur Abgasvermeidung in Tiefgaragen).

4 486 Riementriebssysteme Geschwindigkeit in km/h Leistung in kw Leistung für die Beispielanwendung mit 48-V-: s Verbrennungsmotor 48-V-Generator Bild 5 WLTP-Fahrprofil nach [3] Im Gegensatz zum Vollhybrid ist beim Mild- Hybrid der elektrische Motor als Riemen- Starter-Generator an den Verbrennungsmotor gekoppelt. Rekuperation und elektrisches Fahren sind nur bei drehendem Verbrennungsmotor möglich die Motorreibung muss also überwunden werden und reduziert die effektiv zur Verfügung stehende Leistung. Damit kann der Verbrennungsmotor in Betriebspunkten mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden, wodurch sich in Kombination mit der Bremsenergierückgewinnung 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 komfortable Startfunktion, die Unterstützung des Motors durch den Boostbetrieb und die Möglichkeit zu elektrischem Anfahren im Stop-and-Go-Betrieb. Auslegung des Riemenspanners beim Mild-Hybrid mit Im Gesamtsystem bietet der Mild-Hybrid bezüglich Fahrdynamik und Verbrauch einen nennenswerten Vorteil, der durch die Unterstützung des Verbrennungsmotors über den 48-V- realisiert wird. Dies erfordert eine geeignete Drehmomentenübertragung im Riementrieb, die sich von den Spanner- und Dämpferlösungen für den konventionellen Riementrieb unterscheidet. Über die bereits genannte Lösung mit zwei Einzelspannern hinaus sind weitere Spannersysteme denkbar, die in Bild 6 bezüglich der Anforderungen gegenübergestellt sind. Von der klassischen Lösung mit zwei mechanischen Riemenspannern sind bereits einige wenige Systeme in Kombination Startfunktion (Generatorstart) Lastbetrieb Packaging Kosten + -- Transienter Betrieb Bild 6 zwei mechanische Spanner mechanischer + hydraulischer Spanner Im Folgenden betrachtete Spannervarianten hydraulischer Spanner im Lastraum Aufbau von verschiedenen Spannsystemlösungen für den Riementrieb Generatorspanner hydraulischer Spanner im Leertrum mit 12-V-Systemen in Serienproduktion. Ein alternativer Aufbau benötigt nur einen Spanner, der allerdings um die Generatordrehachse schwenken kann. Ein solcher, so genannter 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 Rekuperationsbetrieb kommt. Zum Beginn des dargestellten Bereichs findet zudem ein Generatorstart statt. In dem oberen Diagramm werden Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit dargestellt. Am Motorsignal sind die Schaltwechsel des Doppelkupplungsgetriebes und die Ungleichförmigkeit des Motors durch die Motorzündung gut erkennbar. Über das in der Mitte dargestellte Moment von Verbrennungsmotor und (auf die Motorübersetzung umgerechnet) ist der Betriebszustand des Fahrzeugs gut erkennbar. Ein positives Moment am zeigt Boostbetrieb an, negative Ausschläge zeigen ein Abbremsen des Fahrzeugs mit Rekuperation an. Zur Bewertung der Dynamik im Riementrieb wird die Achskraft an der Riemenscheibe des s dargestellt. Für das System mit zwei mechanischen Riemenspannern sind deutlich höhere dynamische Belastungen erkennbar. Der Bereich des maximal übertragbaren Moments ist jedoch begrenzt, da die beiden Spanner die Vorspannung im Riementrieb nicht vollständig halten können. Wenn die Spanner so abgestimmt werden, dass das Moment für den Generatorstart voll übertragen werden kann, ergibt sich eine Begrenzung des maximal möglichen Rekuperationsmoments. Bei Rekuperation rutscht in diesem Beispiel der Riemen ab einem Generatorlastmoment von etwa 3 Nm durch. In Summe zeigen diese Erkenntnisse, dass der klassische Auslegungsansatz über zwei mechanische Spanner den gestiegenen Anforderungen nicht gewachsen ist. Der Riementrieb ist schlicht überlastet.

5 488 Riementriebssysteme Achskraft RSG in N Moment in Nm Drehzahl in min -1 Bild 7 Im Gegensatz dazu hat ein um den Generator deutliche Vorteile. Das bessere Halten der Vorspannkraft im Leertrum zählt dazu ebenso, wie Gehäuse Spannrollen Bild s Motordrehzahl Fahrzeuggeschwindigkeit Hebelarme Übersicht: Aufbau des s Verbrennungsmotor Funktion des Riementriebsystems im WLTP-Zyklus km/h zwei mechanische Spanner System mit deutlich geringere dynamische Lasten im Riementrieb durch die Motoranregung. Über die Einführung eines solchen s wird die Dynamik im Riementrieb beherrschbar und die Funktionsvorteile durch das Mild-Hybrid-System sind voll realisierbar. Diesen Anforderungen entspricht ein von Schaeffler neu entwickelter, der in Bild 8 dargestellt wird. Der Spanner besteht aus einem Gehäuse, das über ein Gleitlager direkt an der E- Maschine angebunden ist und sich 36 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 Spannrolle die notwendige Riemenvorspannkraft und sie gleicht Toleranzen im Riementrieb aus (Bild 9). Bild 9 KW Trieb bei Motorstillstand Je nachdem, ob an der E-Maschine Lastmoment anliegt (generatorischer Betrieb oder Rekuperation) oder ob sie Drehmoment erzeugt (Riemenstart, Boosten), entsteht entweder im rechten oder im linken Riementrum das Zugtrum und auf der jeweiligen anderen Seite das Leertrum. Durch lungsspanner E AC KW Trieb während RSG-Start Funktion des s, Generatorstart mit Entkopp- Trumkraft F 1 KW E AC Trumkräfte F 1 /F 2 bei Motorstillstand Trumkraft F 2 Trumkraft N N 324 N 164 N Startfall E AC eine entsprechende Pendelbewegung des Gesamtspanners um die E-Maschinenachse wird im Zugtrum der Spanner aus dem Trieb herausgedrückt und die jeweils andere Spannrolle spannt über die geometrische Anbindung automatisch das Leertrum nach, wird also in den Trieb hineingedrückt. Bei einer Lösung mit zwei voneinander unabhängigen Spannern besteht diese geometrische Bindung nicht, was dazu führt, dass der Leertrumspanner vom Zugtrumspanner keine zusätzliche Unterstützung zum Spannen des Leertrums erfährt (Bild 1). Trumkraft F 1 Bild 1 Vergleich der Leertrumriemenspannungen bei Motorstart getrennte Spanner Trumkraft F 1 Spannerweg (Winkel) Trumkraft F 2 getrennte Spanner Trumkraft F 2

6 49 Riementriebssysteme Drehzahl Kurbelwelle in min Zeit in s Drehzahl E-Maschine Drehzahl Kurbelwelle Bild 11 Entkoppelungswirkung des Spannsystems Im Bild 11 ist deutlich die zusätzliche Entkopplungswirkung des Spannsystems zu erkennen: Von der in den Trieb eingeleiteten Drehungleichförmigkeit des Verbrenners (grau) kommt durch die Pendelbewegung des s nur noch ein geringer Teil (grün) an der E-Maschinenwelle an. Diese Entkopplungswirkung reicht für viele Riementriebe mit aus. Aufgrund steigender Drehungleichförmigkeiten als Folge immer kleinerer Motoren mit höherer spezifischer Leistung KW Bild 12 Layout des Riementriebs E AC Drehzahl Kurbelwelle in min , 1.48, 1.481, 1.482, Zeit in s und verringerter Zylinderanzahl kann jedoch der Einsatz weiterführender Entkopplungsmaßnahmen erforderlich sein. Riemenstarter-Systeme mit Kurbelwellenentkopplung Winkelamplitude in Wirkung Riemen- Scheibenentkoppler Wirkung Motordrehzahl in min -1 Kurbelwelle 2, l Dieselmotor Kurbelwelle 1,6 l Dieselmotor RS-Entkoppler Bild 13 Motordynamik der Beispielanwendung Bei der Leistungsübertragung zwischen und Motor bewirkt der durch seine Gestaltung automatisch eine Beruhigung der Schwingungen im Riementrieb. Diese Funktion ist abhängig vom Layout des Riementriebs und der Position der Aggregate sowie von der Anregung des Verbrennungsmotors. Das Beispiel eines Mild-Hybrid-Antriebs mit einem hoch aufgeladenen 2-l-Vierzylinder-Dieselmotor (47 Nm Motormoment, 14 kw Motorleistung, in einem mittleren Oberklasse-Fahrzeug mit Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe) zeigt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Entkopplung des Riementriebs durch einen Kurbelwellenentkoppler. Bild 12 zeigt das Layout mit einer hier angenommenen, bauraumbedingten Geometrieeinschränkung, die eine zusätzliche Umlenkrolle im Riementrieb erfordert und dadurch den Arbeitsbereich des s begrenzt. In Bild 13 wird der Schwingwinkel des Motors am vorderen Kurbelwellenende über der Drehzahl des Motors dargestellt. Dabei hat dieser Motor eine deutlich größere Anregung des Riementriebs über die Kurbelwelle als der 1,6-l-Benzinmotor-Anwendung aus dem ersten Teil dieses Beitrags. Die im Vergleich gestiegene Ungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors regt den Riementrieb zu höheren Schwingungen an, die nicht mehr alleine durch einen beherrscht werden können. Zur Schwingungsreduzierung muss daher eine direkte Entkopplung an der Kurbelwelle über eine entkoppelte Riemenscheibe verwendet werden (gestrichelte Linie). Durch die Kurbelwellenentkopplung wird die Dynamik im Riementrieb auf ein akzeptables Maß reduziert. Ob eine Kurbelwellenentkopplung für einen Riementrieb benötigt wird, ist abhängig von den Randbedingungen wie Kurbelwellenanregung, Riementrieblayout und Aggregatelasten. Die maßgeblichen Kriterien für eine Entkopplung auf der Kurbelwelle sind dabei: die Entkopplung des Riementriebs im Fahrbereich und die Übertragung des Generatormoments bei Generatorstart, Boost- und Rekuperationsbetrieb. Diese Anforderungen können mit dem LuK-Riemenscheibenentkoppler (RSE) abgedeckt werden. Dieser entkoppelt den Riementrieb von Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors, indem eine gezielt ausgelegte Bogenfeder die Riemenscheibe von der Kurbelwelle schwingungstechnisch trennt. Der RSE wird direkt auf der Kurbelwelle montiert. Er beinhaltet in der Regel zusätzlich einen Torsionsschwingungsdämpfer, der nötig ist, um die Eigenschwingungen der Kurbelwelle im oberen Drehzahlbereich auf ein für die Dauerhaltbarkeit und den Akustikkomfort zulässiges Maß zu begrenzen (Bild 14). Bogenfedern Anbindung an die Kurbelwelle Torsionsschwingungsdämpfer Riemenscheibe Bild 14 Übersicht: Aufbau des Riemenscheibenentkopplers

7 492 Riementriebssysteme Achskraft RSG in N Moment in Nm Drehzahl in min s Motordrehzahl Fahrzeuggeschwindigkeit Verbrennungsmotor Bild 15 Funktion des Riementriebs mit Riemenscheibenentkoppler km/h ohne Riemenscheibenentkoppler mit Riemenscheibenentkoppler Die Riemenscheibe wird von den Schwingungen der Kurbelwelle entkoppelt. Dazu werden wie bei einem Zweimassenschwungrad Bogenfedern verwendet, die in einem Stahlkanal liegen. Von der Kurbelwelle wird das Drehmoment über einen Flansch auf die Bogenfedern übertragen, die sich an Anschlägen an der Riemenscheibe abstützen. Die Torsionskennlinie des Bauteils kann durch die Auswahl und Kombination der verwendeten Federn flexibel beeinflusst werden. Die Funktion des Systems mit Riemenscheibenentkoppler wird in Bild 15 dargestellt. Die Darstellung der Funktion ist analog zu Bild 7 mit Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit, an der Kurbelwelle angreifendem Moment von Verbrennungsmotor und Riemenstartergenerator und der Achskraft an der Riemenstartergenerator-Riemenscheibe für die Systemvarianten mit und ohne Riemenscheibenentkoppler. Im Vergleich zu Entkopplern mit Elastomerfedern, die als Feder eine Gummischicht verwenden, verfügen die mechanischen Bogenfedern über eine deutlich größere Federkapazität und ermöglichen so die Übertragung hoher Momente und Leistungen. Damit können auch die erhöhten Leistungsanforderungen für die Mild-Hybrid-Anwendung mit Riemen-Start-Stopp abgedeckt werden. Durch die Verwendung von mehreren Federstufen kann die Kennlinie flexibel angepasst werden. Dies trägt dazu bei, Resonanzen beim Motorstart und im Fahrbetrieb zu vermeiden. Die Auslegung des Systems ist so gewählt, dass Robustheitsanforderungen über die Lebensdauer optimal erfüllt werden. Die Auslegung berücksichtigt dabei: je nach Anwendung mehr als eine Million 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 Fahrzeuginnenraums bei stehendem Verbrennungsmotor Geschwindigkeit in km/h Mit steigender Hybridisierung des Fahrzeugs wird der Zeitraum, in dem der Verbrennungsmotor läuft, immer kürzer. Dieser Effekt zeigt sich bereits an der Betrachtung des WLTP-Zyklus bei Berücksichtigung von Segel- und Start-Stopp- Betrieb und ist je nach Fahrprofil gerade für Fahrten im Innenstadtbereich sehr ausgeprägt (Bild 16). Um eine Klimatisierung des Innenraums auch ohne Betrieb des Verbrennungsmotors zu ermöglichen, können unter anderem ein Latentwärmespeicher in der Klimaanlage, ein elektrischer Klimakompressor oder ein über den Startergenerator angetriebener, im normalen Riementrieb liegender mechanischer Klimakompressor eingesetzt werden. Latentwärmespeicher halten die Klimafunktion über einen eingebauten Wärmespeicher vor und sind verschiedenen Einschränkungen hinsichtlich der maximal speicherbaren Energie unterworfen. Sie erfordern ein regelmäßiges Aufladen durch Betrieb des Verbrennungsmotors. Im Gegensatz dazu ermöglichen elektrische Klimakompressoren oder Klimakompressoren, die über den Startergenerator angetrieben werden, längere Phasen ohne Betrieb des Verbrennungsmotors. Der elektrische Klimakompressor erfordert jedoch einen zusätzlichen Elektromotor und reduziert den Wirkungsgrad des Klimakompressors bei laufendem Verbrennungsmotor, da auch in diesem Zustand Verluste durch die Übertragung der Klimakompressor-Antriebsleistung über das elektrische Netz entstehen. Als Alternative zu einem zusätzlichen Elektromotor kann für den Antrieb des Klimakompressors bei stehendem Verbrennungsmotor auch auf den vorhandenen zurückgegriffen werden, wenn der Riementrieb vom Verbrennungsmotor abgekoppelt werden kann. Dazu wird eine Kupplung in der Kurbelwellenriemenscheibe benötigt. Ungeachtet dieser Komfortfunktion ist wie im konventionellen Riementrieb eine Entkopplung nötig. Die Entkopplung wird in dem von Schaeffler umgesetzten schaltbaren Riemenscheibenentkoppler (RSES) zusätzlich dafür genutzt, um die dynamischen Drehmomente, die auf die Trennkupplung wirken, stark zu reduzieren. Dadurch wird ein einwandfreier Betrieb sichergestellt s Segelbetrieb möglich Fahrzeug steht Bild 16 Beispielanwendung im WLTP-Zyklus

8 494 Riementriebssysteme Der schaltbare Riemenscheibenentkoppler (RSES) wird direkt auf der Kurbelwelle montiert (Bild 17). Analog zum normalen RSE verfügt er über einen Torsionsschwingungsdämpfer zur Reduzierung der Drehschwingungen der Kurbelwelle und über Bogenfedern zur Entkopplung des Riementriebs von den Drehungleichförmigkeiten durch den Verbrennungsprozess. Das bedeutet, alle Vorteile des konventionellen Riemenscheibenentkopplers bleiben weiterhin erhalten. Zwischen Bogenfedern und Riemenscheibe wird zusätzlich eine Kupplungseinheit integriert. Der Riementrieb kann nun während des Motorstopps frei gedreht werden, indem der Drehmomentfluss zur Kurbelwelle über die Kupplungseinheit getrennt wird. Der mechanische Klimakompressor kann somit trotz des Stopp-Betriebs des Verbrennungsmotors autark betrieben werden. Für den Wiederstart wird der Riementrieb wieder über die Kupplungseinheit mit der Kurbelwelle verbunden. Im normalen Fahrbetrieb können sowohl Boost- als auch Rekuperationsmomente übertragen werden. Drehzahl in min Betätigungseinheit Riemenscheibenentkoppler schaltbar Bild 17 Aufbau des schaltbaren Riemenscheibenentkopplers Die Kupplungseinheit kann in den existierenden Bauraum des RSE integriert werden es ergibt sich ein kompakter Aufbau mit geringem Gewicht. Bild 18 zeigt die Funktion des RSES anhand von einzelnen Punkten im WLTP-Zyklus für die Beispielanwendung. Durch die Abkupplung des Riementriebs wird ein Betrieb der Klimaanlage auch bei Stillstand des Motors möglich. Bei laufendem Verbrennungsmotor wird der Riementrieb durch die Kurbelwellenentkopplung entkoppelt. Neben der durch die Kurbelwellenentkopplung für den Riementrieb entstehenden Vorteile, wie Reduzierung von dynamischen Lasten und Reibleistungsreduzierung 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 CO 2 -Vorteil durch eine mögliche Verlängerung der Stopp- Phasen. Wasserpumpenlager Generatorfreilauf (OAP) mechanische Riemenspanner hydraulische Riemenspanner Zusammenfassung und Ausblick Gegenüber dem Stand von vor vier Jahren [1] haben Systeme mit bei der Riementriebentwicklung an Bedeutung gewonnen. Dies ist vor allem durch die Entwicklung von 48-V-Mild-Hybrid-Systemen begründet. Mild-Hybrid-Systeme können zu einer Verbesserung von Fahrdynamik und Verbrauch beitragen. Damit einher gehen jedoch auch neue Anforderungen für die Auslegung im Riementrieb. und Riemenscheibenentkoppler, unabhängig ob schaltbar oder nicht, erweitern nicht nur die bisherige Schaeffler-Produktpalette für den Riementrieb (Bild 19). Die Innovationen ergänzen auch die Auslegungsmöglichkeiten für Mild-Hybrid-Systeme mit einem Riemen- Starter-Generator. Riemenscheibenentkoppler Geschwindigkeit in km/h 2 1 Stopp Zeit in s Motor Klimaanlage Fahrt Spann-/Umlenkrollen Riemen von ContiTech schaltbarer Riemenscheibenentkoppler Bild 18 Funktion des RSES im Fahr- und Standklimabetrieb Bild 19 Überblick über das Schaeffler-Produktportfolio für den Riementrieb

9 496 Riementriebssysteme Nachdem erste Systeme mit Riemenstarter im 12-V-System bereits auf dem Markt sind, folgen die Neuentwicklungen der Erwartung, dass sich die Bedeutung von en durch den Wechsel hin zu 48-V-Mild-Hybrid-Systemen in den nächsten Jahren deutlich vergrößern wird und diese ergänzend zum konventionellen Riementrieb in der Zukunft eine erweiterte Rolle spielen. Je nach Motorklasse ergeben sich unterschiedlich stark gestiegene Anforderungen für die Riementriebauslegung. Diese können mit den Produkten von Schaeffler individuell erfüllt werden von der Schwingungsberuhigung über den bis hin zum komplett entkoppelten Riementrieb mit Standklima-Funktion durch den schaltbaren Riemenscheibenentkoppler. Schaeffler setzt bei der Entwicklung des Riementriebs auf einen Systemansatz, bei dem die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten untereinander im Gesamtsystem berücksichtigt werden. Mit den erhöhten Anforderungen nimmt dies an Bedeutung zu. Deshalb wird die Entwicklung von Riementrieben in Zukunft die Wechselwirkungen mit dem Gesamtsystem Fahrzeug noch stärker als bisher beachten. Diese Gesamtsystembetrachtung umfasst die Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten und die Nutzung über die Fahrzeuglebensdauer. Während bislang die Systeme auf einzelne Betriebspunkte hin ausgelegt wurden, verschiebt sich durch die erhöhten Wechselwirkungen der Fokus auf die Berücksichtigung von kompletten Fahrten und die Nutzung des Fahrzeugs durch verschiedene Fahrer über die Fahrzeuglebensdauer. Durch das ausgeprägte Schaeffler-Knowhow können Wechselwirkungen im Gesamtsystem bei der Entwicklung mit einbezogen werden. Für den Fahrzeughersteller ergibt sich aus diesem Vorgehen von Schaeffler der Vorteil, dass bei der Riementriebentwicklung die Auslegung der einzelnen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden kann. Literaturverzeichnis [1] Stief, H.; Pflug R.; Schmidt, T.; Fechler, C.: Riementriebsysteme, 9. Schaeffler Kolloquium, 21, S [2] Bonkowski, M.; Bogner, M.: Der riemengetriebene Startergenerator (RSG) als aktuelle Herausforderung für eine funktionsoptimierte Riementrieb-Systementwicklung. VDI- Umschlingungsgetriebe, 23 [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 Report [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, 213 [5] Uhl, M.; Wüst, M.; Christ, A.; Pörtner, N.; Trofimov, A.: Electrified Powertrain at 48 V More than CO 2 and Comfort. 22nd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, 213