CN101818683B - 转矩传递装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将驱动力矩从第一轴(10)传递到第二轴(12)的转矩传递装置，包括至少一个滚动轴承(36)，用以把该第一轴(10)同轴地支承在第二轴(12)上；和调节装置(24)，用以调节从该第一轴(10)向该第二轴(12)的转矩传递，其中该调节装置(24)设计为改变滚动轴承(36)轴向负载用的装置。

Description

转矩传递装置
技术领域
本发明涉及一种转矩传递装置。
背景技术
已知有用于将传动力矩从第一轴传递到第二轴的离合器，其中该离合器使第一轴借助于滚动轴承相对第二轴支承。该转矩传递装置例如可以是固定的或可拆卸的离合器。如果由于结构上的原因需要避免两根轴的刚性耦合时，可以采用液压转换器或摩擦离合器。特别是在采用摩擦离合器时，可以通过用于调节转矩传递的调节装置调节摩擦力矩并因而调节从第一轴向第二轴的转矩传递。
还已知的是，为了提高效率和减少内燃机的损失，将废气中的至少一部分热力学损失转换为动能，该动能例如在废气涡轮增压机中用来压缩充入的空气。
还已知的是，附加地或者作为增压涡轮的替代方案，可以在内燃机的废气部分设置废气涡轮机用来产生有用能量，并且将废气涡轮机的转矩传递到第二轴，该第二轴要么是内燃机的曲轴，要么是用负载的轴，例如发电机或空调压缩机的轴。当除涡轮增压机外还设置废气涡轮机时，该内燃机也称为废气涡轮增压内燃机。
问题是，第二轴的转动运动不与废气涡轮机的转动运动同步。在将废气涡轮机的驱动力矩传递给曲轴时，曲轴的转速以与点火冲程的频率一致的频率发生正弦波动，而同时废气涡轮机的转速不会或在任何情况下都很少以这种频率波动。因为两根轴具有不同的扭转振动，亦即，旋转速度的周期性波动，所以在这种情况下与废气涡轮机连接的第一轴和曲轴不可能刚性耦联。
发明内容
本发明所要解决的技术问题尤其在于，创造一种上述类型的坚固的转矩传递装置，其能够以小的运行成本耦联两根不同扭转振动的轴。本发明所要解决的另一技术问题在于，创造一种在广泛的运行状态下有效工作的转矩传递装置。
本发明从一种用于从第一轴向第二轴传递转矩的扭矩传递装置出发，包括至少一个滚动轴承，用于相对第二轴同轴地支承第一轴；一调节装置，用以调节从第一轴向第二轴的转矩传递。
本发明建议，该调节装置设计为用于改变滚动轴承的轴向负载的装置。通过应用滚动轴承来进行转矩传递，与应用液压或流体动力学转矩传递装置的相近的解决方案相比，可以实现非常小的油耗。因为液压或动液的转矩转换器对油的污染非常敏感，所以此外还可以改善耐用性并且能够延长寿命。因为滚动轴承装置一般刚好用于避免转矩传递，所以滚动轴承作为离合器或机械转矩转换器的可用性是出人意料的。
而已知的、针对一个工作点进行优化的液压转矩传递装置可通过按照本发明的转矩传递装置实现在广泛的运行状态下更有效、损失更小的应用。因此，尤其在设计在宽转速范围或宽负载范围运行的内燃机中使用这种类型的转矩传递装置特别有意义。
通过按照本发明的转矩传递装置可以实现在制造上以及在运行成本上的节约潜力，并且使得能够在广泛的运行条件下有效地利用通过该转矩传递装置低损失地传递的能量。
在本发明的一种扩展方案中建议，调节装置包括至少一个作用在滚动轴承的一个圈上的压力活塞。由此可以在结构上简单地且精确地调节轴向力。根据转矩传递装置的结构类型，压力可以作用在滚动轴承的外圈或者内圈上。内圈例如可以固定连接在一个可在所述压力活塞中移动的活塞上。
本发明还建议，滚动轴承具有倾斜的滚道，亦即，该滚动轴承设计为斜置轴承，例如设计为角接触球轴承或斜置滚子轴承。当垂直于滚道纵向指向的切线在滚道的顶点垂线相对于滚动轴承的旋转轴线倾斜时，滚动轴承便具有在上述意义上的倾斜滚道。例如，该滚道可以具有对数曲线状的型面。通过将滚动轴承形成为斜置轴承，可以保证由于滚动体的滑动产生的轴承摩擦与作用在该滚动轴承上的轴向力的紧密关系。通过该轴承摩擦将转矩从驱动侧轴承圈传递到输出侧轴承圈，这最后通过滚动轴承实现了转矩传递。通过将滚动轴承形成为斜置轴承，可以实现所传递的转矩与轴向力的一一对应的关系。
当滚动轴承形成为环形轴承时，亦即，当滚动面和/或滚动体具有相当于环的表面部分的型面时，可以实现磨损特别少的转矩传递装置。
通过用于操作调节装置的控制单元，可以实现对通过转矩传递装置的转矩传递的自动控制。
当控制单元设计为，评估至少一个用于测量轴的转速的转速传感器的信号，并且根据该转速操纵调节装置，可实现反馈，由此可以实现闭环调节回路。
在本发明的另一种有利的构造中，控制单元设计用于评估至少两个测量第一轴的转速和第二轴的转速的转速传感器的信号，该转矩传递例如可以通过监测转速差校验。为此，该控制单元例如可以包括比较电路或者用于形成两根轴之间的转速差的电路。
本发明还建议，该转矩传递装置包括用于测量压力腔中的压力的压力传感器。因此可以监测由该控制单元控制的压力，并且通过集成在控制单元中或在该控制单元中实现的调节回路以可靠的方式调节到一个额定值。
当所述轴中的一根设计成空心轴，而另一根轴容纳于内腔中时，可形成一紧凑的、节省结构空间的结构方式。在此，一方面可以考虑本发明的配置，其中第一驱动轴设计为空心轴，而将第二轴设置在空心轴的内腔中，而另一方面也可以考虑带有相反布置的配置。
本发明还建议，该转矩传递装置配置一个支承装置，用于在壳体中轴向固定地支承设计为空心轴的轴壳体。通过空心轴的轴向固定，作用在滚动轴承上的轴向力可以以结构上简单的方式通过设置在该空心轴内腔中的轴施加。
当压力腔内的压力作用在设置在空心轴内腔中的轴的轴向端侧上时，可实现从压力腔向该滚动轴承的非强制的力传递。
通过用于将空心轴径向支承在容纳在其内腔中的轴上的第二滚动轴承，可以在作用在设计用于转矩传输的第一滚动轴承上的轴向力小时避免径向游隙，并且可以避免两根轴倾斜，使得两跟轴的旋转轴线始终保持共线。在本发明一个有利并且耐用的设计方案中，该第二滚动轴承可以设计为圆柱滚子轴承。
带有废气涡轮机和上述类型的转矩传递装置的内燃机尤其具有本发明的优点，其中，在这种情况下废气涡轮机驱动转矩传递装置的第一轴。因为按照本发明的转矩传递装置可以灵活应用在广泛的运行情况范围内，所以可以有效地充分利用废气中的热能，更确切地说即使内燃机在一个宽的转速范围内以各种各样的负载运行时，也能有效地充分利用废气中的热能。因此，按照本发明的转矩传递装置可以出人意料地以大的优点使用在货车的内燃机上，由此可以节省燃料、改善排放值并且可以在相同的发动机参数下实现更高的转矩。
在发动机参数保持不变的情况下，转矩较高的上述优点特别是当转矩传递装置的第二轴是内燃机的曲轴或者至少通过传动机构与曲轴连接。
此外，本发明还涉及一种用于将驱动力矩从第一轴传递到第二轴的方法，所述轴通过滚动轴承同轴地支承。
本发明建议，为了调节转矩传递，改变滚动轴承的轴向负载。正如结合按照本发明的转矩传递装置所述的那样，应用滚动轴承进行转矩传递，与应用液压或动液转矩传递装置的相近的解决方案相比，可以实现非常低的油耗。因为液压或动液转矩转换器对燃料油的污染非常敏感，此外还可以改善耐用性并且延长寿命。最后由此可以实现降低成本的潜力。
附图说明
其它的优点通过以下的附图说明得出。在附图中示出了本发明的一种实施形式。附图、说明书和权利要求书包含的很多特征能组合。本领域技术人员也能相宜地单独考虑这些特征并且进一步组合出有意义的其它组合。
附图中：
图1是用于将驱动力矩从第一轴传递到第二轴的转矩传递装置的示意图；
图2是带有控制单元和压力产生装置的、图1所示的转矩传递装置；而
图3是图1和2所示的转矩传递装置的剖面图。
具体实施方式
图1示出了用于将驱动力矩从第一轴10传递到第二轴12的转矩传递装置或离合器。即使两根轴10，12的转速处于不同的扭转振动或周期性的转速波动时，该转矩传递装置也能耦联两根轴10，12。
图2示出了图1所示的转矩传递装置，其带有控制单元14和压力产生装置16。该转矩传递装置包括两个转速传感器18，20，其信号可以分别通过信号线由控制单元14读取。控制单元14通过读取和处理转速传感器18，20的信号的相应的软件设计为，评估两个用于测量第一轴10的转速和第二轴12的转速的转速传感器18，20的信号。为此，在控制单元14的一个在此未示出的存储单元保存一条特性曲线或一个特性曲线族，它们在图3所示的调节装置24的压力腔22中的预先给定的压力时给出调节从第一轴10向第二轴12的转矩传递用的压力，并根据转速和/或转速差给出传递的转矩。
该转矩传递装置是货车的内燃机的一部分，并且第一轴10通过齿轮26与内燃机废气部分中的、在此未示出的废气涡轮机连接。第二轴12通过另一个齿轮28与内燃机的曲轴30连接。与第一齿轮26和第二齿轮28相关的传输比这样选择，使得即使在内燃机或曲轴30的最大转速下，第一轴10的转速也高于第二轴12的转速。
控制单元14是内燃机的发动机控制装置的一部分，并根据第一轴10和第二轴12的转速、内燃机的负载转矩、和其它能通过CAN-BUS总线获得的诸如空气量、喷入燃料量、各种温度等发动机特性参数确定压力腔22中的压力。
压力腔22用液压油填充，该液压油通过电磁调节阀32由泵34供应。控制单元14通过控制导线控制调节阀32的执行机构。
图3在剖面图中示出了图1和2的转矩传递装置。该转矩传递装置包括两个用于相对第二轴12同轴地支承第一轴10的滚动轴承36，38和用于调节从第一轴10到第二轴12的转矩传递的调节装置24。在此，第一滚动轴承36设计用于第一轴10和第二轴12之间的转矩传递，而第二滚动轴承38设计用于将第一轴10径向支承在第二轴12上。第二滚动轴承38设计为径向-圆柱滚子轴承，并且用内圈可轴向移动地套在第二轴12上，而第二滚动轴承38的外圈通过轴环40和加持元件42轴向和径向固定地容纳在由空心轴形成的第二轴12的空腔内。
按照本发明，调节装置24设计为用于改变第一滚动轴承36的轴向负载的装置。调节装置24尤其包括压力腔22、带有泵34、调节阀32和一个设置在压力腔22中的弹簧44的压力产生装置16，该弹簧一方面抵靠在转矩传递装置的壳体52上，另一方面通过轴向球轴承46压靠在第二轴12的端侧48上。第二轴12的端侧48形成压力腔22的一个可移动壁并且第二轴12本身可轴向移动地支承在壳体52的孔内，壳体壁形成压力腔22的其它壁。因此，第二轴12起可在压力腔22中轴向移动的活塞或压力活塞54的作用。
第一轴10设计为空心轴并且在内腔中容纳第二轴12。此外，该转矩传递装置具有一个由两个带有相对设置斜部的倾斜环形滚子轴承组成的轴承装置56，用于在壳体52中轴向和径向固定地支承设计为空心轴的第二轴12。
第一滚动轴承36的内圈58贴靠第二轴12的型面中的凸台60上，使得沿轴向作用在第二轴12的端侧48上的压力通过凸台60支承在内圈58上。调节装置24相应包括作用在滚动轴承36的内圈58上的压力活塞54。
另一方面，第一滚动轴承36的外圈62在压力腔22中压力的作用方向上支承在设计为空心轴的第一轴10的内型面中的另一个凸台64上，使得经由第一滚动轴承36的滚动体66从内圈58传递到外圈62的压力通过另一个凸台64支持在第一轴10上。
在图3所示的实施形式中，滚动轴承36设计为带有倾斜滚道的环形轴承，使得略微弯曲的、锥形滚道的直径沿两个轴10，12的公共旋转轴的方向上逐渐变小。由于滚道在轴向上的倾斜，通过滚动体66传递的、作用在内圈58上的轴向力产生一大的径向分力，通过该分力使滚动体66固定地挤压在滚道上。
由于滚道在轴向逐渐缩小的直径和滚动体66的辊状的、大体呈圆柱形的形状，滚动体66在内圈58和外圈62的滚道上滑动。将滚动体66压向滚道的力越大，通过滑动产生的摩擦力矩就越大。因此，可以通过适当选择压力腔22的压力调节第一滚动轴承36的摩擦力矩，并从而调节通过滚动轴承36从第一轴10向第二轴12传递的转矩。
该转矩传递装置还包括一个压力传感器68，用来测量压力腔22中的压力。控制单元14检测压力腔22中的压力，并将其与额定值比较。控制单元14根据压力腔22中的实测压力和压力额定值之间的差值将压力调节到额定值。
在图1-3中所示的转矩传递装置是带有废气涡轮机的内燃机的一部分，其中该废气涡轮机通过其透平轴驱动该转矩传递装置的第一轴10，并且其中第二轴12通过齿轮28与内燃机的曲轴30连接，并将转矩传递于该曲轴上(图2)。
上述转矩传递装置实现一种用于将驱动力矩从第一轴10传递到第二轴12的方法，所述轴通过滚动轴承36同轴地支承。按照本发明的方法，为调节转矩传递改变滚动轴承36的轴向负载。
本发明的构思不限于上述实施形式。例如，可以使用一个或者两个角接触球轴承或者斜置滚子轴承或滚锥轴承代替环形轴承。
附图标记清单
10  轴
12  轴
14  控制单元
16  压力产生装置
18  转速传感器
20  转速传感器
22  压力腔
24  调节装置
26  齿轮
28  齿轮
30  曲轴
32  调节阀
34  泵
36  滚动轴承
38  滚动轴承
40  轴环
42  夹持元件
44  弹簧
46  轴向球轴承
48  端侧
52  壳体
54  压力活塞
56  轴承装置
58  内圈
60  凸台
62  外圈

Claims (13)

1.一种用于从第一轴(10)向第二轴(12)传递驱动力矩的转矩传递装置，包括至少一个用于相对所述第二轴(12)同轴地支承所述第一轴(10)的滚动轴承(36)和用于调节从所述第一轴(10)向所述第二轴(12)的转矩传递的调节装置(24)，其特征在于，所述调节装置(24)设计为用于改变所述滚动轴承(36)轴向负载的装置，其中，所述第一轴(10)设计为空心轴，而所述第二轴(12)容纳在内腔中。
2.按照权利要求1所述的转矩传递装置，其特征在于，所述调节装置(24)包括至少一个作用在所述滚动轴承(36)的一圈上的、在压力腔(22)中的压力活塞(54)。
3.按照权利要求1或2所述的转矩传递装置，其特征在于，所述滚动轴承(36)具有倾斜的滚道。
4.按照权利要求1所述的转矩传递装置，其特征在于，所述滚动轴承(36)设计为环形轴承。
5.按照权利要求1所述的转矩传递装置，其特征在于，包括一用于操纵所述调节装置(24)的控制单元(14)。
6.按照权利要求5所述的转矩传递装置，其特征在于，所述控制单元(14)设计用于评估用于测量所述轴(10，12)之一的转速的至少一个转速传感器(18，20)的信号，并根据该转速操纵所述调节装置(24)。
7.按照权利要求6所述的转矩传递装置，其特征在于，所述控制单元(14)设计用于评估用于测量所述第一轴(10)的转速和所述第二轴(12)的转速的至少两个转速传感器(18，20)的信号。
8.按照权利要求2所述的转矩传递装置，其特征在于，包括一用于测量压力腔(22)中的、用于产生作用在所述滚动轴承(36)上的压力的压力传感器(68)。
9.按照权利要求1所述的转矩传递装置，其特征在于，包括一支承装置(56)，该支承装置用于将设计为空心轴的轴沿轴向固定地支承在一壳体(52)内。
10.按照权利要求2所述的转矩传递装置，其特征在于，所述压力腔(22)中的压力作用在设置在所述空心轴的内腔中的轴(12)的轴向端侧(48)上。
11.按照权利要求1所述的转矩传递装置，其特征在于，包括一第二滚动轴承(38)，该第二滚动轴承用于将所述空心轴(10)径向支承在容纳在该空心轴的内腔中的所述轴(12)上。
12.一种带有废气涡轮机和按照权利要求1至11之一所述的转矩传递装置的内燃机，其中，所述废气涡轮机驱动所述转矩传递装置的第一轴(10)。
13.按照权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述转矩传递装置的第二轴(12)至少与所述内燃机的曲轴(30)连接。
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