DE102004037261B4

DE102004037261B4 - Zugmitteltrieb

Info

Publication number: DE102004037261B4
Application number: DE200410037261
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Rainer (FH) Pflug; Rainer Baumüller; Dipl.-Ing. Thomas (FH) Bertelshofer; Dipl.-Ing. Kelm Peter; Dipl.-Ing. Hänsel Tino; Dipl.-Ing. Assel Martin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-07-31
Filing date: 2004-07-31
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2024-08-01
Also published as: DE102004037261A1

Abstract

Zugmitteltrieb für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kurbelwellenrad, wenigstens einem an einer angetriebenen Welle angeordneten Rad, einem Umschlingungsmittel und einer zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten ansteuerbaren elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine (9, 10) einen an der oder einer Nockenwelle (1, 11) angeordneten, mit einem unbewegten Stator (15) zusammenwirkenden Rotor (12) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kurbelwellenrad, wenigstens einem an einer angetriebenen Welle angetriebenen Rad, einem Umschlingungsmittel und einer zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten ansteuerbaren elektrischen Maschine.
Hintergrund der Erfindung
Zugmitteltriebe von Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise ein Kurbelwellen-Antriebsrad, zumindest ein Nockenwellen-Abtriebsrad und eine Kette oder einen Zahnriemen als Umschlingungsmittel auf. Aufgrund von Drehmomentschwankungen oder Winkelgeschwindigkeitsänderungen sind sie Schwingungsanregungen ausgesetzt, die zu erhöhten Reibungskräften führen und die Lebensdauer des Umschlingungsmittels sowie dessen Wirkungsgrad beeinträchtigen können.
Aus der DE 44 23 577 A1 ist ein System zur aktiven Dämpfung von Schwingungen bekannt, bei dem eine elektrische Maschine verwendet wird, um Drehzahlungleichförmigkeiten zu vermindern. Die elektrische Maschine besteht aus einem Schwungrad, das auf der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angebracht sein kann und einem damit zusammenwirkenden Stator als feststehender Maschinenteil, der Erregerspulen aufweist, sodass die Welle abgebremst oder beschleunigt werden kann. Auf diese Weise kann auf die Drehung der Welle gezielt Einfluss genommen werden, um Ungleichförmigkeiten wie Geschwindigkeitsschwankungen zu verringern.
In der DE 40 15 701 A1 ist vorgeschlagen worden, Drehzahlschwankungen, die beim Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine entstehen, durch eine elektrische Maschine zu beeinflussen, die mit einer Energiequelle, zum Beispiel der Fahrzeugbatterie, verbunden ist.
Diese Konzepte haben jedoch bisher noch keinen Eingang in die Serienfertigung gefunden, da bei der Dämpfung von Drehunförmigkeiten extrem hohe elektrische Ströme bis zu 200 A fließen, sodass ein aufwändiges Kühlsystem erforderlich ist.
Zugmitteltriebe und speziell Nockenwellentriebe von Verbrennungsmotoren werden im Hinblick auf die Optimierung ihres Wirkungsgrads in zunehmendem Maße reibungsreduziert ausgeführt, beispielsweise durch den Einsatz von Rollenschlepphebeln. Allerdings nehmen dadurch die Rückstellmomente der Nockenwellen überproportional zu, wodurch starke Drehungleichförmigkeiten der Wellen entstehen. Die angetriebenen Nockenwellen beeinflussen daher das dynamische Verhalten des Zugmitteltriebs in nachteiliger Weise. Motorenelemente, die mit der Nockenwelle verbunden sind, wie Benzinpumpen, Vakuumpumpen, Steuertriebe usw. leiden unter dieser erhöhten dynamischen Beanspruchung, sodass ein hoher Aufwand erforderlich ist, damit diese Bauteile die geforderte Lebensdauer erreichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Zugmitteltrieb für einen Verbrennungsmotor anzugeben, bei dem insbesondere Drehungleichförmigkeiten im Bereich der Nockenwelle reduziert werden können.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Zugmitteltrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektrische Maschine einen an der oder einer Nockenwelle angeordneten, mit einem unbewegten Stator zusammenwirkenden Rotor aufweist.
Anders als bei den im Stand der Technik vorgeschlagenen Kurbelwellen-Starter-Generatoren befindet sich die elektrische Maschine direkt an der Nockenwelle. Die dort auftretenden zu dämpfenden Momente sind wesentlich kleiner als an der Kurbelwelle. Dementsprechend sind auch die auftretenden Stromstärken wesentlich niedriger, sodass auf aufwändige Kühlsysteme verzichtet werden kann. Die elektrische Maschine kann entweder als Motor oder als Generator betrieben werden und umfasst den Stator als unbewegtes Grundelement und den an der Nockenwelle angeordneten und mit dieser drehbaren Rotor als bewegtes Grundelement.
Zweckmäßig kann die elektrische Maschine so steuerbar sein, dass der Rotor bei einer zu niedrigen Drehzahl ein antreibendes Drehmoment und bei einer zu hohen Drehzahl ein bremsendes Drehmoment erfährt. Durch die gezielte Steuerung des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments können auch andere Dreh-ungleichförmigkeiten als Drehzahlschwankungen ausgeglichen werden. Dabei kann es sich um Abweichungen der Winkelgeschwindigkeit eines Nockenwellenrads handeln, ebenso können aufgetretene Schwingungen des Umschlingungsmittels oder eines Rades verringert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Zugmitteltrieb ein Erfassungsmittel für die Drehungleichförmigkeiten aufweist, daraus werden Stellgrößen zur Steuerung des Rotors abgeleitet, um das dynamische Verhalten des Zugmitteltriebs mittels des Rotors zu beeinflussen. Durch die Einbeziehung eines Erfassungsmittels wird eine Steuerung oder Regelung des Rotors ermöglicht, um vorhandene Drehungleichförmigkeiten gezielt zu verringern, bis sie kleiner als ein vorgegebener Grenzwert sind.
Der erfindungsgemäße Zugmitteltrieb kann so aufgebaut sein, dass die elektrische Maschine seitlich an einem Ende der Nockenwelle angeordnet ist. Bei einem derartigen Aufbau kann gegebenenfalls eine herkömmliche Nockenwelle verwendet werden, an der die elektrische Maschine bzw. deren Rotor befestigt wird. Bei anderen Ausführungen kann die elektrische Maschine bzw. deren Rotor an oder in einem Nockenwellenversteller angeordnet sein. Eine derartige Ausführung ist besonders platzsparend.
Alternativ kann der Rotor der elektrischen Maschine bei dem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb auf der Nockenwelle zwischen zwei Nocken angeordnet sein. Dadurch ergeben sich eine ganze Reihe von Möglichkeiten zur Unterbringung der elektrischen Maschine, sodass in Abhängigkeit von dem vorhandenen Einbauraum eine optimale Position für die elektrische Maschine ausgewählt werden kann.
Es sind auch Varianten des erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs möglich, bei denen zwei Nockenwellen mit jeweils einem Rotor und einer elektrischen Maschine vorgesehen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Zeichnungen und zeigen:
1 eine geschnittene Ansicht einer an einer Nockenwelle angeordneten elektrischen Maschine des erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs;
2 eine seitlich an einer Nockenwelle angebrachte elektrische Maschine;
3 eine an einem Nockenwellenversteller angeordnete elektrische Maschine; und
4 eine zwischen zwei Nocken angeordnete elektrische Maschine.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch die wesentlichen Teile einer an einer Nockenwelle angeordneten elektrischen Maschine eines Zugmitteltriebs.
An einer Nockenwelle 1 ist ein Schwungrad angeordnet, das aus einem äußeren Ring 2 und einem inneren Ring 3 besteht, die voneinander getrennt sind. Der innere Ring 3 geht in eine Nabe 4 über, die fest mit der Nockenwelle 1 verbunden ist. Das Schwungrad bildet den Rotor eines Linearmotors.
Der äußere Ring 2 ist beiderseits von Statorspulen 5 umgeben, die an einer Halterung 6 angeordnet sind, die den äußeren Ring 2 jochartig umgibt. Diese Halterung 6 bildet das unbewegte Grundelement der elektrischen Maschine, den Stator. Die Halterung 6 ist an einer in 1 nicht gezeigten Stelle gehaltert, sodass sie sich bei der Drehung der Nockenwelle 1 nicht mitbewegt.
Die elektrische Maschine funktioniert in bekannter Weise, wie es beispielsweise in der DE 44 23 577 A1 beschrieben ist. Elektrische Maschinen nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion bzw. die Lorentz-Kraft aus. Ein stationäres Grundelement (Stator) und ein bewegtes Grundelement (Rotor oder Läufer) sind durch einen Spalt voneinander getrennt, jedoch über einen durch den Spalt tretenden gemeinsamen magnetischen Fluss miteinander verknüpft. Dabei erzeugt wenigstens ein Grundelement das magnetische Primärfeld, meistens mit Hilfe einer Erregerwicklung. Das andere Grundfeld ist mit einem oder mehreren elektrischen Leitern bestückt. Das Primärfeld des einen Grundelements durchsetzt über den Spalt das andere Grundelement und bewirkt durch Verknüpfung mit dem dort induzierten elektromagnetischen Feld eine antreibende Kraft, die Lorentz-Kraft. Für die Wirkungsweise der elektrischen Maschine ist es grundsätzlich gleichgültig, ob Erregerwicklungen auf dem stationären oder bewegten Grundelement angeordnet sind. Somit kann die in 1 dargestellte elektrische Maschine sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden.
2 zeigt eine seitlich an einer Nockenwelle angeordnete elektrische Maschine. Wie in 2 zu sehen ist, sind der innere und äußere Ring 2, 3 im Endbereich der Nockenwelle 1 angeordnet. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Nockenwelle 1 wird über eine Sensor erfasst und einem Steuergerät zugeführt. Anhand des Drehzahlsignals können Drehzahl ungleichförmigkeiten erkannt werden, daraus werden Stellgrößen zur Steuerung des Rotors abgeleitet. Durch die Änderung der Stromversorgung der Statorspulen kann auf die Nockenwelle 1 ein verzögerndes oder beschleunigendes Moment ausgeübt werden. Durch eine gezielte Steuerung der Stromversorgung können die erfassten Drehzahlungleichförmigkeiten verringert oder sogar eliminiert werden. Dasselbe gilt für erfasste Schwingungen, die durch das Öffnen und Schließen der Ventile oder das dynamische Verhalten der Ventilfedern hervorgerufen werden können.
3 zeigt eine an einem Nockenwellenversteller angeordnete elektrische Maschine. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist seitlich an der Nockenwelle 1 ein hydraulischer Nockenwellenversteller 7 vorgesehen, der in 3 schematisch dargestellt ist. Der Nockenwellenversteller 7 ermöglicht es, die Nockenwelle 1 gegenüber einer Kurbelwelle relativ zu verdrehen, um die Steuerzeiten für das Öffnen und Schließen der Ventile zu beeinflussen. Im inneren des Nockenwellenverstellers 7 befindet sich ein Kettenrad 8 als Teil des Zugmitteltriebs, das über eine Kette mit einem Kurbelwellenrad verbunden ist. Die Funktion der aus Rotor und Stator bestehenden elektrischen Maschine 9 entspricht derjenigen von 2.
4 zeigt eine zwischen zwei Nocken angeordnete elektrische Maschine. Die elektrische Maschine 10 ist wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen aufgebaut. Auf der Nockenwelle 11 ist der Rotor 12 zwischen zwei benachbarten Nocken 13, 14 angeordnet, der von dem Stator 15 umgeben ist. Bei dieser Ausführungsform sind keinerlei Änderungen im Bereich des Nockenwellenantriebs erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: äußerer Ring
3: innerer Ring
4: Nabe
5: Statorspulen
6: Halterung
7: Nockenwellenversteller
8: Kettenrad
9: elektrische Maschine
10: elektrische Maschine
11: Nockenwelle
12: Rotor
13: Nocke
14: Nocke
15: Stator

Claims

Zugmitteltrieb für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kurbelwellenrad, wenigstens einem an einer angetriebenen Welle angeordneten Rad, einem Umschlingungsmittel und einer zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten ansteuerbaren elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9, 10) einen an der Nockenwelle (1, 11) angeordneten, mit einem unbewegten Stator (15) zusammenwirkenden Rotor (12) aufweist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Erfassungsmittel für die Drehungleichförmigkeiten aufweist, daraus Stellgrößen zur Steuerung des Rotors (12) abgeleitet werden und das dynamische Verhalten des Zugmitteltriebs mittels des Rotors (12) beeinflussbar ist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9, 10) in Abhängigkeit von der Art der Drehungleichförmigkeiten als Motor oder Generator betreibbar ist.
Zugmitteltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9, 10) so steuerbar ist, dass der Rotor (12) bei einer zu niedrigen Drehzahl ein antreibendes Drehmoment und bei einer zu hohen Drehzahl ein bremsendes Drehmoment erfährt.
Zugmitteltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine seitlich an einem Ende der Nockenwelle (1) angeordnet ist.
Zugmitteltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (9) an oder in einem Nockenwellenversteller (7) angeordnet ist.
Zugmitteltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) der elektrischen Maschine (10) auf der Nockenwelle (11) zwischen zwei Nocken (13, 14) angeordnet ist.
Zugmitteltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Nockenwellen mit jeweils einem Rotor einer elektrischen Maschine aufweist.