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Die
Erfindung betrifft ein Zugmittelgetriebe mit kraftschlüssigem Zugmittel
und regelbarer Vorspannung zur Übertragung
von Antriebsleistungen zwischen Wellen und ähnlichen rotierenden Systemen,
wobei das kraftschlüssige
Zugmittel über
jeweils eine Zugmittelscheibe auf einer Antriebswelle und auf einer
Abtriebswelle geführt
wird und wobei eine Erkennungseinrichtung vorgesehen ist, die beim Erfassen
von Schlupf zwischen der Antriebs- und/oder der Abtriebswelle sowie
dem kraftschlüssigen
Zugmittel eine Stelleinrichtung mit einer Spannrolle aktiviert,
die mit dem kraftschlüssigen
Zugmittel derart in Wirkverbindung steht, dass dieses kraftschlüssige Zugmittel
mit einer regelbaren Vorspannung beaufschlagbar ist.
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Für die Übertragung
von Antriebsleistungen zwischen Wellen und ähnlichen rotierenden Systemen
sind verschiedenartige technische Lösungen bekannt. Sofern aus
funktionellen Aspekten eine synchrone Leistungsübertragung vom Antrieb zum
Abtrieb notwendig ist, werden vorzugsweise formschlüssige Übertragungselemente
unter Nutzung von Zahnrad-, Ketten- oder Zahnriemengetrieben eingesetzt.
Die zwei letztgenannten Varianten ergeben Vorteile, sofern die Achsen
der miteinander in Wirkverbindung zu bringenden Wellen relativ große Abstände aufweisen.
Hierbei haben sich Kettengetriebe für zahlreiche Anwendungen bewährt, beispielsweise
für den
technisch anspruchsvollen Antrieb der Nockenwellen an Brennkraftmaschinen.
Ein Nachteil von Kettengetrieben ist jedoch die notwendige Schmierung
und die bei einem Verschleiß von Kette
und Kettenrad erheblich steigende Lärmemission. Deshalb werden
anstelle von Kettengetrieben zunehmend Zahnriemengetriebe verwendet,
die im Unterschied zur Kette keine Schmierung erfordern und weitgehend
unempfindlich gegen Staub und Wasser sind. Weiterhin weisen sie
eine geringe Masse auf, sind infolge der starken Materialdämpfung (Gummi und
Kunststoff) kaum für
Querschwingungen anfällig und
emittieren weniger Lärm
als Ketten. Allerdings haben Zahnriemengetriebe auch Nachteile:
Sie sind empfindlich gegen Überlastung
und haben eine geringere Lebensdauer als andere Übertragungselemente, so dass
zur Übertragung
von Antriebsleistungen zwischen Wellen und ähnlichen rotierenden Systemen
auch weiterhin Einsatzmöglichkeiten
für konventionelle
Riemenantriebe als kraftschlüssiges
Zugmittel interessant sind.
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Aus
DE 298 05 792 U1 ist
ein stufenlos regelbares Zugmittelgetriebe mit einem endlosen Zugmittel
und jeweils einer Zugmittelscheibe auf der Antriebs- und der Abtriebswelle bekannt.
Als Zugmittel wird ein kraftschlüssig über die
Zugmittelscheiben geführter
Riemen verwendet. Mindestens eine Zugmittelscheibe besteht aus zwei
Kegelscheiben, deren Abstand zueinander durch eine axiale Verschiebung verändert werden
kann. Somit ändert
sich der wirksame Durchmesser dieser Zugmittelscheibe und folglich
das Verhältnis
der Übersetzung
zwischen Antrieb und Abtrieb.
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Gegenstand
von
DE 298 12 481
U1 ist eine ähnliche
technische Lösung,
bei der ebenfalls durch Änderung
des wirksamen Durchmessers von mindestens einer Riemenscheibe das Übersetzungsverhältnis eines
Zugmittelgetriebes stufenlos verändert werden
kann. Hierfür
wird ein sog. Variator mit zwei im Durchmesser veränderbaren
Keilriemenrädern, einem
feststehenden Keilriemenrad und zwei axial verschiebbaren Keilriemenscheiben
benutzt.
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Mit
derartigen technischen Lösungen
kann primär
das Übersetzungsverhältnis eines
Zugmittelgetriebes verändert
werden, ohne dass hierbei Aspekte des Schlupfes berücksichtigt
werden. Ein Schlupf ist jedoch bei Verwendung von Riemen (außer bei
Zahnriemen) unvermeidlich. Dies hat zwangsläufig zur Folge, dass die Übertragung
der Antriebsleistung nicht synchron erfolgt und eine lastabhängige Drehzahlreduzierung
der anzutreibenden Komponenten auftritt. Während ein geringer Schlupf
für zahlreiche
Einsatzfälle
weitgehend unerheblich ist, muss er für Anwendungen vermieden werden,
bei denen eine exakt wiederkehrende Positionszuordnung von kinematisch
mit verschiedenen rotierenden Systemen zusammenhängenden Elementen notwendig
ist. Diesbezüglich
typische Anwendungen mit einem ständig synchronen Antrieb sind
beispielsweise im Automobilbau der Antrieb der Nockenwellen zur
Ventilbetätigung
der Brennkraftmaschine oder der Antrieb von zwei teilweise ineinander
greifenden Scheibenwischern an der Frontscheibe. Hierfür werden Übertragungselemente
benötigt,
die in jedem Betriebszustand eine synchrone Zuordnung ohne Schlupfwirkung
gewährleisten.
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Bei
einem Zugmittelgetriebe gemäß
EP 0 222 929 B1 wird
zur Vermeidung von Schlupf der wirksame Durchmesser des Bauteils
verändert,
auf dem ein riemenförmiges
Zugmittel umläuft.
Hierfür wird
eine Doppelscheibe mit zwei Kegelscheiben verwendet, die auf einer
gemeinsamen Nabe abgestützt sind
und deren Abstand zueinander durch eine axiale Verschiebung von
mindestens einer dieser Kegelscheiben verändert werden kann. Zur Betätigung der Kegelscheibe
ist eine aufwendige Nockenkonstruktion vorgesehen, welche beim Rutschen
des Riemens eine Lageänderung
bewirkt. Somit ändert
sich der Durchmesser dieser Doppelscheibe im Bereich der Riemenabstützung und
der aufgetretene Schlupf wird unterbunden.
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In
DE 196 38 277 A1 wird
ein Zugmittelgetriebe beschrieben, das zwei Sensoren zur Erfassung
der Relativposition zwischen einem Riemen und dem jeweiligen Sensor
aufweist. Sobald ein Schlupf zwischen der Antriebsrolle und dem
Riemen auftritt, ändert
sich die Relativposition zwischen Riemen und Sensor. Daraufhin wird
eine Stelleinrichtung aktiviert, mit welcher der wirksame Durchmesser
des Bauteils verändert
wird, auf dem der Riemen umläuft. Dies
ist vorzugsweise eine Kegelscheibe, die auf einer Nabe axial verlagerbar
angeordnet ist. Durch die Verlagerung der Kegelscheibe bleibt in
jedem Betriebspunkt eine Wirkverbindung zwischen Antrieb und Riemen
erhalten, so dass auch bei dieser Konstruktion der aufgetretene
Schlupf unterbunden werden kann.
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Aus
DE 298 16 693 U1 ist
ein Riemenantrieb mit einer Antriebsrolle und mindestens einer Abtriebsrolle
bekannt, wobei auf der Antriebsrolle oder auf einem mit dieser verbundenen
Drehteil sowie auf dem Riemen jeweils Markierungen als Umfangsteilung
aufgebracht sind. Mit einer zugeordneten Erkennungseinrichtung werden
diese Markierungen ständig
erfasst. Sobald ein Schlupf zwischen der Antriebsrolle und dem Riemen
auftritt, entsteht ein Versatz zwischen den als Umfangsteilung aufgebrachten
Markierungen von Riemen und Antriebsrolle bzw. Drehteil. Die Erkennungseinrichtung
erfasst diesen Versatz durch die nunmehr veränderte zeitliche Detektion
der Markierungen als Indiz für
das Auftreten von Schlupf und aktiviert eine Stelleinrichtung. Diese Stelleinrichtung
weist eine mit dem Riemen in Wirkverbindung stehende Spannrolle
auf, die mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektromotorisch
betätigt
wird. Die Spannrolle beaufschlagt den Riemen in Abhängigkeit
seiner Relativstellung gegenüber
der Spannrolle mit unterschiedlichen Kräften. Dadurch wird eine regelbare
Vorspannung des Riemens erzielt, in deren Folge in jedem Betriebspunkt
die Wirkverbindung zwischen der Antriebsrolle und dem Riemen gewährleistet
wird, so dass ein Schlupf weitgehend ausgeschlossen ist.
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Obwohl
somit bereits verschiedenartige Konstruktionen verfügbar sind,
mit denen das Schlupfverhalten von Zugmittelgetrieben verbessert
werden kann, besteht weiterhin Entwicklungsbedarf. Hierbei werden
insbesondere ein einfacher Aufbau und eine hohe Funktionssicherheit
angestrebt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Zugmittelgetriebe zu schaffen, das eine
ausreichende Stabilität
gegen kurzzeitige Überlastung
sowie eine hohe Lebensdauer aufweist und in jedem Betriebszustand eine
synchrone Übertragung
von Antriebsleistungen zwischen Wellen und ähnlichen rotierenden Systemen
ermöglicht.
Hierbei soll beim Auftreten von Schlupf ein schneller Eingriff in
die Wirkverbindung zwischen den Übertragungselementen
erreicht werden.
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Die
Aufgabe wird gelöst,
indem die Erkennungseinrichtung ein formschlüssiges Zugmittel umfasst, das
parallel zum kraftschlüssigen
Zugmittel verlaufend angeordnet ist und über jeweils eine Zugmittelscheibe
auf der Antriebswelle und auf der Abtriebswelle geführt ist
und indem die Stelleinrichtung zwei Spannrollen umfasst, die auf
einer radial beweglichen Spannrollenwelle drehbar gelagert sind,
wobei die eine Spannrolle am Leertrum des kraftschlüssigen Zugmittels
und die andere Spannrolle am Lasttrum des formschlüssigen Zugmittels
anliegt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren
Merkmale im Ausführungsbeispiel
beschrieben werden.
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Das
erfindungsgemäße Zugmittelgetriebe weist
eine Kombination eines kraftschlüssigen
Zugmittels mit einem formschlüssigen
Zugmittel auf. Dabei wird die Synchronität des Getriebes durch Parallelschaltung
der beiden Zugmittel erreicht, wobei eine im Vergleich zum formschlüssigen Zugmittel
um etwa 1% bis 2% kleinere Übersetzung
am kraftschlüssigen Zugmittel
dessen hohen Anteil an der Leistungsübertragung bei Volllast gewährleistet.
Für das
kraftschlüssige
Zugmittel sind Flachriemen oder Keilriemen geeignet, die als eigentlicher
Belastungsträger wirksam
sind. Hingegen wird das formschlüssige Zugmittel,
vorzugsweise ein Zahnriemen, zur Erkennung von Abweichungen bezüglich der
Synchronität eingesetzt.
Dabei wird dieses formschlüssige
Zugmittel im Betrieb des Zugmittelgetriebes relativ gering beansprucht,
so dass trotz einer geringeren Dimensionierung als bisher üblich eine
höhere
Lebensdauer und bessere Funktionssicherheit erreicht wird.
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Weiterhin
gewährleistet
das erfindungsgemäße Zugmittelgetriebe
eine gute Stabilität
gegen kurzzeitige Überlastungen,
indem als eigentlicher Belastungsträger ein Riemen eingesetzt wird,
dessen Unempfindlichkeit gegenüber
kurzzeitiger Überlastung
bekannt ist. Die Synchronität
der Leistungsübertragung
wird durch Regulierung der Vorspannung am kraftschlüssigen Zugmittel
erzielt, d.h., ein beim Lastlauf auftretender Schlupf wird durch
entsprechende Lageänderung
der am Leertrum anliegenden Spannrolle kompensiert. Auf Teillast
und insbesondere Leerlauf des Getriebes wird durch Reduzierung der
Vorspannung am kraftschlüssigen
Zugmittel reagiert, um eine Umkehrung des im Formschlussteil übertragenen
Momentes und des Blindleistungsflusses zwischen kraft- und formschlüssigem Abschnitt zu
vermeiden. Somit ist in jedem Betriebszustand eine synchrone Übertragung
von Antriebsleistungen zwischen Wellen und ähnlichen rotierenden Systemen
möglich,
weil beim Auftreten von Schlupf ein schneller Eingriff in die Wirkverbindung
zwischen den Übertragungselementen
gewährleistet
ist.
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Die
Energie für
die Betätigung
der Stellelemente zur Änderung
der Vorspannung kann als Hilfsenergie (z.B. elektrisch oder hydraulisch)
zugeführt oder
der vom Getriebe an sich übertragenen
Energie entnommen werden.
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Dieses
Zugmittelgetriebe ist grundsätzlich für verschiedenartige
Anwendungen geeignet, bei denen Antriebsleistungen zwischen Wellen
und ähnlichen
rotierenden Systemen zu übertragen
sind. Eine bevorzugte Anwendung sind hierbei Einsatzfälle, bei
denen eine exakt wiederkehrende Positionszuordnung von kinematisch
mit verschiedenen rotierenden Systemen zusammenhängenden Elementen notwendig
ist, wie dies beispielsweise für
den synchronen Antrieb der Nockenwellen zur Ventilbetätigung der
Brennkraftmaschine zutrifft.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes
in einer ersten Ausführung
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2 den
grundsätzlichen
Aufbau eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes
in einer zweiten Ausführung
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In
der Zeichnung sind die im Rahmen der vorliegenden Erfindung wesentlichen
Bauteile eines Zugmittelgetriebes zur Übertragung von Antriebsleistungen
zwischen Wellen und ähnlichen
rotierenden Systemen dargestellt. Hierbei wird ein kraftschlüssiges Zugmittel 1 über jeweils
eine Zugmittelscheibe 2 auf einer Antriebswelle 3 und
auf einer Abtriebswelle 4 geführt.
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Weiterhin
ist eine Erkennungseinrichtung vorgesehen, die ein formschlüssiges Zugmittel 5 umfasst.
Das formschlüssige
Zugmittel 5 verläuft
parallel zum kraftschlüssigen
Zugmittel 1 und wird über
jeweils eine Zugmittelscheibe 6 auf der Antriebswelle 3 und
auf der Abtriebswelle 4 geführt. Die derart aufgebaute
Erkennungseinrichtung aktiviert beim Erfassen von Schlupf zwischen
der Antriebswelle 3 und/oder der Abtriebswelle 4 sowie
dem kraftschlüssigen
Zugmittel 1 eine Stelleinrichtung. Mit dieser Stelleinrichtung
kann das kraftschlüssige
Zugmittel 1 mit einer regelbaren Vorspannung beaufschlagt
werden.
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Die
Stelleinrichtung umfasst zwei Spannrollen 7 und 8,
die auf einer radial beweglichen Spannrollenwelle 9 drehbar
gelagert sind. Während
die Spannrolle 7 am Leertrum 1L des
kraftschlüssigen Zugmittels 1 anliegt,
liegt die Spannrolle 8 am Lasttrum 5L des
formschlüssigen
Zugmittels 5 an.
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Gemäß 1 kann
die aus den Spannrollen 7 und 8 sowie der Spannrollenwelle 9 gebildete
Stelleinrichtung translatorisch verlagerbar ausgestaltet werden.
Alternativ kann die Stelleinrichtung gemäß 2 auch drehbeweglich
verlagerbar ausgestaltet werden.
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Unabhängig von
der jeweils konkreten Ausgestaltung kann der Stelleinrichtung eine
zusätzliche Federeinheit 10 zugeordnet
werden, mit der unterschiedliche Vorspannungen am kraftschlüssigen Zugmittel 1 und
am formschlüssigen
Zugmittel 5 einstellbar sind.
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Das
erfindungsgemäße Zugmittelgetriebe hat
folgendes Funktionsprinzip:
Die aus den Spannrollen 7 und 8 sowie
der Spannrollenwelle 9 gebildete Stelleinrichtung (Regler) überwacht
ständig
die Spannungen am Lasttrum 5L des formschlüssigen Zugmittels 5 (Zahnriemen)
und am Leertrum 1L des kraftschlüssigen Zugmittels 1 (Keilriemen).
Die Stelleinrichtung befindet sich bei konstantem Lastlauf im Gleichgewicht.
Bei einer plötzlichen
Erhöhung
der Getriebebelastung reicht das Belastbarkeitsvermögen des
Keilriemens 1 für
die Übertragung
der höheren
Last wegen ungenügender
Riemenspannung nicht aus. Folglich muss der Zahnriemen 5 den
zusätzlichen
Lastanteil übernehmen.
Die Belastung (Regelgröße x) des
Zahnriemens 5 und damit die Spannung (Rückführgröße r) des Zahnriemens 5 nehmen
zu. Unter Wirkung der Lasttrumkraft des Zahnriemens 5 wird
das Kräftegleichgewicht (Führungsgröße w) an
der Stelleinrichtung (Vergleichsglied) gestört. Daraufhin entsteht eine
Kräftedifferenz
(Regeldifferenz e), d.h., eine resultierende Kraft (Regelausgangsgröße y) an
der Stelleinrichtung (Regler). Nunmehr wird durch Wirkung dieser Regelausgangsgröße die Stelleinrichtung
(Steller) verschoben (Stellgröße Y). Dies
führt zu
einer Zunahme der Spannung am Keilriemen 1 und gleichzeitig zu
einer Abnahme der Spannung am Zahnriemen 5. Demzufolge
wird die Belastung des Zahnriemens 5 wieder vermindert
und der Keilriemen 1 übernimmt den überwiegenden
Anteil der gestiegenen Last. Damit wird der Verstellvorgang mit
einem neuen Belastungsgleichgewicht im System beendet.
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- 1
- kraftschlüssiges Zugmittel/Keilriemen
- 1L
- Leertrum
des kraftschlüssigen
Zugmittels
- 2
- Zugmittelscheiben
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Antriebswelle
- 5
- formschlüssiges Zugmittel/Zahnriemen
- 5L
- Lasttrum
des formschlüssigen
Zugmittels
- 6
- Zugmittelscheiben
- 7
- Spannrolle
am Leertrum des kraftschlüssigen Zugmittels
- 8
- Spannrolle
am Lasttrum des formschlüssigen Zugmittels
- 9
- Spannrollenwelle
- 10
- Federeinheit