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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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In
US 4 838 834 A wird ein stufenlos verstellbares Zugmittelgetriebe mit einem Keilriemen beschrieben, dessen Übersetzung durch einen Verstellmechanismus verstellt wird, der einen Keilriemen und einen parallel angeordneten Zahnriemen umfasst. Zur Verstellung des Getriebes wird über einen Hebel und einen Keilmechanismus die axial bewegliche Kegelscheibe einer Riemenscheibe axial verstellt, wodurch eine Differenzdrehzahl zwischen der Zahnriemenscheibe und der Antriebswelle hervorgerufen wird, die durch einen Gewindeeingriff eine axiale Verstellung einer Losscheibe und damit der Übersetzung des Getriebes bewirkt. Allerdings kann mit dieser Konstruktion ein Schlupf der Keilriemen weder detektiert noch kompensiert werden.
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Mit den oben beschriebenen 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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Aus der nachveröffentlichten Druckschrift
DE 10 2006 037 936 B3 ist ein Zugmittelgetriebe mit kraftschlüssigem Zugmittel und regelbarer Übersetzung zur Übertragung von Antriebsleistungen zwischen Wellen bekannt, das eine Erkennungseinrichtung zum Erfassen von Schlupf zwischen Welle und Zugmittel aufweist.
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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.
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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 in einer perspektivischen Darstellung
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2 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes in einer zweiten Ausführung in einer perspektivischen Darstellung
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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. 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 2 kann die aus den Spannrollen 7 und 8 sowie der Spannrollenwelle 9 gebildete Stelleinrichtung translatorisch verlagerbar ausgestaltet werden. Alternativ kann die Stelleinrichtung gemäß 1 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- kraftschlüssiges Zugmittel/Keilriemen
- 1L
- Leertrum des kraftschlüssigen Zugmittels
- 2
- Zugmittelscheiben
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Abtriebswelle
- 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
