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Die
Erfindung betrifft eine Kupplung zum Verbinden mindestens einer
Ausgleichswelle mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine.
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Ausgleichswellen
finden in Brennkraftmaschinen Anwendung zur Kompensation von freien Momenten
und Kräften,
wie sie aus der Umsetzung einer Hubkolbenbewegung in eine Rotationsbewegung über Pleuel
und eine Kurbelwelle entstehen, abhängig von Bauart und Ausgestaltung
der Brennkraftmaschine. Die Mehrzahl der Motoren benötigt zur
Erzielung einer erwünschten
Laufruhe eine Mehrzahl von Ausgleichswellen, deren Einsatz indes
nur innerhalb bestimmter Drehzahlbereiche oder -Bänder erforderlich
ist, weil sich die zu kompensierenden Momente oder Kräfte nur
in bestimmten Drehzahlbereichen, insbesondere nämlich bei hohen Drehzahlen,
störend
bemerkbar machen. In bekannten Motorkonzepten werden die Ausgleichswellen
gleichwohl über
den gesamten Drehzahlbereich angetrieben, da sie fest in Riemen-
oder Steuerkettentriebe der Brennkraftmaschine eingebunden sind.
Dies ist unter Aspekten der Energieeinsparung und der Effizienz der
Brennkraftmaschine nicht optimal, da diese dauernd anzutreibenden
Ausgleichswellen durch ihre zu überwindenden
Reibungsverluste eine vermeidbare Leistungsaufnahme bewirken.
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Die
Erfindung stellt eine Kupplung zum Zu- und Abschalten einer Ausgleichswelle
bereit. Hierbei ist insbesondere gewünscht, dass die Ausgleichswelle
in exakt zu definierenden Drehzahlbändern zu- oder abschaltbar
ist und weitere Möglichkeiten
des Antriebs der Ausgleichswelle berücksichtigt werden.
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Hierzu
wird eine Kupplung zum Verbinden mindestens einer Ausgleichswelle
mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei
vorgesehen ist, dass auf der Kurbelwelle ein Zahnring lagert, der über eine
Schaltmechanik kraftschlüssig
mit der Kurbelwelle verbindbar ist und dass der Zahnring mit einem
der Ausgleichswelle zugeordneten Zahnrad oder Endloszugmittel kämmt. Die Ausgleichswelle
wird folglich über
ein ihr zugeordnetes Zahnrad angetrieben, das mit dem Zahnring kämmt. Der
Zahnring wiederum wird über
die Schaltmechanik kraftschlüssig
mit der Kurbelwelle verbunden. Die Schaltmechanik ist hierbei der
Kurbelwelle zugeordnet, insbesondere zumindest teilweise drehfest
mit dieser verbunden. Die Kupplung als solche ist insgesamt und
bauraummäßig betrachtet
demzufolge der Kurbelwelle zugeordnet, nicht etwa beispielswei se
einem Endlostrieb. Zwar kann die Ausgleichswelle mit dem Zahnring über einen
Endlostrieb verbunden sein oder mit einem Zahnrad, wobei das zugeordnete
Zahnrad mit dem Zahnring kämmt.
Wesentlich ist, dass die Schaltmechanik hier der Kurbelwelle zugeordnet
ist.
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In
einer weiteren Ausführung
ist der Zahnring mittels mindestens eines sich auf der Kurbelwelle drehfest
mitdrehenden Lagerteils gelagert. Der Zahnring weist demzufolge
keine separate Lagerung, insbesondere über eine weitere Achse oder
Welle auf. Er lagert vielmehr auf dem Lagerteil, das mit der Kurbelwelle
drehfest verbunden ist. Das Lagerteil kann hierbei insbesondere
der Schaltmechanik zugeordnet sein, dergestalt, dass bei nichtbetätigter Schaltmechanik
(also in ausgekuppeltem Zustand) der Zahnring auf der Kurbelwelle
lagert, aber nicht drehfest mit ihr verbunden ist.
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In
einer weiteren Ausführung
weist die Schaltmechanik eine Fliehkraftmitnahmevorrichtung auf.
Die Schaltmechanik wird in dieser Ausführungsform also (zumindest
auch) über
Fliehkraftelemente der Fliehkraftmitnahmevorrichtung betätigt, mithin also
drehzahlabhängig.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
ist die Schaltmechanik eine öldruckabhängig schaltende
Schaltmechanik. Die Schaltmechanik wird demzufolge (zumindest auch) über einen Öldruck betätigt, das
Einkuppeln oder Auskuppeln der Kupplung und somit das Zu- oder Abschalten
der Ausgleichswelle wird demzufolge über einen Öldruck gesteuert. Dies erlaubt
es, die Kupplung in einem ganz bestimmten Drehzahlbereich zu betätigen, beispielsweise
dadurch, dass zur Betätigung
der Schaltmechanik der Systemöldruck
der Brennkraftmaschine verwendet wird, der ab einem bestimmten Drehzahlbereich
einen bestimmten Wert erreicht und hierdurch die Schaltmechanik
betätigt
oder freigibt. Insbesondere ist ganz bevorzugt denkbar, dass bei
im Wesentlichen konstantem Öldruck
(Systemöldruck der
Brennkraftmaschine) ein Stell- oder Regelelement vorgesehen ist,
das eine Öldruckbeaufschlagung
der Schaltmechanik mit dem Systemöldruck in Abhängigkeit
beispielsweise eines Drehzahlsignals bewirkt, wobei das Drehzahlsignal
in modernen Brennkraftmaschinen vorhanden ist und als Grundlage
der Steuerung und Regelung einer Vielzahl von Parametern und Betriebszuständen dient.
Ein solches Regel- oder Stellelement kann beispielsweise elektrisch
ausgeführt
sein und den Öldruck
zur Schaltmechanik ab einer bestimmten Drehzahl freigeben oder diesen Öldruck nur
in einem bestimmten Drehzahlband zulassen. Hierdurch ergibt sich
die Möglichkeit,
die Ausgleichswelle ganz gezielt in bestimmten, gewünschten
Drehzahlbändern
ein- oder zukuppeln. Insbesondere ist hierbei auch denkbar, dass
in mehreren, verschiedenen Drehzahlbändern über den gesamten Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine die Ausgleichswelle zu- oder abgeschaltet wird.
Beispielsweise wäre
es möglich,
bei einem Drehzahlbereich von 800 bis 6500 Umdrehungen pro Minute
in zwei, drei oder vier Drehzahlbändern innerhalb dieses Bereichs
die Ausgleichswelle zuzuschalten. Die Ausgleichswelle kann also
ganz gezielt nur dann zugeschaltet werden, wenn sie zum Ausgleich von
freien Momenten und Kräften
auch tatsächlich erforderlich
ist. Wenn eine solche Kompensation aufgrund der anliegenden Drehzahl
gerade nicht notwendig ist, wird die Ausgleichswelle ausgekuppelt, was
zu einer Energieeinsparung führt.
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Der Öldruck wird
bevorzugt über
eine Bohrung in der Kurbelwelle bereitgestellt; die Kurbelwelle kann
insgesamt auch als Hohlkurbelwelle ausgebildet sein und Öldruck führen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Schaltmechanik eine Reibschlussmitnahmevorrichtung auf.
Die Reibschlussmitnahmevorrichtung bewirkt ein Anlaufen des Zahnrings
bei Betätigung
der Schaltmechanik, wobei dieses Anlaufen im Sinne eines mehr oder
minder sanften Einkuppelns verstanden wird. Insbesondere ist vorgesehen,
dass die Schaltmechanik insbesondere als öldruckabhängig schaltende Schaltmechanik
mit zunehmender Öldruckbeaufschlagung
einen zunehmenden Reibschluss bewirkt, wodurch eine zunehmende Momentübertragung
zwischen Kurbelwelle und Zahnring erfolgt.
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In
einer weiteren Ausführung
weist die Schaltmechanik eine Formschlussmitnahmevorrichtung auf.
Die Formschlussmitnahmevorrichtung bewirkt ein starres Einkuppeln
zur Sicherstellung einer bestimmten Phasenlage, wie sie beim Betrieb
von Ausgleichswellen erforderlich ist. Die Ausgleichswelle muss
nämlich
in einer bestimmten, gewünschten Phasenlage
zum Kurbeltrieb laufen, um die gewünschte Ausgleichswirkung erzielen
zu können.
Die Festlegung dieser gewünschten
Phasenlage erfolgt durch die Formschlussmitnahmevorrichtung. Hierbei ist
insbesondere vorgesehen, dass die Formschlussmitnahmevorrichtung
zusätzlich
zur Reibschlussmitnahmevorrichtung vorliegt.
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In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Kupplung
eine Arretiervorrichtung auf, die bei geschlossener Kupplung dieser
parallel geschaltet ist. Die Arretiervorrichtung gestattet eine
Fixierung der gefundenen Phasenlage, wie sie durch die Formschlussmitnahmevorrichtung erzielt
wird, in einer solchen Art und Weise, dass auch in ungünstigen
Betriebszuständen
und erhöhter Momentaufbringung
ein unbeabsichtigtes Lösen
der Formschlussmitnahmevorrichtung nicht erfolgen kann. Die Arretiervorrichtung
ist hierbei beispielsweise als radial wirkende Stiftarretierung
ausgebildet, also als eine solche, in der in Radialrichtung zwischen
Schaltmechanik und/oder Kurbelwelle und dem Zahnring eine mechanische
Verstiftung erfolgt, so dass in diesem Zustand eine drehfeste Verbindung
geschaffen wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, ohne jedoch hierauf
beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen
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1 eine
im Wesentlichen radial wirkende Kupplung und
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2 eine
im Wesentlichen axial wirkende Kupplung.
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1 zeigt
eine Kupplung 1 in Explosionsdarstellung. Die Kupplung 1 weist
eine überwiegend radiale
Wirkungsweise auf. Sie besteht aus einem Zahnring 2, der
mittels eines drehfest mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle
verbundenen Lagerteils 3 mit der nicht dargestellten Kurbelwelle
verbunden ist, wobei zwischen der nicht dargestellten Kurbelwelle und
dem Zahnring 2 über
eine Schaltmechanik 4 eine kraftschlüssige Verbindung herstellbar
ist. Der Zahnring 2 dient zum Antrieb einer nicht dargestellten
Ausgleichswelle einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, wobei
der Zahnring 2 hierzu mit einem der Ausgleichswelle zugeordneten
Zahnrad oder Endloszugmittel kämmt.
Das Lagerteil 3 weist zentrisch eine Zentralbohrung 5 auf,
die einseitig endseitig geschlossen ist, zur Kurbelwelle hin jedoch,
umgeben von einer Hirthverzahnung 6, geöffnet ist und hierbei mit einer
in der Drehachse der nicht dargestellten Kurbelwelle angeordneten Öldruckbohrung
kommuniziert. Das Lagerteil 3 als Element der Schaltmechanik 4 kann
demzufolge über
die Öldruckbohrung
und seine Zentralbohrung 5 mit Öldruck beaufschlagt werden,
wobei der Öldruck
vom Inneren des Lagerteils 3 radial abgehende Radialbohrungen 7 beaufschlagt
und sich hierdurch über
einen Außenumfang 8 des
Lagerteils 3 nach außen
mitteilt. Vom Außenumfang 8 abgehend
sind vier strahlenförmig
angeordnete Lagerarme 9 angeordnet, auf deren außenseitigen
Stirnflächen 10 der
Zahnring 2 verdrehbar lagert. Der Zahnring 2 weist
hierzu eine Zahnringsinnenfläche 11 auf,
die als Laufbahn 12 auf den außenseitigen Stirnflächen 10 der
Lagerarme 9 wirkt. Die Lagerarme 9 weisen abwechselnd
an ihren außenseitigen
Stirnflächen 10 randoffene
Axialausnehmungen 13 und radiale Bolzenaufnahmen 14 auf.
In die radial offenen Axialausnehmungen 13 sind Mitnahmerollen 15 eingelegt,
die über
in der randoffenen Axialausneh mung 13 endende Ölbohrungen 16 in Radialrichtung
abschnittsweise aus der randoffenen Axialausnehmung 13 heraus
gedrückt
werden können.
Die Bolzenaufnahmen 14 weisen in ihnen radial verschieblich
gelagerte Sperrbolzen 17 auf, die ebenfalls über Öldruck (in
den Bolzenaufnahmen 14 zwischen Zentralbohrung 5 und
dem Sperrbolzen 17 wirkend) betätigt werden und durch Öldruckbeaufschlagung
radial in Richtung des Zahnrings 2, nämlich hin zu dessen Zahnringinnenfläche 11 verlagert werden
können.
Zwischen den Lagerarmen 9 sind Reibelemente 18 angeordnet,
die fliehkraftbedingt sowie durch aus Radialbohrungen 7 austretendes Öl öldruckbedingt
verlagerbar sind. Die Verlagerung der Reibelemente 18 erfolgt
radial in Richtung auf die Zahnringinnenfläche 11 zu, wodurch
ein zunehmender Reibschluss zwischen Reibelementaußenumfangsflächen 19 und
der Zahnringinnenfläche 11 entsteht;
hierdurch wird eine Reibschlussmitnahmevorrichtung 38 ausgebildet.
Hierdurch wird ein Mitlaufen des Zahnrings 2 mit dem Lagerteil 3 bewirkt,
das drehfest auf der nicht dargestellten Kurbelwelle angeordnet
ist; der Zahnring 2 nimmt demzufolge die Kurbelwellendrehzahl
an. Die Kupplung 1 weist endseitig Abschlussplatten 20 auf,
die einen Verschluss des Bauraums der Schaltmechanik 4 bewirken
und eine mechanische Begrenzung und Führung von Bewegungen und Verlagerungen
der darin angeordneten Elemente der Schaltmechanik 4 bewirken. Gleichzeitig
dient die kurbelwellenseitige Abschlussplatte 21 auch der
Reibauflage von Reibelementen 18. Die Abschlussplatten 20 weisen
zentrale Durchbrüche 22 auf,
die zum Durchgriff der nicht dargestellten Kurbelwelle einerseits
und von dem Lagerteil 3 axial an der der Kurbelwelle gegenüberliegenden Seite
angeschlossenen Zahnrädern 41 dient.
Die Reibelemente 18 sind über hier nicht dargestellte
Tellerfeder pro Reibelement vorgespannt; sie werden aufgrund ihrer
Reibelementaußenumfangsfläche 19, die
eine konische Ausbildung aufweist, in Richtung Zahnringinnenfläche 11 verschoben,
bis es über
den hierdurch auftretenden Reibschluss zu einer Mitnahme des Zahnring 2 kommt.
Die wie bereits beschrieben mit Öldruck
beaufschlagbaren und/oder mit Öldruck
vorgespannten Mitnahmerollen 15 rollen innen auf der Zahnringinnenfläche 11.
Die Zahnringinnenfläche 11 weist
eine den Mitnahmerollen 15 entsprechende Vertiefung 23 auf,
in die die Mitnahmerollen 15 eingreifen können. Hierüber wird
eine bestimmte Phasenlage des Zahnrings 2 relativ zur nicht
dargestellten Kurbelwelle definiert und festgelegt sowie eine Formschlussmitnahmevorrichtung 39 ausgebildet.
Die Vertiefung 23 ist hierbei so ausgebildet, dass sie
mit den in sie eingreifenden Mitnahmerollen 15 einen Formschluss
ausbilden. Werden die Mitnahmerollen 15 weiter über die Ölbohrungen 16 öldruckbeaufschlagt,
löst sich
der so gefundene Formschluss nicht mehr, so dass die Mitnahmerollen 15 den
Zahnring 2 drehfest zum Lagerteil 3 mitnehmen,
und der Zahnring 2 nicht mehr relativ zum Lagerteil 3 auf
den Lagerarmen 9 und/oder den Mitnahmerollen 15 frei laufen
kann. Ist die Phasenlage auf diese Weise gefunden, werden die Sperrbolzen 17 über Öldruck radial
ausgefahren und greifen in hier aufgrund der Perspektive nicht sichtbare
Vertiefungen zur Aufnahme der Sperrbolzen 17 in der Zahnringinnenfläche 11 ein.
Die Kupplung ist somit mittels der so ausgebildeten, parallel zum
Reib- und Formschluss wirkenden Arretiervorrichtung 40 in
der gewünschten
Phasenlage vollständig
geschlossen und mechanisch gesichert. Die Kupplung ist lösbar durch
Wegnahme des Öldrucks,
insbesondere durch Öldruckverringerung im
Bereich der Zentralbohrung 5. Hierdurch werden die Sperrbolzen 17 gelöst, insbesondere
wenn diese in geeigneter Weise federbelastet ausgebildet sind, und
die Mitnahmerollen 15 durch Aufgleiten aus der Vertiefung 23 heraus
auf die Zahnringinnenfläche 11 in
die randoffene Axialausnehmung 13 hineingedrückt, so
dass der Zahnring 2 wieder auf dem Lagerteil 3 mitlaufen
kann und eine Relativverdrehung zwischen Zahnring 2 und
Lagerteil 3 möglich
ist.
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2 zeigt
eine im Wesentlichen axial wirkende Kupplung 1, mit einem
zur Ausbildung des Zahnrings 2 außenverzahnten Topfrad 24,
das zum Durchgriff einer nicht dargestellten Kurbelwelle den zentralen
Durchbruch 22 aufweist. In dieses eingelagert ist eine
Tellerdruckfeder 25 beziehungsweise Ringdruckfeder 26,
die sich zwischen einer Topfradstirninnenfläche 27 einerseits
und einer umlaufenden Aufnahmenut 28 am Außenumfang 29 stirnseitig
an einem Kupplungsrad 30 abstützt. Das Kupplungsrad 30 hat
in Gegenüberlage
der Topfradstirninnenfläche eine
Reibstirnfläche 31,
die nicht eben, sondern bevorzugt in einer Kurvenform ausgebildet
ist, und die ihre negative Formentsprechung in der Topfradstirninnenfläche 27 findet.
Dies bedeutet, dass die Reibstirnfläche 31 in einer bestimmten
Phasenlage mit der Topfradstirninnenfläche 27 vollflächig zusammenwirkt,
indem sie in die negative Formentsprechung eingreift. in anderen
Phasenlagen schleift sie gegen die Ringdruckfeder 26. Das
Kupplungsrad 30 weist einen Mitteldurchbruch 32 auf,
der innenseitig eine Innenverzahnung 33 aufweist, die formschlüssig auf
einer Außenverzahnung 34 eines
den Mitteldurchbruch 32 durchgreifenden Wellenelements 34 eingreift,
wobei auf dem Wellenelement 34 eine Lagerscheibe 35 zur
Ausbildung des Lagerteils 3 ausgebildet ist. Das Lagerteil 3 weist
die Zentralbohrung 5 zur Öldruckversorgung auf; auf der
dem Topfrad 24 zugewandten Seite des Wellenelements 34 weist
dieses die Hirthverzahnung 6 zur formschlüssigen Anbindung
an die nicht dargstellte Kurbelwelle auf. Das Topfrad 24 lagert
auf der Lagerscheibe 35, nämlich auf deren Scheibenaußenumfang 36,
mittels einer randoffenen Lagernut 37, die umlaufend an
der der Topfradstirninnenfläche 27 abgewandten
Zahnringinnenfläche 11 eingebracht
ist und deren Durchmesser so ausgebildet ist, dass ein Laufen auf
dem Scheibenaußenumfang 36 ermöglicht ist.
Im zusammengebauten Zustand läuft
demzufolge der Zahnring 2 auf dem Lagerteil 3 mit,
solange, bis durch über
die Zentralbohrung 5 vermittelten Öldruck das Kupplungsrad 30 gegen
die Ringdruckfeder 26 in Richtung auf die Topfradstirninnenfläche 27 verlagert
wird, so dass die Reibstirnfläche 31 mit
der Topfradstirninnenfläche
zunächst
in Reibschluss und dann, bei Findung der Formentsprechung, wie vorstehend
beschrieben, in Formschluss gelangt. Hierdurch wird der Zahnring 2 (das
Topfrad 24) phasenrichtig zur nicht dargestellten Kurbelwelle,
nämlich
zum drehfest mit diesem verbundenen Lagerteil 3 eingekuppelt.
Das Lösen
der Kupplung 1 erfolgt durch Wegnahme des Öldrucks,
so dass das Kupplungsrad 30 sich durch Wirkung der Ringdruckfeder 26 von
dem Topfrad 24 wegbewegt, wodurch zunächst der Formschluss und dann
auch der Reibschluss aufgehoben werden; das Topfrad 24 läuft dann
wieder auf dem Lagerteil 3 frei mit.
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Ist
beim freien Mitlaufen des Zahnrings 2 (und/oder des Topfrads 24)
auf dem jeweiligen Lagerteil 3 der Zahnring 2 belastet,
beispielsweise durch anzutreibende Elemente wie die Ausgleichswelle, kann
ein Stillstand des Zahnrings 2 eintreten. Insbesondere
ist dies auch durch Bremselemente (hier nicht dargestellt) erzielbar,
wenn ein Mitlaufen der am Zahnring 2 angeschlossenen Ausgleichswelle
(nicht dargestellt) sicher verhindert werden soll.
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- 1
- Kupplung
- 2
- Zahnring
- 3
- Lagerteil
- 4
- Schaltmechanik
- 5
- Zentralbohrung
- 6
- Hirthverzahnung
- 7
- Radialbohrung
- 8
- Außenumfang
- 9
- Lagerarm
- 10
- außenseitige
Stirnfläche
- 11
- Zahnringinnenfläche
- 12
- Laufbahn
- 13
- randoffene
Axialausnehmung
- 14
- Bolzenaufnahme
- 15
- Mitnahmerolle
- 16
- Ölbohrung
- 17
- Sperrbolzen
- 18
- Reibelement
- 19
- Reibelementaußenumfangsfläche
- 20
- Abschlussplatte
- 21
- kurbelwellenseitige
Abschlussplatte
- 22
- zentraler
Durchbruch
- 23
- Vertiefung
- 24
- Topfrad
- 25
- Tellerfeder
- 26
- Ringdruckfeder
- 27
- Topfradstirninnenfläche
- 28
- Aufnahmenut
- 29
- Außenumfang
- 30
- Kupplungsrad
- 31
- Reibstirnfläche
- 32
- Mitteldurchbruch
- 33
- Innenverzahnung
- 34
- Wellenelement
- 35
- Lagerscheibe
- 36
- Scheibenaußenumfang
- 37
- randoffene
Lagernut
- 38
- Reibschlussmitnahmevorrichtung
- 39
- Formschlussmitnahmevorrichtung
- 40
- Arretiervorrichtung
- 41
- Zahnrad