DE102008061885A1

DE102008061885A1 - Brennkraftmaschine mit Nebenaggregatetrieb

Info

Publication number: DE102008061885A1
Application number: DE200810061885
Authority: DE
Inventors: Bernd Hartmann; Florian Vogelgesang
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Nebenaggregatetrieb (1), über welchen mindestens ein Nebenaggregat (1) betreibbar ist und welcher mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht, wobei zwischen der Kurbelwelle und dem Nebenaggregatetrieb (1) ein stufenloses Getriebe (5) vorgesehen ist, um eine Drehzahl der Kurbelwelle in eine für das mindestens eine Nebenaggregat (1) geeignete Drehzahl variabel zu übersetzen, wobei ferner das stufenlose Getriebe (5) derart ausgebildet ist, dass auf einer, mit der Kurbelwelle verbundenen Antriebswelle (4) ein, zu dieser relativ verdrehbares Exzenterbauteil (6) aufgesetzt ist, an dem mehrere Kurbelelemente (8a-8f) gelenkig angebunden sind, welche jeweils mit ihren entgegengesetzten Enden an ortsfest platzierten und rotierbaren Rädern (9a-9f; 9a', 9b') mittelbar oder unmittelbar angreifen, in deren Bereich Freilaufkupplungen vorgesehen sind, welche eine Drehmomentübertragung nur von der Antriebswelle (4) auf die Räder (9a-9f; 9a', 9b') zulassen, und wobei das Exzenterbauteil (6) bezüglich der Antriebswelle (4) in radialer Richtung gezielt verschiebbar ist, um durch eine exzentrische Position des Exzenterbauteils (6) bezüglich der Antriebswelle (4) und einer hierdurch definierten Hublänge (h) über die Kurbelelemente (8a-8f) eine Rotation der Räder (9a-9f; 9a', 9b') mit einem definierten Verhältnis zur Rotation der Antriebswelle (4) darzustellen, wobei die Räder (9a-9f; 9a', 9b') mit einem, zwischen ...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Nebenaggregatetrieb, über welchen mindestens ein Nebenaggregat betreibbar ist und welcher mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht, wobei zwischen der Kurbelwelle und dem Nebenaggregatetrieb ein stufenloses Getriebe vorgesehen ist, um eine Drehzahl der Kurbelwelle in eine für das mindestens eine Nebenaggregat geeignete Drehzahl variabel zu übersetzen.
Hintergrund der Erfindung
Bei Brennkraftmaschinen werden Nebenaggregate, wie beispielsweise Kühlwasserpumpe, Klimakompressor und Generator, über Nebenaggregatetriebe betrieben, welche mit der Kurbelwelle der jeweiligen Brennkraftmaschine in Verbindung stehen. Dabei wird eine Drehzahl der Kurbelwelle mittels eines Zugmitteltriebes oder eines Rädertriebes auf eine Antriebswelle des jeweiligen Nebenaggregats mit einer fest definierten Übersetzung übertragen. Diese feste Übersetzung sorgt jedoch dafür, dass das jeweilige Nebenaggregat je nach Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Nebenaggregatelast in sehr ungünstigen Betriebspunkten und mit hohen Verlustleistungen arbeitet. Um des Weiteren auch im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine den jeweiligen, durch das Nebenaggregat zur Verfügung zu stellenden Bedarf zu decken, müssen bestimmten Nebenaggregate vergrößert ausgeführt oder mit einer entsprechenden Übersetzung ins Schnelle betrieben werden. Diese vergrößerten Ausführungen der Nebenaggregate bzw. die entsprechenden Übersetzungen im Nebenaggregatetrieb sorgen allerdings bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine für Erzeugung eines unnötigen Überschusses und dementsprechend für Verluste.
Es sind daher Konzepte von Brennkraftmaschinen entwickelt worden, bei welchen ein Betrieb der jeweiligen Nebenaggregate in einem schmalen, für sie geeigneten Drehzahlband und unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine über den Zugmitteltrieb erfolgen kann.
Stand der Technik
Aus der DE 32 05 017 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Nebenaggregatetrieb bekannt, welcher mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über ein stufenloses Getriebe in Form eines stufenlosen Riemengetriebes verbunden ist. Eine variable Übersetzung des Drehmoments der Kurbelwelle auf eine antriebsseitige Welle des jeweiligen Nebenaggregats kann nun erfolgen, indem der Abstand zwischen den Halbscheiben einer oder beider Riemenscheiben gezielt verändert wird und hierdurch der wirksame Durchmesser, auf welchem der Riemen läuft, entsprechend wechselt.
Nachteilhaft an einer derartigen Ausgestaltung ist jedoch, dass bei einem stufenlosen Riemengetriebe aufgrund des zwischen Riemen und Riemenscheiben auftretenden Schlupfes ein Teil der hierüber fließenden Leistung in Wärme umgesetzt wird und somit nicht zum Antrieb des Nebenaggregates zur Verfügung steht. Dies stellt folglich eine Verminderung des Wirkungsgrades des Getriebes dar. Des Weiteren ist es mittels eines stufenlosen Riemengetriebes nicht möglich, durch eine entsprechende Verstellung einen vollständigen Stillstand des Nebenaggregates bei laufender Brennkraftmaschine zu erreichen. Eine Abschaltung von bestimmten Nebenaggregaten ist allerdings insbesondere bei Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine wünschenswert. Schließlich muss durch das stufenlose Getriebe des Standes der Technik ein sehr großer Bereich an Übersetzungsverhältnissen darstellbar sein, um sowohl bei Leerlauf als auch Maximaldrehzahl der Kurbelwelle das gewünschte, schmale Drehzahlband des Nebenaggregates zu gewährleisten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einem Nebenaggregatetrieb zur Verfügung zu stellen, welcher über ein stufenloses Getriebe mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei dieses stufenlose Getriebe einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist und zudem auch eine Abschaltung des Nebenaggregats bei laufender Brennkraftmaschine ermöglicht. Des Weiteren ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Betrieb der jeweiligen Nebenaggregate in dem gewünschten Drehzahlbereich mit einer möglichst geringen Bandbreite an darstellbaren Übersetzungsverhältnissen durch das stufenlose Getriebe zu ermöglichen, um eine möglichst kompakte Ausgestaltung zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die darauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung umfasst die technische Lehre, dass das stufenlose Getriebe derart ausgebildet ist, dass auf einer, mit der Kurbelwelle verbundenen Antriebswelle ein, zu dieser relativ verdrehbares Exzenterbauteil aufgesetzt ist, an dem mehrere Kurbelelemente gelenkig angebunden sind. Diese Kurbelelemente greifen jeweils mit ihren entgegengesetzten Enden an ortsfest platzierten und rotierbaren Rädern mittelbar oder unmittelbar an. Dabei sind im Bereich dieser Räder Freilaufkupplungen vorgesehen, die eine Drehmomentübertragung nur von der Antriebswelle auf die Räder zulassen, während im umgekehrten Fall eine Übertragung durch die wirksam werdende Freilauffunktion unterbunden wird. Das Exzenterbauteil ist des Weiteren bezüglich der Antriebswelle in radialer Richtung gezielt verschiebbar, um durch eine entsprechende exzentrische Position relativ zu der Antriebswelle und einer damit definierten Hublänge über die Kurbelelemente eine Rotation der Räder mit einem definierten Verhältnis zur Rotation der Antriebswelle darzustellen. Ferner stehen die Räder mit einem, zwischen dem stufenlosen Getriebe und einer antriebsseitigen Welle des Nebenaggregatetriebes platzierten Übersetzungsgetriebe in Wirkverbindung.
Das erfindungsgemäß ausgebildete, stufenlose Getriebe weist gegenüber dem Getriebe des Standes der Technik aufgrund des nicht vorhandenen Schlupfes zwischen Elementen zur Drehmomentübertragung einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Bei Betrieb der Brennkraftmaschine kann eine radiale Relativverschiebung des Exzenterbauteils zur Antriebswelle in Abhängigkeit der Drehzahl der Kurbelwelle durchgeführt werden, und somit auf der Abtriebsseite des Getriebes eine nahezu konstante Drehzahl zur Verfügung gestellt werden. Des Weiteren ist es auch möglich, durch eine koaxiale Platzierung des Exzenterbauteils relativ zu der Antriebswelle überhaupt keine Hublänge zu definieren und folglich auch keine Drehzahl auf die Räder und damit den Nebenaggregatetrieb zu übertragen. Dementsprechend können hierüber gezielt die jeweils an dem Nebenaggregatetrieb angeschlossenen Nebenaggregate abgeschaltet werden. So kann zum Beispiel bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems bei einem allein im Nebenaggregatetrieb angeordneten Generator dieser gezielt bei Beschleunigungsphasen abgeschaltet werden, um die durch die Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellte Leistung optimal zum Beschleunigen des Fahrzeuges zu verwenden, während im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei Bremsvorgängen, der Generator gezielt hinzugeschaltet wird, um die hierbei zur Verfügung gestellte Leistung zur Stromerzeugung zu nutzen.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung sind die Räder jeweils über Stege mit Stirnrädern des zwischengeschalteten Übersetzungsgetriebes verbunden, welche das Drehmoment über jeweils zwischengeschaltete Übertragungsräder übersetzt auf ein zentrisch platziertes und mit der antriebsseitigen Welle verbundenes Summierrad übertragen. Dadurch ist es möglich, mit niedrigem Herstellungsaufwand das Drehmoment der Räder des stufenlosen Getriebes auf die antriebsseitige Welle des Nebenaggregatetriebes zu übertragen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe als Planetengetriebe ausgebildet, welches eines Planetensteg umfasst, der über ein Hohlrad mit den Rädern in Verbindung steht und mit mehreren Planetenrädern das Drehmoment übersetzt auf ein, mit der antriebsseitigen Welle verbundenes Sonnenrad überträgt. Dadurch kann eine sehr kompakte Übertragung des Drehmoments von den Rädern auf die antriebsseitige Welle bewerkstelligt werden, während entsprechend einer Wahl der Anzahl an Planetenrädern die Belastbarkeit des zwischengeschalteten Übersetzungsgetriebes gesteigert werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung, ist je nach radialer Verschiebung des Exzenterbauteils relativ zur Antriebswelle eine Drehzahl der Räder im Bereich von Stillstand bis Drehzahl der Antriebswelle darstellbar, wobei diese Drehzahl der Räder durch das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis im Bereich 2–6 ins Schnellere auf die antriebsseitige Welle übersetzbar ist. Vorteilhafterweise kann hierdurch der Bereich der darstellbaren Übersetzungsverhältnisse des stufenlosen Getriebes kleiner gehalten werden, was den Verstellbereich des Exzenterbauteils und damit die Bauteilbelastung reduziert, während durch das feste Übersetzungsverhältnis des zwischengeschalteten Übersetzungsgetriebes auch bei Leerlauf der Brennkraftmaschine eine ausreichende Drehzahl der Nebenaggregate darstellbar ist.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Räder und das Exzenterbauteil orthogonal zur Längsmittelachse der Antriebswelle in einer Ebene liegend angeordnet. Dadurch kann eine kompakte Ausgestaltung des stufenlosen Getriebes in axialer Richtung erreicht werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Exzenterbauteil als speichenradartiger Körper ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit das Gewicht des Exzenterbauteils reduziert werden kann.
Entsprechend einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kurbelelemente in gleichmäßigen Abständen verteilt am Exzenterbauteil befestigt. Dadurch kann ein kontinuierlicherer Abtrieb des stufenlosen Getriebes erreicht werden, da die Kurbelelemente gleichmäßig hintereinander über das Exzenterbauteil betätigt und die Räder somit regelmäßig aufeinanderfolgend in Rotation versetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Nebenaggregatetrieb nach Art eines Zugmitteltriebes mit einem Riemen oder einer Kette ausgebildet. Durch die Verwendung eines Riemens oder einer Kette kann das durch das stufenlose Getriebe und das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe zur Verfügung gestellte Drehmoment zuverlässig auch auf hierzu beabstandet angeordnete Nebenaggregate übertragen werden. Insbesondere kann hierbei aufgrund des möglichen, schmalen Drehzahlbandes des Nebenaggregatetriebes ein Riemen in Form eines Zahnriemens Anwendung finden, wodurch die Vorspannkraft im Nebenaggregatetrieb reduziert und somit Verluste und Lagerlasten vermindert werden können.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Bereich eines Nebenaggregatetriebes gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Draufsicht auf ein stufenloses Getriebe der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und
3 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Bereich eines Nebenaggregatetriebes gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im Bereich eines Nebenaggregatetriebes 1 dargestellt. Bei dieser ist eine Kurbelwelle 2 über eine dazwischenliegende Antriebsscheibe 3 für einen, hier nicht weiter dargestellten Steuertrieb der Brennkraftmaschine mit einer Antriebswelle 4 eines stufenlosen Getriebes 5 verbunden. Dieses stufenlose Getriebe 5 verfügt am Ende seiner Antriebswelle 4 über ein Exzenterbauteil 6, welches relativ zu der Antriebswelle 4 verdrehbar und zusätzlich über eine Verstelleinheit 7 in radialer Richtung zu der Antriebswelle 4 verschiebbar ist. Des Weiteren sind im Bereich der radialen Erstreckung des Exzenterbauteils 6 mehrere Kurbelelemente 8a und 8b über Gelenke angebunden, die an ihrem anderen Ende an ortsfest platzierten und rotierbaren Rädern 9a und 9b angreifen. Im Bereich der Räder 9a und 9b sind des Weiteren hier nicht detaillierter dargestellte Freilaufkupplungen vorgesehen, die eine Drehmomentübertragung nur von der Antriebswelle 4 auf die Räder 9a und 9b zu lassen, während im umgekehrten Fall durch die wirksam werdende Freilauffunktion eine Übertragung verhindert wird. Die Räder 9a und 9b stehen jeweils über Stege 10a und 10b mit Stirnrädern 11a und 11b drehfest in Verbindung, welche wiederum über zwischengeschaltete Übertragungsräder 12a und 12b die Rotation der Räder 9a und 9b übersetzt auf ein zentrisch platziertes Summierrad 13 übertragen. Dieses Summierrad ist hierbei fest auf einer antriebsseitigen Welle 14 des Nebenaggregatetriebes 1 platziert und sorgt hierüber für dessen Antrieb.
In 2 ist die Funktionsweise des stufenlosen Getriebes 5 in einer schematischen Draufsicht näher dargestellt. In diesem Fall ist das Exzenterbauteil 6 als speichenradartiger Körper ausgeführt und in eine exzentrischen Position zu der Antriebswelle 4 ausgelenkt, wodurch zwischen beiden Bauteilen die Hublänge h definiert wird. Bei einer Bewegung des Exzenterbauteils 6 auf einer Kreisbahn um die Antriebswelle 4 wird über die Hublänge h und die an dem Exzenterbauteil 6 angebundenen Kurbelelemente 8a bis 8f eine Rotation der zugehörigen Räder 9a bis 9f hervorgerufen. Da die in die Räder 9a bis 9f eingeleiteten Drehbewegungen aufgrund der Kurbelcharakteristik einen periodischen Verlauf aufweisen, was aufgrund der Anordnung um die Antriebswelle 4 herum zu zeitgleich unterschiedlich eingeleiteten Drehgeschwindigkeiten führen würde, wird über die Freilaufkupplungen nur eine Drehmomentübertragung von den Kurbelelementen 8a bis 8f auf die Räder 9a bis 9f zugelassen. Es wird also nacheinander abfolgend immer nur eines der Räder 9a bis 9f angetrieben.
In 3 ist eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zu der erstgenannten Ausführung stehen Räder 9a' und 9b' hierbei über eine Verzahnung mit einem gemeinsamen, innenliegenden Hohlrad 15 in Verbindung, an das ein Planetensteg 16 anschließt. Dieser Planetensteg 16 übersetzt mit mehreren Planetenrädern 17a und 17b das von dem Hohlrad 15 kommende Drehmoment auf ein mit der antriebsseitigen Welle 14 verbundenes Sonnenrad 18, welches somit für einen Antrieb des Nebenaggregatetriebes 1 sorgt.

1: Nebenaggregatetrieb
2: Kurbelwelle
3: Antriebsscheibe
4: Antriebswelle
5: stufenloses Getriebe
6: Exzenterbauteil
7: Verstelleinheit
8a–8f: Kurbelelemente
9a–9f, 9a', 9b': Räder
10a, 10b: Stege
11a, 11b: Stirnräder
12a, 12b: Übertragungsräder
13: Summierrad
14: antriebsseitige Welle
15: Hohlrad
16: Planetensteg
17a, 17b: Planetenräder
18: Sonnenrad
h: Hublänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3205017 A1 [0004]

Claims

Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Nebenaggregatetrieb (1), über welchen mindestens ein Nebenaggregat betreibbar ist und welcher mit einer Kurbelwelle (2) in Verbindung steht, wobei zwischen der Kurbelwelle (2) und dem Nebenaggregatetrieb (1) ein stufenloses Getriebe (5) vorgesehen ist, um eine Drehzahl der Kurbelwelle (2) in eine für das mindestens eine Nebenaggregat geeignete Drehzahl Variabel zu übersetzen, dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlose Getriebe (5) derart ausgebildet ist, dass auf einer, mit der Kurbelwelle (2) verbundenen Antriebswelle (4) ein, zu dieser relativ verdrehbares Exzenterbauteil (6) aufgesetzt ist, an dem mehrere Kurbelelemente (8a–8f) gelenkig angebunden sind, welche jeweils mit ihren entgegengesetzten Enden an ortsfest platzierten und rotierbaren Rädern (9a–9f; 9a', 9b') mittelbar oder unmittelbar angreifen, in deren Bereich Freilaufkupplungen vorgesehen sind, welche eine Drehmomentübertragung nur von der Antriebswelle (4) auf die Räder (9a–9f; 9a', 9b') zulassen, und wobei das Exzenterbauteil (6) bezüglich der Antriebswelle (4) in radialer Richtung gezielt verschiebbar ist, um durch eine exzentrische Position des Exzenterbauteils (6) bezüglich der Antriebswelle (4) und einer hierdurch definierten Hublänge (h) über die Kurbelelemente (8a–8f) eine Rotation der Räder (9a–9f; 9a', 9b') mit einem definierten Verhältnis zur Rotation der Antriebswelle (4) darzustellen, wobei die Räder (9a–9f; 9a', 9b') mit einem, zwischen dem stufenlosen Getriebe (5) und einer antriebsseitigen Welle (14) des Nebenaggregatetriebes (1) platzierten Übersetzungsgetriebe in Wirkverbindung stehen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Räder (9a–9f) jeweils über Stege (10a, 10b) mit Stirnrädern (11a, 11b) des zwischengeschalteten Übersetzungsgetriebes verbunden sind, welche das Drehmoment über jeweils zwischengeschaltete Übertragungsräder (12a, 12b) übersetzt auf ein zentrisch platziertes und mit der antriebsseitigen Welle (14) verbundenes Summierrad (13) übertragen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe als Planetengetriebe ausgebildet ist, welches einen Planetensteg (16) umfasst, der über ein Hohlrad (15) mit den Rädern (9a', 9b') in Verbindung steht und mit mehreren Planetenrädern (17a, 17b) das Drehmoment übersetzt auf ein, mit der antriebsseitigen Welle (14) verbundenes Sonnenrad (18) überträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass je nach radialer Verschiebung des Exzenterbauteils (6) relativ zur Antriebswelle (4) eine Drehzahl der Räder (9a–9f; 9a', 9b') im Bereich von Stillstand bis Drehzahl der Antriebswelle (4) darstellbar ist, wobei diese Drehzahl der Räder (9a–9f; 9a', 9b') durch das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis im Bereich von 2–6 ins Schnellere auf die antriebsseitige Welle (14) übersetzbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Räder (9a–9f; 9a', 9b') und das Exzenterbauteil (6) orthogonal zur Längsmittelachse der Antriebswelle (4) in einer Ebene liegend angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Exzenterbauteil (6) als speichenradartiger Körper ausgeführt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelelemente (8a–8f) in gleichmäßigen Abständen verteilt am Exzenterbauteil (6) befestigt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenaggregatetrieb (1) nach Art eines Zugmitteltriebes mit einem Riemen oder einer Kette ausgebildet ist.