DE102009024045A1

DE102009024045A1 - Stufenloses Getriebe

Info

Publication number: DE102009024045A1
Application number: DE200910024045
Authority: DE
Inventors: Frank Rettig
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe zur variablen Übersetzung der Drehzahl einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine in eine für ein Nebenaggregat geeignete Drehzahl, das über einen Nebenaggregatetrieb in Wirkverbindung mit der Antriebswelle steht, wobei das stufenlose Getriebe wenigstens ein gegenüber der Antriebswelle dreh- und/oder verschiebbar gelagertes Exzenterbauteil (1) sowie hieran angelenkte und jeweils über einen Freilauf (2) mit einem Abtriebselement koppelbare Kurbelelemente (3) als Teilgetriebe mit ungleichförmiger Übersetzung umfasst, die derart schaltbar sind, dass eine nahezu gleichförmige Gesamtübersetzung erfolgt. Erfindungsgemäß ist die Geometrie und/oder Anordnung der Kurbelelemente (3) derart festgelegt, dass unterschiedliche Hebelverhältnisse eine Schwankung der Gesamtübersetzung über den Drehwinkel der Antriebswelle zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle bewirken. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einem solchen stufenlosen Getriebe.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein stufenloses Getriebe zur variablen Übersetzung der Drehzahl einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine in eine für ein Nebenaggregat geeignete Drehzahl, das über einen Nebenaggregatetrieb in Wirkverbindung mit der Antriebswelle steht, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einem solchen stufenlosen Getriebe.
Hintergrund der Erfindung
Bei Brennkraftmaschinen werden Nebenaggregate, wie beispielsweise Kühlwasserpumpe, Klimakompressor und Generator, über Nebenaggregatetriebe betrieben, welche mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Verbindung stehen. Dabei kann eine Drehzahl der Kurbelwelle mittels eines Zugmitteltriebes oder eines Rädertriebes auf eine Antriebswelle des jeweiligen Nebenaggregats mit einer definierten Übersetzung übertragen werden. Bei einer sol chen fixen Übersetzung arbeiten jedoch bestimmte Nebenaggregate je nach Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Nebenaggregatelast in sehr ungünstigen Betriebspunkten und mit hohen Verlustleistungen. Des Weiteren müssen bestimmte Nebenaggregate vergrößert ausgeführt werden, um auch im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine den jeweils geforderten Bedarf zu decken. Auf der anderen Seite sorgen derart vergrößert ausgeführte Aggregate bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine für einen Erzeugungsüberschuss.
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 erfolgen kann.
Stand der Technik
Aus der DE 32 05 017 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Nebenaggregatetrieb bekannt, welcher über ein stufenloses Getriebe in Form eines stufenlosen Riemengetriebes mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Dabei kann durch eine Variation des Abstandes zwischen zwei Halbscheiben einer oder beider Riemenscheiben des stufenlosen Riementriebes die Position des dazwischen laufenden Keilriemens verändert werden, was eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen einer mit der Kurbelwelle verbundenen Antriebswelle und einer abtriebsseitigen Welle des Nebenaggregatetriebes bewirkt. Dementsprechend ist es möglich, dass jeweilige Nebenaggregat unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine mit einer konstanten Drehzahl anzutreiben.
Über das beschriebene Stufenlosgetriebe ist jedoch bei drehender Antriebswelle kein Stillstand des Nebenaggregates darstellbar. Dies ist aber insbesondere bei Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine wünschenswert.
Aus dem Stand der Technik sind daher weitere stufenlose Getriebe, wie beispielsweise das Kurbel-CVT bekannt. Das Kurbel-CVT weist wenigstens ein gegenüber der Antriebswelle dreh- und/oder verschiebbar gelagertes Exzenterbauteil auf, an dem mehrere Kurbelelemente angelenkt sind. Jedes Kurbelelement ist ferner über einen Freilauf mit einem Abtriebselement koppelbar, so dass mehrere Teilgetriebe mit ungleichförmiger Übersetzung ausgebildet werden. Eine nahezu gleichförmige Gesamtübersetzung wird dadurch bewirkt, dass die Teilgetriebe phasenversetzt geschaltet werden. Jeweils der Freilauf mit der höchsten Drehzahl ist geschaltet, das heißt mit einem Abtriebselement gekoppelt. Ein Stufenlosgetriebe der vorstehend beschriebenen Art ist beispielsweise aus der DE 102 43 535 A1 bekannt.
Der Einsatz eines Stufenlosgetriebes mit gleichförmiger Gesamtübersetzung weist den Nachteil auf, dass auch Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle in den Nebenaggregatetrieb übertragen werden. Dieser kann dadurch hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes stufenloses Getriebe bereit zu stellen, das in der Lage ist, Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle auszugleichen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein stufenloses Getriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist die Geometrie und/oder Anordnung der Kurbelelemente des stufenlosen Getriebes derart festgelegt, dass unterschiedliche Hebelverhältnisse eine Schwankung der Gesamtübersetzung über den Drehwinkel der Antriebswelle zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle bewirken. Die Schwankung der Übersetzung ist dabei derart eingestellt, dass bei ungleichförmiger Eingangsdrehzahl die Ausgangsdrehzahl möglichst konstant bleibt. Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle können auf diese Weise ausgeglichen werden.
Unterschiedliche Hebelverhältnisse werden bevorzugt dadurch bewirkt, dass die Hebelarme wenigstens zweier Kurbelelemente unterschiedlich lang ausgebildet sind. Das heißt, dass sich wenigstens zwei Kurbelelemente in ihrer Geometrie unterscheiden. Da die Länge der Hebelarme das Übersetzungsverhältnis bestimmt, ergeben unterschiedlich lange Hebelarme einzelner Kurbelelemente unterschiedliche Teilübersetzungen. In der Summe führen diese Teilübersetzungen jedoch zu einer Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle ausgleichenden Gesamtübersetzung. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Kurbelelemente mit ungleich langen Hebelarmen nacheinander schaltbar. Weiterhin vorzugsweise weist das Stufenlosgetriebe mehr als zwei Kurbelelemente auf, die sich hinsichtlich ihrer Geometrie unterscheiden, so dass Kurbelelemente unterschiedlicher Geometrie im Wechsel geschaltet werden können. Beispielsweise können vier, sechs oder acht Kurbelelemente und zwei oder drei unterschiedliche Geometrien vorgesehen sein, wobei die Anzahl der Kurbelelemente vorzugsweise durch die Anzahl der unterschiedlichen Geometrien teilbar sein sollte. Die Kurbelelemente werden dann bevorzugt derart geschaltet, dass der Wechsel der Geometrie in regelmäßiger Reihenfolge erfolgt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Kurbelelemente, vorzugsweise drei oder sechs Kurbelelemente, in einer Radialebene in Bezug auf die Längsachse der Antriebswelle angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das Getriebe in axialer Richtung kompakt bauend und damit Bauraum schonend gestaltet werden kann. Die Anordnung der Kurbelelemente in einer Radialebene ermöglicht zudem, dass die Kurbelelemente dieser Ebene an einem gemeinsamen Exzenterbauteil angelenkt sein können. Darüber hinaus kann die Anordnung der Kurbelelemente aber auch in zwei oder mehr Radialebenen erfolgen. In entsprechender Weise sind auch die in Verbindung mit den Kurbelelementen einer Radialebene stehenden Freiläufe vorzugsweise in einer Radialebene angeordnet.
Weiterhin vorzugsweise sind die Kurbelelemente einer Radialebene in gleichem Winkelabstand α zueinander angeordnet. Der Winkelabstand bzw. die Anzahl der Kurbelelemente in einer Radialebene ist derart bemessen, dass ausreichend Freiraum für die Bewegung der einzelnen Kurbelelemente verbleibt. Bei der Anordnung von sechs Kurbelelementen in einer Radialebene beträgt der Winkelabstand α 60°.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist als Abtriebselement wenigstens ein Rad, vorzugsweise ein Zahnrad, vorgesehen. Beispielsweise kann jeder Freilauf mit einem solchen Rad verbunden sein, das wiederum in Eingriff mit einem weiteren Rad, beispielsweise einem Summierrad oder Hohlrad, stehen kann. Die Wahl der Gestaltung des Abtriebelementes hängt unter anderen davon ab, ob ggf. eine weitere Getriebestufe nachgeschaltet werden soll. Das Abtriebsrad kann aber auch Teil einer Abtriebswelle sein, die wiederum die Antriebswelle für den Nebenaggregatetrieb darstellt.
Das Exzenterbauteil ist vorzugsweise scheiben-, ring- und/oder sternförmig ausgebildet. Die Sternform kann sich aus einer Art Speichenanordnung ergeben, wobei an jedem Speichenende ein Kurbelelement angelenkt ist. Das Exzenterbauteil ist vorzugsweise in einer Radialebene mit den Kurbelelementen oder axial versetzt hierzu angeordnet. Die Kurbelelemente sind derart an das Exzenterbauteil angelenkt, dass sie innerhalb ihrer Radialebene verschwenkbar sind. Bei einer Rotation der Antriebswelle bewegt sich das Exzenterbauteil in einer Kreisbahn um die Antriebswelle. Dabei werden die angelenkten Enden der Kurbelelemente mitgeführt, so dass die Kurbelelemente als Ganzes eine Schwenkbewegung ausführen, welche die Freiläufe wiederum in eine Rotation versetzt.
Die radiale Lage des Exzenterbauteils in Bezug auf die Längsachse der Antriebswelle kann zur Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses stufenlos verstellt werden. Hierzu weist das Getriebe Mittel auf, die wenigstens ein Zahnrad sowie ein mit dem Zahnrad über eine Innenverzahnung kämmendes Hohlrad umfassen. Vorzugsweise sind diese Mittel Bestandteil des Exzenterbauteils. Die Innenverzahnung des Hohlrades ist entlang einer Kreisbahn geführt, die in Bezug auf den Hohlradmittelpunkt exzentrisch angeordnet ist, so dass eine Drehung des Zahnrades eine Verschiebung des Hohlradmittelpunktes in Bezug auf den Mittelpunkt des Zahnrades bewirkt. Es können aber auch andere Verstellmittel vorgesehen sein, die ebenfalls eine stufenlose Verstellung zwischen einer Nulllage und einem Maximum ermöglichen.
Da das erfindungsgemäße stufenlose Getriebe bevorzugt dazu verwendet werden soll, die Drehzahl einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine in eine für ein Nebenaggregat geeignete Drehzahl zu übersetzen, ist Gegenstand der Erfindung ferner eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einer Antriebswelle, einem Nebenaggregat und einem solchen stufenlosen Getriebe. Das Nebenaggregat steht dabei über einen Nebenaggregatetrieb in Wirkverbindung mit der Antriebswelle. Vorzugsweise ist dieser Nebenaggregatetrieb nach Art eines Zugmitteltriebes mit einem Riemen oder einer Kette als Zugmittel ausgebildet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kurbelelementanordnung mit gleich langen Hebelarmen (symmetrische Geometrie),
2 ein erstes Diagramm zur Darstellung einer ungleichförmigen Antriebsdrehzahl,
3 ein zweites Diagramm zur Darstellung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes der 1 bei ungleichförmiger Antriebsdrehzahl entsprechend 2,
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kurbelelementanordnung mit unterschiedlich langen Hebelarmen (asymmetrische Geometrie) und
5 ein drittes Diagramm zur Darstellung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes der 4 bei ungleichförmiger Antriebsdrehzahl entsprechend 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in 1 schematisch dargestellte stufenlose Getriebe weist sechs Kurbelelemente 3 auf, die in einer Radialebene in Bezug auf die Längsachse einer Antriebswelle angeordnet sind. Der Winkelabstand α der Kurbelelemente 3 zueinander beträgt somit 60°. Radial innen sind die Enden der Kurbelelemente 3 an einem Exzenterbauteil 1 angelenkt, das in der schematischen Darstellung sternförmig ausgebildet ist und sechs Arme zur Anlenkung der sechs Kurbelelemente 3 besitzt. Der Winkelabstand α ist hier am deutlichsten darstellbar, denn die Kurbelelemente können aufgrund ihrer Anlenkung am Exzenterbauteil in eine beliebige Lage innerhalb der Radialebene verschwenkt werden. Die radial außen liegenden Enden der Kurbelelemente 3 sind mit Freiläufen 2 verbunden, die wiederum mit Abtriebselementen (nicht dargestellt), vorzugsweise ortsfest entlang einer Kreislinie angeordneten Rädern, in Wirkverbindung stehen. Die Verschwenkbarkeit der Kurbelelemente 3 erfährt somit durch die Anlenkung einerseits am Exzenterbauteil 1 und andererseits an jeweils einem Freilauf 2 eine Beschränkung. Ferner wird die Verschwenkbarkeit der Kurbelelemente 3 auch durch deren Geometrie bestimmt, das heißt der Länge ihrer Hebelarme 3.1, 3.2. Bei dem stufenlosen Getriebe der 1 sind die Hebelarme 3.1 und 3.2 bei allen Kurbelelementen 3 gleich lang, so dass sich die einzelnen Teilübersetzungen sich entsprechen und bei regelmäßig phasenverschobener Schaltung der Kurbelelemente 3 eine im Wesentlichen gleichförmige Gesamtübersetzung ergeben. Zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses der Gesamtübersetzung kann das Exzenterbauteil radial in Bezug auf die Längsachse der Antriebswelle verschoben werden, so dass die Schwenkbewegung der Kurbelelemente in der Weise verändert wird, dass die Freiläufe 2 zu einer schnelleren oder langsameren Rotationsbewegung angetrieben werden.
Ist die Eingangsdrehzahl nicht gleichförmig (siehe 2), wie dies bei Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle der Fall ist, bewirkt die symmetrische Geometrie des Getriebes der 1, dass auch die Ungleichförmigkeiten übertragen werden. Bildlich ist dies in dem Diagramm der 3 dargestellt. Es zeigt die Ausgangsdrehzahl 4 bei symmetrischem Getriebe und ungleichförmiger Anregung.
Doch auch bei ungleichförmiger Anregung gilt es die Ausgangsdrehzahl möglichst konstant zu halten, damit der Nebenaggregatetrieb nicht zu hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt ist. Insofern muss dafür Sorge getragen werden, dass die Ungleichförmigkeiten ausgeglichen werden. Dies kann durch ein erfindungsgemäßes Stufenlosgetriebe bewirkt werden, wie es in 4 dargestellt ist. Im Unterschied zum Stufenlosgetriebe der 1 weisen die Kurbelelemente 3 zwei unterschiedliche Geometrien auf, wobei sich die Geometrien abwechseln. Das heißt, dass die Kurbelelemente 3a) eine erste bestimmte Geometrie aufweisen und die Kurbelelemente 3b) eine zweite, wobei die Kurbelelemente 3a) und 3b) abwechselnd in einer Radialebene liegend angeordnet und somit nacheinander schaltbar sind. Die über die Kurbelelemente 3a) bewirkte Teilübersetzung unterscheidet sich somit von der der Kurbelelemente 3b), so dass die Gesamtübersetzung eine schwankende Bewegung zeigt (siehe 5), die derart eingestellt ist, dass eine ungleichförmige Anregung weitestgehend ausgeglichen wird. Dies zeigt ein Vergleich der in 5 dargestellten Ausgangsdrehzahl 4' mit der in 3 dargestellten Ausgangsdrehzahl 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3205017 A1 [0004]
- DE 10243535 A1 [0006]

Claims

Stufenloses Getriebe zur variablen Übersetzung der Drehzahl einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine in eine für ein Nebenaggregat geeignete Drehzahl, das über einen Nebenaggregatetrieb in Wirkverbindung mit der Antriebswelle steht, wobei das stufenlose Getriebe wenigstens ein gegenüber der Antriebswelle dreh- und/oder verschiebbar gelagertes Exzenterbauteil (1) sowie hieran angelenkte und jeweils über einen Freilauf (2) mit einem Abtriebselement koppelbare Kurbelelemente (3) als Teilgetriebe mit ungleichförmiger Übersetzung umfasst, die derart schaltbar sind, dass eine nahezu gleichförmige Gesamtübersetzung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und/oder Anordnung der Kurbelelemente (3) derart festgelegt ist, dass unterschiedliche Hebelverhältnisse eine Schwankung der Gesamtübersetzung über den Drehwinkel der Antriebswelle zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle bewirken.
Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung unterschiedlicher Hebelverhältnisse die Hebelarme (3.1, 3.2) wenigstens zweier Kurbelelemente (3) unterschiedlich lang ausgebildet sind.
Stufenloses Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kurbelelemente (3), vorzugsweise drei oder sechs Kurbelelemente, in einer Radialebene in Bezug auf die Längsachse der Antriebswelle angeordnet sind.
Stufenloses Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelelemente (3) einer Radialebene in gleichem Winkelabstand α zueinander angeordnet sind.
Stufenloses Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Abtriebselement wenigstens ein Rad, vorzugsweise ein Zahnrad vorgesehen ist.
Stufenloses Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Exzenterbauteil (1) scheiben-, ring- und/oder sternförmig ausgebildet ist.
Stufenloses Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verstellung der radialen Lage des Exzenterbauteils (1) in Bezug auf die Längsachse der Antriebswelle vorgesehen sind, die vorzugsweise Bestandteil des Exzenterbauteils sind und weiterhin vorzugsweise wenigstens ein Zahnrad sowie ein mit dem Zahnrad über eine Innenverzahnung kämmendes Hohlrad umfassen, wobei die Innenverzahnung entlang einer Kreisbahn geführt ist, die in Bezug auf den Hohlradmittelpunkt exzentrisch angeordnet ist, so dass eine Drehung des Zahnrades eine Verschiebung des Hohlradmittelpunktes in Bezug auf den Mittelpunkt des Zahnrades bewirkt.
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einer Antriebswelle und einem Nebenaggregat, das über einen Nebenaggregatetrieb in Wirkverbindung mit der Antriebswelle steht, und mit einem stufenlosen Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur variablen Übersetzung der Drehzahl der Antriebswelle in eine für das Nebenaggregat geeignete Drehzahl.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenaggregatetrieb nach Art eines Zugmitteltriebes mit einem Riemen oder einer Kette als Zugmittel ausgebildet ist.