DE102010053552B4

DE102010053552B4 - Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle und Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltfunktion

Info

Publication number: DE102010053552B4
Application number: DE102010053552.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Lindenbaum; Johannes Lamers
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: DE102010053552A1

Abstract

Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle (1) an eine zweite Welle (4), zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist, mit einem Drehkolben (5), der mit einer der beiden Wellen (4) verbunden ist, und mit einem inneren Gehäuse (3), das mit der entsprechend anderen der beiden Wellen (1) verbunden ist, wobei Drehkolben (5) und inneres Gehäuse (3) zumindest zwei voneinander getrennte hydraulikmediumgefüllte Druckräume (12,13) bilden, die miteinander in Fluidverbindung stehen und mit zumindest einer Verdrängerklappe (18A, 18B), welche am inneren Gehäuse (3) schwenkbar abgestützt und in einen der Druckräume (12,13) einschwenkbar ist, wobei im eingeschwenkten Zustand die Verdrängerklappe (18A,18B) am Drehkolben (5) zur Drehzahlsynchronisierung anliegt, mit einem äußeren Gehäuse (7), das das innere Gehäuse (3) und den Drehkolben (5) umgibt und das mit derjenigen Welle (4) verbunden ist, die mit dem Drehkolben (5) verbunden ist, wobei jeder der Verdrängerklappen-Aktuatoren ein am äußeren Gehäuse (7) abgestützten Auslöser, einen auf den Auslöser wirkenden und im äußeren Gehäuse (7) angeordneten Auslösekolben (21) und einen im inneren Gehäuse (3) angeordneten Auslösestößel (19) aufweist, wobei über Anlegen eines Hydraulikmediumsdruckes der Auslösekolben (21) betätigt wird, wodurch der Auslöser in Wirkverbindung mit dem Auslösestößel (19) tritt und diesen in Richtung Verdrängerklappen (18A, 18B) und Drehkolben (5) verlagert, so dass jedenfalls Teilbereiche der Verdrängerklappen (18A,18B) in die Druckräume (12,13) verschoben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle, zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist bzw. zum Abkoppeln einer ersten Welle von einer zweiten Welle, und einen Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltfunktion mit einer ersten Verbrennungsmotoreinheit als permanent betreibbarem Teilantrieb eines Fahrzeuges und einer zweiten Verbrennungsmotoreneinheit als abschaltbarem Teilantrieb des Fahrzeuges mit einer solchen Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle bzw. zum Abkoppeln einer ersten Welle von einer zweiten Welle.
Vorrichtungen zur Kopplung von Wellen sind beispielsweise aus den Druckschriften US 2 431 076 A , US 1 145 464 A und DE 36 02 326 A1 bekannt.
Aus der DE 28 28 298 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren in einem gemeinsamen Zylinderblock angeordneten Zylindern bekannt, von denen ein Teil bei Teillast abschaltbar ist, wobei zur Abschaltung ein den abzuschaltenden Zylindern zugeordnetes Kurbelwellenteil von dem den übrigen Zylindern zugeordneten, mit dem Abtrieb verbundenen Kurbelwellenteil abgetrennt und die abzuschaltenden Zylinder stillgesetzt werden durch eine schaltbare Trennkupplung, welche die Kurbelwelle in zwei Kurbelwellenteile unterteilt, und wobei zur Wiederzuschaltung des abgeschalteten Kurbelwellenteils die Trennkupplung geschlossen und die Kurbelwellenteile winkelgetreu und zündfolgerichtig miteinander verbunden werden. Die Ab- bzw. Zuschaltung erfolgt hierbei in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine.
Diese Technologie beruht dementsprechend darauf, eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors während dessen Betriebes zu teilen bzw. einen abgetrennten Teil der Kurbelwelle wieder an einen noch drehenden Teil der Kurbelwelle anzukoppeln, so dass ein Motorbetrieb mit unterschiedlichen Zylinderanzahlen möglich ist. Dieser Vorgang wird über eine externe Regelung gesteuert. Die Dynamikanforderungen an diese externe Regelung der bekannten Trennkupplung sind jedoch sehr hoch.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten an eine zweite Welle, zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist, anzugeben, welche eine möglichst kurze Regelungsstrecke für das Synchronisiermoment aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle mit den Merkmalen eines der Patentansprüche 1 bis 3. Diese Vorrichtungen stellen ein Koppelungselement zwischen zwei Wellen dar, dessen Synchronisiermoment intern auf kürzestem Weg geregelt wird. Außerdem sind der Bauraumbedarf und auch die Massenträgheit dieses Koppelungselement vergleichsweise gering gegenüber bekannten Lösungen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere in einem Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltfunktion mit einer ersten Verbrennungsmotoreinheit als permanent betreibbarem Teilantrieb eines Fahrzeuges und einer zweiten Verbrennungsmotoreneinheit als abschaltbarem Teilantrieb des Fahrzeuges verwendet zum Zusammenkoppeln der beiden Kurbelwellenteile der beiden Verbrennungsmotoreinheiten des Verbrennungsmotors, d. h. zum Ankoppeln der zeitweilig stillgelegten Kurbelwelle an die permanent betriebene Kurbelwelle bzw. zum Abkoppeln derselben beim Stilllegen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verbrennungsmotors sind Gegenstand der weiteren abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle, verwendet in einem Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltfunktion, mit Synchronisiereinrichtung und Formschlußkupplung,
2 eine Schnittdarstellung entlang des Schnittes A-A nach 1 mit nicht aktivierter Synchronisiereinrichtung und offener Formschlusskupplung,
3 die Schnittdarstellung nach 2 mit aktivierter Synchronisiereinrichtung und geschlossener Formschlusskupplung,
4 eine perspektivische Darstellung des Schnittes A-A nach 2,
5 eine perspektivische Darstellung des Aufbaues nach 1 mit Blick von der permanent betriebenen Kurbelwelle,
6 eine weitere perspektivische Darstellung der Vorrichtung nach 1 mit verändertem Blickwinkel aus Richtung der permanent betriebenen Kurbelwelle,
7 eine Schnittdarstellung gemäß des Schnittes B-B nach 1 und

1 zeigt einen Teil einer ersten Kurbelwelle 1, welche gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kurbelwelle eines Vierzylindermotors ausgebildet ist, der vorliegend permanent betrieben werden soll, wobei die Kurbelwelle mit der Vorrichtung zum Verbindung zweier Wellen verbunden ist. Die erste Kurbelwelle 1 weist einen durchmesservergrößerten Bereich 2 auf, mit dem die Kurbelwelle 1 mit einem inneren Gehäuse 3 der Vorrichtung zum Verbindung zweier Wellen verbunden ist. Zur Erleichterung des Verständnisses des Aufbaues sind in den beigefügten Zeichnungen die mit der Kurbelwelle 1 jedenfalls drehfest verbundenen Teile in Grüntönen eingefärbt.
1 zeigt außerdem einen Teil einer zweiten Kurbelwelle 4, welche gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kurbelwelle eines Zweizylindermotors ist, der vorliegend zeitweise abgeschalten werden soll, wobei diese zweite Kurbelwelle 4 mit der Vorrichtung zum Verbinden zweier Wellen verbunden ist. Vorliegend ist an der Kurbelwelle 4 unmittelbar ein (nachstehend im Einzelnen beschriebener) Drehkolben 5 ausgebildet, der Teil der Vorrichtung zum Verbindung zweier Wellen ist. Außerdem weist die Kurbelwelle 4 einen durchmesservergrößerten Bereich 6 auf, der mit einem äußeren Gehäuse 7 der Vorrichtung zum Verbindung zweier Wellen verbunden ist. Zur Erleichterung des Verständnisses des Aufbaues sind in den beigefügten Zeichnungen die mit der Kurbelwelle 4 jedenfalls drehfest verbundenen Teile in Rottönen eingefärbt.
Wie dargestellt, ist bei dem vorgestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen, einen Vierzylindermotor zum Betrieb des Fahrzeuges permanent zu betreiben und einen Zweizylindermotor entsprechend einem Leistungsbedarf der Antriebseinheit zuzuschalten bzw. abzuschalten. Diese Zu- bzw. Abschaltung erfolgt über das Ankoppeln der zweiten Kurbelwelle 4 an bzw. Abtrennen der zweiten Kurbelwelle 4 von der ersten Kurbelwelle 1.
Beide Verbrennungsmotoren sind vorliegend in einem gemeinsamen Zylinderblock zusammenfasst.
Selbstverständlich ist eine vorstehend angegebene Anzahl an Zylindern pro Verbrennungsmotor nur beispielhaft zu verstehen und die Lehre der vorliegenden Erfindung ist nicht hierauf eingeschränkt.
Wie 1 entnehmbar ist die zweite Kurbelwelle 4 in deren Stirnbereich, welcher benachbart zur ersten Kurbelwelle 1 angeordnet ist, als Drehkolben 5 ausgebildet, der im inneren Gehäuse 3 aufgenommen ist. Alternativ hierzu könnte der Drehkolben 5 auch separat gefertigt und am Stirnbereich befestigt werden.
Die zweite Kurbelwelle 4 umfasst einen radial nach außen verbreiterten Bereich 6, an dem im radial äußeren Bereich ein äußeres Gehäuse 7 der Vorrichtung zur Ankoppelung einer ersten Welle an eine zweite Welle angebracht ist. Hierzu dienen die in den 6 und 7 gezeigten Schrauben oder Stifte 31.
Außerdem ist zwischen dem radial verbreiterten Bereich 6 der zweiten Kurbelwelle 4 und dem äußeren Gehäuse 7 eine Tellerfeder 8 einseitig eingespannt, wobei die Tellerfeder 8 in einem radial inneren Bereich seitlich eine Reibfläche 9 aufweist, welche zur Anlage an eine Seitenfläche des inneren Gehäuses 3 vorgesehen ist. Die Tellerfeder 8 dient vorliegend als Reibeinrichtung zur Erzeugung eines zusätzlichen Momentes zwischen den Kurbelwellen 1 und 4 bzw. zwischen den mit diesen jeweils verbundenen inneren und äußeren Gehäusen 3 und 7 der Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle.
Am Drehkolben 5 ist ein Abschlussdeckel 11 befestigt, der vorliegend über Schrauben 11A (12) mit dem Drehkolben 5 fest verbunden ist. Zwischen Drehkolben 5, innerem Gehäuse 3, Abschlussdeckel 11 und dem radial verbreiterten Bereich 6 der zweiten Kurbelwelle 4 sind Druckkammern 12, 13 angeordnet, in denen Hydraulikmedium aufgenommen ist. Der Abschlussdeckel 11 weist eine Reibfläche 10 auf, welche zur Anlage an eine motorseitige Seitenfläche des inneren Gehäuses 3 vorgesehen ist. Dabei ist das innere Gehäuse 3 axial schwimmend zwschen de Reibflächen 9 und 10 gelagert.
Die äußere Kontur des Drehkolbens 5 weist, wie insbesondere aus den 2 und 3 ersichtlich, im Bereich jeder der Hydraulikmediumskammern einen gekrümmten Bereich 5A und einen ebenen Bereich 5B auf. Hierbei wird darauf hingewiesen, dass der Bereich 5B nicht zwangsläufig eben sein muss. Die äußere Kontur des Drehkolbens 5 ist zudem derart ausgebildet, daß die Hydraulikmediumskammern 12, 13 gegeneinander zumindest weitgehend abgedichtet sind. Der Drehkolben 5 umfasst den Bohrungen 14, 15, welche die Hydraulikmediumskammern 12, 13 miteinander verbinden, und in denen Drosselstellen 16,17 angeordnet sind.
Das innere Gehäuse 3 ist als Kreisringzylinder mit einem inneren Durchmesser D1 und einem äußeren Durchmesser D2 ausgebildet. Der Drehkolben 5 dreht innerhalb der vom Kreisringzylinder 3 (d.h. dem inneren Gehäuse) gebildeten inneren Mantelfläche, wobei die größte Querschnittslänge L1 des Drehzylinders 5 etwas kleiner als der Innendurchmesser D1 des Kreisringzylinders 3 ausgebildet ist, in der Art, dass ein nur schmaler Spalt zwischen Drehzylinder 5 und innerem Gehäuse 3 verbleibt, welcher einen deutlich größeren hydraulischen Widerstand aufweist als die in den Bohrungen 14, 15 angeordneten Drosselstellen 16, 17, welche als hydrodynamische Blende wirken.
Das innere Gehäuse 3 weist weiterhin Ausnehmungen auf, welche Verdrängerklappen 18A, 18B aufnehmen, wobei die Verdrängerklappen 18A, 18B einseitig schwenkbar am inneren Gehäuse 3 befestigt sind, um in die Hydraulikmediumskammern 12, 13, aus dem in den Ausnehmungen zurückgezogenem Ruhezustand einschwenken zu können. Die Verdrängerklappen 18A, 18B weisen an ihrem freien Ende jeweils eine Anlagefläche zur Anlage an die Mantelflächen 5A des Drehkolbens 5 auf.
Der Ausschwenkvorgang der Verdrängerklappen 18A, 18B wird ausgelöst durch Verdrängerklappen-Aktuatoren, welche jeweils einen im inneren Gehäuse 3 aufgenommenen Auslöserstößel 19, einen im äußeren Gehäuse 7 angeordnetes Auslöserblech 20, sowie einen ebenfalls im äußeren Gehäuse 7 angeordneten Auslöserkolben 21 umfassen.
Pro Verdrängerklappe 18A, 18B ist ein Aktuator 19, 20, 21 vorgesehen. Indem der Auslöserkolben 21 druckbeaufschlagt wird, wird auch das Auslöserblech 20 zum Stößel hin verlagert und der Stößel 19 im Anschluss hieran im Richtung auf den Verdrängerkolben hin gedrängt. Dementsprechend wird das jeweils freie Ende der entsprechenden Verdrängerklappe 18A, 18B in die Hydraulikmediumskammern 12, 13 verschoben. Liegt eine Drehzahldifferenz zwischen dem mit der ersten Kurbelwelle 1 verbundenen inneren Gehäuse 3 und den mit der zweiten Kurbelwelle 4 verbundenen Drehkolben 5 vor, so ergibt sich in Verbindung mit der Drosselung des hydraulischen Mediums über die in den Bohrungen 16, 17 angeordneten Drosselstellen eine Druckdifferenz zwischen der Vorderseite und der Rückseite (in Strömungsrichtung betrachtet) der Verdrängerklappen, über welche die Verdrängerklappen an die gekrümmte Oberfläche 5A des Drehkolbens 5 angedrückt wird. Der auf die Verdrängerklappen 18A, 18B wirkende Hydraulikmediumsdifferenzdruck hängt dabei von der jeweiligen Drehzahldifferenz zwischen den Kurbelwellen 1, 4 ab. Vorliegend wächst das hierdurch erzeugte Synchronisationsmoment mit der Drehzahldifferenz an, wodurch eine Dämpfungswirkung verstärkt wird.
Die Phase der Drehzahlsynchronisation ist dementsprechend gekennzeichnet durch ein Synchronisationsmoment, das mit der Drehzahldifferenz der beiden Kurbelwellen wächst. Das Synchronisationsmoment wird dementsprechend intern auf kürzestem Weg geregelt. Unter Vernachlässigung von äußeren Momenten werden so unterschiedliche Anfangsdrehzahlen der Kurbelwellen 1, 4 durch ein entsprechendes Synchronisationsmoment ausgeglichen. Zum Ende des Synchronisationsvorganges (d. h. Differenzdrehzahl gegen 0) sinkt auch das Synchronisationsmoment, wodurch ein verschliffenes Annähern der Drehzahlen der Kurbelwellen 1, 4 erreicht wird und Stöße vermieden werden können.
Das Synchronisationsmoment selbst wird durch die Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit durch die hydraulischen Blenden 16, 17 erzeugt, wobei das Synchronisationsmoment proportional zum Quadrat der Differenzdrehzahl der Kurbelwellen 1, 4 ist, wodurch bei Vernachlässigung von äußeren Momenten ein von den Anfangsdrehzahlen der Kurbelwellen 1, 4 im Wesentlichen unabhängiger Synchronisationswinkel erreicht wird.
In den jeweiligen Ruheposition der Verdrängerklappen 18A, 18B (in den zugehörigen Ausnehmungen im inneren Gehäuse 3) werden diese über die Kraftwirkung entsprechender Federelemente 22 erreicht, die ebenfalls im inneren Gehäuse 3 aufgenommen sind.
Das innere Gehäuse 3 weist auf der Außenseite eine Nut 23 auf, in welcher das von den Verdrängerklappen 18A, 18B abgewandte Ende der Auslöserstößel 19 hineinragt. Auf diese Weise ist der Auslöserstempel 19 vollständig im inneren Gehäuse 3 aufgenommen, die Auslöserbleche 20 können aber dennoch die jeweiligen freien Enden der Auslöserstößel 19 kontaktieren und mit einer „Auslösekraft“ belasten.
Vorliegend sind die Auslöserbleche 20 als federnde Bleche ausgebildet, welche einseitig im äußeren Gehäuse 7 an drei Stiften 32A,32B, 32C eingespannt, deren freies Ende in Richtung der Auslöserstößel verlagerbar ist.
Im äußeren Gehäuse 7 sind Klinken 24 einseitig verschwenkbar angeordnet, deren freies Ende über Formschlusskolben 25, welche ebenfalls im äußeren Gehäuse 7 angeordnet sind, in Richtung des inneren Gehäuses 3 verlagerbar sind.
Eine Rückstellung der Formschlussklinken 24 erfolgt über Federelemente 26, welche am äußeren Gehäuse 7 befestigt sind, und die Formschlussklinken 24 nach radial außen hin vorbelasten entgegen der Wirkrichtung der Formschlusskolben25.
An der Außenseite des durchmesservergrößerten Bereichs 2 des Teils der ersten Kurbelwelle 1 (oder alternativ hierzu an einer Außenseite des inneren Gehäuses 3) ist für jede der Klinken 24 eine Nut 27 vorgesehen, über die ein Formschluss zwischen äußerem Gehäuse 7 und dem Teil der ersten Kurbelwelle 1 (oder alternativ dem innerem Gehäuse 3) vermittels der Klinken 24 ermöglicht ist. Die Nuten 27 für die Klinken 24 sind dabei an einem Bauteil 28 ausgebildet, das vorliegend einstückig mit dem durchmesservergrößerten Bereich 2 der Kurbelwelle 1 ausgebildet ist, und das das innere Gehäuse 3 mit der Kurbelwelle 1 drehfest formschlüssig verbindet.
In 2 ist die vorliegende Vorrichtung zur Verbindung zweier Wellen mit geöffneter Formschlusskupplung 24, 25 und inaktiver Synchronisiereinrichtung 18A, 18B dargestellt. Die Wellen 1, 4 können dementsprechend relativ zueinander drehen.
Demgegenüber ist in 3 der Zustand nach erfolgter Synchronisation und bei geschlossener Formschlusskupplung dargestellt, also der Zustand, bei dem die Kurbelwelle 4 des Zweizylindermotors an die Kurbelwelle 1 des Vierzylindermotors angekoppelt wurde. Mittels der Verdrängerklappenaktoren 19, 20, 21 wurden die Verdrängerklappen 18A, 18B zumindest teilweise in die Druckkammern 12, 13 verschoben, woraufhin über das Hydraulikmedium in Verbindung mit der Drehzahldifferenz erzeugte Druckkräfte zwischen Verdrängerklappenspitzen und Mantelflächen 5A des Drehkolbens 5 ein Synchronisationsmoment zwischen innerem Gehäuse 3 (und mit diesem verbundener Kurbelwelle 1) und Drehkolben 5 (und der damit verbundenen Kurbelwelle 4) versorgt wird. Entlang der gekrümmten Strecke 5A wird dementsprechend die Drehzahldifferenz zwischen den Wellen 1, 4 abgebaut, wobei in der in 3 gezeigten Stellung der Synchronisationsvorgang abgeschlossen und der Formschluss über die Klinken 24 in den Nuten 27 abgeschlossen ist. Die Verdrängerklappen 18A und 18B schwenken nach erfolgter Synchronisierung unter Fliehkrafteinfluss wieder in die Ausnehmungen des inneren Gehäuses 3.
4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit offener Formschlusskupplung und Synchronisiereinrichtung in Ruhestellung entsprechend dem Aufbau nach 2 entlang dem Schnitt A-A aus Blickrichtung der Kurbelwelle 1 des Vierzylindermotors.
5 enthält eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung entsprechend der Darstellung nach 1 aus Blickrichtung des Vierzylindermotors.
6 enthält eine 5 vergleichbare Darstellung, wobei das äußere Gehäuse 7 weggelassen wurde, um die Anordnung der Synchronisiereinrichtung 19, 20 und 21 (einschließlich der Nut 23 zur Aufnahme des vorderen Bereiches des Auslöserbleches 20 und des Endbereiches des Auslöserstößels 19) und der Formschlußkupplung (d.h. Sperrklinken 24 in Verbindung mit deren Aktoren 25 und in Verbindung mit den Nuten 27 zur Aufnahme der freien Enden der Sperrklinken) zu zeigen.
6 zeigt zudem ebenfalls die Endbereiche der Druckmediumszuführung zu den Auslöserkolben 21 sowie die Druckmediumszuleitungen zu den Formschlusskolben 25.
Zur Verdeutlichung der Druckmedienzuführung zeigt 7 einen Schnitt entlang dem Schnitt B-B nach 1, aus dem ein Rohrmuster gezeigt ist, mit dem Druckmedium zu den Auslöserkolben 21 und den Formschlusskolben 25 über die abschaltbare Kurbelwelle 4 des Zweizylindermotors zuführbar ist.
In 7 sind zudem die Positionen der Schrauben (oder Stifte) 31 erkennbar, über welche das äußere Gehäuse 7 mit dem durchmesservergrößerte Bereich 6 der Kurbelwelle 4 verbunden ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Kurbelwelle 4 des abschaltbaren Teilmotors mit einem Drehkolben 5 verbunden, der mit Ölkanälen 14 und Blenden 16, 17 versehen ist. Die Kurbelwelle 1 des permanent betreibbaren Teilmotors ist mit einem inneren Gehäuse 3 verbunden, das den Drehkolben 5 umschließt. In diesem inneren Gehäuse 3 sind Verdrängerklappen 18A, 18B schwenkbar gelagert. Bei abgeschaltetem Teilmotor kann das innere Gehäuse 3 mit den Verdrängerklappen 18A, 18B frei um den Drehkolben 5 rotieren. Soll der abgeschaltete Teilmotor zugeschaltet werden, so werden die Verdrängerklappen 18A, 18B mit ihren Dichtkanten durch Aktoren 19, 20, 21 in Richtung auf die Mantelfläche 5A des Drehkolbens 5 aus deren Ruhestellungen heraus bewegt. Durch die anfängliche Drehzahldifferenz der beiden Kurbelwellen 1, 4 schiebt jede Verdrängerklappe 18A, 18B ein Ölvolumen vor sich her, das durch einen der Ölkanäle 14, 15 und eine Blende 16, 17 im Drehkolben 5 in denjenigen Raum strömt, den die andere Verdrängerklappe 18A, 18B hinter sich aufzieht. Durch diesen Vorgang entsteht eine von der Drehzahldifferenz der beiden Kurbelwellen abhängige Druckdifferenz über jede Blende 16, 17, die ein Drehmoment zwischen dem Gehäuse 3 und dem Drehkolben 5 erzeugt, welches die Kurbelwelle 4 des zuschaltbaren Teilmotors rotatorisch beschleunigt. Der auftretende Öldruck wird dazu genutzt, die Verdrängerklappen 18A, 18B auf die Mantelfläche 5A des Drehkolbens 5 zu pressen. Dadurch müssen die Aktoren19, 20, 21, die die Verdrängerklappen 18A, 18B ausgelöst haben, nicht während des gesamten Synchronisationsvorganges wirken.
Der auftretende Öldruck wird vorliegend ebenfalls dazu genutzt werden, eine hydraulisch betätigte Reibungskupplung 8, 9, 10 zu aktivieren, die ein zusätzliches Moment zwischen den beiden Kurbelwellen 1, 4 erzeugt. Durch das zusätzlich auftretende Moment der Reibungskupplung kann der Öldruck im Gehäuse 3 reduziert werden.
Der Synchronisationsvorgang dauert solange an, bis die Dichtkanten der Verdrängerklappen 18A, 18B die radial innerste Position der Mantelfläche 5A des Drehkolbens 5 erreicht haben. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine formschlüssige Verbindung beider Kurbelwellen über die Klinken 24, da die Drehzahldifferenz stark abgesunken ist und die Kurbelwelle 4 des abschaltbaren Motors jedenfalls fast so schnell dreht wie die Kurbelwelle 1 des permanent betriebenen Teilmotors.
Der Formschluss erfolgt im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die schwenkbaren Sperrklinken 24, die mit der Kurbelwelle 4 des abschaltbaren Teilmotors verbunden sind. Diese Sperrklinken 24 werden durch Aktoren 25 radial in Nuten 27 gepresst, die in die Kurbelwelle 1 des permanent betriebenen Teilmotors angebracht sind.
Vorstehend wird dementsprechend ein Koppelungselement für eine trennbare Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit Zylinderabschaltung vorgeschlagen, das in der Lage ist, die Kurbelwellen beider Teilmotoren miteinander zu synchronisieren und winkelpositionsgenau miteinander zu verbinden, sowie von einander zu trennen. Das erforderliche Synchronisationsmoment des Koppelungselementes ist dabei abhängig von der Drehzahldifferenz der beiden Kurbelwellen. Damit ist es möglich, einen nahezu konstanten Synchronisationswinkel zwischen beiden Kurbelwellen zu erreichen.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anordnung mit zwei Hydraulikmediumskammern und zwei Verdrängerklappen, wobei selbstverständlich ist, dass auch andere Anzahl an Verdrängerklappen und zugehöriger Hydraulikmediumskammern verwendet werden kann. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere dem zu erzeugenden Synchronisationsmoment und/oder dem zur Verfügung stehenden Bauraum und/oder der zu erreichenden Winkelposition. Auch eine Anzahl an Sperrklinken 24 ist nur beispielhaft zu verstehen.
Die im Rahmen des vorstehenden Ausführungsbeispieles beschriebenen Verdrängerklappen können auch durch Axialkolben, Radialkolben, Axialschieber oder Radialschieber ersetzt werden.
Die vorstehend beschriebene Betätigung der Verdrängerklappen per hydraulischem Druck auf den Auslöserstößel 19 kann des Weiteren ergänzt bzw. geändert werden auf eine mechanische Auslösung über eine Kurvenscheibe oder durch eine federvorbelastete Einheit in Verbindung mit einer Verriegelung.
Der Öldurchfluss durch die Ölkanäle 14 und die Blenden 16 könnte alternativ zur vorstehenden Ausführungsform thermisch über Bimetall, Durchflussmengenventile oder eine von der Winkelstellung abhängige Durchflussregelung beeinflusst werden.
Der jeweilige Synchronisationswinkel ergibt sich je nach Anzahl an Verdrängerklappen, wobei eine Erhöhung des Winkels über eine Planetenradstufe im Drehkolben möglich wäre.
Die Sperrklinken können kraftlos geschlossen oder im kraftfreien Zustand offen angeordnet sein. Das Öffnen der Sperrklinken kann über Federn und/oder über Fliehkraft erfolgen.
Alternativ zur bevorstehend beschriebenen radial wirkenden Sperrklinke (welche kraftneutral auf die Kurbelwellen ist) könnte auch eine axiale Wirkung vorgesehen sein.
Die Sperrklinken könnten ebenfalls gedämpft gegen einen Anschlag fahren.
Alternativ zur vorstehend beschriebenen Betätigung der Sperrklinken per hydraulischem Druck auf die Formschlusskolben könnte auch ein hydraulischer Druck auf einen Stößel, eine mechanische Auslösung über eine Kurvenscheibe oder eine federvorbelastete Einrichtung in Verbindung mit einer Verriegelung vorgesehen sein.
Die vorstehende Beschreibung offenbart insbesondere eine Kopplungsvorrichtung, welche einen mit der Kurbelwelle eines abschaltbaren Teilmotors verbundenen Drehkolben, ein mit der Kurbelwelle eines permanent betriebenen Teilmotors verbundenes inneres Gehäuse, in das der Drehkolben hineinragt, und ein mit der Kurbelwelle eines abschaltbaren Teilmotors verbundenes äußeres Gehäuse, in dem Aktuatoren für eine Synchronisiereinrichtung und für eine Formschlusskupplung angeordnet sind, umfasst. Drehkolben und Gehäuse bilden zwei voneinander getrennte hydraulikölgefüllte Druckräume, die über Ölkanäle miteinander verbunden sind, wobei die Ölkanäle jeweils eine Drosselstelle (Blende) aufweisen. In Ausnehmungen im inneren Gehäuse sind Verdrängerklappen vorgesehen, die am Gehäuse schwenkbar gelagert sind, wobei diese in einem nicht-eingeschwenkten Zustand nicht über das Gehäuse vorstehen und sie in die Druckräume hineinschwenken können. Die Verdrängerklappen weisen Dichtlippen auf, die im eingeschwenkten Zustand am Drehkolben zur Anlage kommen und so eine Drehzahlsynchronisierung vorgenommen wird. Im drehzahlsynchronisierten Zustand schließt die Formschlusskupplung.
Bezugszeichenliste

1: erste Kurbelwelle
2: durchmesservergrößerter Bereich der ersten Kurbelwelle
3: inneres Gehäuse
4: zweite Kurbelwelle
5: Drehkolben (vorliegend ausgebildet als Kreisringzylinder)
5A: Oberfläche des Drehkolbens
5B: Oberfläche des Drehkolbens
6: durchmesservergrößerter Bereich der zweiten Kurbelwelle
7: äußeres Gehäuse
8: Tellerfeder
9: Reibfläche der Tellerfeder
10: Reibfläche des Abschlussdeckels (Reibungskupplung)
11: Abschlussdeckel
11A: Schrauben
12: Hydraulikmediumskammer
13: Hydraulikmediumskammer
14: Bohrung (Ölkanal)
15: Bohrung (Ölkanal)
16: Drosselstelle (Blende)
17: Drosselstelle (Blende)
18A: Verdrängerklappe
18B: Verdrängerklappe
19: Auslöserstößel
20: Auslöserblech
21: Auslöserkolben
22: Federelement
23: Nut
24: Klinken
25: Formschlusskolben
26: Federelement
27: Nut
28: Bauteil
31: Schrauben (Stifte)
D1: innerer Durchmesser des inneren Gehäuses
D2: äußerer Durchmesser des inneren Gehäuses
L1: Querschnittslänge des Drehkolbens

Claims

Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle (1) an eine zweite Welle (4), zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist, mit einem Drehkolben (5), der mit einer der beiden Wellen (4) verbunden ist, und mit einem inneren Gehäuse (3), das mit der entsprechend anderen der beiden Wellen (1) verbunden ist, wobei Drehkolben (5) und inneres Gehäuse (3) zumindest zwei voneinander getrennte hydraulikmediumgefüllte Druckräume (12,13) bilden, die miteinander in Fluidverbindung stehen und mit zumindest einer Verdrängerklappe (18A, 18B), welche am inneren Gehäuse (3) schwenkbar abgestützt und in einen der Druckräume (12,13) einschwenkbar ist, wobei im eingeschwenkten Zustand die Verdrängerklappe (18A,18B) am Drehkolben (5) zur Drehzahlsynchronisierung anliegt, mit einem äußeren Gehäuse (7), das das innere Gehäuse (3) und den Drehkolben (5) umgibt und das mit derjenigen Welle (4) verbunden ist, die mit dem Drehkolben (5) verbunden ist, wobei jeder der Verdrängerklappen-Aktuatoren ein am äußeren Gehäuse (7) abgestützten Auslöser, einen auf den Auslöser wirkenden und im äußeren Gehäuse (7) angeordneten Auslösekolben (21) und einen im inneren Gehäuse (3) angeordneten Auslösestößel (19) aufweist, wobei über Anlegen eines Hydraulikmediumsdruckes der Auslösekolben (21) betätigt wird, wodurch der Auslöser in Wirkverbindung mit dem Auslösestößel (19) tritt und diesen in Richtung Verdrängerklappen (18A, 18B) und Drehkolben (5) verlagert, so dass jedenfalls Teilbereiche der Verdrängerklappen (18A,18B) in die Druckräume (12,13) verschoben werden.
Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle (1) an eine zweite Welle (4), zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist, mit einem Drehkolben (5), der mit einer der beiden Wellen (4) verbunden ist, und mit einem inneren Gehäuse (3), das mit der entsprechend anderen der beiden Wellen (1) verbunden ist, wobei Drehkolben (5) und inneres Gehäuse (3) zumindest zwei voneinander getrennte hydraulikmediumgefüllte Druckräume (12,13) bilden, die miteinander in Fluidverbindung stehen und mit zumindest einer Verdrängerklappe (18A, 18B), welche am inneren Gehäuse (3) schwenkbar abgestützt und in einen der Druckräume (12,13) einschwenkbar ist, wobei im eingeschwenkten Zustand die Verdrängerklappe (18A,18B) am Drehkolben (5) zur Drehzahlsynchronisierung anliegt, mit einer Reibeinrichtung, mit der eine zwischen den Wellen wirksame Reibkraft erzeugbar ist, wobei die Reibeinrichtung über Kapillarkräfte schließbar ist, wobei die Reibeinrichtung zumindest ein am äußeren Gehäuse (7) oder an der mit dem äußeren Gehäuse (7) verbundenen Welle (4) abgestütztes und axial verlagerbares Reibelement umfasst, welches in der Art benachbart zu einer Seitenfläche des inneren Gehäuses (3) angeordnet ist, dass ein schmaler Spalt vorliegt, der mit zumindest einer der Druckkammern (12,13) in Fluidverbindung steht, so dass aufgrund Fliehkraftwirkung Hydraulikmedium durch den Spalt radial nach außen strömt und eine Kapillarkraft erzeugt, welche zur Ausbildung der Reibkraft zwischen den Wellen (1,4) beiträgt und/oder wobei das am äußeren Gehäuse (7) oder an der mit dem äußeren Gehäuse (7) verbundenen Welle (4) abgestützte Reibelement als eine Tellerfeder (8) ausgebildet ist, mit einem eingespannten und einem freien Ende, wobei im Bereich des freien Endes eine Reibfläche (9) vorgesehen ist, die zur Anlage an einer Seitenfläche des inneren Gehäuses (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle (1) an eine zweite Welle (4), zwischen denen eine Drehzahldifferenz herstellbar ist, mit einem Drehkolben (5), der mit einer der beiden Wellen (4) verbunden ist, und mit einem inneren Gehäuse (3), das mit der entsprechend anderen der beiden Wellen (1) verbunden ist, wobei Drehkolben (5) und inneres Gehäuse (3) zumindest zwei voneinander getrennte hydraulikmediumgefüllte Druckräume (12,13) bilden, die miteinander in Fluidverbindung stehen und mit zumindest einer Verdrängerklappe (18A, 18B), welche am inneren Gehäuse (3) schwenkbar abgestützt und in einen der Druckräume (12,13) einschwenkbar ist, wobei im eingeschwenkten Zustand die Verdrängerklappe (18A,18B) am Drehkolben (5) zur Drehzahlsynchronisierung anliegt, mit zumindest einem Aktuator pro Verdrängerklappe (18A,18B), mit welchem die jeweilige Verdrängerklappe (18A,18B) aus einer inaktiven Position in den eingeschwenkten Zustand überführbar ist, wobei der Verdrängerklappen-Aktuator zum Verschieben zumindest eines Teilbereichs der Verdrängerklappe (18A,18B) in den entsprechenden hydraulikmediumgefüllten Druckraum (12,13) vorgesehen ist, wobei in der mit dem Drehkolben (5) verbundenen Welle (1) Hydraulikmediumsleitungen vorgesehen sind, mit denen die im äußeren Gehäuse (7) angeordneten Kolben (21) der Verdrängerklappen-Aktuatoren mit Druck beaufschlagbar sind
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Ausbildung der Fluidverbindung im Drehkolben (5) Bohrungen (14,15) vorgesehen sind, in welche vorzugsweise eine hydraulische Blende (16,17) eingesetzt ist und/oder wobei eine Außenfläche (5A,5B) des Drehkolbens (5), an der die Verdrängerklappe (18A,18B) zur Anlage vorgesehen ist, einen in Richtung der Bewegung der Verdrängerklappe (18A, 18B) auf dem Drehkolben (5) zunehmenden Krümmungsradius aufweist und/oder wobei zwei Verdrängerklappen (18A,18B) vorgesehen sind, die bezüglich der Drehachse der Wellen (1,2) einander gegenüberliegend angeordnet sind und in jeweils einen Druckraum (12,13) einschwenkbar sind und der Drehkolben (5) punktsymmetrisch mit der Drehachse der mit diesem verbundenen Welle (4) als Symmetriezentrum ausgebildet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das innere Gehäuse (3) Ausnehmungen aufweist, in denen jeweils eine der Verdrängerklappen (18A, 18B) aufgenommen sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, mit zumindest einem Aktuator pro Verdrängerklappe (18A,18B), mit welchem die jeweilige Verdrängerklappe (18A,18B) aus einer inaktiven Position in den eingeschwenkten Zustand überführbar ist, wobei der Verdrängerklappen-Aktuator zum Verschieben zumindest eines Teilbereichs der Verdrängerklappe (18A, 18B) in den entsprechenden hydraulikmediumgefüllten Druckraum (12,13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 oder nach Anspruch 2 oder 3 und einem der Ansprüche 3 bis 6, mit einem äußeren Gehäuse (7), das das innere Gehäuse (3) und den Drehkolben (5) umgibt und das mit derjenigen Welle (4) verbunden ist, die mit dem Drehkolben (5) verbunden ist, wobei jeder der Verdrängerklappen-Aktuatoren ein am äußeren Gehäuse (7) abgestützten Auslöser, einen auf den Auslöser wirkenden und im äußeren Gehäuse (7) angeordneten Auslösekolben (21) und einen im inneren Gehäuse (3) angeordneten Auslösestößel (19) aufweist, wobei über Anlegen eines Hydraulikmediumsdruckes der Auslösekolben (21) betätigt wird, wodurch der Auslöser in Wirkverbindung mit dem Auslösestößel (19) tritt und diesen in Richtung Verdrängerklappen (18A, 18B) und Drehkolben (5) verlagert, so dass jedenfalls Teilbereiche der Verdrängerklappen (18A, 18B) in die Druckräume (12,13) verschoben werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 7, mit einer Formschlusskupplung zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen den beiden Wellen (1,4), wobei die Formschlusskupplung Klinken (24) umfasst, welche am äußeren Gehäuse (7) schwenkbar abgestützt sind, mit zumindest einem Aktuator pro Klinke (24), mit welchem die jeweilige Klinke (24) aus einer inaktiven Position in den eingeschwenkten Zustand überführbar ist, wobei der Klinken-Aktuator einen Auslösekolben (25) umfasst und wobei über Anlegen eines Hydraulikmediumsdruckes der Auslösekolben (25) betätigbar ist, wodurch die Klinke (24) in Richtung des inneren Gehäuses (3) verlagert wird und in Formschlussbereiche (27) eingreift, welche am inneren Gehäuse (3) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 oder nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 8, mit einer Reibeinrichtung, mit der eine zwischen den Wellen wirksame Reibkraft erzeugbar ist, wobei die Reibeinrichtung über Kapillarkräfte schließbar ist, wobei die Reibeinrichtung zumindest ein am äußeren Gehäuse (7) oder an der mit dem äußeren Gehäuse (7) verbundenen Welle (4) abgestütztes und axial verlagerbares Reibelement umfasst, welches in der Art benachbart zu einer Seitenfläche des inneren Gehäuses (3) angeordnet ist, dass ein schmaler Spalt vorliegt, der mit zumindest einer der Druckkammern (12,13) in Fluidverbindung steht, so dass aufgrund Fliehkraftwirkung Hydraulikmedium durch den Spalt radial nach außen strömt und eine Kapillarkraft erzeugt, welche zur Ausbildung der Reibkraft zwischen den Wellen (1,4) beiträgt und/oder wobei das am äußeren Gehäuse (7) oder an der mit dem äußeren Gehäuse (7) verbundenen Welle (4) abgestützte Reibelement als eine Tellerfeder (8) ausgebildet ist, mit einem eingespannten und einem freien Ende, wobei im Bereich des freien Endes eine Reibfläche (9) vorgesehen ist, die zur Anlage an einer Seitenfläche des inneren Gehäuses (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Abschlussdeckel (11), der an einem Stirnbereich der mit dem Drehkolben (5) verbundenen Welle (1) befestigt ist, wobei das innere Gehäuse (3) zwischen Abschlussdeckel (11) und der mit dem Drehkolben (5) verbundenen Welle (1) angeordnet ist, wobei der Abschlussdeckel (11) zusammen mit Drehkolben (5), innerem Gehäuse (3) und mit dem Drehkolben (5) verbundener Welle (1) die Druckkammern (12,13) begrenzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 6 oder 8, wobei in der mit dem Drehkolben (5) verbundenen Welle (1) Hydraulikmediumsleitungen vorgesehen sind, mit denen die im äußeren Gehäuse (7) angeordneten Kolben (25, 21) der Klinken-Aktuatoren und/oder der Verdrängerklappen-Aktuatoren mit Druck beaufschlagbar sind.
Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltfunktion mit einer ersten Verbrennungsmotoreinheit als permanent betreibbarem Teilantrieb eines Fahrzeuges und einer zweiten Verbrennungsmotoreneinheit als abschaltbarem Teilantrieb des Fahrzeuges, mit einer Vorrichtung zum Ankoppeln einer ersten Welle an eine zweite Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die erste Welle eine Kurbelwelle (4) der ersten Verbrennungsmotoreinheit und die zweite Welle eine Kurbelwelle (1) der zweiten Verbrennungsmotoreinheit sind, wobei der Drehkolben (5) mit der Kurbelwelle (1) des abschaltbaren Teilmotors und das innere Gehäuse (3) mit der Kurbelwelle (4) des permanent betreibbaren Teilantriebs verbunden sind.