DE102010062047A1

DE102010062047A1 - Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe

Info

Publication number: DE102010062047A1
Application number: DE102010062047A
Authority: DE
Inventors: Andreas Betz; Manuel Koch; Karl Benkler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012069257A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe vorgeschlagen, insbesondere in einem Getriebe zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, umfassend ein erstes Zahnrad (2), welches ein auf einer Welle (3) angeordnetes zweites Zahnrad (4) antreibt, wobei die Vorrichtung Mittel (13, 14) umfasst, durch welche die Achse der Zwischenwelle (3) bei geringer Last in Bezug auf die Achse (8) des ersten Zahnrads (2) derart geneigt ist, dass die Verzahnungen des zweiten Zahnrads (4) in die korrespondierende Verzahnung des jeweiligen Gegenrads (2) hineingedrückt wird und bei hoher Last parallel zu der Achse (8) des ersten Zahnrads (2) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe, insbesondere in einem Getriebe zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, umfassend ein erstes Zahnrad, welches ein auf einer Welle angeordnetes zweites Zahnrad antreibt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis (VCR (Variable Compression Ratio)) bekannt. Hierbei umfassen derartige Antriebseinheiten in der Regel ein Zahnradgetriebe zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses. Durch den Einsatz von Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis kann in vorteilhafter Weise der Kraftstoffverbrauch um 20% bis 35% gegenüber herkömmlichen Motoren reduziert werden, wodurch auch die Schadstoffemissionen verringert werden. Durch Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis können unterschiedlich hohe Verdichtungsverhältnisse bei Teillast- und Vollastbetrieb realisiert werden, was insbesondere bei Ottomotoren in einem verbesserten Wirkungsgrad resultiert.
Des Weiteren kann mit Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis ein Downsizing-Konzept, also eine Verkleinerung der Zylinder bei gleicher Leistung, über die Grenzen konventioneller Motoren hinaus ermöglicht werden.
Wie in 2 skizzenhaft gezeigt, wird bei Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis in der Regel die Hublage des Kolbens eines Otto-Motors über einer Excenterwelle und ein Hebelsystem, bestehend aus Anlenkpleuel und Verbindungselement verstellt.
Dadurch kann das Volumen des Brennraumes und damit das Kompressionsverhältnis verändert werden.
Aus der DE 698 04 297 T2 geht eine Vorrichtung zur Steuerung des Kompressionsverhältnisses eines Kolbenmotors hervor, die aus einem Verzahnungssystem besteht, welches eine Zahnstange, die fest mit dem Unterteil des Kolbens verbunden ist und die in einem Führungssystem gehalten wird, das der Zahnstange eine Translationsbewegung in Längsrichtung gestattet, und eine Steuerzahnstange, die in dem Motorblock translationsbeweglich in Längsrichtung geführt wird, umfasst.
Ferner umfasst die bekannte Vorrichtung eine weitere Steuerung, die es ermöglicht, die Position der Steuerzahnstange zu steuern und ein Zahnrad, welches auf einer Pleuelstange frei montiert ist, wobei die Pleuelstange ebenfalls frei auf einer Kurbelwelle montiert ist, so dass das Zahnrad zwischen den beiden Zahnstangen angeordnet ist, um das Element zur Übertragung der Bewegung zwischen dem Kolben und der Pleuelstange zu bilden.
Durch diese Vorrichtung wird eine Veränderung des Hubausgangspunkts des Kolbens relativ zum Zylinder erzielt, ohne die Länge des Hubs zu modifizieren.
In nachteiliger Weise beeinträchtigen durch die Kolbenbewegungen bedingte Erschütterungen die Funktionsweise der bei derartig ausgeführten Motoren verwendeten Zahnradgetriebe zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses.
Zum Erreichen einer Spielfreiheit bzw. Spielarmut in Zahnradgetrieben ist bekannt, das Getriebe zu verspannen oder eine Auswahlpaarung und Klassifizierung verschiedener Zahnräder anhand der Zahndicke der Zahnräder durchzuführen. Hierbei ist aufgrund der auftretenden Temperaturdifferenzen im Motorraum bei Getrieben zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis das Verspannen der Zahnradpaarung einer Zahnradpaarung mit engem Getriebespiel vorzuziehen, da Temperaturschwankungen im Getriebe bei vorgespannten Verzahnungen unschädlich sind.
Beispielsweise ist für den Fall eines zweistufigen Getriebes, bei dem ein erste Zahnrad, das Teil der Antriebsstufe ist, ein auf einer Zwischenwelle angeordnetes zweites Zahnrad antreibt, welches drehfest mit einem dritten auf der Welle angeordneten Zahnrad verbunden ist und das dritte Zahnrad ein viertes Zahnrad antreibt, bekannt, das zweite und dritte Zahnrad mit zwei angefederten Schwingen radial in die Verzahnung des ersten und vierten Zahnrads hineinzudrücken, um die gewünschte Spielfreiheit zu erzielen.
Aus Platzgründen bilden in der Regel die Achsen des ersten und vierten Zahnrads und des dritten Zahnrads ein Dreieck mit zwei spitzen und einem stumpfen Winkel, wobei durch eine Parallelverschiebung der Zwischenwellenachse gleichzeitig zwei Zahnradstufen vorgespannt werden können.
Eine Anfederung des dritten Zahnrads zur Verkleinerung der Achsabstände zu den Achsen des ersten und vierten Zahnrads scheitert an der Anforderung, dass das Getriebe in beiden Drehrichtungen laufen soll. Dabei tritt ein Kniehebeleffekt auf, welcher ein Hineinziehen der Achse des dritten Zahnrads in die Verzahnung und somit eine Verstärkung der Vorspannung durch die übertragenen Zahnkräfte bewirkt. Durch die Vorspannung des Getriebes kann die Pressung auf den Zahnflanken unzulässig groß werden, was in nachteiliger Weise in einer Blockierung des Getriebes resultieren kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe, insbesondere in einem Getriebe zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis anzugeben, durch welche die Verstärkung der Vorspannung durch die übertragenen Zahnkräfte vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe, insbesondere in einem Getriebe zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis vorgeschlagen, umfassend ein erstes Zahnrad, welches ein auf einer Welle angeordnetes zweites Zahnrad antreibt, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung Mittel umfasst, durch welche die Welle bei geringer Last in Bezug auf die Achse des ersten Zahnrads derart geneigt ist, dass die Verzahnungen des zweiten Zahnrads in die korrespondierende Verzahnung des ersten Zahnrads hineingedrückt wird; bei hoher Last liegt die Achse der Welle parallel zu der Achse der ersten Zahnrads.
Vorzugsweise wird im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Parallelverschiebung der Zwischenwelle des angefederten, zweiten Zahnrads die Zwischenwelle über zumindest ein Federelement geneigt, wobei das zweite Zahnrad an zumindest einem Lager derart angefedert ist, dass die Verzahnung des zweiten Zahnrads mittels Federkraft in Richtung des ersten Zahnrads in die korrespondierende Verzahnung hineingedrückt wird.
Hierbei kann die Richtung der Federkraft radial auf die Achse des ersten Zahnrads gerichtet sein, wodurch eine Verstärkung der Vorspannung durch die auftretenden Zahnkräfte in vorteilhafter Weise vermieden wird.
Die Geometrie ist dabei so zu wählen, dass die Welle im spielbehafteten Zustand unter Last parallel oder im Wesentlichen parallel zu zumindest der Achse des ersten Zahnrads liegt. In diesem Zustand wird Welle durch die Zahnkräfte in einen Anschlag gedrückt, so dass die Neigungsbewegung in dieser Richtung begrenzt wird, wodurch im Stellbetrieb bei hohen Lasten ein gutes Tragen über die gesamte Zahnbreite gewährleistet wird. Das hierbei auftretende Spiel zwischen den Rückflanken bei großen Lasten verbessert den Wirkungsgrad gegenüber einer Variante mit anliegenden Rückflanken, bei der eine hohe Verlustleistung durch Reibung entsteht. Bei geringer Last ist die Federkraft stärker als die übertragene Zahnkraft und drückt das zweite Zahnrad, wie bereits erläutert, in das erste Zahnrad, wodurch das Flankenspiel aufgehoben und die Verzahnung spielarm bzw. spielfrei wird. Das daraus resultierende Tragbild der Verzahnung kann bei den wirkenden geringen Lasten akzeptiert werden.
Insbesondere kann auf der Welle, auf der das zweite Zahnrad angeordnet ist, ein weiteres Zahnrad drehfest zu dem zweiten Zahnrad befestigt sein. Dieses dritte Zahnrad steht im Eingriff mit einem vierten Zahnrad, welches sich um eine weitere Achse dreht. Die Welle ist dabei bevorzugt bei geringer Last ebenso gegenüber der Achse des vierten Zahnrades geneigt, wobei der Neigungswinkel mit zunehmender Kraft abnimmt bzw. bei großer Last die Welle und die Achse des vierten Zahnrads parallel zueinander stehen.
An dem vierten Zahnrad oder drehfest mit diesem verbunden kann das Steuermittel zum Verändern des Kolbenhubs, wie das Anlenkpleuel angeordnet sein.
Insbesondere kann die Bewegung der Welle durch einen Anschlag begrenzt werden und so die Position der Zwischenwelle bei starken Lasten festgelegt werden. Bevorzugt ist der Anschlag so gewählt, dass, wenn die Bewegung der Welle durch den Anschlag begrenzt wird, die Welle parallel zu der Achse des ersten Zahnrads steht.
Insbesondere kann die Welle um eine zu dieser Welle senkrechten Achse gekippt werden, die zumindest im Wesentlichen in der Ebene der Hauptausbreitung zumindest des ersten Zahnrads liegt oder zu dieser Ebene parallel ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Welle mittels Kipphebel relativ zu der Achse des ersten Zahnrads und/oder zu der Achse des vierten Zahnrads gekippt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine schematische Ansicht der Vorderseite und der Rückseite sowie eine Seitenansicht eines Getriebes zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis;
2: Eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis nach dem Stand der Technik;
3: Eine Darstellung zur Veranschaulichung der Vorspannkräfte bei einem Getriebe gemäß 1;
4: Eine schematische Ansicht von oben eines Getriebes zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung des Spiels; und
5: Eine schematische Seitenansicht eines Getriebes zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis umfassend eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verminderung des Spiels.
Zur Veranschaulichung des Prinzips des Getriebes zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis ist in 1 ein dreistufiges Getriebe 1 dargestellt. Dabei kämmt ein erstens von einem Elektromotor angetriebenes Zahnrad 6 in einem zweiten Zahnrad 2', welches drehfest auf einer Welle 8 angeordnet ist. Auf der Welle 8 ist parallel zu dem Zahnrad 2' ein weiteres Zahnrad 2 angeordnet, welches in einem Zahnrad 4 kämmt.
Dieses zweite Zahnrad 4 ist dabei über die Welle 3 mit einem dritten Zahnrad 4' drehfest verbunden. Das dritte Zahnrad 4' steht im Eingriff mit einem vierten Zahnrad 5. Mit dem Zahnrad 5 ist dabei ein Anlenkpleuel 11, wie in 2 gezeigt, verbunden. Über die Bewegung des Anlenkpleuel 11, wird der Anlenkpunkt des Hauptpleuels 12 in seiner Position verändert und so die Ausgangsposition des Kolbenbewegung durch Betätigung des Elektromotors 6 geändert, was wiederum das Kompressionsverhältnis bestimmt. Der Anlenkpleuel 11 wird weiter von dem Hauptpleuel 12', welcher den Anlenkpleuel mit der Kurbelwelle 7 verbindet, so bewegt, dass durch den Hauptpleuel die Kolbenlage verändert wird.
Hierbei ist der linke Teil der 1 eine Ansicht der Vorderseite, der mittlere Teil der 1 eine Ansicht der Rückseite und der rechte Teil der 1 eine Seitenansicht des Getriebes 1.
Wie aus 3 ersichtlich, bilden die Achsen 8, 9 der beiden Zahnräder 2, 5 und die Achse der Welle 3 des zweiten und dritten Zahnrads 4, 4' in der Regel aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums in der Draufsicht ein Dreieck mit zwei spitzen und einem stumpfen Winkel und sind parallel zueinander angeordnet, wobei durch eine Parallelverschiebung der Welle gleichzeitig zwei Zahnradstufen vorgespannt werden können. Durch einen dabei entstehenden Kniehebeleffekt wird ein Hineinziehen der Welle 3 des zweiten und dritten Zahnrads 4, 4' in die Verzahnung und somit eine Verstärkung der Vorspannung durch die übertragenen Zahnkräfte bewirkt. Die Richtung der Vorspannkraft ist in 3 durch den Pfeil A veranschaulicht.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Verminderung des Spiels vorgeschlagen, welche Mittel umfasst, durch welche die Welle 3, auf der das zweite und das dritte Zahnrad 4, 4' angeordnet sind, bei geringer Last in Bezug auf die Achsen 8, 9 der beiden Zahnräder 2, 5 derart geneigt ist, dass die Verzahnungen des zweite und dritten Zahnrads 4,4' in die korrespondierende Verzahnung des jeweiligen Gegenrads hineingedrückt werden und bei hoher Last parallel zu den Achsen 8, 9 der beiden Zahnräder 2, 5 liegt.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Neigen der Welle 3 zumindest ein Federelement, durch dessen Federkraft die Welle 3 bei geringer Last in Richtung des ersten 2 und vierten Zahnrads 5 geneigt wird.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind zwei als Druckfedern ausgeführte Federelemente 13, 14 vorgesehen, durch welche die Welle 3 der Zahnräder 4, 4' an den Lagern 15, 16 derart angefedert ist, dass sie bei geringer Last mittels der Federkraft in Richtung des jeweiligen Gegenrades in die Verzahnung hineingedrückt wird. Die Federkräfte sind in 4 durch die Pfeile B veranschaulicht.
Die Richtung der Federkräfte ist auf die jeweilige Gegenradwelle 8, 9 gerichtet, wodurch eine Verstärkung der Vorspannung durch die auftretenden Zahnkräfte vermieden wird.
Bei geringer Last ist somit die Welle 3 mit dem Ende, das dem Zahnrad 4 zugeordnet ist, dem Zahnrad 2' zugeneigt, während das Ende der Welle 3, welches dem Zahnrad 4' zugeordnet ist, dem Zahnrad 5 zugeneigt ist. Die Welle 3 steht somit schräg zu den Wellen 9 und 8.
Mit zunehmender Last verringert sich der Winkel zwischen den Wellen 8, 9 einerseits und der Welle 3 andererseits.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und bezugnehmend auf 5 umfasst die Vorrichtung zur Verminderung des Spiels zwei Druckfedern 17, deren Federkräfte auf mit der Lagerung der Zwischenwelle 3 verbundene Kipphebel 18 wirkt, um eine Neigung der Welle 3 in Bezug auf die Zahnradachsen der beiden Zahnräder 2, 5 bei geringer Last zu erzielen. Dabei ist je eine Druckfeder 17 einem Ende der Welle 3 zugeordnet und drücken die Wellenenden in unterschiedliche, entgegen gesetzte Richtungen. So werden, wenn keine Last auf die Zahnräder wirkt, die Zahnräder 4 und 4' mittels der Hebelarme 18 gegen die Zahnräder 5 und 2' gedrückt und die Welle 3 steht schräg zu den Wellen 6 und 9. Dazu ist die Welle 3 mit Spiel in den Kipphebeln 18 gelagert und kann bezüglich der Kipphebel gekippt werden. Wird nun die Last auf die Zahnräder 4 und 4' erhöht, so werden diese entgegen den Federkräften bewegt und die Welle 3 in eine Position bewegt, die einen kleineren Winkel mit den Wellen 8 und 9 einschließt. Bei einer sehr hohen Last steht die Welle 3 schließlich parallel zu den Wellen 8 und 9. Da es sich bei der 5 um eine Seitenansicht handelt, sind der zweite Kipphebel 18 und die zweite Feder 17 durch den ersten Kipphebel 18 und die erste Feder 17 verdeckt und so nicht gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Zahnrad
2': Zahnrad
3: Welle
4: Zahnrad
4': Zahnrad
5: Zahnrad
6: Elektromotor
7: Kurbelwelle
8: Achse des Zahnrads 2
9: Achse des Zahnrads 5
10: Hauptpleuel
11: Anlenkpleuel
12: Hauptpleuel
13: Druckfeder
14: Druckfeder
15: Lager
16: Lager
17: Druckfeder
18: Kipphebel
A: Richtung der Vorspannkraft
B: Richtung der Federkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69804297 T2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe (1), insbesondere in einem Getriebe (1) zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, umfassend ein erstes Zahnrad (2), welches ein auf einer Welle (3) angeordnetes zweites Zahnrad (4) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel (13, 14, 17, 18) umfasst, durch welche die Achse der Welle (3) bei geringer Last in Bezug auf die Achse (8) des ersten Zahnrads (2) derart geneigt ist, dass die Verzahnungen des zweiten Zahnrads (4) in die Verzahnung des ersten Zahnrads (2) hineingedrückt wird und bei hoher Last zumindest im Wesentlichen parallel zu der Achse (8) des ersten Zahnrads (2) liegt.
Vorrichtung zum Verminderung des Spiels in einem Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (3) ein drittes Zahnrad (4') drehfest mit dem zweiten Zahnrad (4) angeordnet ist und die Verzahnung des dritten Zahnrads (4') in die Verzahnung eines vierten Zahnrads (5) eingreift, wobei bei hoher Last die Welle (3) zumindest im Wesentlichen parallel zu der Achse (9) des vierten Zahnrads (2) liegt.
Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Neigen der Achse der Welle (3) in Bezug auf die Achse (8) des ersten Zahnrads (2) und/oder in Bezug auf die Achse (9) des vierten Zahnrads zumindest ein Federelement (13, 14, 17) umfassen, durch dessen Federkraft die Achse der Welle (3) bei geringer Last geneigt wird.
Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe (1), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei als Druckfedern ausgeführte Federelemente (13, 14) umfasst, durch welche die Welle (3) des zweiten Zahnrads (4) an den Lagern (15, 16) derart angefedert ist, dass sie bei geringer Last mittels der Federkraft in Richtung des jeweiligen Gegenrades (2, 5) gedrückt wird.
Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe (1), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Druckfeder (17) umfasst, deren Federkraft auf einen mit der Lagerung der Welle (3) verbundenen Kipphebel (18) wirkt, um die Neigung der Welle (3) in Bezug auf die Achsen (8, 9) des ersten (2) und vierten Zahnrads (5) bei geringer Last zu erzielen.
Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe (1), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Druckfedern vorgesehen sind, deren Federkräfte auf jeweils einen mit einem Lager (15, 16) der Welle (3) verbundenen Kipphebel wirken, um die Neigung der Welle (3) in Bezug auf die Achsen (8, 9) des ersten und des vierten Zahnrads (2, 5) bei geringer Last zu erzielen.
Vorrichtung zur Verminderung des Spiels in einem Getriebe (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei hoher Last die Lage der Welle (3) durch einen Anschlag zumindest in einer Bewegungsrichtung festgelegt ist.