-
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kupplung, insbesondere eine Kupplung für eine Hubkolbenmaschine zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen zwei parallelen Wellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Ausgleichsgetriebe zum Ausgleich eines Höhenversatzes zwischen einer Hubkolbenmaschine und einem mit der Hubkolbenmaschine wirkverbundenen Drehmomentwandler. Auch betrifft die Erfindung eine Antriebsanordnung aus einem Kolben-Zylinder-Antrieb mit einer zu sich selbst sowie zu Zylindern des Kolben-Zylinder-Antriebes radial verlagerbaren Antriebswelle und einem dem Kolben-Zylinder-Antrieb nachgeschalteten Getriebe mit einer Getriebewelle.
-
Im Stand der Technik sind bereits mehrere Lösungen bekannt, welche zur Drehmomentübertragung zwischen zwei parallelen Wellen einen gegebenen Achsversatz ausgleichen. Ein mögliches Anwendungsgebiet sind hierfür Verbrennungskraftmaschinen die, wie in der
DE 10 08 08 425 offenbart, mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ausgeführt sind, welches durch eine exzentrische Kurbelwellenlagerung einstellbar ist. Bei diesen Motoren vollzieht die Kurbelwellenachse relativ zu der Getriebeeingangsachse während einer Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eine Schwenkbewegung deren Drehmittelpunkt mit der Rotationsachse der Getriebeeingangswelle zusammenfällt. Aufgrund dieser Kinematik bleibt der Achsabstand im Wesentlichen konstant.
-
Zum Ausgleich des beschriebenen Achsversatzes kann eine Kupplung, wie in der
DE 10 08 08 425 beschrieben, verwendet werden. Nachteilig hierbei sind die zahlreichen Lagerstellen die zur Drehmomentübertragung notwendig sind. Eine alternative bekannte Ausführungsform besteht in der Verwendung von Zahnrädern nach der
DE 36 44 721 , wobei allerdings hohen Drehmomentspitzen, die bei Verbrennungskraftmaschinen vorliegen können, kaum mit diesen kleinen Zahnraddurchmessern übertragen werden können.
-
Verbrennungskraftmaschinen mit einem variablen Verdichtungsverhältnis ermöglichen ferner wesentlich verbesserte Verbrauchswerte im Teillastbetrieb und bieten darüber hinaus, auch die Möglichkeit einer Mitteldrucksteigerung durch Hochaufladung. Es sind verschiedene Bauweisen erfunden und zum Patent angemeldet worden, wobei das Prinzip der Lagerung der Kurbelwelle in verdrehbaren Exzentern, wie in der
DE 10 00 84 25 beschrieben, aus mehreren Gründen besonders vorteilhaft ist, da kein Eingriff in die Kinematik des Kurbeltriebs notwendig, wenig Bauraum erforderlich und ein großer Verstellbereich möglich ist. Nachteilig an diesem Prinzip ist, dass sich hierbei die Lage der Kurbelwellenachse ändert und ein angepasster Mechanismus benötigt wird, um weiterhin Fahrzeuggetriebe konventioneller Bauweise einsetzen zu können. Hierzu kann wie in Anmeldung der DE 10 00 84 25 beschrieben, eine besondere Kupplung eingesetzt werden. Diese Kupplung ist allerdings mit einem zusätzlichen Bauaufwand verbunden und erzeugt, wenn auch in geringem Maße, zusätzliche Reibung.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Hubkolbenmaschine mit einer einen Achsversatz ausgleichenden Kupplung bereitzustellen und/oder einen Höhenversatz zwischen einer Hubkolbenmaschine und einem an diese Hubkolbenmaschine angebundenen Drehmomentwandler zu ermöglichen, welche kostengünstiger hergestellt werden kann, eine geringere Verlustleistung aufweist und geringeren Bauraum benötigt.
-
Zur Lösung der Eingangs stehenden Aufgabe wird eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und mit einer Kupplung vorgeschlagen, wobei die Kupplung wenigstens ein erstes Koppelelement, wenigstens ein zweites Koppelelement, einen Achsversatz zwischen einer ersten Symmetrieachse des ersten Koppelelement sowie einer zu der ersten Symmetrieachse parallelen zweiten Symmetrieachse des zweiten Koppelelementes und wenigstens ein dritten Koppelelement aufweist, welches die beiden Koppelelemente miteinander wirkverbindet, wobei wenigstens das erste Koppelelement in einer Führung gelagert ist und wobei sich die Kupplung dadurch auszeichnet, dass das erste Koppelelement zumindest zum Teil eine konische Außenoberfläche aufweist und zwischen einer Innenoberfläche der Führungen sowie der Außenoberfläche des ersten Koppelelementes wenigstens ein Keil befindlich ist, wobei der Keil eine zu der konischen Außenoberfläche komplementäre Innenoberfläche sowie eine zu der Innenoberfläche der Führung komplementäre Außenoberfläche aufweist. Mittels dieser Ausgestaltung einer Kupplung kann vorteilhaft eine Spannkraft zwischen den jeweiligen Koppelelementen derart aufgebracht werden, dass ein spielfreier Zusammenbau und somit ein die Lebensdauer verlängernder Betrieb ohne stetigen Anlagenwechsel erfolgen kann.
-
Zur Umsetzung der selbigen zuletzt genannten Vorteile wird alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und mit einer Kupplung vorgeschlagen, wobei die Kupplung wenigstens ein erstes Kupplungsteil, ein zweites Kupplungsteil, einen Achsversatz zwischen einer ersten Rotationsachse des ersten Kupplungsteils sowie einer zu der ersten Rotationsachse parallelen zweiten Rotationsachse des zweiten Kupplungsteils, drei Koppelelemente und wenigstens drei Koppelstangen aufweist, wobei die Koppelelemente das erste Kupplungsteil und das dritte Kupplungsteil drehstarr miteinander wirkverbinden, wobei die drei Koppelstangen das erste Kupplungsteil sowie das zweite Kupplungsteil entlang der beiden Rotationsachsen miteinander wirkverbinden und wobei sich die Hubkolbenmaschine dadurch auszeichnet, dass wenigstens eines der drei Koppelelemente ein Federelement aufweist, wobei das Federelement wenigstens einen Kraftvektor aufweist und wobei der Kraftvektor in einer Ebene senkrecht zu einer der beiden Rotationsachsen liegt und/oder parallel zu einer der beiden Rotationsachsen liegt.
-
Eine zwischen wenigstens zwei, vorzugsweise zwischen drei, Koppelelementen aufgebrachte Federkraft bewirkt, wie bereits vorstehend erläutert, eine Vorspannkraft, welche bevorzugt derart bemessen ist, dass im Betrieb der Kupplung, beispielsweise in einem Verbund aus Hubkolbenmaschine und Getriebe, kein Vorzeichenwechsel einer an den Koppelelementen wirken Kraft auftritt. Wie sofort ersichtlich, kann eine stets positiv bzw. stets negativ auf ein Koppelelement wirkende Kraft, ein spielfreies Anliegen der jeweiligen Kupplungsteile gewährleisten, so dass kein Anlagenwechsel zwischen den Bauteilen auftritt. Fehlende bzw. geringere Relativbewegungen zwischen den anliegenden Bauteilen führen letztendlich zu einer längeren Lebensdauer und erhöhten Betriebssicherheit. Insofern können das erste Kupplungsteil und das zweite Kupplungsteil mittels des Federelementes radial zu den beiden Rotationsachsen und/oder axial zu den beiden Rotationsachsen verspannt sein.
-
Es versteht sich, dass ein zwischen den Koppelelementen auftretender Kraftvektor auch aus einer Summe mehrerer Kraftvektoren gebildet sein kann. So kann beispielsweise sowohl eine senkrecht zu den Rotationsachsen auftretende Spannkraft mit einer axial zu den Rotationsebenen auftretenden Spannkraft zu einer resultierenden Spannkraft addiert werden, welche gerade nicht senkrecht oder gerade nicht axial zu den Rotationsachsen verläuft.
-
Um einen Höhenversatz zwischen den beiden Rotationsachsen variieren zu können bzw. um einen Freiheitsgrad zwischen den beiden Rotationsachsen zu erhalten, kann das dritte Koppelelement relativ zu dem ersten Koppelement sowie relativ zu dem zweiten Koppelelement drehbar gelagert sein. Insbesondere können das erste Koppelelement, das zweite Koppelelement und/oder das dritte Koppelelement ein Exzenter sein, wodurch eine Hubkolbenmaschine mit einer in der Höhe verstellbaren Kurbelwelle und ein an die Hubkolbenmaschine folgendes Getriebe drehstarr gekoppelt werden können. Es versteht sich, dass die Kupplung auch weitere Federelemente aufweisen kann, um eine drehelastische Kopplung zwischen der Hubkolbenmaschine und dem Getriebe hervorzubringen. Es sei erwähnt, dass die Kupplung ebenfalls Teil einer Reibkupplung und/oder eines Zweimassenschwungrades sein kann.
-
Zwecks äquidistanter Anbindung der Hubkolbenmaschine an das nachfolgende Getriebe können das erste Koppelelement, das zweite Koppelelement sowie das dritte Koppelelement und/oder die Koppelstangen eine Parallelführung sein. Es versteht sich, dass statt des Getriebes auch jedwede Art von Antriebs- bzw. Abtriebsstrang, beispielsweise eine Abtriebswelle oder ein Elektromotor, verwendet werden können.
-
Es versteht sich weiterhin, dass die im Zusammenhang mit der Kupplung für die Hubkolbenmaschine genannten Merkmale auch unabhängig von einer Hubkolbenmaschine vorteilhaft für eine Kupplung sind.
-
Es wird darüber hinaus alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen zur Lösung der Eingangs stehenden Aufgabe eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und mit wenigstens einem Drehmomentwandler vorgeschlagen, welche sich durch wenigstens einen Schwingungstilger auszeichnet, wobei der Schwingungstilger wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist, welche mit einer Eigenfrequenz eines Verbundes aus der Hubkolbenmaschine und dem Drehmomentwandler zusammenfällt. Dies vermindert vorteilhaft Schwingungen im Verbund aus Hubkolbenmaschine und Drehmomentwandler, welche insbesondere auftreten können bei Verwendung eines Ausgleichsgetriebes zwischen der Hubkolbenmaschine und dem Drehmomentwandler. Nach dem Stand der Technik ausgebildete Antriebseinheiten aus Verbrennungskraftmaschinen und Getrieben weisen in der Regel eine statisch überbestimmte Anbindung auf, welche sehr steif ausgeführt werden kann und folglich eine Schwingungsanregung innerhalb der Antriebseinheit, also innerhalb des Verbundes aus Hubkolbenmaschine und Drehmomentwandler, mit sehr geringer Amplitude erfolgt.
-
Die Anbindung eines Drehmomentwandlers an die Hubkolbenmaschine mittels eines Ausgleichsgetriebes bzw. Kupplung, welches beispielsweise einen Höhenversatz zwischen der Hubkolbenmaschine und Drehmomentwandler ermöglicht, erreicht unter Umständen nicht die Steifigkeit, welche zwischen Getriebe und Verbrennungskraftmaschine in der Regel zutrifft. Somit kann ein Schwingungstilger sowohl die Haltbarkeit als auch das akustische Abstrahlverhalten bei einem Verbund aus Hubkolbenmaschine und Drehmomentwandler mit geringer Steifigkeit verbessern. Insofern ist es insbesondere vorteilhaft für einen Schwingungstilger bzw. für eine Hubkolbenmaschine mit Schwingungstilger, wenn der Schwingungstilger und der Verbund schwingungsmechanisch gekoppelt sind.
-
Schwingungsanregungen, zumindest oszillierende Schwingungsanregungen, in einer Hubkolbenmaschine werden vorzugsweise in Richtung der Zylinder bzw. Zylinderachsen erzeugt, da diese unter anderem eine Folge der bewegten Kolbenmasse sind. Somit ist es zumindest zur Verringerung oszillierender Schwingungen vorteilhaft für eine Hubkolbenmaschine, wenn eine Arbeitsrichtung des Schwingungstilgers zumindest zum Teil mit einer Bewegungsbahn des Verbundes übereinstimmt.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Schwingungstilger einen Schwingungsdämpfer aufweist, wodurch der Schwingungstilger auf das schwingtechnische Verhalten der Hubkolbenmaschine bzw. des Verbundes aus Hubkolbenmaschine und Drehmomentwandler besser abgestimmt werden kann.
-
Weiterhin kann eine Hubkolbenmaschine, zwecks besserer Abstimmung bzw. besserer Tilgung von Schwingungen, wenigstens zwei Schwingungstilger aufweisen, wobei die beiden Schwingungstilger unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen können.
-
Alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen wird, um die Eingangs stehende Aufgabe zu lösen, eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und mit einer Kupplung vorgeschlagen, wobei die Kupplung ein erstes Kupplungsteil, ein zweites Kupplungsteil, einen Achsversatz zwischen einer ersten Rotationsachse des ersten Kupplungsteils sowie einer zu der ersten Rotationsachse parallelen zweiten Rotationsachse des zweiten Kupplungsteils aufweist, wobei die beiden Kupplungsteile drehstarr miteinander wirkverbunden sind und wobei sich die Hubkolbenmaschine dadurch auszeichnet, dass das erste Kupplungsteil eine Kurbelwellenwange der Hubkolbenmaschine ist. Es ist sofort ersichtlich, dass diese Ausgestaltung der Hubkolbenmaschine bzw. der Kupplung zu einer sehr viel kompakteren Bauweise führt, wodurch die Baulänge der Hubkolbenmaschine geringer ausfallen kann als dies bei einer Verwendung einer Kupplung der Fall wäre, welche nicht in eine Kurbelwellenwange integriert ist.
-
Auch wird alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen wird, um die Eingangs stehende Aufgabe zu lösen, eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und mit einer Kupplung vorgeschlagen, wobei die Kupplung ein erstes Kupplungsteil, ein zweites Kupplungsteil, einen Achsversatz zwischen einer ersten Rotationsachse des ersten Kupplungsteils sowie einer zu der ersten Rotationsachse parallelen zweiten Rotationsachse des zweiten Kupplungsteils aufweist, wobei die beiden Kupplungsteile drehstarr miteinander wirkverbunden sind und wobei sich die Hubkolbenmaschine dadurch auszeichnet, dass die Kupplung zwischen zwei Kurbelwellenhauptlagern der Hubkolbenmaschine angeordnet ist. Neben einer kompakteren Bauweise kann somit, wie dies für die vorstehend erläuterte Kupplung ebenfalls der Fall ist, auch eine einfache Integration der Kupplung in einen Ölkreislauf der Hubkolbenmaschine erreicht werden.
-
Besonders vorteilhaft für die Hubkolbenmaschine ist es ferner, wenn die erste Rotationsachse koaxial zu einer Kurbellwellenachse und/oder die zweite Rotationsachse koaxial zu einer Getriebewellenachse ist, wodurch die jeweiligen Kupplungsteile auch direkt in das angrenzende Bauteil integriert werden können. So kann beispielsweise das erste Kupplungsteil in einer Kurbelwellenwange, wie bereits vorstehend erläutert, integriert werden. Insbesondere kann das erste Kupplungsteil in der dem Abtrieb der Kurbelwelle zugewandten Kurbelwange integriert werden, was konstruktiv besonders einfach erfolgen kann. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das zweite Kupplungsteil einen Flansch aufweist, wobei der Flansch außerhalb eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenmaschine angeordnet ist.
-
Verfügt die Hubkolbenmaschine bzw. die Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine über eine Schwungmasse, welche insbesondere eine Primärmasse eines Zweimassenschwungrades sein kann, ist es vorteilhaft, wenn die Schwungmasse kurbelwellenfest ist, was zur Folge hat, dass eine Rotationsachse der Schwungmasse mit der Kurbelwellenachse zusammenfallen kann.
-
Die Verwendung einer kurbelwellenfesten Schwungmasse bietet zudem die vorteilhafte Möglichkeit, die Schwungmasse in einem Ölraum der Hubkolbenmaschine anzuordnen, wodurch eine Abdichtung wesentlich einfacher erfolgen kann.
-
Alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend erläuterten Merkmalen wird, um die Aufgabe der Erfindung zu lösen eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und mit einem Zugmitteltrieb vorgeschlagen, wobei eine Kurbelwellen der Hubkolbenmaschine verlagerbar angeordnet ist, wobei der Zugmitteltrieb ein Primärrad und wenigstens ein Sekundärrad aufweist, wobei eine Kurbelwellenachse parallel zu einer Rotationsachse des Primärrades sowie parallel zu einer Rotationsachse des Sekundärrades angeordnet ist und wobei sich die Hubkolbenmaschine dadurch auszeichnet, dass das Primärrad des Zugmitteltriebes koaxial zu der Kurbelwelle angeordnet ist und das Sekundärrad verlagerbar angeordnet ist, wobei sich eine Bewegungsrichtung des Primärrades und eine Bewegungsrichtung des Sekundärrades um weniger als 20°, insbesondere um weniger als 5°, voneinander unterscheiden. Vorteilhaft kann hierdurch ein Zugmitteltrieb für die Hubkolbenmaschine bereitgestellt werden, an welchem trotz Verlagerung der Kurbelwelle eine annähernd gleiche Kettenspannung realisiert werden kann, indem das Sekundärrad der Verlagerung zumindest zum Teil folgt.
-
Vorteilhaft für eine Hubkolbenmaschine mit Zugmitteltrieb ist es auch, wenn das Sekundärrad an einer Betätigungswelle angeordnet ist, wobei die Betätigungswelle mit wenigstens einem Exzenter der Kurbelwelle wirkverbunden ist. Die Betätigungswelle, welche für die Verlagerung der Kurbelwelle verwendet werden kann und welche eine annähernd gleiche exzentrische Bewegung vollzieht, kann somit das Sekundärrad derart verlagern, dass eine Änderung der Länge einer verwendeten Kette oder eines verwendeten Riemens annähernd kompensiert wird.
-
Um bei einer Hubkolbenmaschine alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend erläuterten Merkmalen der Erfindung ein ungleichmäßiges Verdichtungsverhältnis und hiermit einhergehend eine verlängerte Expansion zu realisieren wird eine Hubkolbenmaschine mit wenigstens einer Kurbelwelle, mit wenigstens einem Kurbelwellenexzenter und mit einem Exzenterantrieb vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Kurbelwelle eine Kurbelwellendrehzahl aufweist, welche ein Vielfaches einer Drehzahl des Kurbelwellenexzenter entspricht. Die zur Kurbellwellendrehzahl synchrone Drehzahl des Kurbelwellenexzenters bewirkt eine verlängerte Expansion in der Hubkolbenmaschine, wodurch der thermodynamische Prozess mit einem besseren Wirkungsgrad – durch längere Ausnutzung des Zylinderinnendruckes – abläuft.
-
Besonders vorteilhaft läuft hierbei die Kurbelwelle mit einem ganzzahligen Vielfachen der Kurbelwellenexzenterdrehzahl um. Insbesondere ergibt sich die oben geschilderte verlängerte Expansion an einer 4-Takt-Verbrennungskraftmaschine, wenn die Kurbelwellendrehzahl dem doppelten der Kurbelwellenexzenterdrehzahl entspricht.
-
Auch ist es vorteilhaft für eine Hubkolbenmaschine, wenn ein Zylindervolumen der Hubkolbenmaschine in einem Ladungswechseltotpunkt ein kleineres Volumen aufweist als in einem Zündtotpunkt. Es ist sofort ersichtlich, dass durch diese Ausgestaltung ein Restgasgehalt sehr viel kleiner ausfällt als dies bei einer Hubkolbenmaschine mit gleichem Verdichtungsverhältnis über den gesamten Zyklus der Fall wäre. Auch wird durch diese Ausgestaltung eine an die Hubkolbenmaschine angeschlossene Turbine eines Abgasturboladers sehr viel besser angeströmt, da annähernd der gesamte Abgasstrom der Turbine zugeführt werden kann.
-
Darüber hinaus ist es vorteilhaft für eine Hubkolbenmaschine, wenn ein maximales Zylindervolumen der Hubkolbenmaschine zum Ende eines Expansionstaktes größer ist als ein maximales Zylindervolumen zum Ende eines Ansaugtaktes. Dies bewirkt ebenfalls einen besseren thermodynamische Wirkungsgrad durch eine verlängerte Expansion, wie oben stehend bereits erläutert. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass das jeweilige maximale Zylindervolumen stets vorliegt, wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht. Das Ende des Ansaugtaktes bzw. das Ende des Expansionstaktes muss nicht notwendigerweise mit dem maximalen Zylindervolumen zusammenfallen. Es versteht sich aber, dass das Ende des jeweiligen Taktes stets in der Nähe des unteren Totpunktes liegt. Die Abweichung des Ende eines Taktes, beispielsweise das Ende des Ansaugtaktes, welches durch das Schließen von Einlassventilen gekennzeichnet ist, kann unter Umständen bis zu 60° Kurbelwinkel betragen.
-
Weitere Vorteile und Merkmale vorliegender Erfindungen werden anhand nachfolgender Figurenbeschreibung erläutert. In den Figuren zeigen:
-
1 ein Getriebeexzenter in Detaildarstellung;
-
2 ein weiterer Getriebeexzenter in Detaildarstellung;
-
3 ein drittes Koppelelement eines Getriebeexzenters;
-
4 ein erstes Koppelelement eines Getriebeexzenters;
-
5 eine Anordnung aus einer Hubkolbenmaschine und einem Drehmomentwandler mit einem Schwingungstilger;
-
6 eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung und einer Kupplung in einer Kurbelwellenwange;
-
7 die Anordnung aus 29 im Querschnitt;
-
8 eine Hubkolbenmaschine mit variabler Verdichtung mit einer weiteren Kupplung in einer Kurbelwellenwange;
-
9 die Anordnung aus 31 im Querschnitt;
-
10 ein Zugmitteltrieb für eine Hubkolbenmaschine mit einem Kurbelwellenexzenter; und
-
11 ein Kurbeltrieb einer Hubkolbenmaschine mit rotierenden Kurbelwellenexzentern.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer Kupplung 401, welche eine Exzenterlagerung zwischen Hubkolbenmaschine und Getriebe nach den 1 bis 4 ermöglicht, verfügt über wenigstens drei Koppelgruppen 411. Hierbei sind die aus einem ersten Koppelelement 412, einem zweiten Koppelelement 413 und einem dritten Koppelelement 416 bestehenden Exzenter in einem Getriebegehäuse gelagert, und führen die Bewegung zwischen Hubkolbenmaschine und Getriebe. Für diese Exzenter wird im Folgenden ein neuer Ansatz beschrieben, bei dem eine spielfreie Lagerung sichergestellt wird.
-
Es kann beispielsweise aus akustischen Gründen gewünscht sein, den Exzentermechanismus spielfrei auszuführen. Um dies zu erreichen, verfügt die Koppelgruppe 411 über eine konische Lagergeometrie anstelle einer zylindrischen, und ein Radialspiel wird durch eine axiale Vorspannung vermindert. Zwischen dem Getriebe bzw. dem zu führenden Bauteil und dem ersten Koppelelement 412, welches in einer zylindrischen Führung 420 gelagert ist, befindet sich ein Keil 424. Der Keil 424 hat eine zylindrische Keilaußenoberfläche 426 und eine konische Keilinnenoberfläche 425. Während die Keilaußenoberfläche 426 an einer zylindrischen Führungsinnenoberfläche 423 anliegt, wirkt die Keilinnenoberfläche 425 auf eine dieser konischen Keilinnenoberfläche 425 komplementären Koppelaußenoberfläche 422. Axial zu einer zweiten Symmetrieachse 415 wirkt ein Federelement 421 auf den teilweise unterbrochenen Keil 424, wodurch dieser Keil 424 eine Anpresskraft zwischen dem ersten Koppelelement 412, dem zweiten Koppelelement 413 und dem dritten Koppelelement 416 aufbringt.
-
Ein Anstellwinkel der konischen Oberflächen, der Koppelaußenoberfläche 422 und der Keilinnenoberfläche 425 führt zu einem Kraftvektor, welcher neben der axial zu der Symmetrieachse 415 wirkenden Komponente eine weitere Komponente senkrecht zur zweiten Symmetrieachse 415 aufweist. Diese senkrecht zur zweiten Symmetrieachse 415, aber auch zu einer ersten Symmetrieachse 414, wirkende Kraftkomponente der Anpresskraft verspannt die Koppelgruppe 411 folglich auch in radialer Richtung. Werden mehrere Koppelgruppen 411 verwendet, wobei eine stabile Anbindung eines Getriebes an eine Verbrennungskraftmaschine wenigstens drei Koppelgruppen 411 erfordert, ergibt sich folglich eine spielfreie Führung über die senkrecht zu den Symmetrieachsen 414, 415 wirkende Spannkraft. Wir sofort ersichtlich, ist es erforderlich lediglich eine Koppelgruppe 411 mit einem Keil 424 auszustatten, da durch die übrigen Koppelgruppen 411 die aufgebrachte senkrechte Spannkraft aufgenommen wird und nicht aktiv erzeugt werden muss.
-
Ein Achsversatz 419 und somit die exzentrische Anordnung in der Koppelgruppe 411 ergibt sich am dritten Koppelelement 416, welches beidseits ein Profil aufweist, wessen komplementäre Gegenseite jeweils in dem ersten Koppelelement 411 und in dem zweiten Koppelelement 412 eingebracht sind. Die profilierte Oberfläche der drei Koppelelemente 411, 412, 416 ist derart ausgebildet, dass sich Führungskräfte in einer Richtung senkrecht zu den Symmetrieachsen 414, 415 aufbringen lassen. Es ist sofort ersichtlich, dass auch ein Profil denkbar ist, welches in axialer Richtung sowohl Zugkräfte als auch Druckkräfte überträgt. In dem geschilderten Ausführungsbeispiel werden durch Koppelstangen bewirkte Druckkräfte aufgenommen. Neben konischen Lagerungen sind auch andere Geometrien denkbar bei denen ein verschleißbedingtes Radialspiel durch eine axiale Vorspannung vermindert werden kann.
-
Um einen möglichst kompakten Bauraum zu erhalten, wird Profil des dritten Koppelelementes 416 als Rillenstruktur ausgeführt. Auf diese Weise entstehen mehrere radiale und ggf. auch axiale Lagerflächen innerhalb desselben Lagerachsabschnittes. Wenn die radialen Lagerabschnitte konisch oder bogenförmig ausgeführt werden, besteht die Möglichkeit mittels einer axialen Nachführung das Lagerspiel zu eliminieren. Im dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 4 sind die Rillenlagerungen im inneren Exzenterbereich über 360° umlaufend ausgeführt und die äußeren sind unterbrochen, dort wo sie über die Außenkontur des Exzenters hinausragen. Die Außenkontur des Exzenters bzw. des dritten Koppelelementes 416 kann kreisförmig ausgeführt sein, wodurch eine eventuell vorgesehene aktive Betätigung zur Synchronisation der Exzenter untereinander erleichtert wird. Die Gegenlager am Motor und Getriebe weisen die entsprechenden Gegenlagerflächen auf. Hierbei können eine oder beide Gegenlagerflächen axial verschiebbar ausgeführt sein um unerwünschtes Lagerspiel zu verhindern.
-
Das zweite Koppelelement verfügt ferner über eine Momentenstütze 418, welche auf einen Führungsbolzen 417 wirkt. Mittels der Festlegung über den Führungsbolzen wird ein Drehen des zweiten Koppelelementes 413 wirksam verhindert. Es erfolgt somit eine reine Gleitbewegung zumindest zwischen dem zweiten Koppelelement 413 und dem dritten Koppelelement 416. Wie aus 2 ersichtlich, kann einerseits auf eine Momentenstütze 418 verzichtet werden und andererseits kann das dritte Koppelelement 416 einteilig mit dem ersten Kupplungsteil 402 ausgeführt werden, wodurch eine Gleitfläche und ein weiteres Bauteil eingespart werden können.
-
Das erste Kupplungsteil 402, welches den Achsversatz 409 aufbringt, kann darüber hinaus ebenfalls durch eine Stellwelle, wie weiter oben beschrieben, betätigt werden, so dass der Achsversatz 409 in der jeweiligen Koppelgruppe 409 aktiv aufgebracht wird.
-
Ein anderer Ansatz eine spielfreie axiale Führung der Gegenlager zu erreichen ist die Führung der Gegenlager über vorwiegend in einer Richtung flexible Struktur. Hierbei könnten z. B. Blechpakete eingesetzt werden, welche senkrecht zur Kurbelwellenachse angeordnet sind und daher durch Biegung eine axiale Bewegung der Gegenlager zulassen, während eine Bewegung senkrecht zur Kurbelwellenachse durch die viel größere Steifigkeit infolge Streckung und/oder Stauchung der Führungsbleche weitgehend verhindert wird. Auch hierbei kann eine axiale Vorspannung der Exzenterlagerung durch zusätzliche Federungen sinnvoll sein.
-
Bei modernen Motoraufhängungen von frontangetriebenen Fahrzeugen sind zwei Motorlager auf der Hauptträgheitsachse des Motor-Getriebe-Verbunds angeordnet, während das Motordrehmoment von einer Drehmomentstütze aufgenommen wird. Diese Lagerung kann auch bei der erfindungsgemäßen Ausführung beibehalten werden, da sich der Abstand der beschrieben Lagerpunkte auf der Hauptträgheitsachse durch die Relativbewegung von Getriebe und Motor kaum ändert.
-
Bedingt durch freie Massenkräfte und Momente müssen erhebliche Kräfte und Momente zwischen einem Motor und einem Getriebegehäuse übertragen werden. Die beschriebenen Stützexzenter bzw. Getriebeexzenter zwischen Motor und Getriebegehäuse können hierbei die radialen Kräfte problemlos übertragen. Um in axialer Richtung eine Bewegung zwischen Motor und Getriebe zu minimieren, können die beiden Teile mittels Federn oder mittels der zuvor erläuterten Koppelstangen gegeneinander gepresst werden. In diesem Fall ist für die Berührungsflächen zwischen Motor und Getriebegehäuse eine entsprechende Oberfläche, beispielsweise mittels PTFE-Beschichtung, DLC-Beschichtung o. Ä., vorzusehen, welche ein verschleißarmes Gleiten ermöglicht.
-
Die Verwendung der zuvor beschriebenen Getriebeexzenter, welche eine exzentrische Lagerung eines Getriebes zu einem Motor, also einer Hubkolbenmaschine, ermöglichen, kann zu einer unerwünschten Verringerung der Steifigkeit zwischen dem Getriebe und dem Motor zur Folge haben. Dieser Verlust an Steifigkeit bedingt Schwingungen und eine möglichweise unkomfortable Akustik des Antriebsstranges. Zur Verringerung dieser Folgen verfügt der Verbund, bestehend aus einer Hubkolbenmaschine 501 und einem Drehmomentwandler 502 nach 5 über einen Schwingungstilger 503. Der Schwingungstilger 503 weist hierbei wenigstens eine Eigenfrequenz auf, welche mit einer Eigenfrequenz des Verbundes zusammenfällt.
-
Der Schwingungstilger 503 dämpft folglich die maximale Schwingungsanregung in dem gesamten Verbund und führt letztendlich auch zu einer Erhöhung der Lebensdauer, da schädigende Anregungen verringert werden. Der Schwingungstilger 503 ist nicht zwangsläufig derart ausgerichtet, dass eine Tilgermasse 504 des Schwingungstilgers 503 mit einer Bewegungsrichtung von Kolben der Hubkolbenmaschine 501 zusammenfällt. Diese Ausgestaltung ist allerdings besonders vorteilhaft, um oszillierende Massenschwingungen zu tilgen bzw. zu dämpfen. Je nach gewünschter Tilgungseigenschaft kann es daher ausreichend sein, dass die Bewegungsbahn der Tilgermasse 504 zumindest zum Teil mit einer durch Schwingungen bewirkte Bewegungsbahn des Verbundes übereinstimmt. Dieser Zusammenhang gewinnt an Bedeutung, wenn der Verbund derart angeregt wird, dass eine Biegung – mit lokal unterschiedlichen Anregungsrichtungen – zwischen der Hubkolbenmaschine 501 und dem Drehmomentwandler 502 auftritt. Insofern wird der Schwingungstilger 503 derart am Verbund ausgerichtet, dass die Tilgermasse 504 in Richtung einer lokalen Bewegungsbahn des Verbundes wirkt.
-
Der Schwingungstilger 503 verfügt ferner über Schwingungsdämpfer 505, welche neben einfachen Federn, die selbst bereits schwingungsdämpfend wirken, auch weitere Dämpfelemente beinhaltet. So können dies beispielsweise Elastomerfedern mit nicht-linearen Federkennlinien, Gas- oder Öldämpfer sein. Wie sofort ersichtlich, kann der Schwingungstilger 505 auch mehrteilig ausgeführt sein, wobei der Schwingungstilger 505 mehrere Tilgermassen 504 aufweist, die nicht notwendigerweise an dem gleichen Anbindungspunkt vorliegen müssen. So kann eine Tilgermasse 504 an der Hubkolbenmaschine 501 und/oder eine weitere Tilgermasse 504 an dem Drehmomentwandler 502 angebracht sein. In diesem Zusammenhang kann es auch vorgesehen sein, dass die beiden Tilgermassen 504 unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen, so dass mehrere Frequenzbereiche durch den Schwingungstilger 503 abgedeckt werden.
-
Eine weitere Ausführungsform einer Kupplung 601 nach den 6 bis 9 bietet die Möglichkeit einer bauraumgünstigen Unterbringung der Kupplung 601 in einer Kurbelwelle 612 einer Hubkolbenmaschine 611. Hierbei ist ein erstes Kupplungsteil 602 der Kupplung 601 in einer Kurbelwellenwange 613 der Kurbelwelle 612 integriert, wobei ein zweites Kupplungsteil 602 der Kupplung 601, welche bereits anhand vorstehender Beschreibung in ähnlicher Bauweise beschrieben worden ist, einen Flansch der Hubkolbenmaschine 611 bildet. Der Flansch bildet den nach dem Stand der Technik bekannten Anbindungspunkt eines Drehmomentwandlers bzw. einer Kupplung des Drehmomentwandlers. Im Gegensatz zum Flansch, welcher lediglich eine Anbindung an das zweite Kupplungsteil 603 darstellt, ist die gesamte Kupplung 601 in axialer Richtung zwischen zwei Kurbelwellenhauptlagern 614 angeordnet.
-
Die Kupplung 601 verfügt wiederum über eine Primärführung 607, eine Sekundärführung 608 sowie über einen Verbindungsbolzen 606, welcher die beiden Kupplungsteile 602, 603 drehstarr miteinander wirkverbindet. Es ist in diesem Zusammenhang sofort ersichtlich, dass auch jede weitere Kupplung verwendet werden kann, welche ein erstes Kupplungsteil, ein zweites Kupplungsteil sowie ein Achsversatz zwischen den beiden Kupplungsteilen aufweist.
-
Die Kurbelwelle 612 verfügt wiederum über eine erste Rotationsachse 604, um welche ebenfalls das erste Kupplungsteil 602 rotiert. Mit einem Achsversatz 609 verläuft hierzu parallel eine zweite Rotationsachse 605, um welche das zweite Kupplungsteil 603 rotiert. Die erste Rotationsachse 604 wird in der Hubkolbenmaschine über einen Kurbelwellenexzenter 615 in ihrer Höhe variiert, wodurch die gesamte Kurbelwelle 612 und folglich auch an diese Kurbelwelle 612 angebundene Kolben ihre Position in einem Kurbelgehäuse 616 verändern. Ein veränderliches Verdichtungsverhältnis in Zylindern der Hubkolbenmaschine 611 ist die Folge.
-
Der Kurbelwellenexzenter 615 nimmt das Kurbelwellenhauptlager 614 der Kurbelwelle 612 auf und stützt diese an dem Kurbelgehäuse 616 ab. Das zweite Kupplungsteil 603 indes ist durch den Kurbelwellenexzenter 615 hindurch geführt und relativ zum Kurbelgehäuse 616 nicht in seiner Höhe verlagerbar.
-
Die Ausführungsform nach 8 weist alternativ eine Schwungmasse 617 auf, welche an der Kurbelwelle 612 angebunden ist und mit dieser höhenverstellbar ist. Das zweite Kupplungsteil 603 bzw. ein an dieses angebrachter Flansch verläuft durch die Schwungmasse 617 hindurch und wird mittels einer Dichtung 619 an die Umgebung geführt. Die Dichtung 619 trennt somit die Umgebung bzw. den Flansch von einem Ölraum 618 der Hubkolbenmaschine 611, in welchem auch die Schwungmasse 617 untergebracht ist.
-
Ein Zugmitteltrieb 701 nach 10 verfügt über ein Primärrad 703, ein Sekundärrad 704 und wenigstens ein Tertiärrad 705, welche über ein Zugmittel 706 miteinander wirkverbunden sind. Das Zugmittel 706, üblicherweise eine Kette oder ein Riemen, überträgt eine von dem Primärrad 703 abgegebene Antriebsleistung auf das Sekundärrad 704 sowie die Tertiärräder 705, sofern an diese leistungsaufnehmende Peripherien, beispielsweise ein Generator oder ein Nockenwellenantrieb einer Verbrennungskraftmaschine, angeschlossen sind. Insofern können das Sekundärrad 704 oder die Tertiärräder 705 auch Umlenkrollen sein.
-
Wesentlich für die beschriebene Ausführungsform ist lediglich die Anordnung der jeweiligen Räder und einer Exzenterscheibe 710, welche auf einer ortsfesten Achse 708 rotierbar angeordnet ist und das Sekundärrad 704 um diese ortsfeste Achse 708 herum zu bewegen vermag. Die gleiche Exzentrizität, welche zwischen der ortsfesten Achse 708 und einer Rotationsachse der Sekundärscheibe 704 vorliegt, liegt auch an einem Kurbelwellenexzenter 711 und dem Primärrad 703 vor. Das Primärrad ist unmittelbar an eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) angeschlossen und mit dieser exzentrisch verlagerbar.
-
Wie sofort ersichtlich würde eine Verlagerung der Kurbelwelle auch zu einer Längenänderung des Zugmittels 706 führen, wenn diese Längenänderung nicht durch das verlagerbare Sekundärrad 704 ausgeglichen wird. Die Exzenterscheibe 710 und der Kurbelwellenexzenter sind zu diesem Zwecke synchronisiert und führen auf Grund dieser Synchronisation eine annähernd gleiche Bewegung aus. Bevorzugt wird hierzu eine Betätigungswelle des Kurbelwellenexzenters 711 auch an die Exzenterscheibe 710 geführt und mit dieser gekoppelt. Eine Bewegungsrichtung des Primärrades 703 entspricht somit auch einer Bewegungsrichtung des Sekundärrades 704. Verlaufen die drei an dem Primärrad 703 und dem Sekundärrad 704 anliegenden Abschnitte des Zugmittels 706 parallel zueinander, wird eine Längenänderung eines Zugmittelabschnittes, dem Trum, stets durch eine Kürzung eines der drei Abschnitte ausgeglichen. Der Zugmittelabschnitt zwischen dem Primärrad 703 und dem Sekundärrad 704 bleibt währenddessen unverändert in seiner Länge.
-
Es versteht sich, dass sowohl die Exzentrizitäten des Kurbelwellenexzenters 711 sowie der Exzenterscheibe 710 um einen kleinen Betrag unterschiedlich sein können, ohne die Funktion des Zugmittelausgleiches zu beeinträchtigen. Auch muss eine Verlagerungsrichtung des Primärrades 703 und des Sekundärrades 704 nicht zwangsläufig übereinstimmen. Geringe Änderungen der Zugmittellänge können über ein an dem Zugmittel 706 anliegenden Spannelement (nicht dargestellt) ausgeglichen werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Abweichung in der Bewegungsrichtung beider Exzenter 710, 711 um weniger als 20°, insbesondere von weniger als 5°, ausreichend ist, die Funktion des Zugmitteltriebes 701 zu gewährleisten.
-
Mit Bewegungsrichtung ist einerseits die gemittelte Bewegungsrichtung über den gesamten Stellbereich der Exzenter 710, 711 und andererseits die lokale bzw. differentielle Bewegungsrichtung der beiden Exzenter 710, 711 gemeint. So können beispielsweise beide Exzenter 710, 711 eine gleiche gemittelte Bewegungsrichtung aber unterschiedliche lokale Bewegungsrichtungen aufweisen. Dies kann bei unterschiedlichen Exzentrizitäten der Fall sein. Insofern können die beiden Exzentrizitäten sich auch um bis zu 20% unterscheiden.
-
Eine exzentrische Kurbelwellenlagerung einer Hubkolbenmaschine verfügt nach 11 über wenigstens einen Kurbelwellenexzenter 801, welcher genutzt wird, um eine variable Verdichtung an der Hubkolbenmaschine zu realisieren. Der Kurbelwellenexzenter 801 lagert ein Kurbelwellenhauptlager 803 einer Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle über Kurbelwellenwangen 804 und Hubzapfen 805 Pleuel 806 und folglich Kolben 807 der Hubkolbenmaschine antreibt bzw. von dem Kolben 807 angetrieben wird.
-
Die exzentrische Lagerung, also der Kurbelwellenexzenter 801 wird hierzu mittels eines Exzenterantriebes 802 zyklisch rotiert, wobei sich durch diese Rotation ein stetig veränderliches Verdichtungsverhältnis an den Kolben 807 der Hubkolbenmaschine ergibt. In der bevorzugten Ausführungsform rotiert der Kurbelwellenexzenter 801 mit der halben Kurbelwellengeschwindigkeit, wobei sich an der im Viertaktverfahren betriebenen Hubkolbenmaschine ein Expansionsverhältnis ergibt, welches größer ist als ein Verdichtungsverhältnis.
-
Ebenso ist es denkbar durch die beschriebene Ausgestaltung unterschiedliche Kolbenpositionen im oberen Ladungswechseltotpunkt und im Zündtotpunkt zu realisieren. Letzteres würde eine Nutzung der Abgasenergie auf einem hohen Druckniveau ermöglichen, da hierdurch der Restgasgehalt trotz des hohen Abgasgegendrucks niedrig gehalten wird. Ein hoher Abgasgegendruck ergibt sich beispielsweise bei einer Verwendung einer Abgasturbine. Es versteht sich, dass bei diesen Methoden nur bestimmte Zylinderanordnungen zusammen betrieben werden können. Besonders vorteilhaft sind hier Zweizylinderboxermotoren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 401
- Kupplung
- 402
- erstes Kupplungsteil
- 403
- zweites Kupplungsteil
- 404
- erste Rotationsachse
- 405
- zweite Rotationsachse
- 409
- Achsversatz
- 411
- Koppelgruppe
- 412
- erstes Koppelelement
- 413
- zweites Koppelelement
- 414
- erste Symmetrieachse
- 415
- zweite Symmetrieachse
- 416
- drittes Koppelelement
- 417
- Führungsbolzen
- 418
- Momentenstütze
- 419
- Achsversatz
- 420
- Führung
- 421
- Federelement
- 422
- Koppelaußenoberfläche
- 423
- Führungsinnenoberfläche
- 424
- Keil
- 425
- Keilinnenoberfläche
- 426
- Keilaußenoberfläche
- 501
- Hubkolbenmaschine
- 502
- Drehmomentwandler
- 503
- Schwingungstilger
- 504
- Tilgermasse
- 505
- Schwingungsdämpfer
- 601
- Kupplung
- 602
- erstes Kupplungsteil
- 603
- zweites Kupplungsteil
- 604
- erste Rotationsachse
- 605
- zweite Rotationsachse
- 606
- Verbindungsbolzen
- 607
- Primärführung
- 608
- Sekundärführung
- 609
- Achsversatz
- 610
- Exzenterscheibe
- 611
- Hubkolbenmaschine
- 612
- Kurbelwelle
- 613
- Kurbelwellenwange
- 614
- Kurbelwellenhauptlager
- 615
- Kurbelwellenexzenter
- 616
- Kurbelgehäuse
- 617
- Schwungmasse
- 618
- Ölraum
- 619
- Dichtung
- 701
- Zugmitteltrieb
- 702
- Kurbelwelle
- 703
- Primärrad
- 704
- Sekundärrad
- 705
- Tertiärrad
- 706
- Zugmittel
- 707
- Kurbelwellenachse
- 708
- ortsfeste Achse
- 709
- Sekundärachse
- 710
- Exzenterscheibe
- 711
- Kurbelwellenexzenter
- 801
- Kurbelwellenexzenter
- 802
- Exzenterantrieb
- 803
- Kurbelwellenhauptlager
- 804
- Kurbelwellenwange
- 805
- Hubzapfen
- 806
- Pleuel
- 807
- Kolben
-
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 100808425 [0003, 0004]
- DE 3644721 [0004]
- DE 10008425 [0005]
