DE102013216181A1

DE102013216181A1 - Verstelleinrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013216181A1
Application number: DE102013216181.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zwahr; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2015-02-19
Also published as: WO2015021967A1; US20160195176A1; CN105612329A

Abstract

Verstelleinrichtung (1) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, umfassend ein Antriebsmittel (2), wenigstens ein dem Antriebsmittel (2) nachgeschaltetes Getriebe (5) sowie eine dem Getriebe (5) nachgeschaltete Abtriebswelle (7), wobei das Getriebe (5) zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, umfassend ein Antriebsmittel, wenigstens ein dem Antriebsmittel nachgeschaltetes Getriebe sowie eine dem Getriebe nachgeschaltete Abtriebswelle.
Hintergrund der Erfindung
Entsprechende Verstelleinrichtungen sind an und für sich bekannt und dienen dazu, das Verdichtungsverhältnis in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Otto-Motor, anzupassen bzw. zu verändern, um einen möglichst effizienten Betrieb des Verbrennungsmotors zu realisieren. Entsprechende Verstelleinrichtungen sind abtriebswellenseitig typischerweise derart mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt, d. h. z. B. unmittelbar am Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors angebunden, dass die relative Lage der Kolben zu den Zylindern des Verbrennungsmotors veränderbar ist, um das von dem jeweiligen Kolben und dem diesem zugeordneten Zylinder begrenzte Volumen respektive den Kolbenhub anzupassen.
Hierbei müssen entsprechende Verstelleinrichtungen für hochfrequente Lasten, welche insbesondere auf die hohen bewegten Massen sowie die auf die Kolben wirkenden Gaskräfte zurückzuführen sind, ausgelegt sein. Ferner müssen entsprechende Verstelleinrichtungen eine exakte und zügige Änderung des Verdichtungsverhältnisses gewährleisten, um einen ruhigen Motorlauf mit gleichmäßiger Drehmomententfaltung zu realisieren.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verstelleinrichtungen basieren zumeist auf (elektro)hydraulischen oder pneumatischen Wirkprinzipien. Nachteilhaft daran ist beispielsweise, dass der Betrieb der Verstelleinrichtungen typischerweise unmittelbar an den Betrieb des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, was dazu führt, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses nur im Betrieb des Verbrennungsmotors möglich ist. Gleichermaßen ist die Verstellcharakteristik entsprechender Verstelleinrichtungen stark von den an den Betrieb des Verbrennungsmotors geknüpften Eigenschaften des hydraulischen oder pneumatischen Mediums abhängig. Ferner ermöglichen entsprechende Verstelleinrichtungen üblicherweise keine zufriedenstellende Fixierung eines eingestellten Verdichtungsverhältnisses, was einen vergleichsweise hohen Regelungs- bzw. Steuerungsbedarf sowie Energiebedarf erfordert. Zudem sind häufig bauraumtechnische wie auch fertigungstechnische Nachteile gegeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Verstelleinrichtung anzugeben.
Zur Lösung des Problems ist bei einer Verstelleinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Getriebe zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Verstelleinrichtung mit einem Getriebe bzw. einer Getriebestufe mit einem nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf auszustatten. Im Gegensatz zu einem Getriebe mit einem linearen Getriebesteifigkeitsverlauf zeigt die Getriebesteifigkeit des der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung zugehörigen Getriebes sonach zwi- schen den getriebespezifischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe. Grundsätzlich weist das Getriebe sonach unterschiedliche Getriebesteifigkeiten bzw. Getriebesteifigkeitsverläufe in wenigstens zwei, jeweils innerhalb der Nennlastgrenzen von 0 und 100% liegenden unterschiedlichen Nennlastbereichen auf. Das der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung zugehörige Getriebe kann daher als elastisches Getriebe bzw. als Getriebe mit einer elastischen Verzahnung bezeichnet werden. Dies begründet sich insbesondere dadurch, dass das Getriebe eine spielfreie Verzahnung mit einer typischerweise vergleichsweise geringeren Getriebesteifigkeit in einem bestimmten Nennlastbereich, insbesondere in einem niedrigen Nennlastbereich, d. h. bei kleinen auf das Getriebe wirkenden Lasten, aufweist.
Der nicht-lineare Getriebesteifigkeitsverlauf ergibt sich daraus, dass das Getriebe zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe aufweist. Typischerweise weist das Getriebe in einem zwischen den Nennlastgrenzen von 0 und 100% liegenden niedrigen Nennlastbereich, d. h. bei vergleichsweise geringen auf das Getriebe wirkenden Lasten, eine im Vergleich geringere Getriebesteifigkeit auf als in einem zwischen den Nennlastgrenzen von 0 und 100% liegenden hohen Nennlastbereich, d. h. bei vergleichsweise hohen bzw. maximal zulässigen auf das Getriebe wirkenden Lasten.
Das Getriebe kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0 und 30% Nennlast, insbesondere in einem Bereich zwischen 0 und 20% Nennlast, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0 und 10% Nennlast, einen flacheren Getriebesteifigkeitsverlauf als in einem darüber liegenden Nennlastbereich aufweisen. Die Nennlastbereiche zwischen 0 und 30% Nennlast können als niedrige Nennlastbereiche, die jeweils darüber liegenden Nennlastbereiche jeweils entsprechend als hohe Nennlastbereiche erachtet werden. Bevorzugt können sich die jeweiligen Getriebesteifigkeitsverläufe ab einer Nennlast von 10% unterscheiden, so dass unterhalb der Nennlast von 10% ein vergleichsweise fla- cher Getriebesteifigkeitsverlauf und oberhalb der Nennlast von 10% ein vergleichsweise steiler Getriebesteifigkeitsverlauf gegeben ist.
Mithin können sich die wenigstens zwei Getriebesteifigkeitsverläufe insbesondere in ihrer Steigung unterscheiden. Die wenigstens zwei Getriebesteifigkeitsverläufe sind jeweils bezogen auf einen bestimmten Nennlastbereich innerhalb der Nennlastgrenzen von 0 und 100% vorzugsweise linear, d. h. weisen in diesem bestimmten Nennlastbereich einen konstanten Steifigkeitsverlauf auf. Die Steigung eines flacheren Getriebesteifigkeitsverlaufs kann 70%, insbesondere 50%, bevorzugt weniger als 30%, der Steigung eines steileren Getriebesteifigkeitsverlaufs betragen. Die jeweiligen Steigungen der wenigstens zwei Getriebesteifigkeitsverläufe können sich sonach quantitativ erheblich unterscheiden. Dies lässt sich insbesondere anhand eines entsprechenden, die Getriebesteifigkeit darstellenden Diagramms mit der Auftragung Kraft bzw. Drehmoment (y-Achse) über Weg bzw. Winkel (x-Achse) veranschaulichen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung des Getriebes mit wenigstens zwei unterschiedlichen Getriebesteifigkeitsverläufen innerhalb der Nennlastgrenzen von 0 und 100% stellt eine bauraum-, funktions- und kostenoptimierte Lösung einer entsprechenden Verstelleinrichtung dar. Ferner ist die Möglichkeit einer Geräuschreduzierung beim Anlagenwechsel bei Drehmomentbelastung mit wechselnder Richtung gegeben.
Unter einem der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung zugehörigen Getriebe ist allgemein eine Vorrichtung zur Übersetzung (Umformung) von Bewegungsgrößen, insbesondere im Zusammenhang mit der Übersetzung von Drehbewegungen, d. h. zur Übersetzung von Drehzahlen, Drehrichtungen, Drehmomenten und Kräften, zu verstehen. Hierzu zählen sonach sämtliche Getriebebauformen, wie z. B. Stirnrad-, Planeten- und Wellgetriebe. Hierzu zählen ferner gleich- oder ungleichmäßig übersetzende Hebelmechanismen.
Der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung umfasst ein ein Drehmoment erzeugendes Antriebsmittel, typischerweise in Form eines Elektromotors, welches abtriebsseitig mit einer Antriebswelle gekoppelt ist. Die Verstelleinrichtung kann demnach bei Ausbildung des Antriebsmittels als Elektromotor als elektromechanischer Aktor aufgefasst werden. Die Antriebswelle setzt getriebeantriebsseitig an wenigstens ein dem Antriebsmittel nachgeschaltetes Getriebe an bzw. ist getriebeantriebsseitig mit diesem gekoppelt. Von dem (letzten) Getriebe geht abtriebsseitig eine Abtriebswelle aus, welche mit dem Verbrennungsmotor, d. h. einem diesem zugehörigen Bauteil, wie z. B. einer Kurbelwelle, derart gekoppelt ist, dass sich das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors ändern bzw. anpassen lässt. Ist dem Getriebe abtriebsseitig ein weiteres Getriebe nachgeschaltet, ist die von diesem abtriebsseitig ausgehende Abtriebswelle mit dem Verbrennungsmotor, d. h. einem diesem zugehörigen Bauteil, wie z. B. einer Kurbelwelle, derart gekoppelt, dass sich das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors ändern bzw. anpassen lässt.
Das oder ein gegebenenfalls vorhandenes weiteres Getriebe kann entsprechend dem vorstehend beschriebenen Getriebe ausgebildet sein, d. h. ebenso zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe aufweisen, und somit einen nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf aufweisen. Der Einsatz mehrerer elastischer Getriebe, d. h. mehrerer Getriebe mit einem nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Verstellvorrichtung Lastsituationen mit einer besonders ausgeprägten wechselnden Anregung ausgesetzt ist. Alternativ kann das oder ein gegebenenfalls vorhandenes weiteres Getriebe zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% einen linearen Getriebesteifigkeitsverlauf aufweisen, d. h. zwischen den Nennlastgrenzen von 0 und 100% keine zwei unterschiedlichen Getriebesteifigkeitsverläufe zeigen. Es kann sich bei dem weiteren Getriebe sonach um ein konventionelles Getriebe, wie z. B. ein Planetengetriebe, mit einem linearen Getriebesteifigkeitsverlauf handeln.
Gleichermaßen ist es durch eine geeignete Auslegung zweier oder mehrerer nacheinander geschalteter Getriebe und somit der Verstelleinrichtung möglich, eine Selbsthemmung der beiden Getriebe zu realisieren. Die Getriebe sind sonach derart nacheinander geschaltet, dass, bedingt durch die Selbsthemmung, im Falle einer Fehlfunktion des Verbrennungsmotors das aktuell eingestellte Verdichtungsverhältnis beibehalten wird. Der Verbrennungsmotor kann sonach ohne gravierende Einschränkungen weiter betrieben, ein den Verbrennungsmotor aufweisendes Kraftfahrzeug kann sicher in eine Werkstatt befördert werden. Die Selbsthemmung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein erstes Getriebe als Planetengetriebe mit einem linearen Getriebesteifigkeitsverlauf und ein diesem nachgeschaltetes zweites Getriebe als Wellgetriebe mit einem nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf ausgebildet ist.
Im Weiteren werden beispielhafte Ausführungsformen des oder der der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung zugehörigen Getriebe(s), welche(s) jeweils zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% einen nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf aufweist bzw. aufweisen, beschrieben. Die Aufzählung ist nicht abschließend, vielmehr können auch andere als die im Weiteren angeführten Getriebebauarten, welche einen entsprechenden nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf zeigen, vorgesehen sein.
In einer ersten beispielhaften Ausführungsform ist das Getriebe, gegebenenfalls auch das weitere Getriebe, ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad und wenigstens zwei Planetenrädern, wobei wenigstens ein Planetenrad im zusammengebauten Zustand des Planetengetriebes derart zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad angeordnet bzw. verspannt ist, dass es eine elastische Verformung erfährt. Eine elastische Verformung eines Planetenrads kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass dieses mit wenigstens einem Gegenrad ein negatives Verzahnungsspiel (Überdeckung) aufweist, wohingegen die übrigen Komponenten des Planetengetriebes, d. h. insbesondere die übrigen Planetenräder, das Sonnenrad und das Hohlrad, ein normales Verzahnungsspiel aufweisen. Das Planetenrad kann für eine konkrete konstruktive Auslegung eines Planetengetriebes, welche sich insbesondere aus der konstruktiven Auslegung des Hohlrads und des Sonnenrads ergibt, zu groß dimensioniert sein, so dass es beim Einsetzen bzw. Zusammenbau des Getriebes elastisch verformt bzw. verspannt wird. Beispielsweise kann ein Planetenrad mit einer im nicht eingesetzten Zustand querschnittlich betrachtet runden oder rundlichen Gestalt im eingesetzten Zustand derart elastisch verformt werden, dass es querschnittlich betrachtet eine ovale oder elliptische Gestalt aufweist. Die hierfür erforderliche elastische Verformbarkeit des Planetenrads kann beispielsweise durch eine Ausbildung des Planetenrads aus einem elastisch verformbaren Material, wie z. B. einem Kunststoff, insbesondere einem Elastomer, oder einem Metall bzw. einer Metalllegierung mit einem niedrigen E-Modul, wie z. B. Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, realisiert werden. Die elastische Verformung des Planetenrads kann ferner durch eine weiche Zahnradnabengeometrie realisiert werden.
In einer zweiten beispielhaften Ausführungsform ist das Getriebe, gegebenenfalls auch das weitere Getriebe, ein Wellgetriebe. Wellgetriebe, welche auch als Harmonic-Drive-Getriebe bezeichnet werden, weisen charakteristisch einen Wellgenerator in Form einer elliptischen Scheibe, ein auf dem Wellgenerator aufliegendes, riemenartiges, verformbares, mit einer Außenverzahnung versehenes Element und einen starren, mit einer Innenverzahnung versehenen Außenring auf. Die Außenverzahnung des verformbaren Elements hat typischerweise weniger Zähne als die Innenverzahnung des Außenrings. Das Wellgetriebe kann in einer so genannten Flachbauform oder einer Topfbauform vorliegen. Der Wellgenerator kann schwimmend gelagert sein.
Um die exakte Drehlage, insbesondere Winkellage, allgemein Position, der der Verstelleinrichtung zugehörigen Abtriebswelle erfassen zu können, ist der Abtriebswelle vorteilhaft ein Sensor zur Drehlagererfassung der Abtriebswelle zugeordnet. Der Sensor liefert entsprechende Sensorsignale bezüglich der aktuellen Drehlage, insbesondere Winkellage, der Abtriebswelle, auf Basis welcher eine Steuerung bzw. eine Regelung der Verstelleinrichtung erfolgen kann. Die Drehlage der Abtriebswelle kann relativ zu einem an der Verstelleinrichtung grundsätzlich beliebig wählbaren Referenzpunkt ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist der Sensor auf der Abtriebswelle angeordnet, d. h. z. B. mechanisch mit der Abtriebswelle gekoppelt. Entsprechend kann die Drehlage, insbesondere Winkellage, der Abtriebswelle jederzeit, d. h. insbesondere auch im Falle einer Fehlfunktion, z. B. der Verstelleinrichtung, erfasst werden.
Zwischen dem Antriebsmittel und dem diesem nachgeschalteten Getriebe kann eine Kupplung, insbesondere eine Oldham-Kupplung, geschaltet sein. Über die Kupplung ist die von dem Antriebsmittel ausgehende Antriebswelle von dem oder den nachgeschalteten Getriebe(n) entkoppelbar. Der Einsatz einer Oldham-Kupplung hat den Vorteil, dass der Gesamtaufbau der Verstelleinrichtung trotz des Einsatzes einer Kupplung vergleichsweise kleinaufbauend gehalten werden kann. Dies ergibt sich aus der kompakten konstruktiven Gestaltung entsprechender Oldham-Kupplungen. Grundsätzlich sind jedoch auch andersartige Kupplungen einsetzbar.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, umfassend wenigstens eine wie vorstehend beschriebene Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung über eine dieser zugehörige Abtriebswelle mit einem dem Verbrennungsmotor zugehörigen Bauteil, wie z. B. dem Kurbeltrieb respektive der Kurbelwelle, gekoppelt ist, und eine der Verstelleinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung zur Regelung bzw. Steuerung des Betriebs der Verstelleinrichtung. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten sämtliche Ausführungen hinsichtlich der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung sowie deren möglicher Ausführungsformen analog.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Verstelleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 einen Verlauf der Getriebesteifigkeit für ein Getriebe mit einem nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf und ein Getriebe mit einem linearen Getriebesteifigkeitsverlauf und
3 eine Prinzipdarstellung eines Planetengetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Verstelleinrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Verstelleinrichtung 1 ist Teil einer Vorrichtung (nicht gezeigt) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt), insbesondere einem Otto-Motor, eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt). Die Verstelleinrichtung 1 ist sonach derart mit dem Verbrennungsmotor respektive einem diesem zugehörigen Bauteil, insbesondere einem Bauteil des Kurbeltriebs, wie z. B. der Kurbelwelle, gekoppelt, dass eine Anpassung bzw. Veränderung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors realisierbar ist. Der Vorrichtung ist ferner eine der Verstelleinrichtung 1 zugeordnete Steuereinrichtung (nicht gezeigt) zur Regelung bzw. Steuerung des Betriebs der Verstelleinrichtung 1 zugehörig.
Die Verstelleinrichtung 1 besteht aus mehreren Bauteilen bzw. Bauteilgruppen. Im Weiteren werden nur die für das erfindungsgemäße Prinzip wesentlichen Bauteile bzw. Bauteilgruppen der Verstelleinrichtung 1 näher beschrieben. Hierzu zählt ein Antriebsmittel 2 in Form eines Elektromotors. Die Verstelleinrichtung 1 kann sonach als elektromechanischer Aktor erachtet werden. Von dem Antriebsmittel 2 geht eine ein Drehmoment übertragende Antriebswelle 3 aus, welche antriebsseitig an ein erstes Getriebe 4 bzw. eine erste Getriebestufe angebunden ist. Zwischen dem Antriebsmittel 2 und dem ersten Getriebe 4 kann eine Kupplung (nicht gezeigt), insbesondere eine Oldham-Kupplung, vorgesehen sein.
Dem ersten Getriebe 4 ist ein zweites Getriebe 5 bzw. eine zweite Getriebestufe nachgeschaltet. Hierfür ist das erste Getriebe 4 abtriebsseitig über eine Welle 6 mit der Antriebsseite des zweiten Getriebes 5 gekoppelt. Von dem zweiten Getriebe 5 geht abtriebsseitig eine Abtriebswelle 7 ab, welche direkt oder indirekt mit dem Verbrennungsmotor oder einem diesem zugehörigen Bauteil gekoppelt ist. Insbesondere ist es möglich, dass das erste Getriebe 4 bzw. die von diesem abtriebsseitig ausgehende Welle 6 mit dem ersten Zahnrad des zweiten Getriebes 5 gekoppelt ist. In der nachfolgend mit Bezug auf 3 beschriebenen Ausführung des zweiten Getriebes 5 als elastisches Planetengetriebe können daher beispielsweise fertigungsbedingte Zentrierungsfehler des Sonnenrads 14 (vgl. 3) zu den Planetenrädern 13 (vgl. 3) durch das Verzahnungsspiel ausgeglichen werden.
Die beiden Getriebe 4, 5 sind derart gekoppelt, dass eine Selbsthemmung realisiert ist. Die Getriebe 4, 5 sind sonach derart nacheinander geschaltet, dass im Falle einer Fehlfunktion des Verbrennungsmotors das aktuell mittels der Verstelleinrichtung 1 eingestellte Verdichtungsverhältnis beibehalten wird.
Die Abtriebswelle 7 ist über einen axialen Ansatz 8 mechanisch mit einem Drehlagensensor 9 verbunden, über welchen eine Erfassung der Drehlage, insbesondere Winkellage, der Abtriebswelle 7 möglich ist. Die von dem Drehlagensensor 9 gelieferten Sensorsignale sind von Bedeutung für die Regelung bzw. Steuerung der Verstelleinrichtung 1.
Bei dem ersten Getriebe 4 handelt es sich um ein konventionelles Getriebe mit einem linearen Getriebesteifigkeitsverlauf zwischen den getriebespezifischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% (vgl. 2, Kurve 10). Bei dem zweiten Getriebe 5 handelt es sich um ein so genanntes elastisches Getriebe, welches zwischen den getriebespezifischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe aufweist (vgl. 2, Kurve 11). Das zweite Getriebe 5 zeigt daher einen nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf. Wie sich aus der nachstehenden Beschreibung zu 2 ergibt, ist unter einem elastischen Getriebe ein Getriebe mit einer im Vergleich geringeren Getriebesteifigkeit in einem Bereich geringerer Lasten zu verstehen.
2 zeigt einen Verlauf der Getriebesteifigkeit für ein Getriebe mit einem nicht-linearen Getriebesteifigkeitsverlauf, d. h. für das zweite Getriebe 5, und ein Getriebe mit einem linearen Getriebesteifigkeitsverlauf, d. h. für das erste Getriebe 4. In 2 ist allgemein eine Auftragung des an den jeweiligen Getrieben 4, 5 anliegenden Drehmoments (y-Achse) in Abhängigkeit der Winkelposition (x-Achse) gezeigt. Auf der y-Achse sind zusätzlich die Nennlastgrenzen von 0 und 100% (NL0, NL100) sowie die Bruchlast (BL) aufgetragen. Die obere Nennlastgrenze 100% entspricht dabei ca. 70% der Bruchlast. Der Bereich links der y-Achse zeigt die negative Lastrichtung, der Bereich rechts der y-Achse zeigt die positive Lastrichtung. Im Achsenkreuz liegt das Drehmoment bei 0 Nm.
Zunächst soll der Getriebesteifigkeitsverlauf des konventionellen ersten Getriebes 4 betrachtet werden (vgl. Kurve 10). Ersichtlich besteht hier ein linearer Zusammenhang zwischen der Winkelposition und dem Drehmoment, d. h. das Drehmoment steigt zwischen den Nennlastgrenzen von NL0 und NL100 proportional mit der Winkelposition linear an. Die den Getriebesteifigkeitsverlauf des ersten Getriebes 4 repräsentierende Kurve 10 weist insgesamt, d. h. auch zwischen den Nennlastgrenzen NL0 und NL100, eine (weitgehend) konstante Steigung auf.
Anders verhält es sich bei der den Getriebesteifigkeitsverlauf des zweiten Getriebes 5 repräsentierenden Kurve 11. Ersichtlich weist die Kurve 11 unterschiedliche Steigungen, d. h. Kurvenabschnitte 11a, 11b mit unterschiedlichen Steigungen auf. Im Gegensatz zu Kurve 10 ist hier zwischen den Nennlastgrenzen NL0 und NL100 keine bzw. nur abschnitts- oder bereichsweise eine (weitgehend) konstante Steigung gegeben.
Die Getriebesteifigkeit des zweiten Getriebes 5 weist im Bereich kleiner Nennlasten (vgl. Kurvenabschnitt 11a), d. h. unterhalb einer Nennlast von 10% (NL10), eine deutlich geringere Steigung und somit einen deutlich flacheren Verlauf als im Bereich großer Lasten (vgl. Kurvenabschnitt 11b), d. h. oberhalb der Nennlast von 10% (NL10), auf. Die Getriebesteifigkeit des zweiten Getriebes 5 beträgt im Bereich kleiner Nennlasten, d. h. insbesondere unterhalb von Nennlasten kleiner 10% weniger als ein Drittel der Getriebesteifigkeit des zweiten Getriebes 5 im Bereich hoher Nennlasten, d. h. insbesondere oberhalb von Nennlasten größer 10%. Es ist anzumerken, dass auch der flache bzw. der steile Verlauf der Getriebesteifigkeit für sich betrachtet linear ist (vgl. den jeweils linearen Verlauf der Kurvenabschnitte 11a, 11b).
Wenngleich in 1 ein erstes Getriebe 4 mit einem linearen Verlauf der Getriebesteifigkeit und ein zweites Getriebe 5 mit einem nicht-linearen Verlauf der Getriebesteifigkeit als Teile der Verstelleinrichtung 1 gezeigt sind, ist es ebenso möglich, das erste Getriebe 4 gleichermaßen mit einem entsprechend nicht-linearen Verlauf der Getriebesteifigkeit, d. h. entsprechend dem zweiten Getriebe 5, auszubilden. Denkbar ist es auch, dass das zweite Getriebe 5 dem ersten Getriebe 4 vorgeschaltet ist.
Bei dem ersten Getriebe 4 kann es sich um ein konventionelles Planetengetriebe handeln. Bei dem zweiten Getriebe 5 kann es sich z. B. um ein Wellgetriebe in Flachbauform oder Topfbauform, gegebenenfalls mit schwimmender Lagerung des Wellgenerators, oder um ein speziell modifiziertes Planetengetriebe handeln.
3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines solchen modifizierten Planetengetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Planetengetriebe weist als übliche Komponenten ein mit einer Innenverzahnung versehenes Hohlrad 12, ein zentrisch in dem Hohlrad 12 angeordnetes, mit einer Außenverzahnung versehenes Sonnenrad 13 und drei, jeweils mit einer Außenverzahnung versehene Planetenräder 14 auf. Die Außenverzahnung der Planetenräder 14 kämmt mit der Außenverzahnung des Sonnenrads 13 sowie mit der Innenverzahnung des Hohlrads 12. Das Sonnenrad 13 ist drehfest auf einer Welle gelagert. Ebenso sind die Planetenräder 14 drehbar gelagert. Mit Bezug auf 1 ist das Sonnenrad drehfest auf der Welle 6 gelagert. Das Hohlrad 12 ist feststehend, d. h. nicht drehbar gelagert.
Der insbesondere im Zusammenhang mit 2 erläuterte besondere Verlauf der Getriebesteifigkeit des zweiten Getriebes 5 kann bei einer Ausführung dieses als Planetengetriebe dadurch erreicht werden, dass ein Planetenrad 14, d. h. in 3 das obere Planetenrad 14, im Vergleich zu den übrigen Planetenrädern 14 größer dimensioniert und aus einem elastisch verformbaren Material, wie z. B. einem Elastomer, gebildet ist. Um dieses Planetenrad 14 in das Getriebe 5 zwischen Hohlrad 12 und Sonnenrad 13 einzusetzen, muss das Planetenrad 14 sonach elastisch verformt werden. Die elastische Verformung des Planetenrads 14 resultiert in der in 3 gezeigten elliptischen Form des Planetenrads 14. Das verformte Planetenrad 14 weist mit dem Verzahnungsgegenrad, d. h. z. B. dem Sonnenrad 13, ein negatives Verzahnungsspiel (Überdeckung) auf. Alle anderen Räder des Planetengetriebes weisen dagegen ein normales Verzahnungsspiel auf. Die elastische Verformung des Planetenrads 14 kann ebenso über eine entsprechend weiche Zahnradnabengeometrie realisiert werden.
Insgesamt stellt die Verstellvorrichtung 1 bedingt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung des Getriebes 5 mit wenigstens zwei unterschiedlichen Getriebesteifigkeitsverläufen innerhalb der getriebespezifischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% eine bauraum-, kosten- und funktionsoptimierte Lösung dar. Zusätzlich ist die Möglichkeit einer Geräuschreduzierung beim Anlagenwechsel bei Drehmomentbelastung mit wechselnder Richtung gegeben.
Bezugszeichenliste

1: Verstelleinrichtung
2: Antriebsmittel
3: Antriebswelle
4: Getriebe
5: Getriebe
6: Welle
7: Abtriebswelle
8: Ansatz
9: Drehlagensensor
10: Kurve
11: Kurve
11a: Kurvenabschnitt
11b: Kurvenabschnitt
12: Hohlrad
13: Sonnenrad
14: Planetenrad

Claims

Verstelleinrichtung (1) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, umfassend ein Antriebsmittel (2), wenigstens ein dem Antriebsmittel (2) nachgeschaltetes Getriebe (5) sowie eine dem Getriebe (5) nachgeschaltete Abtriebswelle (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe aufweist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) in einem Bereich zwischen 0 und 30% Nennlast, insbesondere in einem Bereich zwischen 0 und 20% Nennlast, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0 und 10% Nennlast, einen flacheren Getriebesteifigkeitsverlauf als in einem darüber liegenden Nennlastbereich aufweist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens zwei Steifigkeitsverläufe in ihrer Steigung unterscheiden.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung eines flacheren Steifigkeitsverlaufs 70%, insbesondere 50%, bevorzugt weniger als 30%, der Steigung eines steileren Steifigkeitsverlaufs beträgt.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Getriebe (5) ein weiteres Getriebe (4) voroder nachgeschaltet ist, welches zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100% einen linearen Getriebesteifigkeitsverlauf aufweist.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5), gegebenenfalls auch das weitere Getriebe (4), ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad (12), einem Sonnenrad (13) und wenigstens zwei Planetenrädern (14) ist, wobei wenigstens ein Planetenrad (14) im zusammengebauten Zustand des Planetengetriebes derart zwischen dem Hohlrad (12) und dem Sonnenrad (13) verspannt ist, dass es eine elastische Verformung erfährt.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5), gegebenenfalls auch das weitere Getriebe (4), ein Wellgetriebe ist.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebswelle (7) ein Sensor (9) zur Drehlagererfassung der Abtriebswelle (7) zugeordnet, insbesondere auf der Abtriebswelle (7) angeordnet, ist.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antriebsmittel (2) und dem diesem nachgeschalteten Getriebe (4, 5) eine Kupplung, insbesondere eine Oldham-Kupplung, geschaltet ist.
Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, umfassend wenigstens eine Verstelleinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstelleinrichtung (1) über eine dieser zugehörige Abtriebswelle (7) mit einem dem Verbrennungsmotor zugehörigen Bauteil koppelbar oder gekoppelt ist, und eine der Verstelleinrichtung (1) zugeordnete Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Verstelleinrichtung (1).