DE102016221092A1 - Gear drive, in particular for a cam or balance shaft of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zahnradantrieb (1; 101), insbesondere für eine Nocken- oder Ausgleichswelle eines Verbrennungsmotors, mit einer ersten Welle (3; 103), die um eine erste Drehachse (7; 107) drehbar gelagert ist; einem ersten Zahnrad (2; 102), welches drehfest auf der ersten Welle (3; 103) angeordnet ist; einem zweiten Zahnrad (5; 105), welches benachbart zum ersten Zahnrad (2; 102) drehbar auf der ersten Welle (3; 103) angeordnet ist; einem dritten Zahnrad (10; 110), welches um eine zweite Drehachse (9; 109) drehbar gelagert ist und sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Zahnrad (2, 5; 102, 105) in Eingriff ist, und einer Reibeinstelleinrichtung (11; 111) mittels welcher eine Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad (2, 5; 102, 105) zumindest in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Zahnradantriebs automatisch veränderbar ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit solch einem Zahnradantrieb sowie ein Kraftfahrzeug mit solch einem Verbrennungsmotor.The invention relates to a gear drive (1; 101), in particular for a cam or balance shaft of an internal combustion engine, having a first shaft (3; 103) which is rotatably mounted about a first axis of rotation (7; a first gear (2; 102) rotatably mounted on the first shaft (3; 103); a second gear (5; 105) rotatably disposed adjacent to the first gear (2; 102) on the first shaft (3; 103); a third gear (10; 110) rotatably supported about a second rotation axis (9; 109) and engaged with both the first and second gears (2, 5; 102, 105) and a friction adjuster (11 111) by means of which a friction between the first and second gear (2, 5, 102, 105), at least in response to an operating condition of the gear drive is automatically changed. Moreover, the invention relates to an internal combustion engine with such a gear drive and a motor vehicle with such an internal combustion engine.
Description
Die Erfindung betrifft einen Zahnradantrieb mit einem ersten Zahnrad und einem benachbarten zweiten Zahnrad, bei dem ein Rasselgeräusch bei Lastwechsel vermindert wird, indem das zweite Zahnrad das erste Zahnrad bremst.The invention relates to a gear drive with a first gear and an adjacent second gear in which a rattle noise is reduced during load changes by the second gear brakes the first gear.
In Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge kommen Ausgleichswellen zum Einsatz, um freie Massenkräfte zu verringern, so dass Vibrationen des Verbrennungsmotors vermindert werden können. Prinzipiell wirken beim Betrieb von Ausgleichswellen die Unwuchten der Ausgleichswellen den Massenkräften des Kurbeltriebs entgegen. Die Ausgleichswellen werden beispielsweise über eine Zahnradverbindung von einer Kurbelwelle des Motors angetrieben. Sind zwei Ausgleichswellen vorhanden, dann drehen diese gegenläufig, so dass zusätzlich zum Zahnrad auf der Kurbelwelle und zum Zahnrad auf der Ausgleichswelle noch ein weiteres Zahnrad zur Drehrichtungsumkehr zwischen diesen beiden Zahnrädern angeordnet ist.In internal combustion engines for motor vehicles balance shafts are used to reduce free mass forces, so that vibrations of the internal combustion engine can be reduced. In principle, during the operation of balance shafts, the imbalances of the balance shafts counteract the inertial forces of the crank mechanism. The balance shafts are driven, for example via a gear connection of a crankshaft of the engine. If two balance shafts are present, then these rotate in opposite directions, so that in addition to the gear on the crankshaft and the gear on the balancer shaft yet another gear for reversing the direction of rotation between these two gears is arranged.
Bei dieser Kraftübertragung von der Kurbelwelle auf die Ausgleichswelle über den Zahnradantrieb mit zwei oder drei Zahnrädern, kommt es zu akustischen Geräuschen. Die Erfinder dieser Erfindung erkannten hier im Wesentlichen zwei Ursachen. Zum einen eine schwankende Drehzahl als Folge der Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors (bedingt durch die verschiedenen Arbeitstakte des Verbrennungsmotors) und zum anderen die temperaturabhängige Spielvergrößerung zwischen den kämmenden Zahnrädern aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen des beispielsweise aus Aluminium aufgebauten Kurbelgehäuses und der Stahl-Lager bzw. der Stahl-Zahnräder der Ausgleichswelle sowie der Kurbelwelle. In this power transmission from the crankshaft to the balance shaft via the gear drive with two or three gears, it comes to acoustic noise. The inventors of this invention have basically recognized two causes. On the one hand, a fluctuating speed as a result of the rotational nonuniformity of the internal combustion engine (due to the different working cycles of the internal combustion engine) and, on the other hand, the temperature-dependent increase in play between the meshing gears due to the different dimensions of the crankcase constructed of aluminum, for example, and the steel bearings or the steel bearings. Gears of the balance shaft and the crankshaft.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu lösen. Diese Aufgabe wird mit einem Zahnradantrieb gemäß Anspruch 1, einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 14 und einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.An object of the invention is to at least partially solve the problems described above. This object is achieved with a gear drive according to claim 1, an internal combustion engine according to
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Zahnradantrieb, insbesondere für eine Nocken- oder Ausgleichswelle eines Verbrennungsmotors, bereitgestellt, mit einer ersten Welle, die um eine erste Drehachse drehbar gelagert ist; einem ersten Zahnrad, welches drehfest auf der ersten Welle angeordnet ist; einem zweiten Zahnrad, welches benachbart zum ersten Zahnrad auf der ersten Welle und drehbar zu dieser angeordnet ist; einem dritten Zahnrad, welches um eine zweite Drehachse drehbar gelagert ist und sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Zahnrad in Eingriff ist, und einer Reibeinstelleinrichtung mittels welcher eine Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad zumindest in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Zahnradantriebs automatisch veränderbar ist. Der Vorteil dieses Zahnradantriebs ist, dass ein Rasselgeräusch beim Zahnradantrieb im Falle eines Betriebs unter Wechsellast oder Lastschwankungen deutlich reduziert werden kann, indem durch die Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad eine Verlustleistung erzeugt wird, die einem Bewegungsspiel des ersten Zahnrads entgegenwirkt, d.h. eine Vor-/Zurückbewegung des ersten Zahnrads, die das Rasselgeräusch erzeugt, bremst. Dabei ist die Verminderung bzw. Unterdrückung des Rasselgeräuschs im Wesentlichen nur dann aktiviert oder nur dann verstärkt aktiviert, wenn dies besonders erforderlich ist. In Betriebszuständen, in denen eine Rasselgeräuschunterdrückung in den Hintergrund tritt, wird die Reibung und somit die Verlustleistung vermindert, was zu einer Effizienzsteigerung des Zahnradantriebs bzw. eines Verbrennungsmotors führt.According to one embodiment of the invention, a gear drive, in particular for a cam or balance shaft of an internal combustion engine, is provided, with a first shaft, which is rotatably mounted about a first axis of rotation; a first gear rotatably mounted on the first shaft; a second gear disposed adjacent to and rotatable with the first gear on the first shaft; a third gear which is rotatably supported about a second rotation axis and is engaged with both the first and second gears, and a Reibeinstelleinrichtung by means of which a friction between the first and second gear at least in response to an operating condition of the gear drive is automatically changed , The advantage of this gear drive is that a rattle noise in the gear drive in case of operation under alternating load or load fluctuations can be significantly reduced by the friction between the first and second gear, a power loss is generated, which counteracts a movement of the first gear, i. a forward / backward movement of the first gear, which generates the rattle noise brakes. In this case, the reduction or suppression of the rattle noise is essentially only activated or only activated intensively, if this is particularly necessary. In operating conditions in which a rattle noise suppression fades into the background, the friction and thus the power loss is reduced, which leads to an increase in efficiency of the gear drive or an internal combustion engine.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Reibung mittels der Reibeinstelleinrichtung zumindest in Abhängigkeit einer Drehzahl der ersten Welle automatisch veränderbar, insbesondere so, dass die Reibung mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Somit wird beispielsweise die Verminderung bzw. Unterdrückung des Rasselgeräuschs im Wesentlichen nur bei niedrigen Drehzahlen des Zahnradantriebs bzw. bei Leerlauf eines Verbrennungsmotors aktiviert oder nur dann verstärkt aktiviert. Bei hohen Drehzahlen treten Rasselgeräusche hinter den übrigen Motor- und/oder Fahrgeräuschen in den Hintergrund, so dass bei hohen Drehzahlen eine Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad wieder verringert werden kann, was zu Effizienzsteigerung des Zahnradantriebs bzw. eines Verbrennungsmotors führt, weil nicht permanent eine Verlustleistung erzeugt wird.According to a further embodiment of the invention, the friction by means of Reibeinstelleinrichtung is automatically changed at least in response to a speed of the first shaft, in particular so that the friction decreases with increasing speed. Thus, for example, the reduction or suppression of the rattle noise is activated substantially only at low speeds of the gear drive or when idling an internal combustion engine or activated only amplified. At high speeds rattle noise behind the other engine and / or driving noise in the background, so that at high speeds, friction between the first and second gear can be reduced again, which leads to an increase in efficiency of the gear drive or an internal combustion engine because not permanent a power loss is generated.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Reibung mittels der Reibeinstelleinrichtung ausschließlich mit mechanischen Mitteln automatisch verändert. Somit wird eine zuverlässige, selbsttätig arbeitende Reibeinstelleinrichtung bereitgestellt, die frei von elektrischen oder elektromechanischen Stellgliedern ist.According to a further embodiment of the invention, the friction is automatically changed by means of Reibeinstelleinrichtung exclusively by mechanical means. Thus, a reliable, self-acting Reibeinstelleinrichtung is provided which is free of electrical or electromechanical actuators.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich die Anzahl der Zähne des ersten und zweiten Zahnrads. Dadurch wird eine gewisse Verspannung erreicht, welche eine Vor-/Zurückbewegung des ersten Zahnrads bei Wechsellast verringert oder unterdrückt.According to a further embodiment of the invention, the number of teeth of the first and second gear differs. As a result, a certain tension is achieved, which reduces or suppresses a forward / backward movement of the first gear at alternating load.
Insbesondere unterscheidet sich die Anzahl der Zähne um eins. Dies stellt sicher, dass der Zahnradantrieb nicht verklemmt oder beeinträchtigt wird und trotzdem die vorstehend erwähnte Verspannung erreicht wird.In particular, the number of teeth differs by one. This ensures that the gear drive is not jammed or compromised and yet the above-mentioned tension is achieved.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das erste und zweite Zahnrad aus unterschiedlichem Material, insbesondere das erste Zahnrad aus Metall und das zweite Zahnrad aus Kunststoff. Indem unterschiedliche Materialien gewählt werden, kann für das erste und zweite Zahnrad das jeweils geeignete Material ausgewählt werden, d.h. für das erste Zahnrad, welches der Lastübertragung dient, ein stabiles Material und für das zweite Zahnrad, welches der Rasselgeräuschunterdrückung und dem Aufbau von Reibung dient ein weicheres Material mit geringerer Geräuschanfälligkeit, wie beispielsweise Kunststoff.According to a further embodiment of the invention, the first and second gear of different material, in particular the first gear of metal and the second gear of plastic. By choosing different materials, for the first and second gear, the respective suitable material can be selected, i. for the first gear, which serves the load transfer, a stable material and for the second gear, which is the rattle noise suppression and the construction of friction is a softer material with less noise, such as plastic.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Zahnradantrieb ferner mit Keilelementen versehen, die zumindest in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Zahnradantriebs bewegbar sind, insbesondere selbsttätig bewegbar sind. Durch die Keilelemente kann abhängig von der Drehzahl und der damit auf die Keilelemente wirkenden Fliehkraft eine Reibung variiert werden.According to a further embodiment of the invention, the gear drive is further provided with wedge elements, which are movable at least in dependence on the operating state of the gear drive, in particular are automatically movable. By the wedge elements can be varied depending on the speed and thus acting on the wedge elements centrifugal friction.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verändert die Bewegung der Keilelemente eine Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad, indem eine Andrückkraft des zweiten an das erste Zahnrad verändert wird und/oder indem ein Reibungskoeffizient zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad verändert wird.According to a further embodiment of the invention, the movement of the wedge elements changes a friction between the first and second gear by changing a pressing force of the second to the first gear and / or by changing a friction coefficient between the first and second gear.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Reibeinstelleinrichtung Federn zum Vorspannen der Keilelemente auf.According to a further embodiment of the invention, the Reibeinstelleinrichtung springs for biasing the wedge elements.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch eine Bewegung der Keilelemente eine Kraft veränderbar, mit welcher das zweite Zahnrad gegen das erste Zahnrad gedrückt wird und somit ist wiederum die Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad veränderbar.According to a further embodiment of the invention, a force is variable by a movement of the wedge elements, with which the second gear is pressed against the first gear, and thus in turn the friction between the first and second gear is variable.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Keilelemente mit einem Öldruck beaufschlagbar, sodass die Keilelemente in Abhängigkeit des Öldrucks bewegbar sind, insbesondere derart, dass die Reibung bei abnehmendem Öldruck größer wird. Rasselgeräusche nehmen bei Betriebszuständen im höheren Temperaturbereich zu, weil hier durch (unterschiedliche) Materialausdehnungen das Spiel zwischen den Bauteilen größer ist. Bei hohen Temperaturen, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, wird das zur Schmierung verwendete Öl, beispielsweise Motoröl, dünnflüssiger, wodurch ein Öldruck abnimmt. Dieser abnehmende Öldruck kann in diesem Ausführungsbeispiel dazu genutzt werden, die Reibung zu erhöhen. Auch mit abnehmender Motordrehzahl nimmt der Öldruck ab, so dass sich die beiden Effekte im kritischen Betriebspunkt bei warmen Motor im Leerlauf addieren.According to a further embodiment of the invention, the wedge elements are acted upon by an oil pressure, so that the wedge elements are movable in response to the oil pressure, in particular such that the friction becomes larger with decreasing oil pressure. Rattle noise increases in operating conditions in the higher temperature range, because here by (different) material expansions, the game between the components is greater. At high temperatures, for example, an internal combustion engine, the oil used for lubrication, such as engine oil, is thinner, whereby an oil pressure decreases. This decreasing oil pressure can be used in this embodiment to increase the friction. Even with decreasing engine speed decreases the oil pressure, so that add the two effects in the critical operating point with warm engine at idle.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch eine Bewegung der Keilelemente ein Reibungskoeffizient zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad veränderbar.According to a further embodiment of the invention, a coefficient of friction between the first and second gear is variable by a movement of the wedge elements.
Darüber hinaus stellt die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einem Zahnradantrieb gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele bereit, wobei die Reibung mittels der Reibeinstelleinrichtung zumindest in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors automatisch veränderbar ist. Wie bereits vorstehend erwähnt, soll insbesondere im Leerlauf und bei hohen Betriebstemperaturen, insbesondere bei hoher Motoröltemperatur, die Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad erhöht werden, wodurch Rasselgeräusche vermindert oder unterdrückt werden.In addition, the invention provides an internal combustion engine with a gear drive according to one of the previous embodiments, wherein the friction by means of Reibeinstelleinrichtung is automatically changed at least in response to an operating condition of the internal combustion engine. As already mentioned above, especially at idle and at high operating temperatures, in particular at high engine oil temperature, the friction between the first and second gear should be increased, whereby rattle noise can be reduced or suppressed.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotors sind die Keilelemente mit einem Öldruck von Motoröl des Verbrennungsmotors beaufschlagbar, sodass die Keilelemente in Abhängigkeit des Öldrucks des Motoröls bewegbar sind, insbesondere derart, dass die Reibung bei abnehmendem Öldruck größer wird.According to a further embodiment of the internal combustion engine, the wedge elements are acted upon by an oil pressure of engine oil of the internal combustion engine, so that the wedge elements are movable in dependence on the oil pressure of the engine oil, in particular such that the friction becomes larger with decreasing oil pressure.
Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Verbrennungsmotor bereit.In addition, the invention provides a motor vehicle with such an internal combustion engine.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
-
1 zeigt einen Zahnradantrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
2 zeigt einen Zahnradantrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 shows a gear drive according to a first embodiment of the invention, and -
2 shows a gear drive according to a second embodiment of the invention.
Die bevorzugte Anwendung des Zahnradantriebs
Beispielsweise aufgrund von Materialausdehnungen bei hohen Temperaturen ist der Zahnradeingriff zwischen dem ersten Zahnrad
Damit diese Verlustleistung nicht in allen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors erzeugt wird, sondern möglichst nur in Betriebszuständen erzeugt wird, in denen die Verminderung des Rasselgeräuschs im Vordergrund steht, ist eine Reibeinstelleinrichtung
Diese Reibeinstelleinrichtung
Dreht die erste Welle
In der Regel ist ein Motoröl bei hohen Betriebstemperaturen dünnflüssiger und der Öldruck geringer.As a rule, an engine oil is thinner at high operating temperatures and the oil pressure is lower.
In einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl und hohen Öldruck (unterhalb einer hohen Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors) wirken sowohl der Öldruck auf die schrägen Flächen
In einem Betriebszustand mit niedrigem Öldruck (hohe Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors) ist der auf die schrägen Flächen
Bezugnehmend auf
Der Zahnradantrieb
Grundsätzlich wird beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Reibung zwischen dem ersten und zweiten Zahnrad in den gleichen Betriebszuständen wie beim ersten Ausführungsbeispiel erhöht oder verringert. Beim ersten Ausführungsbeispiel wurde diese Reibungsänderung von der Reibeinstelleinrichtung
Die Reibeinstelleinrichtung
Das erste Zahnrad
Auf der vom ersten Zahnrad
Dreht die erste Welle
In einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl werden die Keilelemente
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, this illustration and description is to be considered illustrative or exemplary, and not restrictive, and is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. The mere fact that certain features are mentioned in various dependent claims is not intended to imply that a combination of these features could not be used to advantage.
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