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Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe, welches insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine geeignet ist.
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Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem flexiblen Getriebeelement und sind typischerweise als hochuntersetzte Getriebe ausgelegt. Verschiedene Ausführungsformen von Wellgetrieben, welche als Stellgetriebe in Kraftfahrzeugen verwendbar sind, sind zum Beispiel in den Dokumenten
DE 10 2015 224 901 A1 ,
DE 10 2015 223 419 A1 und
DE 10 2011 004 074 A1 beschrieben.
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Ein Wellgetriebe kann grundsätzlich entweder selbsthemmend oder nicht selbsthemmend ausgelegt sein. Wird im Fall einer nicht selbsthemmenden Auslegung von der Abtriebsseite des Wellgetriebes her ein Drehmoment eingeleitet, so sind bereits mit geringen Drehzahlen relativ hohe Drehzahlen auf der Antriebsseite des Wellgetriebes erzielbar.
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Die
DE 10 2016 207 930 B3 offenbart ein Wellgetriebe, welches unter anderem für eine Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors geeignet ist. Zur Vermeidung von Drehmomentspitzen innerhalb des Wellgetriebes ist in diesem Fall eine Überlastsicherung in das Wellgetriebe integriert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes, insbesondere für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors geeignetes Wellgetriebe anzugeben, welches sich durch eine besonders hohe Robustheit und Betriebssicherheit unter vielfältigsten Betriebsbedingungen auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wellgetriebe weist eine hydrodynamische Bremse auf, welche zwischen ein antriebsseitiges Element und ein abtriebsseitiges Element geschaltet ist. Der Begriff „hydrodynamische Bremse“ wird im vorliegenden Fall gleichbedeutend mit dem Begriff „viskose Kupplung“ verwendet.
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Hydrodynamische Kupplungen und Bremsen sind prinzipiell zum Beispiel aus den Dokumenten
US 2016/0297419 A1 ,
DE 29 31 540 A1 und
DE 30 40 790 C2 bekannt.
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Die hydrodynamische Bremse des Wellgetriebes erzeugt ein zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement wirksames Bremsmoment, welches von der Drehzahldifferenz zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement abhängt. Das Antriebselement des Wellgetriebes ist in typischen Bauformen elektrisch angetrieben.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Stellbereich eines Abtriebselementes eines Wellgetriebes in der Regel durch mechanische Anschläge begrenzt ist. Die Anschläge können auf zwei verschiedene Arten erreicht werden: Erstens kann im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wellgetriebes dessen Antriebselement solange elektrisch angetrieben werden, bis das Abtriebselement die Anschlagsposition erreicht. Umgekehrt ist es jedoch auch möglich, dass ein beispielsweise durch Gaskräfte und/oder Trägheitskräfte in das Abtriebselement eingeleitetes Drehmoment den primär für den Antrieb vorgesehenen Elektromotor beschleunigt. Aufgrund der gegebenen Übersetzung des Wellgetriebes können bei diesem Vorgang erhebliche Geschwindigkeiten und Drehzahlen auf der Antriebsseite des Wellgetriebes erreicht werden. Sobald das Abtriebselement oder ein mit diesem gekoppeltes Element einen der Anschläge erreicht, wird die Bewegung abrupt gestoppt, was mit einer Belastungsspitze einhergeht.
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Um derartige Belastungsspitzen innerhalb des Wellgetriebes zu mindern, ist die Rotation des antriebsseitigen Elementes, welche aus der abtriebsseitigen Einleitung eines Drehmoments resultieren kann, mittels der hydrodynamischen Bremse gedämpft. Die hydrodynamische Bremse ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass sie bei üblichen Drehzahlen des Antriebsmotors des Wellgetriebes keinen drastischen Mehrverbrauch an elektrischer Energie verursacht. Die hydrodynamische Bremse kann entweder als verstellbare Bremse oder als nicht verstellbare Bremse gestaltet sein.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist als antriebsseitiges Element der hydrodynamischen Bremse ein Innenring eines Wellgenerators des Wellgetriebes vorgesehen. Darüber hinaus umfasst die hydrodynamische Bremse vorzugsweise ein mit dem abtriebsseitigen Element des Wellgetriebes verbundenes Bremselement, wobei zwischen diesem Bremselement und dem Innenring des Wellgenerators ein Spalt gebildet ist, welcher beim Betrieb des Wellgetriebes zumindest teilweise mit Öl gefüllt ist. Um die Bremswirkung zu verstärken, kann das abtriebsseitige Bremselement auf den Spalt zu gerichtete Leisten aufweisen. Ebenso können zum gleichen Zweck Leisten oder Schaufeln an einer Stirnseite des Innenrings vorhanden sein.
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Die Leisten oder Schaufeln, welche an einem Element oder an beiden Elementen der hydrodynamischen Bremse vorhanden sind, können derart gestaltet sein, dass das erzeugte Bremsmoment unabhängig vom Vorzeichen einer Drehzahldifferenz zwischen dem antriebsseitigen Element und dem abtriebsseitigen Element ist. Alternativ kann die Bremse als asymmetrisch wirksame hydrodynamische Bremse gestaltet sein. Dies bedeutet, dass die Höhe des Bremsmoments davon abhängt, in welcher Richtung das Antriebselement in Relation zum Abtriebselement rotiert. Dies ist beispielsweise mit schräggestellten Leisten der Bremselemente bewerkstelligbar.
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Das Wellgetriebe ist beispielsweise als Topfgetriebe gestaltet. Dies bedeutet, dass das nachgiebige Getriebeelement des Wellgetriebes eine Topfform hat. Eine Abtriebswelle des Wellgetriebes ist hierbei mit einem Boden des topfförmigen Getriebeelementes verbindbar. Die hydrodynamische Bremse ist in raumsparender Weise in den durch das topfförmige Getriebeelement geschaffenen Hohlraum integrierbar.
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Unabhängig von der Bauform des Wellgetriebes weist dieses vorzugsweise einen zur Versorgung der hydrodynamischen Bremse mit einem Hydraulikmedium vorgesehenen Ölzulauf sowie einen Ölablauf auf. Als Öl zum Betrieb der hydrodynamischen Bremse ist insbesondere das Motoröl eines Verbrennungsmotors verwendbar, welches darüber hinaus auch zur Schmierung des Wellgetriebes sowie zur Schmierung von Gleitlagern innerhalb und außerhalb des Wellgetriebes nutzbar ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist das Wellgetriebe mindestens einen Ölzulauf und mehrere Ölabläufe auf, wobei ein höher gelegener Ölablauf einen größeren Querschnitt als ein tiefer gelegener Ölablauf aufweist. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors kann nur ein Teil des zugeführten Öls durch den unteren Ölablauf abgeführt werden, sodass sich ein definierter, durch die Lage des oberen Ölablaufs bestimmter Ölstand im Wellgetriebe und damit auch in der hydrodynamischen Bremse einstellen kann. Beim Abstellen der in den Schmiermittelkreislauf des Verbrennungsmotors eingebundenen Ölzufuhr fließt das Hydraulikmedium, das heißt Öl, durch den relativ gering dimensionierten unteren Ölablauf ab, sodass beim erneuten Starten des Wellgetriebes die hydrodynamische Bremse zunächst deaktiviert ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Wellgetriebe in schematisierter Schnittdarstellung,
- 2 ein Einzelteil des Wellgetriebes nach 1.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wellgetriebe ist als Stellgetriebe zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors vorgesehen. Ein mit 2 bezeichnetes Gehäuse ist mit dem Motorblock des Verbrennungsmotors, das heißt Hubkolbenmotors, identisch oder fest verbunden.
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Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Wellgetriebes
1 in einer Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, nämlich Hubkolbenmotors, wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik sowie auf die Dokumente
WO 2017/073225 A1 und
WO 2013/080673 A1 verwiesen.
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Eine fest im Gehäuse 2 angebrachte Innenverzahnung 3 kämmt partiell mit einer mit 4 bezeichneten Außenverzahnung, welche durch ein flexibles Getriebeelement 5, nämlich einen Flextopf, bereitgestellt wird. Der Flextopf 5 weist einen im mechanisch nicht belasteten Zustand zylindrischen Abschnitt 6 sowie einen an diesen anschließenden, nicht geschlossenen Boden 7 auf. Der Boden 7 ist verbunden mit einer Welle 8, die als Abtriebselement des Wellgetriebes 1 mit einer Exzenterwelle verbunden oder identisch ist. Die Exzenterwelle 8 wirkt über ein nicht dargestelltes Nebenpleuel mit weiteren Komponenten eines Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors zusammen. Die mit M bezeichnete Mittelachse der Welle 8 ist mit der Mittelachse des gesamten Wellgetriebes 1 identisch und parallel zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angeordnet.
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Das flexible Getriebeelement 5 wird mit Hilfe eines Wellgenerators 9 verformt, welcher innerhalb des durch den Flextopf 5 gebildeten Hohlraums angeordnet ist. Der Wellgenerator 9 umfasst ein Wälzlager 10, nämlich Kugellager, dessen Innenring mit 11 und dessen Außenring mit 12 bezeichnet ist. Der Innenring 11 weist eine nicht kreisrunde, elliptische Außenkontur auf, auf welcher die mit 13 bezeichneten Wälzkörper, das heißt Kugeln, abrollen.
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Der Innenring 11 wird in nicht dargestellter Weise durch einen Elektromotor, beispielsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor, optional unter Zwischenschaltung einer Ausgleichskupplung, insbesondere einer Oldham-Kupplung, angetrieben. Im Unterschied zum Innenring 11 weist der Außenring 12 eine dünnwandige, nachgiebige Gestalt auf. Bei der Rotation des Innenrings 11 passt sich der Außenring 12 permanent der unrunden Form des Innenrings 11 an. Der mit der Außenverzahnung 4 versehene Bereich des zylindrischen Abschnitts 6 umgibt unmittelbar den Außenring 12, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Die Außenverzahnung 4 wird lediglich im Bereich der Großachse des elliptischen Innenrings 11 in Eingriff mit der Innenverzahnung 3 gebracht. Eine geringfügig, nämlich um die Zahl zwei, unterschiedliche Zähnezahl zwischen der Innenverzahnung 3 einerseits und der Außenverzahnung 4 andererseits sorgt in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 11 in eine vergleichsweise geringe Verdrehung des Außenrings 12 umgesetzt wird. Das Wellgetriebe 1 fungiert damit als hochuntersetztes Stellgetriebe. Der Stellbereich des flexiblen Getriebeelementes 5 und damit auch der Welle 8 ist durch nicht dargestellte Anschläge begrenzt.
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Das Wellgetriebe 1 ist als nicht selbsthemmendes Getriebe ausgelegt. Dies bedeutet, dass durch Einleitung eines Drehmoments in die Welle 8, das heißt in das Abtriebselement des Wellgetriebes 1, der Innenring 11, welcher als Antriebselement des Wellgetriebes 1 fungiert, in Rotation versetzt werden kann. Aufgrund des gegebenen, hohen Übersetzungsverhältnisses führt bereits eine langsame Verschwenkung der Welle 8 zu einer relativ schnellen Rotation des Innenrings 11 und damit auch des Rotors des mit dem Innenring 11 gekoppelten Elektromotors. Zur Dämpfung dieser Bewegung ist eine hydrodynamische Bremse vorgesehen, welche insgesamt mit 14 bezeichnet ist. Als antriebsseitiges Bremselement der hydrodynamischen Bremse 14 ist im Ausführungsbeispiel der Innenring 11 vorgesehen. Alternativ könnte beispielsweise ein gesondertes ringförmiges Bremselement mit dem Innenring 11 verbunden sein. Das zugehörige abtriebsseitige Bremselement der hydrodynamischen Bremse 14 ist mit 15 bezeichnet und fest mit der Baugruppe aus flexiblen Getriebeelement 5 und Welle 8 verbunden. Im Unterschied zum antriebsseitigen Bremselement 11 weist das abtriebsseitige Bremselement 15 im Ausführungsbeispiel keine Ringform, sondern die Form eines mehrfach abgewinkelten Blechstreifens auf. Das abtriebsseitige Bremselement 15 ist auf rationelle Weise beispielsweise durch umformende Verfahren aus Stahlblech herstellbar.
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Alternativ ist als Bremselement 15 ein ohnehin im Wellgetriebe 1 vorhandenes, nicht dargestelltes Bauteil verwendbar, welches der axialen Sicherung des Wellgenerators 9 dient und topfförmig ausgebildet ist. Dieses der hydrodynamischen Bremse 14 zuzurechnende Element ist fest mit der Welle 8 verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel weist das abtriebsseitige Bremselement 15 eine zweifach abgewinkelte Form mit einer Bremslasche 16 auf, welche der Stirnseite des Innenrings 11 parallel vorgesetzt ist. Zwischen der Bremslasche 16 und der Stirnseite des Innenrings 11 ist ein Spalt SP gebildet, welcher - wie auch weitere Bereiche des Innenraums des Flextopfes 5 - mit Hydraulikflüssigkeit HF, nämlich Motoröl des Verbrennungsmotors, gefüllt ist. Mehrere Leisten 17, welche integrale Bestandteile des abtriebsseitigen Bremselements 15 sind, ragen in Axialrichtung in den Spalt SP hinein. In analoger Weise ist optional auch die Stirnseite des Innenrings 11 mit Leisten oder Schaufeln versehen. Auf diese Weise ist zwischen dem Innenring 11 und dem Bremselement 15 ein als Bremsmoment wirkendes Drehmoment übertragbar, dessen Betrag von der Drehzahldifferenz zwischen dem Innenring 11 und dem flexiblen Getriebeelement 5 abhängt.
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Wie aus 1 hervorgeht, ist das Wellgetriebe 1 nur teilweise mit Hydraulikflüssigkeit HF befüllt. Über einen nicht dargestellten Ölzulauf ist das Wellgetriebe 1 an den Motorölkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen. Das in den Innenraum des Flextopfes 5 eingeleitete Motoröl kann aus dem Wellgetriebe 1 durch einen oberen Ölablauf 18 oder durch einen unteren Ölablauf 19 abfließen. Der obere Ölablauf 18 ist größer dimensioniert als der untere, an der tiefsten Stelle des Wellgetriebes 1 angeordnete Ölablauf 19. Durch die Dimensionierung der Ölabläufe 18, 19 und die gegebene Zufuhr an Hydraulikflüssigkeit HF ist sichergestellt, dass während des Betriebs des Verbrennungsmotors der Ölstand im Wellgetriebe 1 durch die Positionierung des oberen Ölablaufs 18 vorgegeben ist. Dies heißt, dass die Menge des durch den unteren Ölablauf 19 abfließenden Motoröls geringer als die Menge des laufend zugeführten Motoröls ist, so dass der obere Ölablauf 18 als Überlauf fungiert. Sobald der Verbrennungsmotor und damit die Ölzufuhr zum Wellgetriebe 1 abgestellt wird, kann das im Wellgetriebe 1 befindliche Motoröl praktisch vollständig durch den unteren Ölablauf 19 abfließen. Beim erneuten Start des Verbrennungsmotors kann somit das Wellgetriebe 1 ohne hydraulisch erzeugtes Bremsmoment in Betrieb genommen werden. Damit ist das Wellgetriebe 1 einschließlich der hydrodynamischen Bremse 14 auch für die Verwendung bei äußerst tiefen Temperaturen geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Innenverzahnung
- 4
- Außenverzahnung
- 5
- flexibles Getriebeelement, Flextopf
- 6
- zylindrischer Abschnitt
- 7
- Boden
- 8
- Welle, abtriebsseitiges Element
- 9
- Wellgenerator
- 10
- Kugellager
- 11
- Innenring, antriebsseitiges Bremselement
- 12
- Außenring
- 13
- Kugel, Wälzkörper
- 14
- hydrodynamische Bremse
- 15
- abtriebsseitiges Bremselement
- 16
- Bremslasche
- 17
- Leiste
- 18
- oberer Ölablauf
- 19
- unterer Ölablauf
- HF
- Hydraulikflüssigkeit, Motoröl
- M
- Mittelachse
- SP
- Spalt
