DE102020007360A1

DE102020007360A1 - Energiewandlungssystem

Info

Publication number: DE102020007360A1
Application number: DE102020007360.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Pischinger
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-01-21
Also published as: DE102019135016A1; CN215410023U

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem (20), umfassend- eine Kurbelwelle (1) eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Zahnrad (5), wobei das erste Zahnrad (5) drehfest mit der Kurbelwelle (1) verbunden ist,- eine zweite Welle (3) einer elektrischen Maschine mit einem zweiten Zahnrad (6) und einer zweiten Zahnriemenscheibe (8), wobei das zweite Zahnrad (6) und die zweite Zahnriemenscheibe (8) drehfest mit der zweiten Welle (3) verbunden sind, und wobei mittels des ersten Zahnrades (5) und des zweiten Zahnrades (6) die Kurbelwelle (1) wirkverbindend mit der zweiten Welle (3) koppelbar ist,- eine dritte Welle (2) mit einer dritten Zahnriemenscheibe (7), wobei die dritte Zahnriemenscheibe (7) drehfest mit der dritten Welle (2) verbunden ist,- einen Zahnriemen (9), wobei mittels des Zahnriemens (9) die zweite Zahnriemenscheibe (8) mit der dritten Zahnriemenscheibe (7) wirkverbindend gekoppelt ist und- eine Spannvorrichtung (14) zum Ausüben einer Spannkraft auf den Zahnriemen (9) derart, dass eine Zahnriemenspannung auf einer ersten freien Riemenseite (21) des Zahnriemens (9) größer ist als eine Zahnriemenspannung auf einer zweiten freien Riemenseite (22) des Zahnriemens (9) zwecks Vermeidung eines Zahnflankenwechsels zwischen dem ersten Zahnrad (5) und dem zweiten Zahnrad (6) während eines Betriebs des Energiewandlungssystems (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem.
Die DE10 2012 024 551 offenbart ein Energiewandlungssystem für ein Fahrzeug. Das Fahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist derart gesteuert, dass ein Zahnflankenwechsel von Zähnen von Zahnrädern, die den Verbrennungsmotor wirkverbindend mit dem Generator koppeln, vermieden wird.
Ein erfindungsgemäßes Energiewandlungssystem umfasst eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Zahnrad. Das erste Zahnrad ist drehfest mit der Kurbelwelle verbunden. Das Energiewandlungssystem umfasst eine zweite Welle einer elektrischen Maschine mit einem zweiten Zahnrad und einer zweiten Zahnriemenscheibe. Das zweite Zahnrad und die zweite Zahnriemenscheibe sind drehfest mit der zweiten Welle verbunden. Mittels des ersten Zahnrades und des zweiten Zahnrades ist die Kurbelwelle wirkverbindend mit der zweiten Welle koppelbar. Das Energiewandlungssystem umfasst eine dritte Welle mit einer dritten Zahnriemenscheibe. Die dritte Zahnriemenscheibe ist drehfest mit der dritten Welle verbunden. Das Energiewandlungssystem umfasst einen Zahnriemen. Mittels des Zahnriemens ist die zweite Zahnriemenscheibe mit der dritten Zahnriemenscheibe wirkverbindend gekoppelt. Das Energiewandlungssystem umfasst eine Spannvorrichtung zum Ausüben einer Spannkraft auf den Zahnriemen derart, dass eine Zahnriemenspannung auf einer ersten freien Riemenseite des Zahnriemens größer ist als eine Zahnriemenspannung auf einer zweiten freien Riemenseite des Zahnriemens zwecks Vermeidung eines Zahnflankenwechsels zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad während eines Betriebs des Energiewandlungssystems.
Bei Energiewandlungssystemen, bei der die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einer zweiten Welle einer elektrischen Maschine mittels eines ersten Zahnrades und eines zweiten Zahnrads wirkverbindend koppelbar sind, kann es zu Zahnflankenwechseln zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad während des Betriebs des Energiewandlungssystem kommen. Diese Zahnflankenwechsel führen zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung des Energiewandlungssystems, die auch als Rasseln bezeichnet wird.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Energiewandlungssystem eine Spannvorrichtung umfasst, die eine Spannkraft auf den Zahnriemen derart ausübt, dass eine Zahnriemenspannung auf einer ersten freien Riemenseite des Zahnriemens größer ist als eine Zahnriemenspannung auf einer zweiten freien Riemenseite des Zahnriemens, wird es ermöglicht, einen Zahnflankenwechsel zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad vorteilhaft zu vermindern und/oder zu verhindern. Dadurch wird eine unerwünschte Geräuschentwicklung durch den Zahnflankenwechsel ebenfalls vermindert und/oder verhindert.
Das erfindungsgemäße Energiewandlungssystem eignet sich dadurch insbesondere für einen Einsatz in Fahrzeugen und insbesondere in Range Extendern, bei denen eine geringe Geräuschentwicklung erwünscht ist. Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Energiewandlungssystem für den Einsatz in Stromaggregaten, welche beispielsweise stationär betrieben werden.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebeinheit,
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlungssystems.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlungssystems 20. Das Energiewandlungssystem 20 umfasst eine Kurbelwelle 1 eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Zahnrad 5. Das erste Zahnrad 5 ist drehfest mit der Kurbelwelle 1 verbunden. Das Energiewandlungssystem 20 umfasst eine zweite Welle 3 einer elektrischen Maschine mit einem zweiten Zahnrad 6 und einer zweiten Zahnriemenscheibe 8. Das zweite Zahnrad 6 und die zweite Zahnriemenscheibe 8 sind drehfest mit der zweiten Welle 3 verbunden. Mittels des ersten Zahnrades 5 und des zweiten Zahnrades 6 ist die Kurbelwelle 1 wirkverbindend mit der zweiten Welle 4 koppelbar. Das Energiewandlungssystem 20 umfasst eine dritte Welle 2 mit einer dritten Zahnriemenscheibe 7. Die dritte Zahnriemenscheibe 7 ist drehfest mit der dritten Welle 2 verbunden. Das Energiewandlungssystem 20 umfasst einen Zahnriemen 9. Mittels des Zahnriemens 9 ist die zweite Zahnriemenscheibe 8 mit der dritten Zahnriemenscheibe 7 wirkverbindend gekoppelt. Das Energiewandlungssystem 20 umfasst eine Spannvorrichtung 14 zum Ausüben einer Spannkraft auf den Zahnriemen 9 derart, dass eine Zahnriemenspannung auf einer ersten freien Riemenseite 21 des Zahnriemens 9 größer ist als eine Zahnriemenspannung auf einer zweiten freien Riemenseite 22 des Zahnriemens 9 zwecks Vermeidung eines Zahnflankenwechsels zwischen dem ersten Zahnrad 5 und dem zweiten Zahnrad 6 während eines Betriebs des Energiewandlungssystems 20.
Das Fahrzeug ist in diesem Ausführungsbeispiel ein teilweise elektrisch betriebenes Hybridfahrzeug mit einem Range Extender. Der Range Extender umfasst einen Verbrennungsmotor. Das Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine, die als Motorgenerator ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor ist mit der elektrischen Maschine über das erste Zahnrad 1 und das zweite Zahnrad 6 wirkverbindend koppelbar.
Die dritte Zahnriemenscheibe 7 weist Abmessungen auf, die der zweiten Zahnriemenscheibe 8 entsprechen. Die Kurbelwelle 1 wird von dem Verbrennungsmotor angetrieben und dreht sich in diesem Ausführungsbeispiel gegen den Uhrzeigersinn. Durch diese Drehung treibt die Kurbelwelle 1 die zweite Welle 3 an. Die zweite Welle 3 weist dann eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn auf. Dadurch ergibt sich eine erste Zahnflankenkonstellation, bei der eine erste Zahnflankenseite des ersten Zahnrades 5 in Kontakt mit einer korrespondierenden Zahnflankenseite des zweiten Zahnrades 6 ist.
In einer Kompressionsphase des Verbrennungsmotors tritt eine verzögerte Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 1 auf. Dies führt dazu, dass ohne die Spannvorrichtung 14 ein Zahnflankenwechsel hin zu einer zweiten Zahnflankenkonstellation stattfinden würde. Bei der zweiten Zahnflankenkonstellation ist eine zweite Zahnflankenseite des ersten Zahnrades 5 in Kontakt mit einer korrespondierenden Zahnflankenseite des zweiten Zahnrades 6.
Dadurch, dass die Spannvorrichtung 14 eine Zahnriemenspannung der ersten freien Riemenseite 21 des Zahnriemens 9 gegenüber der Zahnriemenspannung auf der zweiten freien Riemenseite 22 des Zahnriemens 9 erhöht, wird ein Wechsel in die zweite Zahnflankenkonstellation unterdrückt. Dies ermöglicht es, eine Geräuschentwicklung, welche durch einen Zahnflankenwechsel verursacht werden würde, vorteilhaft zu vermeiden. Alternativ werden Kraftimpulse, welche bei einem Zahnflankenwechsel wirken abgeschwächt, so dass eine unvorteilhafte Geräuschentwicklung durch den Zahnflankenwechsel reduziert wird.
Die dritte Welle 2 umfasst ein drittes Zahnrad 4. Das dritte Zahnrad 4 ist drehfest mit der dritten Welle 2 verbunden. Mittels des ersten Zahnrades 5 und des dritten Zahnrades 4 ist die Kurbelwelle 1 wirkverbindend mit der dritten Welle 2 koppelbar.
Dadurch wird ein Schlupf zwischen dem zweiten Zahnrad 6 und dem dritten Zahnrad 4 vorteilhaft vermieden. Zusätzlich wird es so technisch einfach ermöglicht, unterschiedliche Zahnriemenspannungen auf der ersten freien Riemenseite 21 und der zweiten freien Riemenseite 22 auch während eines Betriebs des Energiewandlungssystems 20 aufrecht zu erhalten.
Die dritte Welle 2 umfasst Trägheitsmomentscheiben zur Reduktion von Vibrationen während eines Betriebs des Energiewandlungssystems 20. Die dritte Welle 2 weist ein kleineres Trägheitsmoment als die zweite Welle 3.
In diesem Ausführungsbeispiel wurden die Trägheitsmomentscheiben derartig ausgelegt, dass sich insbesondere für häufig auftretende Lastpunkte des Verbrennungsmotors eine Reduktion von Vibrationen, insbesondere auch akustisch wahrnehmbaren Vibrationen einstellt. Dies ermöglicht eine zusätzliche Reduktion von einer Geräuschentwicklung während eines Betriebs des Energiewandlungssystems 20. Zusätzlich wird eine Reduktion von Verschleiß durch die Reduktion der Vibrationen ermöglicht.
Das Energiewandlungssystem 20 umfasst einen Generator 19 zum Umwandeln einer Drehbewegung der dritten Welle 2 in elektrische Energie.
Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung von Energie, welche von dem Verbrennungsmotor und/oder der elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt wird. Alternativ ist der Generator 19 als eine Ölpumpe ausgebildet. Dies ermöglicht eine zuverlässige und energieeffiziente Ölversorgung von Komponenten des Energiewandlungssystems 20 und/oder des Verbrennungsmotors.
Die Spannvorrichtung 14 umfasst eine Rolle 10 zum Herstellen eines mechanischen Kontaktes mit der ersten freien Riemenseite 21 des Zahnriemens 9.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Spannvorrichtung 14 einen um einen Drehpunkt 11 drehbar gelagerten Hebelarm 12 zum Ausüben einer Kraft auf die Rolle 10. Die Rolle 10 ist drehbar mit den Hebelarm 12 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Zahnriemen 9 eine Zahnung lediglich auf einer Zahnriemenseite auf. Die Zahnung ist dabei in Richtung der Zahnriemenscheiben 7,8 ausgerichtet. Die Rolle 10 ist so angeordnet, dass sie auf der Seite des Zahnriemens 9 läuft, welche keine Zahnung aufweist. Dies ermöglicht ein reibungsarmes und geräuscharmes Abrollen der Rolle 10 auf dem Zahnriemen 9.
Die Spannvorrichtung 14 umfasst eine Feder zum Ausüben einer Federkraft auf die Rolle 10.
In diesem Ausführungsbeispiel übt die Feder eine Federkraft auf den Hebelarm 12 aus. Dieser übertragt die Federkraft auf die Rolle 10. Damit übt die Feder indirekt die Federkraft auf die Rolle 10 aus.
Die Spannvorrichtung 14 umfasst eine hydraulische Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Vibrationen während eines Betriebs des Energiewandlungssystems 20.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spannvorrichtung 14 als handelsüblicher Riemenspanner beispielsweise für einen Keilrippenriemen ausgebildet. Handelsübliche Riemenspanner sind häufige als Rollenspanner ausgebildet und umfassen Dämpfungseinrichtungen. Zudem sind sie preisgünstig und flächendeckend erhältlich. Dies ermöglicht es, Herstellungskosten des Energiewandlungssystems 20 vorteilhaft zu reduzieren.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlungssystems 20. Das Energiewandlungssystem 20 umfasst eine erste Zahnriemenscheibe 15. Die erste Zahnriemenscheibe 15 ist drehfest mit der Kurbelwelle 1 verbunden. Ein Quotient aus einer Zahnanzahl der ersten Zahnriemenscheibe 15 und einer Zahnanzahl der zweiten Zahnriemenscheibe 8 ist gleich einem Quotienten aus einer Zahnanzahl des ersten Zahnrads 5 und einer Zahnanzahl des zweiten Zahnrads 6. Die Zahnanzahl entspricht dabei einer Anzahl an Zähnen, welche auf einem Zahnrad angeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Quotient aus einem Durchmesser des zweiten Zahnrades 6 und des ersten Zahnrades 5 gleich einem Quotienten aus einem Durchmesser der zweiten Zahnriemenscheibe 8 und der ersten Zahnriemenscheibe 15. Dies ermöglicht einen reibungsarmen Betrieb des Energiewandlungssystems 20.
Der Zahnriemen 9 weist auf einer ersten innenliegenden Zahnriemenseite und einer zweiten außenliegenden Zahnriemenseite eine Zahnung auf. Die zweite Zahnriemenscheibe 8 und die dritte Zahnriemenscheibe 7 stehen in mechanischem Kontakt mit der ersten innenliegenden Zahnriemenseite. Die erste Zahnriemenscheibe 15 steht in mechanischem Kontakt mit der zweiten außenliegenden Zahnriemenseite. Die Zahnung der ersten innenliegende Zahnriemenseite ist derart ausgebildet, dass sie in die Zähne der zweiten und dritten Zahnriemenscheiben 8, 7 wirkverbindend eingreift. Die Zahnung der zweiten außenliegenden Zahnriemenseite ist derart ausgebildet, dass die in die Zähne der ersten Zahnriemenscheibe 15 wirkverbindend eingreift.
Die erste Zahnriemenscheibe 15 ist in Relation zur dritten Zahnriemenscheibe 7 derart angeordnet, dass der Zahnriemen 9 an der ersten freien Riemenseite 21 gespannt wird. Durch Einstellen einer Position der dritten Zahnriemenscheibe 7 ist die Zahnriemenspannung direkt einstellbar. Je weiter entfernt die Position der dritten Welle 2 zur zweiten Welle 3 angeordnet ist, desto größer wird die Riemenspannung auf der ersten freien Riemenseite 21. Die Zahnriemenspannung auf der zweiten freien Riemenseite 22 bleibt demgegenüber unbeeinflusst.
Die Spannvorrichtung 14 umfasst eine Positioniereinrichtung 23 zum Positionieren der dritten Welle 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Positioniereinrichtung als Hebelarm 23 ausgebildet. Dieser ist um einen Drehpunkt drehbar gelagert. Durch Ausüben einer Kraft 24 auf den Hebelarm 23 ergibt sich eine Veränderung der Position der dritten Welle 2. Dadurch ergeben sich Momente auf die zweite Welle 3. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kraft 24 mittels einer Feder auf den Hebelarm 23 übertragen. Alternativ wird die Kraft durch ein hydraulisches Element auf den Hebelarm übertragen. In beiden Fällen eine technisch einfache Umsetzung für die Spannvorrichtung 14 ermöglicht, bei der keine zusätzlichen Bauelemente, wie die Rolle 10 benötigt werden. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Senkung der Herstellungskosten und Reduktion des Bauraums für das Energiewandlungssystem 20.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zahnriemen 9 als Kette ausgebildet. In diesem Fall sind dann die Zahnriemenscheiben 7, 8, 15 als Zahnkettenscheiben und/oder Ritzel ausgebildet.
Dies ermöglicht es, handelsübliche Ketten zu verwenden und auf ungewöhnliche Zahnriemen, welche auf zwei Zahnriemenseiten eine Zahnung aufweisen, zu verzichten. Dies ermöglicht eine Kostenreduktion für die Herstellung des Energiewandlungssystems 20.
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 102012024551 [0002]

Claims

Energiewandlungssystem (20), umfassend - eine Kurbelwelle (1) eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Zahnrad (5), wobei das erste Zahnrad (5) drehfest mit der Kurbelwelle (1) verbunden ist, - eine zweite Welle (3) einer elektrischen Maschine mit einem zweiten Zahnrad (6) und einer zweiten Zahnriemenscheibe (8), wobei das zweite Zahnrad (6) und die zweite Zahnriemenscheibe (8) drehfest mit der zweiten Welle (3) verbunden sind, und wobei mittels des ersten Zahnrades (5) und des zweiten Zahnrades (6) die Kurbelwelle (1) wirkverbindend mit der zweiten Welle (3) koppelbar ist, - eine dritte Welle (2) mit einer dritten Zahnriemenscheibe (7), wobei die dritte Zahnriemenscheibe (7) drehfest mit der dritten Welle (2) verbunden ist, - einen Zahnriemen (9), wobei mittels des Zahnriemens (9) die zweite Zahnriemenscheibe (8) mit der dritten Zahnriemenscheibe (7) wirkverbindend gekoppelt ist und - eine Spannvorrichtung (14) zum Ausüben einer Spannkraft auf den Zahnriemen (9) derart, dass eine Zahnriemenspannung auf einer ersten freien Riemenseite (21) des Zahnriemens (9) größer ist als eine Zahnriemenspannung auf einer zweiten freien Riemenseite (22) des Zahnriemens (9) zwecks Vermeidung eines Zahnflankenwechsels zwischen dem ersten Zahnrad (5) und dem zweiten Zahnrad (6) während eines Betriebs des Energiewandlungssystems (20).
Energiewandlungssystem (20) nach Anspruch 1, wobei die Spannvorrichtung (14) eine Rolle (10) zum Herstellen eines mechanischen Kontaktes mit der ersten freien Riemenseite (21) des Zahnriemens (9).
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (14) eine Feder zum Ausüben einer Federkraft auf die Rolle (10) umfasst.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (14) eine hydraulische Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Vibrationen während eines Betriebs des Energiewandlungssystems (20) umfasst.
Energiewandlungssystems (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Welle (2) Trägheitsmomentscheiben zur Reduktion von Vibrationen während eines Betriebs des Energiewandlungssystems (20) umfasst.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Generator (19) zum Umwandeln einer Drehbewegung der dritten Welle (2) in elektrische Energie.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Welle (2) ein drittes Zahnrad (4) umfasst, und wobei das dritte Zahnrad (4) drehfest mit der dritten Welle (2) verbunden ist, und wobei mittels des ersten Zahnrades (5) und des dritten Zahnrades (4) die Kurbelwelle (1) wirkverbindend mit der dritten Welle (2) koppelbar ist.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine erste Zahnriemenscheibe (15), wobei die erste Zahnriemenscheibe (15) drehfest mit der Kurbelwelle (1) verbunden ist, und wobei ein Quotient aus einer Zahnanzahl der ersten Zahnriemenscheibe (15) und einer Zahnanzahl der zweiten Zahnriemenscheibe (8) gleich einem Quotienten aus einer Zahnanzahl des ersten Zahnrads (5) und einer Zahnanzahl des zweiten Zahnrads (6) ist.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zahnriemen (9) auf einer ersten innenliegenden Zahnriemenseiten und einer zweiten außenliegenden Zahnriemenseite eine Zahnung aufweist.
Energiewandlungssystem (20) nach Anspruch 9, wobei die zweite Zahnriemenscheibe (8) und die dritte Zahnriemenscheibe (7) in mechanischem Kontakt mit der ersten innenliegenden Zahnriemenseite stehen, und wobei die erste Zahnriemenscheibe (15) in mechanischem Kontakt mit der zweiten außenliegenden Zahnriemenseite steht.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (14) eine Positioniereinrichtung (23) zum Positionieren der dritten Welle (2) umfasst.
Energiewandlungssystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zahnriemen (9) als Kette ausgebildet ist.