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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion der Drehungleichförmigkeit in einem Antriebsstrang, einen Seriellen Hybridantrieb und ein System.
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Es sind Hybridantriebe mit Range Extender bzw. serielle Hybridantrieb bekannt, bei denen der Antrieb von der Verbrennungskraftmaschine bzw. dem Verbrennungsmotor zur Elektromaschine (E-Maschine) über ein Zahnradgetriebe erfolgt, wie eine Zylinderradstufe, einen Planetengetriebesatz oder dergleichen Hierbei kann ein vollständiger Ausgleich des Rollmoments erreicht werden, was auch als FEVCOM Prinzip bezeichnet wird. Bei diesem Prinzip erfolgt ein vollständiger Ausgleich des Rollmoments durch identische reduzierte Massenträgheitsmomente auf der Primärseite (d.h. Verbrennungskraftmaschine inklusive aller rotierenden Massen) und der Sekundärseite (d.h. E-Maschine inklusive aller rotierenden Teile) erreicht wird. Die Primärseite umfasst dabei auch die rotierenden Teile des Zahnradgetriebes, die mit Verbrennungsmotordrehzahl drehen. Gleichermaßen umfasst die Sekundärseite ebenfalls die rotierenden Teile des Zahnradgetriebes, die mit Drehzahl der E-Maschine drehen.
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Der Verbrennungsmotor des Hybridantriebs gibt sein Drehmoment in bekannter Weise nicht konstant ab, sondern immer, wenn ein Zylinder zündet und der Gasdruck im Zylinder auf den Kolben wirkt. Die Phase vom oberen Totpunkt bis zum Ende der Expansion im unteren Totpunkt wird als Expansionsphase bezeichnet und während dieser Phase gibt der jeweilige Zylinder über die Triebwerksteile, die einem Zylinder zugeordnet werden, ein deutlich höheres Moment ab, als das mittlere Moment des Verbrennungsmotors. Die Triebwerksteile Kolben und Pleuel übertragen die Kraft auf die Kurbelwelle, diese überträgt ein Moment auf das Schwungrad.
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Alle rotierenden und oszillierenden Teile werden beschleunigt und nehmen dabei Energie auf. Die oszillierenden Teile werden in der zweiten Hälfte der Expansionsphase wieder verzögert und geben die kinetische Energie ebenfalls an das rotierende Triebwerk ab. Daraus ergibt sich eine Beschleunigung der rotierenden Teile während der Expansionsphase.
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Die im Schwungrad und den rotierenden Teilen gespeicherte Energie wird ferner benötigt um die weiteren Takte der 4-Takt-Verbrennungskraftmaschine durchzuführen, d.h. während Ladungswechsel, Ausstoßen von Abgas, Ladungswechsel, Ansaugen von Luft/Gemisch und Verdichtung wird dem Schwungrad (im Mittel) Energie entnommen und die Drehzahl fällt.
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Diese Erhöhung und Reduzierung der Drehzahl werden als Drehungleichförmigkeit bezeichnet. Die Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors ist in der Regel deutlich höher als die der E-Maschine.
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Die höhere Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors im Vergleich zur E-Maschine kann dazu führen, dass es im Zahnkontakt des Zahnradgetriebes zu einem Anlagewechsel der Zahnräder kommt. In diesem Fall ist es sogar möglich, dass die E-Maschine vom Verbrennungsmotor verzögert wird, also Energie aus der Sekundärseite über das Zahnradgetriebe auf die Primärseite übertragen wird. Diese Umkehr ist unerwünscht, da es aufgrund von Spielen im Zahnkontakt zu einem Anlagewechsel bei den Zahnrädern kommen kann.
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Ein derartiger Anlagewechsel ist von akustischer Relevanz, wenn der Anlagewechsel impulsbehaftet abläuft, d.h. die Zahnflanken aufeinanderstoßen und sich nicht sanft aneinander anlegen. Der Effekt des impulsbehafteten Anlagewechsels im Zahneingriff wird umgangssprachlich als Räderrasseln bezeichnet.
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Der Impuls des Anlagenwechsels kann über die Räder, Wellen und Lager in die angrenzenden Gehäuse übertragen werden und dort als breitbandige Anregung zu einer hohen Schallabstrahlung über die Gehäuseoberflächen führen. Der impulsbehaftete Anlagewechsel bzw. das Räderrasseln birgt daher die Gefahr, im Fahrbetrieb akustisch auffällig und störend zu sein.
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Grundsätzlich ist es möglich, den impulsbehafteten Anlagewechsel regelungstechnisch zu reduzieren oder zu vermeiden. So kann die E-Maschine theoretisch der Drehzahl des Verbrennungsmotors folgen, wenn eine entsprechend schnelle Regelung von Moment und Drehzahl vorhanden ist. Dies erfordert jedoch eine schnelle Kommunikation zwischen den Steuergeräten von Verbrennungsmotor und E-Maschine. Eine derartige Regelung ist daher aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, eine Vorrichtung zur Reduktion der Drehungleichförmigkeit in einem Antriebsstrang, einen Seriellen Hybridantrieb und ein System anzugeben, welche die voranstehend genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße aufweisen. Insbesondere soll ein Räderrasseln in einem seriellen Hybridantrieb vermieden werden.
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Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird jeweils gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, einen serieller Hybridantrieb nach Anspruch 5 und ein System nach Anspruch 9. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Reduktion der Drehungleichförmigkeit in einem Antriebsstrang, mit einem ersten Schwungrad, das zum Verbinden mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine eingerichtet ist, und mit einem zweiten Schwungrad, das als Energiespeicher zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit an dem ersten Schwungrad drehbar gehalten ist, wobei das zweite Schwungrad relativ zu dem ersten Schwungrad um eine Rotationsachse in einer ersten Richtung drehbar ist, wobei zwischen dem zweiten Schwungrad und dem ersten Schwungrad ein Schmierstoffspalt gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, einen Schmierstoff zur Drehmomentübertragung zwischen dem zweiten Schwungrad und dem ersten Schwungrad aufzunehmen, wobei das zweite Schwungrad dazu eingerichtet ist, während Beschleunigungsphasen der Kurbelwelle von dem ersten Schwungrad Energie aufzunehmen und während Verzögerungsphasen der Kurbelwelle Energie an das erste Schwungrad abzugeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht durch die Reduzierung der Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors eine Kopplung zwischen dem Verbrennungsmotor und einer zugeordneten, über ein Zahnradgetriebe angebundene Elektromaschine, ohne dass es zu einem Räderrasseln der Zahnräder des Zahnradgetriebes kommt.
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Das zweite Schwungrad dient dazu, während der Beschleunigungsphasen der Kurbelwelle Energie aufzunehmen. Dabei wird das zweite Schwundrad durch die Rotation und Beschleunigung des ersten Schwungrads drehangetrieben. Das zweite Schwungrad dient weiter dazu, während der Verzögerungsphasen der Kurbelwelle Energie an das erste Schwungrad abzugeben. Das zweite Schwungrad dient daher als Energiepufferspeicher, dem in Beschleunigungsphasen der Kurbelwelle Energie hinzugefügt und in Verzögerungsphasen Energie entnommen wird.
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Während der Energieübertragung dient ein zwischen dem ersten Schwungrad und dem zweiten Schwungrad angeordneter Schmierstofffilm in dem Schmierstoffspalt zur Drehmomentübertragung von dem ersten Schwungrad auf das zweite Schwungrad und umgekehrt. Der Schmierstoff wird während der Energieübertragung auf Scherung beansprucht, da während der Energieübertragung zwischen dem ersten Schwungrad und dem zweiten Schwungrad eine Differenz in der Winkelgeschwindigkeit besteht.
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Das zweite Schwungrad ist daher insbesondere derart gelagert, dass es dem ersten Schwungrad voreilen oder nacheilen kann, also im Betrieb eine von dem ersten Schwundrad abweichende Winkelgeschwindigkeit bezogen auf die Rotationsachse haben kann, um die Energieübertragung zwischen den Schwungrädern zu ermöglichen.
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Das zweite Schwundrad ist insbesondere derart gelagert, dass das erste und das zweite Schwungrad im Betrieb ohne Unwucht um die Rotationsachse rotieren.
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Das zweite Schwungrad ist insbesondere in einem abgedichteten Raum aufgenommen.
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Das zweite Schwungrad kann formschlüssig an dem ersten Schwungrad gehalten sein. Es kann z.B. eine axiale Verliersicherung vorhanden sein, um das zweite Schwungrad zuverlässig an dem ersten Schwungrad zu halten.
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Die Rotationsachse der Vorrichtung ist im fertig montierten Zustand insbesondere koaxial zu einer Hauptachse der Kurbelwelle angeordnet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die axiale Baulänge und/oder der Bauraum der Vorrichtung insgesamt nicht größer ist als der Bauraum eines konventionellen Schwungrads. Die Vorrichtung kann daher ohne Weiteres in bestehende Antriebsstrangkonzepten integriert bzw. nachgerüstet werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist das zweite Schwungrad ringförmig und auf einem zylinderförmigen Absatz des ersten Schwungrads aufgenommen. Das zweite Schwungrad kann auch als Trägheitsring oder Inertia-Ring bezeichnet werden.
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In dem Schmierstoffspalt kann ein Silikonöl, ein Motoröl oder ein Getriebeöl als Schmierstoff vorgesehen sein. Wenn vorliegend von einem Silikonöl bzw. Silikonölen gesprochen wird, so handelt es sich dabei insbesondere um Diorganopolysiloxane, also synthetische, siliciumbasierte Öle.
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Das erste Schwungrad und das zweite Schwungrad können von einem zwei- oder mehrteiligen Schwungradgehäuse eingefasst sein.
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Das erste Schwungrad und das zweite Schwungrad können im fertig montierten Zustand koaxial zur Kurbelwelle angeordnet sein, so dass die Rotationsachse mit der Kurbelwellenachse zusammenfällt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen seriellen Hybridantrieb für ein Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor und einer Traktionsbatterie zur Energieversorgung des Elektromotors, mit einer Verbrennungskraftmaschine, die als Reichweitenverlängerer für den Elektromotor eingerichtet ist, und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Verbrennungskraftmaschine ist daher insbesondere Teil eines Range Extenders.
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Der Verbrennungsmotor kann turboaufgeladen sein.
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Der Verbrennungsmotor kann vier Zylinder oder weniger aufweisen.
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Der Verbrennungsmotor kann mehr als vier Zylinder aufweisen.
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Die Drehungleichförmigkeit ist besonders ausgeprägt für Motoren mit einer hohen Anregung aus einer hohen Gaskraft, also aufgeladene Motoren, Motoren mit kleinen Massenträgheitsmomenten im Triebwerk und Motoren mit niedriger Zylinderzahl. Derartige Motoren sind kompakt und besonders zur Verwendung in einem Range Extender geeignet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht daher durch die Reduktion der Drehungleichförmigkeit derartiger Verbrennungskraftmaschinen die Herstellung verbesserter Range Extender.
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Die Begriffe „Verbrennungsmotor“ und „Verbrennungskraftmaschine“ werden im vorliegenden Text synonym verwendet.
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Die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors kann mit einem Zahnradgetriebe, insbesondere einer Stirnradstufe oder einem Planetengetriebe, verbunden sein.
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Es kann ein vollständiger Rollmomentausgleich vorgesehen sein.
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Es kann ein teilweiser Rollmomentausgleich vorgesehen sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass keine Regelungstechnik der E-Maschine zum Ausgleich der Drehungleichförmigkeit eingesetzt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ausgleich der Drehungleichförmigkeit rein mechanisch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung in Kraftfahrzeugen oder Hybridfahrzeugen beschränkt. So kann die Erfindung generell im Bezug auf rotierende Systeme Anwendung finden, die mit einer Drehungleichförmigkeit behaftet sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung daher ein System, mit einer rotierenden Primärseite, mit einer rotierenden Sekundärseite, wobei die Primärseite und die Sekundärseite miteinander gekoppelt sind, wobei die Primär- und/oder die Sekundärseite eine Drehungleichförmigkeit aufweisen, mit einem ersten Schwungrad und mit einem zweiten Schwungrad, das als Energiespeicher zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit an dem ersten Schwungrad drehbar gehalten ist, wobei das zweite Schwungrad relativ zu dem ersten Schwungrad um eine Rotationsachse in einer ersten Richtung drehbar ist, wobei das zweite Schwungrad relativ zu dem ersten Schwungrad um die Rotationsachse in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung drehbar ist und wobei zwischen dem zweiten Schwungrad und dem ersten Schwungrad ein Schmierstoffspalt gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, einen Schmierstoff zur Drehmomentübertragung zwischen dem zweiten Schwungrad und dem ersten Schwungrad aufzunehmen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
- 2 Kraftverläufe an einer Kurbelwelle über dem Drehwinkel.
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
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1 zeigt eine Vorrichtung 2 zur Reduktion der Drehungleichförmigkeit in einem Antriebsstrang. Die Vorrichtung 2 hat ein erstes Schwungrad 4, das zum Verbinden mit einer Kurbelwelle 6 einer Verbrennungskraftmaschine eingerichtet ist.
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An dem ersten Schwungrad 4 ist ein zweites Schwungrad 8 drehbar gehalten. Das zweite Schwungrad 8 ist ringförmig, also ein Trägheitsring 8 bzw. Inertia-Ring 8.
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Das zweite Schwungrad 8 ist relativ zu dem ersten Schwungrad 4 um eine Rotationsachse R in einer ersten Richtung R1 drehbar.
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Zwischen dem zweiten Schwungrad 8 und dem ersten Schwungrad 4 ist ein Schmierstoffspalt 10 gebildet, der dazu eingerichtet ist, einen Schmierstoff zur Drehmomentübertragung zwischen dem zweiten Schwungrad 8 und dem ersten Schwungrad 4 aufzunehmen. In dem Schmierstoffspalt 10 ist ein Silikonöl oder ein Motoröl oder ein Getriebeöl als Schmierstoff vorgesehen.
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Das zweite Schwungrad 8 ist auf einem zylinderförmigen Absatz 12 des ersten Schwungrads 4 aufgenommen.
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Das zweite Schwungrad 8 hat den inneren Radius r, die Breite b und die in radialer Richtung gemessene Dicke d.
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Der Kurbelwelle 6 ist eine geradverzahnte oder schrägverzahnte Stirnradstufe 14 zugeordnet.
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Während des Betriebes treibt die Kurbelwelle 6 des Verbrennungsmotors das erste Schwungrad 4 und die Stirnradstufe 14 an. Dabei kommt es in bekannter Weise zu Drehungleichförmigkeiten, die zu einem Räderrasseln der Zahnräder führen könnten.
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Um die Drehungleichförmigkeiten zu mindern und ein Räderrasseln zu vermeiden, nimmt das zweite Schwungrad 8 während der Beschleunigungsphasen der Kurbelwelle 6 Energie über das erste Schwungrad 4 auf, wobei diese Energie in Verzögerungsphasen der Kurbelwelle 6 wieder von dem zweiten Schwungrad 8 an das erste Schwungrad 4 abgegeben wird.
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Der Effekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 ist in 2 veranschaulicht. Hierbei ist die durch den Verbrennungsmotor erzeugte Kraft in kN über dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle in Grad aufgetragen. Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf ohne zweites Schwungrad 8, während die durchgezogene Linie den Verlauf mit zweitem Schwungrad 8 beschreibt.
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Es ist erkennbar, dass die Umkehr der Kraftrichtung, ersichtlich durch die Lastspitzen, die als L1 und L2 gekennzeichnet sind, durch das zweite Schwungrad 8 kompensiert werden kann. Es kommt also im System mit zweitem Schwungrad 8 nicht zur Umkehr der Kraftrichtung. Damit bleiben die Zähne der Zahnräder der Stirnradstufe 14 im Zahneingriff auf nur einer Seite der Zähne im Kontakt, so dass der Kraftfluss immer vom Verbrennungsmotor in Richtung des Getriebes 14 und der Abtriebswelle des Getriebes 14 erfolgt.
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Damit findet kein impulsbehafteter Anlagewechsel statt und das „Räderrasseln“ wird vermieden.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Schwungrad 8 zweiteilig ausgebildet. Ein erster und ein zweiter Teil des zweiten Schwungrades 8 sind dabei in axialer Richtung benachbart angeordnet.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Schwungrad 8 zweiteilig ausgebildet. Ein erster und ein zweiter Teil des zweiten Schwungrades 8 sind dabei in radialer Richtung benachbart angeordnet.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das zweite Schwungrad 8 ist relativ zu dem ersten Schwungrad 4 um die Rotationsachse R in einer der ersten Richtung R1 entgegengesetzten zweiten Richtung R2 drehbar. Die Schaltvorrichtung 14 ist ausgebildet und eingerichtet, eine Rotation des zweiten Schwungrades 8 relativ zum ersten Schwungrad 4 um die Rotationsachse R in der zweiten Richtung R2 freizugeben oder zu sperren. Die Schaltvorrichtung umfasst dazu eine Sägezahnstruktur und ein Gegenstück. Dies ermöglicht eine technisch einfache Umsetzung der Schaltvorrichtung 14.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst Kammern 16 zur Aufnahme und Bereitstellung von Schmiermittel für den Schmierstoffspalt 10. Dies ermöglicht eine lange Haltbarkeit der Vorrichtung und dass Wartungsinterwalle der Vorrichtung vorteilhaft lang ausfallen können. Die Kammern sind an dem zweiten Schwungrad 8 angeordnet. Die Kammern 16 weisen ein Luftvolumen zum Druckausgleich eines Schmiermitteldrucks in dem Schmierstoffspalt 10 auf. Die Vorrichtung umfasst Verbindungselemente 18. Die Kammern 16 sind über die Verbindungselemente 18 fluidkommunizierend verbunden. Die Kammern 16 und Verbindungselemente 18 sind derart angeordnet, dass sie einen Umfang des zweiten Schwungrads 8 umschließen.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem dritten Schwungrad 20, das zum Verbinden mit einer rotierenden Sekundärseite ist, und mit einem vierten Schwungrad 22, das als Energiespeicher zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit an dem dritten Schwungrad 20 drehbar gehalten ist.
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Das vierte Schwungrad 22 ist relativ zu dem dritten Schwungrad 20 um eine Rotationsachse R2a in einer ersten Richtung drehbar. Zwischen dem vierten Schwungrad 22 und dem dritten Schwungrad 20 ist ein Schmierstoffspalt gebildet, der dazu eingerichtet ist, einen Schmierstoff zur Drehmomentübertragung zwischen dem vierten Schwungrad 22 und dem dritten Schwungrad 20 aufzunehmen. Das vierte Schwungrad 22 ist dazu eingerichtet, während Beschleunigungsphasen von dem dritten Schwungrad 20 Energie aufzunehmen und während Verzögerungsphasen Energie an das dritte Schwungrad 20 abzugeben.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die rotierende Sekundärseite ein Elektromotor eines Reichweitenverlängerers eines teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Alternativ kann sie auch ein Generator und/oder ein Nebenaggregat sein.
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Dies ermöglicht eine zusätzliche Reduktion der Drehungleichförmigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- erstes Schwungrad
- 6
- Kurbelwelle
- 8
- zweites Schwungrad / Trägheitsring / Inertia-Ring
- 10
- Schmierstoffspalt
- 12
- Absatz
- 14
- Schaltvorrichtung
- 16
- Tank
- 18
- Verbindungselemente
- 20
- drittes Schwungrad
- 22
- viertes Schwungrad / Trägheitsring / Inertia-Ring
- R
- Rotationsachse
- R2
- zweite Rotationsachse
- R1
- Drehrichtung
- R2
- Drehrichtung
- K1
- Kurve
- K2
- Kurve
- L1
- Lastspitze
- L2
- Lastspitze
- r
- Radius
- b
- Breite
- d
- Dicke
