DE3103397A1

DE3103397A1 - Zusatzantrieb fuer automobile

Info

Publication number: DE3103397A1
Application number: DE19813103397
Authority: DE
Inventors: Richard Lewis 60005 Arlington Heights Ill. Smirl
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1981-02-02
Filing date: 1981-02-02
Publication date: 1982-08-12
Also published as: DE3103397C2

Description

Moderne Kraftfahrzeugmotoren treiben eine zunehmende Anzahl von Zusatzeinrichtungen an. Bei einem herkömmlich ausgebildeten Antriebssystem für Zusatzeinrichtungen werden diese mit einem linearen Übersetzungsverhältnis angetrieben, das von der Drehzahl des Motors abweichen kann, jedoch Werte erreicht, bei denen die Zusatzeinrichtung uneffizient ist, und das Bine Konstruktion der Zusatzeinrichtung bezüglich Festigkeit und Größe erforderlich macht, die bei einer anderen Antriebsweise nicht notwendig wäre. Der Antrieb von derartigen Zusatzeinrichtungen mit hohen Drehzahlen führt zu einer beträchtlichen Verminderung des Wirkungsgrades eines Fahrzeuges, da ein beträchtlicher Prozentsatz der Ausgangsleistung zum Antrieb der Zusatzeinrichtungen erforderlich ist, der bis zu 30 °/o der Motorleistung bei relativ geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten betragen kann. Dieses Problem der Verschlechterung des Wirkungsgrades wird noch größer bei modernen Motoren mit niedriger Leistung, die in einem relativ hohen Drehzahlbereich arbeiten müssen. Der relativ schlechte Wirkungsgrad des Systeme führt zu einem relativ hohen Brennstoffverbrauch und somit zu einer überflüssigen und sinnlosen Vergeudung von Energie.

Bislang sind verschiedenartige Typen von Zusatzantrieben vorgeschlagen worden. Einige davon sind lediglich temperaturabhängig und laufen somit intermittierend, so daS sie somit zum Antrieb von Stromerzeugern bzw. Lichtmaschinen, die kontinuierlich angetrieben werden müssen, nicht geeignet sind. Andere Arten sind zu teuer.

Erfindungsgemäß wird ein kompakter Dreiphasen-Zusatzantrieb vorgeschlagen, der für Automobile geeignet ist und infolge seines kompakten Aufbaus in kleinere Fahrzeuge eingepaßt werden kann, ohne hierzu abgeändert werden zu müssen. Der Zusatzantrieb stellt eine erste Phase mit hohem Übersetzungsverhältnis vom Leerlauf des Motors bis zu einer ersten vorgegebenen Motordrehzahl, wie beispielsweise 2000 Upm, zur Verfügung, eine zweite Phase, mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl von der erstem vorgegebene Itotordrehzahl bis zu einer zweiten vorgegebenen Motordrehzehl, aie beispielsweise 3000 Upm, und eine dritte Phase, die ein niedriges Übersetzungsverhältnis oberhalb der zweiten vorgegebenen Motordrehzahl umfaßt. Zusätzlich zu der Drehzahlabhängigkeit des erfindungsgemäßen Antriebes ist dieser auch temperaturkompensiert, so daß er unter verschiedenartigen Temperaturbedingungen gleichmäßig arbeitet.

Das Antriebssystem umfaßt eine Kombination aus einem Planetenradaatz, einer Reibungsbremse, einer Einwegkupplung und einem hydraulischen System, das dem Fahrzeugmotor

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und der Bremse zugeordnet ist. In dem System sind die Planetenräder des Planetenradsatzes treibend mit der Kurbelwelle des Motors verbunden, das Ringrad weist eine oder mehrere damit verbundene Riemenscheiben auf und stellt den Antrieb für eine oder mehrere Zusatzeinrichtungen des Fahrzeugs zur Verfügung, von denen jede in Abhängigkeit von den Relativgrößen der Riemenscheiben mit einem unabhängigen Übersetzungsverhältnis angetrieben werden kann, und das Sonnenrad steht mit der Reibungsbremse in Verbindung. Das hydraulische System umfaßt eine von einem Bimetallelement gesteuerte Öffnung und eine von dem Ringrad angetriebene Pumpe, die einen drehzahlabhängigen Strömungsmitteldruck einem Zylinder zuführt, in dem ein Kolben angeordnet ist, der mit einem Bremssattelmechanismus in Verbindung steht· Eine Scheibenfeder beaufschlagt den Kolben und den Sattel— mechanismus zum Eingriff der Reibungsbremse, während der Kolben durch Beaufschlagung des Sattelmechanismus ein Ausrücken der Reibungsbremse bewirkt.

Während der ersten Phase steigen die drehzahlabhängigen Drücke langsam an, und die Scheibenfeder hält die Bremse und das Sonnenrad stationär, so daß die Riemenscheibendrehzahl der Zusatzeinrichtung mit der Motordrehzahl zusammen linear ansteigt, bis die erste vorgegebene Drehzahl erreicht ist. Während der ersten Phase erfolgt der Antrieb der Riemenscheiben der Zusatzeinrichtungen

über die Planetenräder und das Ringrad, während das Sonnenrad stationär gehalten wird.

Wenn die Drehzahl des Ringrades auf die erste vorgegebene Drehzahl ansteigt, steigt der dem Bremssattalraecfoanismus zugeführte drehzahlabhängige Strömungsmitteldruck schneller an, so daß die Bremse und das damit verbundene Sonnenrad rotieren können und eine konstante Ringraddrehzahl aufrechterhalten wird, bis das Sonnenrad die Drehzahl eäea Planetenträger erreicht.

die Drehzahl des
Wenn /Sonnenrades beginnt, größer zu werden als die Drehzahl des Planetenradträgers, verriegelt die Einwegkupplung beide Elemente miteinander, und der Antrieb hat die zweite vorgegebene Drehzahl erreicht. Danach rotieren das Ringrad und die Riemenscheiben mit einer Drehzahl, die zusammen mit der Motordrehzahl ansteigt, und der ansteigende Strömungsmitteldruck gibt den Bremssattel vollständig frei. Dieses Übersetzungsverhältnis ist geringer als das anfängliche Übersetzungsverhältnis .

Ein Entlastungsventil an der Pumpe begrenzt den Maximaldruck auf einen Wert, der geringfügig über dem Wert liegt, dar zur vollständigen Freigabe des fedsrbeaufschlagtsn Brems— satteis erforderlich ist.

Bei Abnahme der Motordrehzahl wird die Antriebsfolge umgekehrt. Das hydraulische System ist durch das Bimetallelement temperaturkompensiert, so daß die geregelte Drehzahl geringfügig mit der Temperatur ansteigt.

Ein Ausföhrungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schnitt- und schematische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebsaystems; und

Figur 2 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Ringraddrehzahl von der Motordrehzahl in Form einer typischen Ausgangskurve des erfindungsgemäß ausgebildeten Systems dargestellt ist.

In Figur 1 ist ein Antrieb 10 für eine Zusatzeinrichtung dargestellt, der einen Antriebsflansch 12 umfaßt, der an . eine primäre Bewegungseinrichtung, wie beispielsweise dem schematisch gezeigten Motor E eines Fahrzeugs·treibend angeschlossen und mit einer Stummelwelle 14 eines Planetenträgers 16 eines Planetenradsatzes 1Θ verbunden ist. Der Planetenradeatζ 18 umfaßt eine Vielzahl von Planetenrädern 20, die drehbar auf Wellen 22 gelagert sind, welche

vom Planetenträger 16 getragen werden, sowie ein Sonnenrad 24 und ein Ringrad 26. Das Ringrad 26 ist mit einer Gehäuseeinheit für eine Riemenscheibe verbunden, die mit der Bezugsziffer 2Θ versehen ist und, wie dargestellt, ein erstes Riemenscheibenelement 30 umfaBt, des einen Axialflansch 32 aufweist, der durch ein Kugellager 34 gelagert ist, von dem ein Laufring die Sturaiselwelle 14 umgibt und somit eine relative Drehbewegung zwischen der Riemenscheibe 30 und der Welle 14 gestattet.Die Einheit 28 umfaBt darüber hinaus eine" becherförmigen Gehäuseabschnitt 36 und einen mehrgängigen Riemenscheibsnabschnitt 38, die beide über Niete 40 mit dem Riemenscheibenelement 30 verbunden sind. Ein kreisförmiger Abschnitt 42 des Gehäuseabschnitts 36 umgibt eine Sonnenradwelle 44, wobei ein Kugellager 46 dazwischen angeordnet ist, um eine Relativdrehung beider Element zu ermöglichen. Die Welle ist innerhalb des Planetenträgers 16 durch eine Lagerhülse 47 drehbar an einem Ende gelagert. Aufgrund der beschriebenen Konstruktion rotiert die Gehäuseeinheit 28 für die Riemenscheibe zusammen mit dem Ringrad 26.

Eine Reibungsbremse 48 ist mit der Sonnenradwelle 44 treibend verbunden, wie man der Darstellung entnehmen kann. Die Bremse umfaßt voneinander im Abstand angeordnete ringförmige Platten 50, 52, zwischen denen ziehharraonikaähnlich gefaltetes, relativ dünnes metallisches Material 54 angeordnet ist, welche Konstruktion eine gute Ver-

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nichtung von Wärmeenergie sichert. Die Konstruktion der Bremse 4Θ kann man am besten der US-PS 3 773 153 entnehmen. Zur Betätigung der Bremse 4Θ ist eine hydraulische Be-L tatigungseinrichtung 56 vorgesehen, dsr von einer Pumpe 5Θ unter Druck stehendes Strömungemittel zugeführt wird. Die Pumpe wird über die Riemenscheibe 30 vom Ringrad 26 angetrieben. Die Betätigungseinrichtung 56 umfaßt zwei Backen 60s, 32, die mit Rsibbelägen 64, 36 versehen sind, die jeweils mit den Platten 50, 52 der Bremse 48 in Eingriff treten. Die Backe 60 und der Belag 64 sind relativ zu dem Rahmen 68 der Betätigungseinrichtung stationär. Der Rahmen ist an einem Träger 69 befestigt, während die Backe 62 und der Belag 66 an einer Kolbanwelle 70 montiert sind, die durch sine Öffnung 72 im Rahmen 68 bewegbar ist. Die Welle ist in der Öffnung durch ein Packungselement 74 hermetisch abgedichtet. Das gegenüberliegende Ende der Welle 70 iat mit eineta Kolben 76 verbunden, dar in einer Öffnung 78 im Rahmen 68 bewsgtar lot«. Der Kolben 72 bildet einen Hohlraum Θ0, in den unter Druck stehendes Strömungsmittel über eine Leitung 82 von der Pumps 58 eingeführt werden kann. Das andaro Ende der Öffnyng 78 ist dypch sin WerschluB-eleraemt 84 verschlossen im dais eine AuslaSöffnung 86 angeordnet ist.

Die Backa 62 und der Balag 66 »ardon durch eine ringförmige Feder ΘΘ, die zwischen dsm Ftehraen 68 und der Backe 62 angeordnet ist, in Eingriff mit der Platte 52 gepreBt.

Desgleichen preßt die Feder die Backe 60 und den Belag in Eingriff mit der Platte 50.

Die Kraft der Feder ΘΘ ist so groß, daß eins Rotation der Bremse verhindert wird, bis die erste vorgegebene Motor— drehzahl erreicht wird.

Wenn Strömungsmittel unter einem durch die Drehzahl des Ringrades bestimmten Druck von der Pumpe 53 dem Hohlraum 80 zugeführt wird, wird der Kolben 76 gegen die Federkraft in eine Position bewegt, in der dar auf die Platten 50, einwirkende Druck abgebaut wird, so daß die Bremse rotieren kann. Dabei hängt die Abbaurate von dem von den Backen 60, 62 und Belägen 64, 66 auf die Platten 50, 52 ausgeübten Druck ab.

Zur Kompensation von Temperaturänderungen ist in der Leitung 82 eine Öffnung 90 vorgesehen, und an einem bimetallischen Tragerarm 94 ist ein Ventilelenent 92 montiert« Wenn die Temperatur ansteigt, neigt das Ventilelement 92 dazu, die Öffnung 90 zu verschließen.

Ziwschen der Sonnenradwelle 44 und dem Planetenträger 16 ist eine Einweg-Reibungskupplung 96 angeordnet. Die Kupplung ist mit Hilfe von Endplatten 98, 100 gelagert. Sie umfaßt einen äußeren Laufring 102, eine Vielzahl von Klemmkörpern 104, einen Doppelkäfig 106 und eine Feder 108, wobei ein ζ ^ Teil der Welle 44 als innerer Laufring wirkt. Ein Ent-

lastungsventil 110 begrenzt den von der Pumpe 58 zur Verfugung gestellten Maximaldruck. Derartige Ventile sind

bekannt und müssen an dieser Stelle nicht weiter beschrieben werden.

Wie man der Zeichnung entnehmen kann, sind verschiedene Schmiermittelkanäle vorgesehen, um den einzelnen Teilen Schmiermittel zuzuführen.

Die in Figur 2 dargestellte Kurve stellt die Abhängigkeit der Drehzahl der Zusatzeinrichtung (oder einer zu der Drehzahl der Zusatzeinrichtung in Beziehung stehenden Drehzahl) von der Motordrehzahl dar. Die Kurve zeigt die drei Phasen des Antriebes ι 11. ein ansteigendes lineares Übersetzungsverhältnis, bis die erste vorgegebene Motordrehzahl erreicht ist; 2. eine allgemein gleichmäßige Drehzahl zwischen der ersten und zweiten vorgegebenen Motordrehzahl; und 3. ein lineares Übersetzungsverhältnis mit einem unterschiedlichen Wert eis in der ersten Phase nach der zweiten vorgegebenen Motordrshzahl. Die gleichmäßige Drehzahl oder zweite Phase des Antriebes entspricht allgemein der üblichen Laufgeschwindigkeit, beispielsweise etwa 32 bis 68 km/h (20 mph bis 55 mph).

Wenn int Betrieb der Vorrichtung der Motor den Planetenträger 16 in Drehungen versatzt und das Sonnenrad! 24 durch die Bremse 48 drehfest gehalten wird, folgt dia Drehzahl des Ringrades der ersten Phase und die Riemenscheiben 30,

rotieren entsprechend. Der drehzahlabhängige Druck von der Pumpe 58 steigt langsam an, und die Scheibenfeder ΘΘ hält die Bremse 56 stationär. Wenn die Motordrehzahl über die erste vorgegebene Drehzahl ansteigt, steigt der dem Kolben— zylinder ΘΟ zugeführte drehzahlabhängig^ Druck schneller an und der Kolben 76 beginnt, sich von der Platte 52 ivegzu» bewegen, so dafl die Bremse 56 und das Sonnenrad 26 mit einer ansteigenden Drehzahl rotieren können. Eine konstante Ringraddrehzahl (und Riemenscheibendrehzahl) wird aufrechterhalten, bis das Sonnenrad 24 die Drehzahl des Planetenträgers 16 erreicht. Bis die Motordrehzahl die zweite vorgegebene Drehzahl erreicht, reicht der der Kolbenkammer 80 zugeführte Druck jedoch nicht aus, die Bremse frei rotieren zu lassen, so daß die Reibbelägs die Bremse in gesteuerter Weise abbremsen. Wenn die Motordrehzahl ansteigt, steigt die Drehzahl dea Sonnenrades an. Wenn die Drehzahl des Sonnenrades beginnt, die des Planatenträgars zu übertreffen - wenn der Motor die zweite vorgegebene Drehzahl erreicht oder diese überschritten hat -, sperrt die Einwegkupplung 96 und verriegelt somit das Sonnenrad mit dem Planetenträger. Der drehzahlabhängige Druck bewirkt dann ein vollständiges Freigeben der Bremse, Schließlich steigt das Übersetzungsverhältnis in der dritten Phase linear an.

Claims

Patentansprüche

1.;Antriebssystem für die Zusatzeinrichtungen einer primären Bewegungseinrichtung zum Antreiben derselben mit einem vorgegebenen konstanten Drehzahlverhältnis und danach mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl, gekennzeichnet durch ι

einen Planetenradsatz (1Θ) mit einen Sonnenrad [24}, einem Ringrad (26) und Planetenrädern (20), die auf einem Planetenträger (16) angeordnet sind, wobei das Ringrad die Zusatzeinrichtungen mit dem konstanten Drehzahlverhältnis antreiben kann,wenn das Sonnenrad stationär gehalten wird;

eine federbeaufschlagte Rotationsbrerase (48), die in der Lage ist, das Sonnenrad stationär zu halten;

eine hydraulische Vorrichtung (56), die in der Lage ist, in Ansprache auf einen ansteigenden Hydraulikdruck die Rotationsbremse zunehmend freizugeben, um eine geregelte Drehung des Sonnenrades zu bewirken; und

drehzahlabhängige Einrichtungen (P), die mit dem Ringrad treibend verbunden und in der Lage sind, einen Hydraulikdruck zu erzeugen, der zusammen mit der Drehzahl des Ringrades ansteigt.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehzahlabhängigen Einrichtungen eine positive Verdrängerpumpe (p) umfassen, die eine mit der hydraulischen Vorrichtung (56) verbundene Zuführlsitung (82) aufweist, sowie eine Öffnung (90), die in der Lage ist, Strömungsmittel von der Zuführleitung umzulenken, wobei der Bereich der Öffnung so ausgewählt ist, daß der Strömungsmitteldruck in der Leitung zusammen tnit der Drehzahl der Pumpe in einer vorgegebenen Geschwindigkeit ansteigt.

3. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß es desweiteren auf Temperatur ansprechende Einrichtungen (94) aufweist, die der Öffnung zugeordnet sind, um Temperaturänderungen des Hydraulikmittels zu kompensieren.

4. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Vorrichtung einen Hydraulikzylinder (78) umfaßt, der mit der drehzahlabhängigen Vorrichtung in Verbindung steht,und einen in dem Zylinder angeordneten Kolben (76), der in der Lage ist, in Ansprache auf einen ansteigenden Druck die Rotationsbremse zunehraend freizugeben, um eine gesteuerte Rotation des Sonnenrades zu bewirken.

5. Antriebssystem nach Anspruch 1, das in der Lage ist, ein zweites konstantes Drehzahlverhältnis oberhalb einer zweiten vorgegebenen Drehzahl zur Verfugung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, daß es desweiteren eine Einwegkupplung (96) umfaßt, die zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenträger angeordnet ist, um ein direktes Antriebeverhältnis für das Ringrad vorzusehen, wenn die gesteuerte Rotation des Sonnenrades die Drehzahl des Planetenträgers übersteigt.

6. Antriebssystem, das von einer primären Bewegungseinrichtung antreibbar und in der Lage ist, Zusatzvorrichtungen mit einem ersten,im wesentlichen konstanten Drehzahlverhältnis, danach mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl und danach mit einem zweiten,im wesentlichen konstanten Drehzahlverhältnis in Abhängigkeit von der Drehzahl der primären Bewegungseinrichtung anzutreiben, gekennzeichnet durch:

einen Planetenradsatz (18) mit einem Sonnenrad (24), einem Ringrad (26) und Planetenrädern (20), die zwischen dem Sonnenrad und dem Ringrad angeordnet sind, wobei die Planetenräder mit der primären Bewegungseinrichtung treibend verbindbar sind;

eine Ausgangsriemenscheibe (38), die mit dem Ringrad treibend verbunden ist und die Zusatzeinrichtungen antreiben kann;

eine Rotationsreibungsbremse (48), die mit dem Sonnenrad in Verbindung steht;

von der Drehzahl dee Ringradee abhängige Einrichtungen (P), die der Reibungsbremse zugeordnet sind;

den eine Reibungskupplung (96J, die Planetenrädern und dem Sonnenrad zugeordnet ist, wobei die drehzahlabhängigen Einrichtungen solche Einrichtungen (56) umfassen, die die Bremse gegen Rotation sichern, bis die primäre Bewegungeeinrichtung eine vorgegebene erste Drehzahl erreicht, zu welchem Zeitpunkt die Einrichtungen eine Rotation der Bremse mit geregelten Drehzahlen ermöglichen_s bis die primäre Bewegungseinrichtung eine vorgegebene zweite Drehzahl erreicht, wonach die Einrichtungen eine freie Rotation der Bremse ermöglichen, nachdem die priraäre Bewegungseinrichtung die zweite Drehzahl erreicht hat, und wobei die Reibungskupplung (96) so konstruiert und angeordnet ist, daß sie das Sonnenrad und dia Planetsmräder mitein'» ander verriegelt, wenn diese mit dar gleichen Drehzahl rotieren, und wobei die drehzahlabhlngigen Einrichtunger. deeweiteren umfassen ι

eine Pumpe (P), die treibend mit dsr.i Ringrad verbunden ist; einen Hydraulikzylinder (7B), der von der Pumpe rait Hydraulikmittel versorgt wird j

einen Kolben (76) in dem Zylinder sowie Reibeinrichtungen, die dem Hydraulikzylinder zugeordnet und mit dam Kolben verbunden sind, wobei die Reibeinrichtungen (64, 66) einen Klemmdruck auf die Bremse (48) aufbringen, der abnimmt, wenn die Drehzahl des Ringradea über die erste vorgegebene Drehzahl ansteigt; und

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auf Temperatur ansprechende Einrichtungen (94), die der Pumpe zugeordnet sind, um Temperaturänderungen im Hydraulikmittel zu kompensieren«

7. Antriebssystem, das von einem Motor angetrieben werden kann, gekennzeichnet durch χ

eine Ausgangsriemenscheibe;

eine Getriebeeinrichtung mit mehreren Elementen, die ein Element aufweist, das mit dem treibenden Motor verbindbar ist, und ein anderes Element, das mit der Ausgangsriemenscheibe verbunden ist;

Einrichtungen, die die Drehzahl eines weiteren Elementes steuern, so daß in einem Bereich der Motordrehzahl das weitere Element gegen Rotation fixiert wird und in einem anderen Bereich mit einer Drehzahl rotiert, die mit der Motordrehzahl bis zu einer Drehzahl ansteigt, wenn das weitere Element mit der gleichen Drehzahl wie der Motor und wie das eine Element rotiert, wobei die Steuereinrichtungen eine Reibungsbremse und Einrichtungen umfassen, die die Reibungsbremse betätigen, und wobei die Betätigungseinrichtungen für die Reibungsbremse ein hydraulisches System aufweisen, das eine Pumpe umfaßt, die von der Ausgangsriemenscheibe angetrieben werden kann, um Hydraulikmittel zu pumpen, und die Einrichtungen zum Kompensieren von Temperaturänderungen in dem Hydraulikmittel umfassen; und

Einrichtungen, die das weitere Element und das eine Element miteinander verriegeln, so daß diese zusammen umlaufen, wobei das System ein erstes linear ansteigendes Drehzahlverhältnis für die Ausgangsriemenscheibe vorsieht, danach eins allgemein gleichmäßige Drehzahl für dieselbe und schließlich ein zweites linear ansteigendes Drehzahlverhältnis für die Ausgangsriemenscheibe.