DE3720236C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Antriebsanordnungen, mit dem Grundgedanken, Motor, Lader und Getriebe so zu integrieren, daß sie sich in ihrer Wirkung ergänzen, sind bekannt. Der Grundgedanke ist z. B. in DE-PS 9 20 220 enthalten, allerdings ausgehend von der Teilkombination "Lader - Motor".

Das Kernproblem bei der an sich erstrebenswerten Verwendung reibungsarmer Luft als Mittel zur Kraftübertragung, darin bestehend, Luftdruck unmittelbar in ein mechanisch wirksames Drehmoment umzusetzen, und das unter Berücksichtigung des thermodynamisch bedingten Verhaltens eines kompressiblen Mediums in einem offenen System, und das bei hoher Last, bleibt bis dahin ungelöst: Die freigesetzte Wärme muß mit separaten Kühl-Einrichtungen abgeführt werden, und der Wirkungsgrad der Systeme wird entsprechend stark vermindert.

Der Versuch, dem Problem dadurch zu entgehen, daß das Übersetzungs­ verhältnis zwischen Motorwelle und Lader erhöht und das Antriebsmoment des Laders entsprechend reduziert wird, scheitert dagegen an den hohen Lader-Drehzahlen, wie in der nachfolgenden DE-PS 9 24 000 desselben Anmelders praktisch bestätigt wird.

Im Hauptpatent (DE-PS 36 11 171) wird demgegenüber eine Antriebs­ anordnung vorgeschlagen, die thermisch beherrschbar und entsprechend belastbar ist.

Als wesentliches Mittel dazu wird hier außer einer motor­ seitigen Überdruckkammer und Rückstromkanälen der Einsatz einer Unterdruckkammer vorgesehen, die dem Verdichter ansaug­ seitig vorgelagert ist. Mit der Drosselung des Luftstroms - bei konsequentem Verzicht auf einen Teil der Fördermenge - ergeben sich daraus bereits erhebliche Vorteile:

• - Eine autonome, im System selbst erzeugte Kühlung, unab­ hängig vom Fahrtwind und von separaten Hilfsmitteln, proportional zur Last, d. h. nach Bedarf gewinnbar,
• - eine bessere Energiebilanz durch Zirkulation der Wärme innerhalb des Systems statt einer Ableitung der Wärme ins Freie,
• - im Prinzip eine Verdoppelung der pneumatisch-mechanisch übertragenen Kräfte bei gleicher effektiver Querschnitts­ fläche des Verdichters,
• - relativ niedrige Drehzahlen und entsprechend hohe Stand­ festigkeit des Verdichters
• - und andere Vorteile und Folge-Vorteile.

Damit kann der ursprüngliche Grundgedanke in einem funktions­ fähigen Antriebssystem realisiert werden, das insbesondere mit zugeschalteten Untersetzungsstufen hohe Lasten bewegen kann.

Die Grenzen der Anordnung nach dem Hauptpatent liegen vor allem darin, daß zur Verstärkung des Antriebs­ momentes Untersetzungsstufen zugeschaltet werden müssen, wenn außerdem eine Gesamtübersetzung 1 : 1 erreicht werden soll. Im Rahmen des Hauptpatentes kann zwar mit einer einstufigen Untersetzung, bei der sich ein Getriebeglied über den Verdichter am Gehäuse abstützt, auf homogene Weise eine Drehmoment-Verstärkung erzielt werden, jedoch nicht zugleich eine Gesamtübersetzung 1 : 1.

Zwar kann jeweils das volle Antriebsmoment übertragen werden, die Verdichter-Getriebe-Kombination arbeitet jedoch im Prinzip noch als Kupplung und nicht als (stufenloser) Drehmoment-Wandler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Einschränkungen aufzuheben und eine Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu konzipieren, das eine stufenlose Drehmoment-Verstärkung leistet und das andererseits eine Gesamtübersetzung 1 : 1 zuläßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, daß das resultierende Abtriebsmoment des Systems (reziprok zur Abtriebs- Drehzahl) stufenlos stellbar ist, mit einem höchsten Betrag, der - je nach Auslegung des Untersetzungsteils - größer ist als das motorseitige Antriebsmoment, und einem niedrigsten Betrag, der mindestens so groß ist wie der Betrag des motorseitigen Antriebsmomentes, wobei der Stellbereich die Gesamtübersetzung 1 : 1 einschließt.

Damit kann das Antriebsmoment des Motors optimal genutzt werden. Darüber hinaus werden relativ wenig Räder zur Kraftübertragung benötigt.

Für den Rückwärtsgang läßt sich ein Umkehrgetriebe zu­ schalten.

Die Erfindung ist in den beiliegenden Skizzen dargestellt. Anhand der Fig. 1-4 wird das Lösungsprinzip nachstehend näher erläutert.

Fig. 1-3 zeigen schematisch je eine Teilkombination aus Verdichter und Getriebe, und zwar

Fig. 1:

• - in einer Ausführung mit einem drehbar angeordneten Rotationskolben-Verdichter, deren Drehkolben- Achsen symmetrisch zur Mittelachse des Getriebes gelagert sind,
  • a) in frontaler Ansicht,
  • b) als Getriebeplan, einschließlich dem Verdichter 16,
• - Antrieb: vom Rad 11,
• - Abtrieb: zum Rad 19,

Fig. 2:

• - in einer Ausführung mit zwei drehbar angeordneten Rotationskolben-Verdichtern und einer gemeinsamen Drehkolben-Achse, die koaxial zur Mittelachse des Getriebes geführt ist,
  • a) in frontaler Ansicht,
  • b) als Getriebeplan, einschließlich den Verdichtern 25 und 26,
• - Antrieb: vom Rad 21,
• - Abtrieb: zum Rad 29,

Fig. 3:

• - in einer Ausführung mit zwei (nicht dargestellten) exzentrisch zur Mittelachse des Getriebes angeordneten drehbaren Rotationskolben-Verdichtern, in frontaler Ansicht,
• - Antrieb: vom Rad 31,
• - Abtrieb: über den Planetensteg 38.

Fig. 4 zeigt ein abstrahiertes Teilgetriebe zur Erläuterung der Drehmoment-Verstärkung, mit einem Sonnenrad A, einem Planetenrad P und dem Planetensteg S,

• - Antrieb: vom Rad A,
• - Abtrieb: über den Planetensteg S.

In dem Ausführungsbeispiel (1), in Fig. 1 schematisch dargestellt, ist ein Rotationskolben-Verdichter 16, vorzugsweise ein Roots-Lader, mit den Drehkolben 161 und 162, in die Kraftübertragung einbezogen. Die Drehkolben-Achsen 17 sind symmetrisch zur Mittelachse 10 und um diese drehbar gelagert. Das führende Umlaufräder-Getriebe besteht aus einem Sonnenrad 11, den abgestuften Planetenrädern 121/122 und 131/132 sowie dem Planetenträger 18.

Der Antrieb erfolgt über das Zentralrad 11 und wird zunächst auf die Planetenräder 121 und 131 geleitet. Das mit dem Rad 121 fest verbundene Rad 122 kämmt mit dem innen­ verzahnten Rad 141, das seinerseits mit dem Synchronisations­ rad 142 des Verdichters fest verbunden ist. Auf der anderen Seite kämmen die Räder 132, die mit den Rädern 131 fest verbunden sind, mit dem außen-verzahnten Rad 151, das mit dem Synchronisationsrad 152 fest verbunden ist. (Damit die Größenverhältnisse der einzelnen Räder sichtbar bleiben, ist im Getriebeplan, Fig. 1b, der eine Getriebeflügel gestreckt dargestellt; das Rad 151 ist durch das Rad 132 teilweise verdeckt.)

Die Last greift am Antriebsrad 19 an, das auf dem Planetensteg 18 sitzt. Die Bremswirkung, die sich darauf ergibt, führt zu einer Ausweich-Bewegung der Planetenräder 121/122 und 131/132 sowie der Synchronisationsräder 141/142 und 151/152, so daß die Rotationskolben 161, 162 zu einer Eigendrehung relativ zum Verdichter-Gehäuse gezwungen werden und Luft fördern, und zwar zunächst im Leerlauf.

Durch Drosselung der Luftströmung wird diese Relativbewegung der Rotationskolben in der in DE-PS 36 11 171 beschriebenen Weise gebremst.

Die Reaktionskraft des Verdichters, die sich daraus ergibt, wird nun teilweise auf das Planetenrad 122 zurück übertragen, und zwar, vom innen-verzahnten Rad 141 ausgehend, im Antriebs-Drehsinn. Der andere Teil der Reaktions­ kraft wird in diesem Ausführungsbeispiel über das außen-verzahnte Rad 151 auf die Planetenräder 132 zurück übertragen, wobei die Drehrichtung umgekehrt wird.

Der Verdichter dient dabei insgesamt als Stützglied zwischen dem (untersetzten) Antrieb und der Mittelachse 10, so daß insbesondere über die Planetenräder 121/122 das Abtriebs­ moment, auf den Planetensteg 18 wirkend, verstärkt werden kann.

Dadurch, daß der Verdichter 16 auf der Mittelachse 10 drehbar angeordnet ist, wird die Abstützung frei wirksam und insbesondere über die Räder 151/152 während der Rotation mitgeführt. Diese Mitführung vermindert die relative Drehmoment- Verstärkung; andererseits ermöglicht sie eine Gesamtübersetzung 1 : 1, im Gegensatz zu einer Abstützung der Untersetzungskomponente unmittelbar am ruhenden Gehäuse.

Die Verteilung von Untersetzung und direkter Antriebskomponente ist durch die Eigendrehung der Planetenräder relativ zum Planetenträger bestimmt, wobei das resultierende Abtriebsmoment bei maximaler Eigendrehung der Planetenräder (abhängig vom Untersetzungsgrad) maximal ist und bei der Eigendrehung Null sein Minimum erreicht (das dann dem Antriebsmoment entspricht).

Im Leerlauf ruht das Verdichter-Gehäuse. Bei der Übersetzung 1 : 1 drehen sich alle Teile wie eine Welle auf der Mittelachse 10; die Förderleistung des Verdichters verschwindet in diesem Fall.

Aus der vorgelagerten Untersetzung ergeben sich in dieser Ausführung relativ niedrige Drehzahlen für die Drehkolben, allerdings auch relativ hohe Übertragungskräfte. Die thermische Beherrschbarkeit des Systems nach dem Hauptpatent (DE-PS 36 11 171) wird hierfür in besonderem Maße benötigt.

Das Verdichter-Gehäuse und der Planetensteg 18 sind nicht starr mit einander verbunden. Trotzdem rotieren sie mit derselben Winkelgeschwindigkeit: Die tangentialen Kräfte werden über die Planetenräder ausgeglichen. Das Verdichter- Gehäuse wirkt dabei selbst als Planetenträger, mit den Synchronisations­ rädern als Planeten.

Statt dem Planetenradsatz 121/122 und 131/132, bestehend aus drei abgestuften Rädern, kann z. B. auch ein diametral angeordnetes Paar abgestufter Planetenräder verwendet werden, dann jedoch nur in unterschiedlichen Größen und mit geringerem konstruktivem Spielraum, da die Drehzahl-Verhältnisse für die beiden funktionstechnischen Flügel des Umlaufräder-Getriebes gleich sein müssen.

Der Vorteil des Ausführungsbeispiels (1) gegenüber anderen besteht vor allem darin, daß hierbei ein Verdichter allein ohne nennenswerten separaten Massen-Ausgleich ausreicht. Die Zentrifugalkräfte, die auf die Drehkolben-Achsen wirken, sind gegenüber den anderen Ausführungen am geringsten.

In dem Ausführungsbeispiel (2), in Fig. 2 schematisch dargestellt, sind zwei Rotationskolben-Verdichter 25 und 26 in die Kraftübertragung einbezogen, mit einer gemeinsamen Drehkolben-Achse, die koaxial zur Mittelachse 20 gelagert ist, und mit je einer exzentrischen Drehkolben-Achse 27, die um die Mittelachse 20 drehbar geführt ist.

Das führende Umlaufräder-Getriebe besteht hier aus dem (kleineren) zentralen Antriebsrad 21, einem Paar (größerer) abgestufter Planetenräder 221/222 und 231/232, dem abtriebs­ seitigen Planetensteg 28 sowie einem zweiten Zentralrad 24, wobei die Räder 222 und 24 zugleich Synchronisations­ räder für den Verdichter 25 und die Räder 232 und 24 Synchronisationsräder für den Verdichter 26 sind.

Die Ausweich-Bewegung der Drehkolben unter Last wird hier auf die Planetenräder 222 und 232 sowie auf das Zentralrad 24 übertragen. Mit der Drosselung des Luftstroms wird - wie im Ausführungsbeispiel (1) - die Drehzahl der Planetenräder zwingend reduziert. Die Reaktionskraft der Verdichter bewirkt hier unmittelbar eine Abroll-Bewegung der Planetenräder auf dem Zentralrad 24, untersetzt in dem Größen­ verhältnis der Räder 21 und 221 bzw. 21 und 231.

Durch die drehbare Anordnung der beiden Verdichter bleibt die Überlagerung der Untersetzungskomponente und des direkten Antriebes für alle Übersetzungs-Verhältnisse bis zur Übersetzung 1 : 1 erhalten, wie in Ausführungsbeispiel (1).

Der Vorteil des Ausführungsbeispiels (2) gegenüber anderen besteht darin, daß beide Flügel des Umlaufräder-Getriebes progressiv wirken und daß die Abstützung des Untersetzungsteils unmittelbar über die gemeinsame Drehkolben-Achse bzw. an der Mittelachse 20 geschieht.

(Anstelle von zwei drehbaren Verdichtern könnte z. B. auch ein einzelner Verdichter eingesetzt werden, dessen eine Drehkolben-Achse koaxial zur Mittelachse 20 gelagert ist, sofern ein Massen-Ausgleich für die exzentrische Anordnung vorgesehen wird.)

Das Ausführungsbeispiel (3) in Fig. 3 integriert zwei (nicht dargestellte) Rotationskolben-Verdichter, jeweils mit exzentrischer Lagerung aller Drehkolben-Achsen in bezug auf die Mittelachse 30, mit dem Antrieb durch das Zentralrad 31 und dem Abtrieb über den Planetensteig 38.

Die Funktionsweise ist analog zu den Ausführungsbeispielen (1) und (2).

Die Planetenräder 321 und 322 bzw. 331 und 332 sind jeweils fest miteinander verbunden. Die Räder 322 und 34 bzw. 332 und 35 synchronisieren je einen Verdichter.

Die Drehkolben-Achsen sind so angeordnet, daß die Verbindungs­ linien der Achsen (31, 34, 322) und (31, 35, 332) ein rechtwinkliges Dreieck bilden. Auf diese Weise wird eine relativ starke Untersetzungskomponente ohne weitere Planetenrad­ sätze und eine in tangentialer Richtung neutrale Abstützung über die Räder 34 und 35 erzielt.

Der Vorteil gegenüber den anderen Ausführungen besteht ferner darin, daß Verdichter in standardmäßiger Grundform verwendet werden können.

Die Ausführungsbeispiele (1-3) sind Anwendungen desselben Lösungsprinzips, das der Erfindung, von konstruktiven Details abgesehen, zugrunde liegt.

Zur Erläuterung der Drehmoment-Verstärkung wird in Fig. 4 ein Teilgetriebe mit einem zentralen Antriebsrad A, einem Planetenrad P und dem abtriebsseitigen Steg S angenommen: A habe den Radius r _A und P den Radius r _P . Das Antriebsmoment am Rad A sei mit der Kraft F _A fest vorgegeben. Die Winkelgeschwindigkeit w _A des Antriebsrades A sei konst. <0, und am Planetensteg S wirke eine Last mit der Kraft F _S .

Die Ausweich-Bewegung des Planetenrades P ergibt dann zunächst eine Eigendrehung von P relativ zum Planetensteg S mit der Winkelgeschwindigkeit w _P .

Die Reaktionskraft eines nicht dargestellten Verdichters bei Drosselung des Luftstroms sei nun derart auf das Planeten­ rad P geführt, daß unter der Last F _S ein tangential gerichtetes Kräftepaar F₁, F₂ erzeugt wird, das dieser Ausweich- Bewegung entgegen wirkt.

Die Beträge der Kraftkomponenten sind durch F _A begrenzt; es ist F₁ + F₂ F _A .

Mit der konstruktiv geschaffenen Voraussetzung, daß die Reaktionskraft des Verdichters, insbesondere die äußere Komponente F₂, durch radiale Abstützung (über den drehbaren Verdichter) an der Mittelachse des Getriebes und damit am ruhenden Getriebe-Gehäuse entsteht, wird auch ein entsprechendes Moment M₂ der Kraft F₂ mit dem Kraftarm r _A + 2r _P erzeugt, während F₁ mit dem Kraftarm r _A ein Moment M₁ ergibt.

Am Planetenrad P wirken demnach die Momente

Das Abtriebsmoment ist also in diesem Grenzfall um den Betrag r _P F _A größer als das Antriebsmoment M _A ; d. h. die Abstützung am Getriebe-Gehäuse (radial gegen die Mittelachse) vergrößert den effektiven Kraftarm der Antriebs­ kraft F _A .

Die vorgesehene Überlagerung dieser Untersetzungskomponente mit der direkten Antriebskomponente erweitert den Stellbereich der Drehzahl-Änderung - und damit der Drehmoment- Wandlung - bis zum Fall der Übersetzung 1 : 1.

Der Verlauf dieser Überlagerung bei Übersetzungsänderung ist stetig; er kann für die in Frage kommenden Konstruktionen als linear angenommen werden. Daraus folgt das resultierende Abtriebsmoment bzw. das resultierende Lastmoment M _L in Abhängigkeit von der Eigen-Drehzahl w _P des Planetenrades P mit dem Betrag

Die Steuerung der Drehmoment-Überlagerung erfolgt mit der Steuerung der Abtriebsdrehzahl automatisch.

Wesentliches Mittel dazu ist in allen Anwendungsfällen die Drosselung der Fördermenge bzw. der Luft-Zirkulation in den verwendeten drehbaren Verdichtern. Dafür sind Einrichtungen erforderlich, die in den Skizzen nicht dargestellt sind und die auch nicht näher beschrieben werden, da sie mit herkömmlichen, technisch-konstruktiven Mitteln, z. B. mit axial verschiebbaren Elementen, realisiert werden können.

Außer den Ausführungsbeispielen (1-3) sind weitere Ausführungen möglich, einerseits z. B. mit weiteren Planeten­ radsätzen, insbesondere, um den oder die verwendeten drehbaren Verdichter zu entlasten bzw. um die Fördermenge für die Aufladung des Motors von dieser Quelle aus zu erhöhen, andererseits können z. B. bei konsequenter Beschränkung auf eine Luft-Zirkulation für die drehbaren Verdichter (und evtl. mit separater Aufladung) weitere Stellglieder und strömungstechnisch bedingter Aufwand entfallen.

Derartige Varianten, evtl. auch mit anderen Verdichter- Konstruktionen, liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

Zum Beispiel ist auch eine Ausführung mit einem oder mehreren Hubkolben-Verdichtern möglich, jeweils um die Mittelachse des Getriebes drehbar angeordnet, mit Pleuelstangen, die an je einem Planetenrad angreifen und die sich über den Zylinder radial an der Mittelachse des Getriebes abstützen können - und die allerdings auch oszillierende Massen und eine ungleichförmige Kraftübertragung ergeben.

In allen Ausführungen kann bei Bedarf, z. B. bei Abfahrten, die Bremswirkung des Motors auf pneumatischem Wege, d. h. durch eine entsprechende Drosselung des Luftstroms, genutzt werden. Besondere mechanische Vorkehrungen sind dafür nicht erforderlich.

Claims (4)

1. Antriebsanordnung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Verbrennungsmotor mit mechanischem Ladeluftverdichter der Verdrängerbauart, einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung, einem dem Verbrennungsmotor nachgeordneten Umlaufrädergetriebe und mit Steuer- und Regelorganen zur Einstellung und Erhaltung vorbestimmbarer Betriebszustände, wobei die Antriebskraft des Motors im Getriebe in zwei Komponenten teilbar ist, wovon die eine auf die Abtriebswelle der Antriebsanordnung übertragbar ist und die andere zum Antreiben des Ladeluftverdichters dient, der Ladeluftverdichter mit Hilfe von Drosselventilen steuer- bzw. regelbar ist und eine Erhöhung der auf einen Ausgang des Umlaufrädergetriebes rückwirkenden Kraft in Richtung einer Drehzahlerhöhung am anderen Getriebeausgang wirkt nach Patent Nr. 36 11 171 dadurch gekennzeichnet

• - daß das Gehäuse des/der in die Kraftübertragung einbezogenen Ladeluftverdichter(s) um die Mittelachse des Umlaufrädergetriebes drehbar gelagert ist,
• - daß der Antrieb der Antriebsanordnung mit Drehzahl- Untersetzung auf mindestens ein Planetenrad übertragen wird, das sich unter Last radial an der Mittelachse des Umlaufrädergetriebes abstützt, wobei der drehbar gelagerte Verdichter als Zwischenglied und als Reaktionsorgan dient,
• - daß die Verdichter-Reaktionskraft auf mindestens ein Planetenrad des Umlaufrädergetriebes übertragen wird, derart, daß ein tangential wirkendes Kräftepaar entsteht, dessen innere Komponente (mit dem kürzeren Kraftarm in bezug auf die Mittelachse des Getriebes) dem Antriebs-Drehsinn entgegengerichtet ist, während dessen äußere Komponente (mit dem längeren Kraftarm in bezug auf die Mittelachse des Getriebes) in Antriebs- Richtung auf den Planetenträger wirkt und von diesem unmittelbar oder mittelbar auf die Abtriebswelle der Antriebsanordnung übertragen wird und
• -daß Einrichtungen vorgesehen sind, die den Förderstrom und/oder die Luft-Zirkulation der verwendeten drehbaren Verdichter auch während der Rotation verstellbar drosseln, insbesondere mit Hilfe axial verschiebbarer Elemente.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere drehbar angeordnete Rotationskolben- Verdichter vorgesehen sind, deren Drehkolben-Achsen symmetrisch zur Mittelachse des Getriebes gelagert sind (Fig. 1).

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere drehbar angeordnete Rotationskolben- Verdichter vorgesehen sind, mit je einer Drehkolben-Achse, die koaxial zur Mittelachse des Getriebes gelagert ist (Fig. 2).

4. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere drehbar angeordnete Rotationskolben- Verdichter vorgesehen sind, deren Drehkolben-Achsen exzentrisch zur Mittelachse des Getriebes gelagert sind (Fig. 3).