DE3800346A1 - Antriebsvorrichtung fuer veraenderbare drehzahlen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebs­ vorrichtung zum Antreiben einer angetriebenen Welle mit geringen Änderungen der Drehzahl derselben, wenn sich die Drehzahl einer Antriebswelle ändert, welche Antriebsvor­ richtung beispielsweise benutzt wird, um Zusatzeinrichtungen einer Automobilmotors von dessen Kurbelwelle aus anzutrei­ ben, wobei große Änderungen der Drehzahl der Zusatzeinrich­ tungen unerwünscht sind.

Wechselstromgeneratoren, die als Stromversorgungseinrich­ tungen für elektrische Systeme dienen, welche normalerweise einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind, werden durch die Kurbelwelle derselben bei einer Drehzahl angetrieben, die direkt proportional zu der Drehzahl der Kurbelwelle ist. Der Wechselstromgenerator ist dafür ausgelegt, genügend elek­ trische Energie selbst dann zu erzeugen, wenn der Motor in einem niedrigen Drehzahlbereich arbeitet. Daher erzeugt, wenn der Motor bei einer hohen Drehzahl arbeitet, der Wech­ selstromgenerator zuviel elektrische Energie und stellt für den Motor eine unnötige Last dar.

Zur Lösung dieses Problems sind bereits verschiedene Vor­ schläge gemacht worden, um diese Nachteile zu beseitigen.

Gemäß einem Vorschlag besteht die angetriebene Riemenschei­ be, die auf der Generatorwelle sitzt, aus einer Riemen­ scheibe mit variablem effektiven Durchmesser, wobei der effektive Durchmesser in Übereinstimmung mit der elektromo­ torischen Kraft des Generators zum Antreiben desselben bei einer konstanten Drehzahl eingestellt wird (vergl. Japani­ sche Patent-Offenlegungsschrift Nr. 60-38 933).

Ein anderer Vorschlag sieht Riemenscheiben mit Kupplungen vor, wobei die Riemenscheiben auf einer Kurbelwelle bzw. einer Nockenwelle montiert sind und wobei diese Riemen­ scheiben wirksam mittels einer einzigen Riemens mit der Riemenscheibe eines Generators gekoppelt werden. Während eines Niedrigdrehzahlbetriebs ist die Riemenscheibe auf der Kurbelwelle gekoppelt, um den Generator mit der Kurbelwelle anzutreiben, und während eines Hochdrehzahlbetriebs steht die Kupplung an der Riemenscheibe auf der Nockenwelle in Eingriff, um den Generator mit der Nockenwelle bei der Hälfte der Drehzahl der Kurbelwelle anzutreiben (vergl. Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 50-1 21 603 u. US-PS 42 96 717).

Gemäß einer weiteren bekannten Anordnung werden die äußeren und inneren Zahnräder einer Zahnradpumpe als Wellenkupplun­ gen benutzt, und die Drehzahl des Generators, der angetrie­ ben wird, wird durch Regeln der Durchflußrate der Zahnrad­ pumpe variiert (vergl. Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 56-6 020). Hierzu vergl. auch eine weitere bekannte An­ ordnung (offenbart in der US-PS 44 112 460) zum Antreiben eines Generators bei zwei unterschiedlichen Drehzahlen.

In dem Vorschlag, der zuvor als erster beschrieben wurde, ist eine Gleitwelle in einer Rotorwelle des Generators an­ geordnet und wird durch einen Strom, der durch den Rotor fließt, magnetisiert. Die Gleitwelle wird abhängig von dem Strom axial bewegt, um die Riemenscheibe zu bewegen. Daher muß die Rotorwelle des Generators aus einer Doppelwellen­ konstruktion bestehen, die kompliziert und teuer ist.

Das zweite beschriebene System erfordert Kupplungen, die jeweils mit der Kurbelwelle und der Nockenwelle zusammen­ wirken müssen, und demzufolge ist dieses System ebenfalls teuer. Darüber hinaus führt die Kupplung auf der Kurbelwelle zu einem wesentlichen Ansteigen der Länge der Kurbelwelle. Dadurch wird die axiale Länge des Motors vergrößert und der Aufnahmeraum für den Motor muß vergrößert werden, um den Motor aufnehmen zu können.

Die dritte beschriebene Anordnung ist dahingehend nachtei­ lig, als die Temperatur des Schmieröls ansteigt, weil das Öl, das durch die Zahnradpumpe zu fließen gezwungen wird, in seinem Fluß durch ein Ventil einen Widerstand überwinden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Antriebs­ vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit verhältnismäßig einfachen Mitteln und daher wirtschaftlich und zuverlässig die zuvor erläuterten Nachteile, die den Anordnungen gemäß dem Stand der Technik anhaften, vermeiden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Antriebsvorrichtung für veränderbare Drehzahlen, mit einer Antriebswelle, vorge­ schlagen, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch zu­ mindest eine angetriebene Konstantdrehzahlverhältnis-Welle, eine angetriebene Variabeldrehzahlverhältnis-Welle, eine Vielzahl von Antriebs-Riemenscheiben unterschiedlicher Durchmesser, die auf der Antriebswelle, beispielsweise einer Kurbelwelle, montiert sind, zumindest eine angetriebene Konstantdrehzahlverhältnis-Riemenscheibe, die auf der ange­ triebenen Konstantdrehzahlverhältnis-Welle montiert ist, eine Vielzahl von Drehzahländerungs-Riemenscheiben, die auf der angetriebenen Variabeldrehzahlverhältnis-Welle montiert sind, welche Vielzahl gleich der Vielzahl der Antriebs- Riemenscheiben ist, einen Umschaltmechanismus zum selektiven Koppeln der Drehzahländerungs-Riemenscheiben mit der ange­ triebenen Variabeldrehzahlverhältnis-Welle, ein Drehungs­ übertragungsmittel zum Zusammenwirken mit einer der An­ triebs-Riemenscheiben, der angetriebenen Konstantdrehzahl­ verhältnis-Riemenscheibe sowie einer der Drehzahländerungs- Riemenscheiben und ein weiteres Drehungsübertragungsmittel zum Zusammenwirken mit zumindest der weiteren Antriebs-Rie­ menscheibe und der weiteren Drehzahländerungs-Riemenscheibe.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt vorteilhafterweise in einer bevorzugten Betriebsart dann, wenn die Drehzahl der Antriebswelle eine vorgeschriebene Drehzahl erreicht oder diese sogar überschreitet, daß eine der Drehzahländerungs- Riemenscheiben, d. h. die Niedrigdrehzahl-Riemenscheibe, von der angetriebenen Variabeldrehzahlverhältnis-Welle abgekop­ pelt wird und die andere Drehzahländerungs-Riemenscheibe, d. h. die Hochdrehzahl-Riemenscheibe mit der angetriebenen Variabeldrehzahlverhältnis-Welle gekoppelt wird, um von einem Drehungsübertragungssystem zu dem anderen umzuschal­ ten, um dadurch die Drehzahl der angetriebenen Variabel­ drehzahlverhältnis-Welle zu ändern.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele für die vor­ liegende Erfindung anhand mehrerer Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels für ein Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfin­ dung.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht - wobei bestimmte Abschnitte im Schnitt dargestellt sind - eines Umschaltmechanis­ mus, der in einem Antriebssystem gemäß der vorlie­ genden Erfindung benutzt wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, aus dem die Beziehungen zwischen der Motordrehzahl und der Generatordrehzahl bei Drehzahländerungen hervorgehen.

Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht - ähnlich derjenigen gemäß Fig. 1 - eines zweiten Ausführungsbeispiels für die vorliegende Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Zusatzeinrichtungs-Antriebsvorrichtung zur Verwendung mit einem Automobilmotor. Das Antriebssystem enthält eine Kurbelwelle 1, eine Gebläse-Welle 2 für eine Klimaanlage, eine Öldruckpumpen-Welle 3 für einen Servolenk­ mechanismus und eine Wechselstromgenerator-Welle 4. Auf der Kurbelwelle 1 sind Antriebs-Riemenscheiben 5 u. 6 unter­ schiedlichen Durchmessers fest montiert. Auf die Gebläse- Welle 2 ist eine angetriebene Riemenscheibe 7 gesetzt, die durch eine elektromagnetische Kupplung mit der Welle ver­ bindbar oder von dieser lösbar ist. Auf die Öldruckpumpen- Welle 3, die mittels eines Rückschlagventils mit einer Öl­ druckpumpe gekoppelt ist, ist eine weitere angetriebene Riemenscheibe 8 gesetzt. Auf der Wechselstromgenerator-Welle 4 sind Drehzahländerungs-Riemenscheiben 9 u. 10 (im folgen­ den als Hochdrehzahl-Riemenscheibe 9 bzw. Niedrigdrehzahl- Riemenscheibe 10 bezeichnet), die bei hohen bzw. niedrigen Drehzahlen des Motors betreibbar sind, montiert, wie dies auch in Fig. 2 gezeigt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, weist ein Wechselstromgenerator 11 ein Gehäuse 12, einen Stator 13 und einen Rotor 14 auf, wobei seine Wechselstromgenerator-Welle 4 mit einem Riemen­ scheibenträger 15 verbunden ist. Der Riemenscheibenträger 15 enthält eine Laufbuchse 16 und einen Flansch 17. Die Hoch­ drehzahl-Riemenscheibe 9 ist auf der Laufbuchse 16 durch Kugellager 18 und eine Einwegkupplung 19 montiert. Die Nie­ drigdrehzahl-Riemenscheibe 10 ist ebenfalls auf der Lauf­ buchse 16 durch Kugellager 20 montiert.

Mit einem Flansch an dem inneren Ende der Niedrigdrehzahl- Riemenscheibe 10 ist mittels einer Federscheibe 22 und Nie­ ten 23, 24 eine Kupplungsscheibe 21 verbunden. Die Kupp­ lungsscheibe 21 ist der äußeren Oberfläche des Flansches 17 des Riemenscheibenträgers 15 mit einem kleinen Luftspalt da­ zwischen gegenüberliegend angeordnet. Die innere Oberfläche des Flansches 17 hat eine ringförmige Nut 27, die zwischen Rippen 25, 26 definiert ist, welche von der inneren Oberflä­ che des Flansches 17 vorstehen. An dem Gehäuse 12 des Wech­ selstromgenerators 11 ist mittels Schrauben 28 und einer Anbringungsscheibe 29 ein Elektromagnet 30 befestigt. Der Elektromagnet 30 ist in der ringförmigen Nut 27 angeordnet.

Der Elektromagnet 30 und die Kupplungsscheibe 21 bilden in Verbindung miteinander eine elektromagnetische Kupplung 31, die als ein Umschaltmechanismus dient.

Das Drehzahlverhältnis zwischen den Riemenscheiben 5, 10 und das Drehzahlverhältnis zwischen den Riemenscheiben 6, 9 kann wie erforderlich hergestellt werden. In diesem Ausführungs­ beispiel ist indessen das Drehzahlverhältnis r zwischen den Riemenscheiben 5, 10 zu 2.51 gewählt, und das Drehzahl­ verhältnis r zwischen den Riemenscheiben 6, 9 ist zu 1.27 gewählt. Die Riemenscheiben 5, 7, 10 sind in einer Ebene angeordnet, und ein Drehungsübertragungsmittel 32, im fol­ genden einfach als "Riemen" bezeichnet, ist um diese Rie­ menscheiben 5, 7, 10 herumgespannt, um auf diese Weise ein Übertragungsystem zu schaffen, das bei einer niedrigen Drehzahl arbeitet (im folgenden als "Niedrigdrehzahl-Über­ tragungsystem" bezeichnet), wodurch die Riemenscheibe 10 mit dem 2.51fachen der Drehzahl der Kurbelwelle 1 gedreht wird. Um die Riemenscheiben 6, 8, 9 ist ein "Riemen" 33 gespannt, um auf diese Weise ein Übertragungssystem zu schaffen, das bei einer hohen Drehzahl arbeitet (im folgenden als "Hoch­ drehzahl-Übertragungssystem" bezeichnet), wodurch die Rie­ menscheibe 9 bei der 1.27fachen Drehzahl der Kurbelwelle gedreht wird. Die "Riemen" 32, 33 sind durch Spannrollen 34 gespannt und können in einer herkömmlichen Form ausgeführt sein, beispielsweise als Keilriemen, als Rollenketten, als Steuerriemen usw.

Die Gebläse-Welle 2 und die Öldruckpumpen-Welle 3 sind an­ getriebene Wellen, die bei konstanten Drehzahlverhältnissen durch die Kurbelwelle 1 drehbar sind. Die Wechselstrom­ generator-Welle 4 ist eine angetriebene Welle, die bei einem veränderbaren Drehzahlverhältnis drehbar ist.

Wenn die Drehzahl der Kurbelwelle 1, d. h. die Drehzahl N _E des Motors erhöht wird, wird die Drehzahl N _A der Riemen­ scheiben 9, 10, wie in Fig. 3 gezeigt, verändert. Die Kurve 1 ₁ zeigt Änderungen in der Drehzahl der Niedrigdrehzahl-Rie­ menscheibe 10 an, und die Kurve 1 ₂ zeigt Änderungen in der Drehzahl der Hochdrehzahl-Riemenscheibe 9 an. Da die Rie­ menscheibe 10 durch die mit dem größeren Durchmesser verse­ hene Antriebs-Riemenscheibe 5 angetrieben wird, dreht die Riemenscheibe 10 jederzeit bei einer höheren Drehzahl als der Drehzahl der Riemenscheibe 9.

Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, wird die elektromagne­ tische Kupplung 31 betätigt, um die Kupplungsscheibe 21 an den Flansch 17 heranzuziehen. Die Niedrigdrehzahl-Riemen­ scheibe 10 wird auf diese Weise mit der Wechselstromgenera­ tor-Welle 4 durch den Riemenscheibenträger 15 verbunden, um den Wechselstromgenerator 11 bei einer Drehzahl anzutreiben, die durch die Kurve 1 ₁ in Fig. 3 angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt läuft die Einwegkupplung 19 der Hochdrehzahl- Riemenscheibe 9 leer, da der Riemenscheibenträger 15 bei einer höheren Drehzahl als der Drehzahl der Riemenscheibe 9 dreht. Wenn die elektromagnetische Kupplung 31 zu dem Zeit­ punkt außer Eingriff kommt, zu dem die Drehzahl des Wech­ selstromgenerators 11 den Wert N _A 1 erreicht und die Drehzahl des Motors den Wert N _E 1 erreicht, wird das Drehmoment von der Riemenscheibe 9 durch die Einwegkupplung 19 auf die Wechselstromgenerator-Welle 4 übertragen.

Durch dieses Umschalten zwischen den Drehungsübertragungs­ systemen wird die Drehzahl des Wechselstromgenerators 11 auf den Wert N _A 2 herabgesetzt und dann längs der Kurve 1 ₂ er­ höht, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Daher kann die maxi­ male Drehzahl N _A 3 des Wechselstromgenerators 11 auf etwa 10 000 U/min begrenzt werden, um die erzeugte Energie unterhalb eines vorgeschriebenen Pegels zu halten. Da die Drehzahl­ verhältnisse, die durch die Kurven 1 ₁, 1 ₂ angegeben sind, ihrerseits etwa ein Verhältnis von 2 : 1 haben, kann die Drehzahl des Generators durch Umschalten auf das Hochdreh­ zahl-Übertragungssystem auf ungefähr die Hälfte herabgesetzt werden. Die Differenz zwischen den elektrischen Leistungs­ werten, die bewirkt wurden, wenn der Generator bei Na=15 000 U/min ohne Umschalten auf das Hochdrehzahl-Übertra­ gungssystem angetrieben wurde und wenn der Generator bei N _A =7500 U/min durch Umschalten auf das Hochdrehzahl-Über­ tragungssystem angetrieben wurde, betrug (wie durch einen Versuch ermittelt) ungefähr 0.5 PS=368 W.

Der Punkt, an dem die Drehzahl N _A des Generators geändert wird, kann durch die Motordrehzahl N _E gesteuert werden, wie dies zuvor beschrieben ist. Ein derartiger Drehzahlände­ rungspunkt kann auch durch Inbetrachtziehen der Höhe der elektrischen Last an dem Generator verändert werden. Im übrigen ist es notwendig, ein bestimmtes Maß von Hysterese beim Ändern der Drehzahl des Generators vorzusehen, um die Lebensdauer des Steuermechanismus zu verlängern.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Gebläse-Welle 40 Antriebs- Riemenscheiben 44, 45 trägt, eine Kurbelwelle 41 eine angetriebene Riemenscheibe 46 trägt, eine Öldruckpumpwelle 42 eine angetriebene Riemenscheibe 47 trägt und eine Generatorwelle 43 Antriebs-Riemenscheiben 48, 49 trägt, wobei die Riemenscheiben 44, 46, 47, 48 durch einen einzelnen Riemen 50 antreibbar sind und die Riemen­ scheiben 45, 49 durch einen einzelnen Riemen 51 antreibbar sind. Zwischen der Generatorwelle 43 und den Riemenscheiben 48, 49 ist der gleiche Umschaltmechanismus, wie er in Fig. 2 gezeigt ist und der die Einwegkupplung und die elektroma­ gnetische Kupplung enthält, angeordnet.

Der Generator, der in Fig. 4 schematisch durch die Genera­ tor-Welle 43 gezeigt ist, wird in gleicher Weise wie der Generator gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel angetrieben. Da sich der Riemen 50 lediglich um das äußere Profil des Motors herum erstreckt, steht ein großer Raum A, der durch den Umlaufweg des "Riemens" begrenzt ist, zum Anordnen weiterer Zusatzeinrichtungen darin zur Verfügung.

Es sei angemerkt, daß die beiden angetriebenen Riemenschei­ ben 9, 10 in dem ersten Ausführungsbeispiel oder 48, 49 in dem zweiten Ausführungsbeispiel ohne weiteres unterschied­ liche Abmessungen haben können, um ein unterschiedliches Verhältnis zwischen den Hoch- und Niedrigdrehzahl-Antrieben des Generators zu erhalten, wenn dies gewünscht ist, ohne dazu irgendeine der anderen Riemenscheiben oder irgendeines der andereren Verhältnisse verändern zu müssen.

Bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die angetriebene Variabeldrehzahlverhältnis-Welle mit einer Vielzahl von Drehzahländerungs-Riemenscheiben und einem Umschaltmechanismus zum Auswählen dieser Riemenscheiben kombiniert. Daher ist es nicht notwendig, die Antriebswelle mit einem derartigen Umschaltmechanismus zu versehen. In Fällen, in denen die beschriebene Anordnung als eine An­ triebsvorrichtung zum Antreiben von Zusatzeinrichtungen eines Auotmobilmotors benutzt wird, ist der Umschaltmecha­ nismus auf der kurzen Generatorwelle statt auf der langen Kurbelwelle, was zu einer Verlängerung des Motors führen würde, montiert. Daher kann der Mechanismus zum Steuern des Drehzahlverhältnisses des Generators ohne Vergrößern der Mo­ torlänge angeordnet werden.

Darüber hinaus werden Kraftübertragungssysteme zum Antreiben der angetriebenen Konstantdrehzahlverhältnis-Wellen zum Antreiben der angetriebenen Variabeldrehzahlverhältnis-Welle benutzt, und es ist nur ein Umschaltmechanismus erforder­ lich. Dementsprechend weist der gesamte Übertragungsmecha­ nismus einen einfachen Aufbau auf.

Es ist ersichtlich, daß die beschriebenen Ausführungsbei­ spiele für die vorliegende Erfindung durch den Fachmann im Rahmen der technischen Lehre zahlreichen Modifikationen unterzogen werden können, ohne daß dazu der allgemeine Er­ findungsgedanke oder der Schutzumfang, wie er durch die Patentansprüche bestimmt ist, verlassen werden müßte.

Claims (5)

1. Antriebsvorrichtung für veränderbare Drehzahlen, mit einer Antriebswelle, gekennzeichnet durch

• - zumindest eine angetriebene Konstantdrehzahlverhält­ nis-Welle (2, 3),
• - eine angetriebene Variabeldrehzahlverhältnis-Welle (4),
• - eine Vielzahl von Antriebs-Riemenscheiben (5, 6) un­ terschiedlicher Durchmesser, die auf der Antriebswelle, beispielsweise einer Kurbelwelle (1), montiert sind,
• - zumindest eine angetriebene Konstantdrehzahlverhält­ nis-Riemenscheibe (7, 8), die auf der angetriebenen Konstantdrehzahlverhältnis-Welle (2, 3) montiert ist,
• - eine Vielzahl von Drehzahländerungs-Riemenscheiben (9, 10), die auf der angetriebenen Variabeldrehzahlver­ hältnis-Welle (4) montiert sind, welche Vielzahl gleich der Vielzahl der Antriebs-Riemenscheiben (5, 6) ist,
• - einen Umschaltmechanismus (21, 30, 31) zum selektiven Koppeln der Drehzahländerungs-Riemenscheiben (9, 10) mit der angetriebenen Variabeldrehzahlverhältnis-Welle (4),
• - ein Drehungsübertragungsmittel (32) zum Zusammenwirken mit einer der Antriebs-Riemenscheiben (5), der ange­ triebenen Konstantdrehzahlverhältnis-Riemenscheibe (7) sowie einer der Drehzahländerungs-Riemenscheiben (9) und
• - ein weiteres Drehungsübertragungsmittel (33) zum Zu­ sammenwirken mit zumindest der weiteren Antriebs-Rie­ menscheibe (6) und der weiteren Drehzahländerungs- Riemenscheibe (10).

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drehzahländerungs- Riemenscheiben (9, 10) Niedrigdrehzahl- und Hochdreh­ zahl-Riemenscheiben enthalten und daß der Umschaltme­ chanismus (21, 30, 31) betätigbar ist, um von der Nie­ drigdrehzahl-Riemenscheibe (10) zu der Hochdrehzahl-Rie­ menscheibe (9) zum Verbinden der angetriebenen Variabel­ drehzahlverhältnis-Welle (4) umzuschalten, wenn die Drehzahl der Antriebswelle über eine vorgeschriebene Drehzahl hinaus ansteigt.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Drehungs­ übertragungsmittel (32, 33) beispielsweise aus einem Riemen besteht, der um die betreffenden Riemenscheiben gespannt ist.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Drehungsübertragungsmittel (33) vorgesehen ist, um eine weitere Konstantdrehzahlverhältnis-Riemenscheibe (8) und eine weitere Welle (3) anzutreiben.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Drehungsübertragungsmittel (51) nur zwischen einer Antriebs-Riemenscheibe (45) und einer Drehzahländerungs- Riemenscheibe (49) wirkt und eine Antriebskraft über­ trägt.