DE102015117716B4 - Verfahren zur Einstellung einer Vorspannung für ein Zugmittel eines Zugmittelgetriebes, Zugmittelgetriebe und Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Einstellung einer Vorspannung für ein Zugmittel (24) eines Zugmittelgetriebes (28), wobei das Zugmittelgetriebe (28) mindestens zwei Getrieberäder (36, 38, 40, 80) aufweist, von denen mindestens eines einen nicht-kreisförmigen Wirkumfang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung im Betrieb des Zugmittelgetriebes (28) in Abhängigkeit von der Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel (24) variiert wird, wobei die Vorspannung mit zunehmender dynamischer Schwankung der Zugspannung höher eingestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Vorspannung für ein Zugmittel eines Zugmittelgetriebes, insbesondere ein Zugmittelgetriebe in Form eines Synchrontriebs, ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignetes Zugmittelgetriebe sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Zugmittelgetriebe.
• Zugmittelgetriebe in Form von Synchrontrieben, beispielsweise ausgeführt als Zahnriementriebe oder Kettentriebe, dienen bei Brennkraftmaschinen insbesondere zur Betätigung der Gaswechselventile mittels eines schlupffreien Antriebs der die Gaswechselventile betätigenden Nockenwellen durch die Kurbelwelle. Diese Synchrontriebe werden vielfach auch als Steuertriebe bezeichnet.
• Heutzutage werden bei Brennkraftmaschinen durch die Steuertriebe neben den Nockenwellen auch eine Vielzahl von Nebenaggregaten, insbesondere Klimakompressoren und Kraftstoffsowie Kühlmittelpumpen angetrieben.
• Die Drehmomentbelastung sowohl der als Antriebsräder als auch der als Abtriebsräder dienenden Getrieberäder solcher Steuertriebe ist in vielen Fällen ungleichförmig. Bei einem mit einer Kurbelwelle verbundenen, als Antriebsrad dienenden Getrieberad eines Zugmittelgetriebe ergibt sich diese Ungleichförmigkeit aus den nur phasenweise (je Umdrehung der Kurbelwelle) erfolgenden Verbrennungen in den Brennräumen der Brennkraftmaschine und dem daraus folgenden ungleichförmigen Druckverlauf, während der Drehmomentwiderstand für die mit einem oder zwei als Abtriebsräder dienenden Getrieberädern verbundenen Nockenwellen ebenfalls infolge der nur phasenweise erfolgenden Betätigung der Gaswechselventile erheblich schwankt. In gleicher Weise kann auch der Drehmomentwiderstand der von dem Steuertrieb angetriebenen Nebenaggregate schwanken. Dies gilt insbesondere für (Hochdruck-)Kraftstoffpumpen und Klimakompressoren infolge ihrer auf dem Verdrängerprinzip beruhenden Arbeitsweise.
• Schwankende Antriebs- und Abtriebsdrehmomente an den Getrieberädern eines Zugmittelgetriebes führen zu entsprechend schwankenden (dynamischen) Zugbelastungen des Zugmittels, die eine (statische) Zugbelastung, die sich aus der Montage des Zugmittels unter Vorspannung ergibt, überlagern. Dadurch können Schwingungen des Zugmittels entstehen und der geräuscharme und sichere Lauf des Zugmittels auf den Getrieberäder und sonstigen Führungselementen (z.B. Spann-, Umlenk- und Beruhigungsrollen) des Zugmittelgetriebe beeinträchtigt werden. Weiterhin leidet auch die Lebensdauer des Zugmittels durch diese erhöht schwankenden Lasten.
• Eine relativ hohe Auslegung der Vorspannung für das Zugmittel ist ein wirkungsvolle Maßnahme, solche Schwingungen des Zugmittels zu unterdrücken. Mit einer Erhöhung der Vorspannung erhöht sich jedoch gleichzeitig auch der Reibungswiderstand im Betrieb des Zugmittelgetriebes und damit der Verschleiß des Zugmittels, der Getrieberäder und der sonstigen Führungselemente sowie der Kraftstoffverbrauch der das Zugmittelgetriebe umfassenden Brennkraftmaschine.
• Dies ist insbesondere dahingehend nachteilig, weil die Vorspannungen so ausgelegt werden sollten, dass eine Schwingungsanregung der Zugmittel auch unter ungünstigsten Bedingungen ausreichend unterdrückt wird. Diese ungünstigsten Bedingungen treten jedoch bei Brennkraftmaschinen in der Regel nur zeitlich begrenzt und teilweise auch relativ selten auf, so dass für die übrigen Betriebszustände, in denen die Brennkraftmaschinen betrieben werden, die Auslegungen der Vorspannungen der Zugmittel überdimensioniert und demnach die in den Zugmittelgetrieben auftretenden Reibungsverluste unnötig hoch sind. Wird beispielsweise mittels eines Steuertriebs eines Dieselmotors auch eine Hochdruckkraftstoffpumpe angetrieben, durch die der Kraftstoff auf Drücke von bis zu 2000 bar und mehr komprimiert wird, so ist die einen ungleichförmigen Drehmomentwiderstand erzeugende Förderleistung der Hochdruckkraftstoffpumpe umso höher, je größer die Last ist, mit der die dazugehörige Brennkraftmaschine betrieben wird. Demnach nimmt bei einer solchen Brennkraftmaschine mit zunehmender Last auch die schwingungsanregende Wirkung, die von einer solchen Hochdruckkraftstoffpumpe auf den Steuertrieb ausgeübt wird, zu, während diese im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine bis fast auf null reduziert wird.
• Aus der US 7 217 206 B2 ist eine durch einen Elektromotor einstellbare Spannrolle für ein Zugmittelgetriebe bekannt, mittels der die Vorspannung des Zugmittels belastungsabhängig einstellbar ist. Eine dazu vergleichbare Spannvorrichtung ist zudem aus der DE 100 61 895 A1 bekannt.
• Eine bekannte und verbreitete Maßnahme zur zumindest teilweisen Kompensation ungleichförmiger Drehmomentbelastungen für ein Zugmittelgetriebe liegt in der Verwendung eines oder mehrerer nicht-kreisförmiger, beispielsweise ovaler Getrieberäder, die je nach Drehwinkelstellung mit einem veränderten Hebelarm auf das Zugmittel wirken und dadurch das Zugmittel auch unterschiedlich stark auf Zug belasten. Durch eine Anpassung der Drehwinkelstellung beziehungsweise der nicht kreisförmigen Kontur des oder der nicht-kreisförmigen Getrieberäder zu der Phasenlage einer schwankenden Drehmomentbelastung kann eine teilweise oder vollständige Kompensation dieser schwankenden Drehmomentbelastung bezüglich ihrer Wirkung auf die Zugbelastung des Zugmittels erreicht werden. Entsprechende Zugmittelgetriebe sind beispielsweise in der DE 203 19 172 U1 sowie der EP 1 448 916 B1 offenbart. Ein vergleichbares Zugmittelgetriebe ist zudem aus der DE 195 20 508 A1 bekannt, wobei dort das nicht-kreisförmige Getrieberad dazu genutzt wird, einen Resonanzbereich für die Schwingungsbewegung des Zugmittels in einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine nicht störenden und gegebenenfalls sogar nicht auftretenden Drehzahlbereich zu verschieben.
• Problematisch bei der Verwendung solcher nicht-kreisförmiger Getrieberäder in Steuertrieben von Brennkraftmaschinen stellt jedoch deren Auslegung dar, weil die Belastung der Steuertriebe mit einer schwankenden Drehmomentbelastung in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschinen erheblich variieren kann. Wird beispielsweise die Kompensationswirkung eines nicht-kreisförmigen Getrieberads auf die bei einem Betrieb der dazugehörigen Brennkraftmaschine bei Volllast am stärksten schwankende Drehmomentbelastung ausgelegt, so kann dies dazu führen, dass durch den Wegfall dieser schwankenden Drehmomentbelastung beispielsweise im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine die eigentlich als Kompensation gedachte Wirkung dieses Getrieberads auf die Zugbelastung des Zugmittels zu einer Schwingungsanregung des Zugmittels führt, die fast so hoch oder durch Resonanzeffekte sogar höher als die Schwingungsanregung, die bei der Verwendung eines kreisförmigen Getrieberads im Betrieb unter Volllast auftreten würde, ist. Dies und die Tatsache, dass auch andere Parameter erheblichen Einfluss auf Schwingungsanregungen der Zugmittel haben können, wie beispielsweise die Antriebsdrehzahl und das Durchlaufen eines oder mehrerer Resonanzfrequenzbereiche innerhalb der Antriebsdrehzahlbereiche, in denen die Brennkraftmaschinen betrieben werden, macht eine Auslegung der Kompensationswirkungen nicht-kreisförmiger Getrieberäder äußerst komplex und führt immer zu einem kompromissbehafteten Ergebnis.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die Vorspannung für ein Zugmittel eines Zugmittelgetriebes möglichst optimal anzupassen.
• Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignetes Zugmittelgetriebe ist Gegenstand des Patentanspruchs 7 und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Zugmittelgetriebe ist Gegenstand des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes beziehungsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
• Bei einem Verfahren zur Einstellung einer Vorspannung für ein Zugmittel eines Zugmittelgetriebes, wobei das Zugmittelgetriebe mindestens zwei Getrieberäder aufweist, von denen mindestens eines einen nicht-kreisförmigen Wirkumfang aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorspannung im Betrieb des Zugmittelgetriebes in Abhängigkeit von der Größe beziehungsweise dem Ausmaß der dynamischen, d.h. durch den Betrieb des Zugmittelgetriebes begründeten Schwankung der Zugspannung im Zugmittel variiert wird, wobei die Vorspannung (tendenziell) mit zunehmender dynamischer Schwankung der Zugspannung höher eingestellt wird. Die „Größe“ der Schwankung der Zugspannung im Zugmittel kann dabei insbesondere durch die Amplitude und/oder die Frequenz der Zugspannungsänderung definiert werden.
• Als „Vorspannung“ wird die statische Zugbelastung auf das Zugmittel, die sich aus den geometrischen Bedingungen der Umschlingung der Getrieberäder und anderer Führungselemente des Zugmittelgetriebes durch das Zugmittel ergibt, verstanden.
• Als „Wirkumfang“ wird der für die Umschlingung durch das Zugmittel wirksame Umfang eines Getrieberads verstanden, so dass eine Umfangsprofilierung des Getrieberads, die beispielsweise für die Ausbildung des Zugmittelgetriebes als Synchrontrieb erforderlich sein kann, zwar zu einem von der Kreisform abweichenden Umfang des Getrieberads führt, die Kreisförmigkeit des Wirkumfangs dadurch jedoch nicht beeinflussen werden muss.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ermöglicht, die Vorspannung variabel nur so hoch einzustellen, dass eine Schwingungsanregung des Zugmittels, die in einer dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel begründet ist, im ausreichenden Maße unterdrückt wird und gleichzeitig eine unnötig hohe Vorspannung vermieden werden kann, die mit entsprechend hohen Reibungsverlusten einhergehen würde. Auf diese Weise kann somit vorgesehen sein, die Vorspannung des Zugmittels in Abhängigkeit von der Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung möglichst immer auf ein definiertes Minimum einzustellen, wodurch nicht nur der Verschleiß der Komponenten des Zugmittelgetriebes sondern auch der Kraftstoffverbrauch einer das Zugmittelgetriebe insbesondere als Steuertrieb umfassenden Brennkraftmaschine gering gehalten werden kann.
• Durch die Verwendung zumindest eines Getrieberads mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang kann zudem in bekannter Weise eine zumindest teilweise Kompensation von ungleichförmigen Drehmomentbelastungen eines oder mehrerer der Getrieberäder erreicht werden. Dies kann insbesondere ermöglichen, die maximale Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel geringer zu halten als die Zugspannungsschwankungen, die den ungleichförmigen Drehmomentbelastungen rechnerisch entsprechen.
• Eine Besonderheit, die sich bei einem Zugmittelgetriebe mit zumindest einem Getrieberad mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang einstellen kann, ist die, dass eine dynamische Schwankung der Zugspannung im Zugmittel sich nicht nur aus einer Belastung eines oder mehrerer der Getrieberäder durch ein ungleichförmiges Antriebs- oder Abtriebsdrehmoment ergeben kann, sondern primär auch durch das oder die Getrieberäder mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang selbst hervorgerufen sein kann. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn ein Getrieberad mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang (auch) zur zumindest teilweisen Kompensation einer nur temporär im Betrieb des Zugmittelgetriebes auftretenden ungleichförmigen Drehmomentbelastung vorgesehen ist, wobei die kompensierende Wirkung des Getrieberads die gegenteilige Wirkung aufweist und folglich zu einer dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel führt, wenn die eigentlich zu kompensierende ungleichförmige Drehmomentbelastung unter den Auslegungspunkt abfällt oder vollständig entfällt. Dies kann dazu führen, dass in diesem Betriebszustand die Vorspannung für das Zugmittel erfindungsgemäß relativ hoch eingestellt wird, obwohl die Ungleichförmigkeit des Drehmoments, mit dem zumindest eines der Getrieberäder belastet wird, relativ klein (oder null) ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes kann daher vorgesehen sein, die kompensierende Wirkung dieses Getrieberads derart auszulegen, dass diese vollständig kompensierend in einem mittigen Abschnitt eines Schwankungsbereichs, in dem die Ungleichförmigkeit der Drehmomentbelastung im Betrieb des Zugmittelgetriebes auftreten kann, wirkt, wodurch dann zwar sowohl beim Überschreiten als auch beim Unterschreiten dieses Auslegungsbereichs dynamische Schwankungen der Zugspannung im Zugmittel auftreten, d.h. sowohl dann, wenn die Ungleichförmigkeit der Drehmomentbelastung oberhalb dieses mittigen Bereichs liegt (dann infolge einer „Unterkompensation“ durch das Getrieberad mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang) als auch dann, wenn die Ungleichförmigkeit der Drehmomentbelastung unterhalb dieses mittigen Bereichs liegt (dann infolge einer „Überkompensation“ durch das Getrieberad mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang). Gleichzeitig kann dadurch jedoch die maximale Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung relativ gering gehalten werden. Bei einer solchen Auslegung eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes kann dann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Vorspannung des Zugmittels relativ hoch eingestellt wird, wenn die Ungleichförmigkeit eines zumindest eines der Getrieberäder belastenden Drehmoments, vorzugsweise die Gesamtdrehmomentbelastung für alle Getrieberäder, relativ groß und auch wenn diese relativ klein ist. Andererseits kann die Vorspannung relativ niedrig eingestellt werden, wenn die Ungleichförmigkeit des belastenden (Gesamt-)Drehmoments mittelgroß (d.h. zwischen dem relativ großen und dem relativ kleinen Wert gelegen) ist.
• Ein erfindungsgemäßes Zugmittelgetriebe umfasst ein Zugmittel, das um mindestens zwei Getrieberäder geführt ist, wobei mindestens eines der Getrieberäder einen nicht-kreisförmigen Wirkumfang aufweist, eine Spannvorrichtung zur Einstellung einer Vorspannung für das Zugmittel und zudem eine mittels einer Steuerungsvorrichtung verstellbare Stellvorrichtung für die Spannvorrichtung, wobei die Steuerungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die Stellvorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ansteuert. Die Einstellung der Zugspannung kann dabei durch eine entsprechende Steuerung oder Regelung für die Spannvorrichtung mittels der Steuerungsvorrichtung erfolgen.
• Bei dem Zugmittelgetriebe kann es sich insbesondere um einen Synchrontrieb handeln, der somit eine im Wesentlichen schlupffreie Übertragung der Antriebsleistung zwischen den mindestens zwei Getrieberädern gewährleistet. Dazu kann das Zugmittelgetriebe insbesondere in Form eines Zahnriementriebs oder Kettentriebs ausgebildet sein.
• Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes kann als Steuertrieb für eine Brennkraftmaschine vorgesehen sein. Dementsprechend betrifft die Erfindung weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebe, wobei das Zugmittelgetriebe vorzugsweise der Steuertrieb der Brennkraftmaschine ist, mit dem eine Antriebsleistung von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auf eine oder mehrere Gaswechselventile der Brennkraftmaschine betätigende Nockenwellen übertragen wird. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass mittels des Zugmittelgetriebes auch ein oder mehrere Nebenaggregate der Brennkraftmaschine angetrieben werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen (elektrischen) Generator, eine (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe, eine Kühlmittelpumpe und/oder einen Klimakompressor handeln. Die erfindungsgemäß vorgesehene Einstellung der Vorspannung des Zugmittels in Abhängigkeit von der dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel kann sich dabei besonders vorteilhaft auswirken, wenn einzelne oder alle der angetriebenen Nebenaggregate einen ungleichförmigen Drehmomentwiderstand bewirken. Bei einer Kraftstoffpumpe und/oder einem Klimakompressor kann dies insbesondere der Fall sein, wenn diese als Fluidenergiemaschinen, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten und somit beispielsweise als Kolbenpumpe beziehungsweise Kolbenverdichter ausgebildet sind, der Fall sein.
• Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, dass die dynamische Schwankung der Zugspannung im Zugmittel, die erfindungsgemäß zur Einstellung einer variablen Vorspannung des Zugmittels genutzt wird, messtechnisch erfasst wird. Diese kann in einer besonders einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise einer einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes basierend auf der Berücksichtigung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Zugmittelgetriebes oder der das Zugmittelgetriebe umfassenden Brennkraftmaschine abgeschätzt werden. Beispielsweise kann die Last und/oder die Drehzahl, mit der die Brennkraftmaschine betrieben wird, vorteilhaft zur Abschätzung der Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel herangezogen werden. Somit kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die Vorspannung in Abhängigkeit eines Motorbetriebskennfelds einer das Zugmittelgetriebe umfassenden (erfindungsgemäßen) Brennkraftmaschine eingestellt wird.
• Andererseits kann es jedoch auch vorteilhaft sein, dass die Vorspannung und/oder die dynamische Zugspannung im Zugmittel direkt oder indirekt (d.h. durch Ableiten aus einem damit verknüpften Messparameter) bestimmt und insbesondere auch gemessen wird, wobei die Einstellung der Vorspannung in Abhängigkeit von beispielsweise einem Messergebnis gesteuert oder geregelt wird. Dies kann weiterhin bevorzugt ermöglichen, die Vorspannung in Abhängigkeit von dem Messergebnis für die dynamische Zugspannung auf ein definiertes Minimum einzustellen, wodurch eine besonders exakte Anpassung der Vorspannung an den für eine ausreichende Unterdrückung einer Schwingungsanregung erforderlichen Wert erfolgen kann. Für eine möglichst optimale Anpassung der Vorspannung kann im Übrigen vorgesehen sein, dass die Steuerung oder Regelung kontinuierlich (d.h. ununterbrochen oder in zeitlich definierten Abständen) durchgeführt wird.
• Die Spannvorrichtung des erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes kann entsprechend konventioneller Spannrollen, wie sie unter anderem bei Steuertrieben von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, derart ausgebildet sein, dass diese elastisch auslenkbar gelagert sind, so dass diese zusätzlich zu der Einstellbarkeit für die Vorspannung mittels der Stellvorrichtung in der Lage sind, auf dynamischen Änderungen in der Zugspannung durch ein mehr oder weniger erfolgendes Eintauchen in das Zugmittel (ermöglicht durch eine dabei variierende Vorspannung eines die Spannvorrichtung gegen das Zugmittel beaufschlagenden Federelements) passiv zu reagieren.
• Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Spannvorrichtung (abgesehen von der Einstellbarkeit mittels der Stellvorrichtung) eine starre Führung für das Zugmittel darstellt, und somit nicht entsprechend elastisch auslenkbar gelagert ist.
• In diesem Fall kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Zugmittelgetriebe neben der einstellbaren Spannvorrichtung ein zusätzliches Spannelement umfasst, das elastisch auslenkbar gelagert ist. Dieses kann entsprechend einer konventionellen Spannrolle auch derart ausgebildet sein, dass dieses insbesondere im Rahmen der Montage des Zugmittelgetriebes (manuell) einstellbar ist, um die Vorspannung im Zugmittel anzupassen. Durch eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes kann vermieden werden, dass sowohl die elastische Auslenkbarkeit als auch die Einstellbarkeit mittels der Verstellvorrichtung in eine einzige Baueinheit integriert werden müssen, was zu einer relativ aufwändigen und damit teuren Ausgestaltung der Spannvorrichtung führen könnte. Vielmehr kann dadurch auch ermöglicht werden, eine beispielsweise kostengünstig als Zukaufteil verwendbare konventionelle Spannrolle einzusetzen, die infolge ihrer elastischen Auslenkbarkeit schnell auf dynamische Schwankungen der Zugspannung reagieren kann, während die erfindungsgemäß durch die Verstellvorrichtung einstellbare Spannvorrichtung zur Beeinflussung der Vorspannung im Zugmittel auf „halbstatische“ Weise genutzt wird, indem mittels dieser relativ langsam auf dynamische Schwankungen der Zugspannung, beispielsweise infolge eines geänderten Betriebszustands für das Zugmittelgetriebe, reagiert wird. Dabei kann die Spannvorrichtung vorzugsweise auch die Funktion einer konventionellen Umlenkrolle oder konventionellen Beruhigungsrolle übernehmen.
• Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
• Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt in jeweils vereinfachter Darstellung:
• 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
• 2: ein erfindungsgemäßes Zugmittelgetriebe mit einer mittels einer Stellvorrichtung einstellbaren Spannvorrichtung in einer ersten Ausführungsform; und
• 3: einen Teil eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes mit einer mittels einer Stellvorrichtung einstellbaren Spannvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
• Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 26. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vierzylindriger Hubkolbenmotor ausgebildet ist und beispielsweise nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip betrieben werden kann. Dazu sind in einem Zylinderkurbelgehäuse 12 Zylinder 14 ausgebildet, in denen Kolben 16 längsaxial bewegbar gelagert sind. Eine durch Verbrennungsprozesse bewirkte Bewegung der Kolben 16 wird über Pleuel 18 auf eine in dem Zylinderkurbelgehäuse 12 drehbar gelagerte Kurbelwelle 20 übertragen. Diese Rotation der Kurbelwelle 20 kann auf angetriebene Räder eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) übertragen werden. Die Brennkraftmaschine 26 kann somit zur Erzeugung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug dienen.
• Eine Rotation der Kurbelwelle 20 wird zudem mittels eines erfindungsgemäßen Zugmittelgetriebes in Form eines Zahnriementriebs 28 auf eine in einem Zylinderkopfgehäuse 30 des Verbrennungsmotors 10 drehbar gelagerte erste Nockenwelle 32 übertragen. Der Zahnriementrieb 28 stellt demnach den sogenannten Steuertrieb des Verbrennungsmotors 10 dar. Bei dieser ersten Nockenwelle 32 kann es sich um eine Einlassnockenwelle handeln, mittels der Einlassventile 34, über die Frischgas in Brennräume, die von den Zylindern 14, den Kolben 16 sowie dem Zylinderkopfgehäuse 30 begrenzt sind, gesteuert eingebracht werden kann, wobei dieses Frischgas mit direkt in die Brennräume eingespritztem Kraftstoff verbrannt wird, um die durch die Kurbelwelle 20 gesteuerte Bewegung der Kolben 16 innerhalb der Zylinder 14 zu bewirken.
• Mittels eines Zahnradgetriebes (mit einer Übersetzung von eins) wird eine Drehbewegung der ersten Nockenwelle 32 auf eine zweite Nockenwelle (nicht sichtbar), bei der es sich dann um eine Auslassnockenwelle des Verbrennungsmotors 10 handeln kann, übertragen. Diese zweite Nockenwelle betätigt demnach Auslassventile (nicht sichtbar), mittels derer Abgas, das bei einer Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Brennräumen erzeugt wurde, gesteuert abgeführt werden kann.
• Ein Getrieberad in Form eines Zahnriemenrads 40 des Zahnriementriebs 28 sowie ein Zahnrad 42 des Zahnradgetriebes sind drehfest an einem ersten, aus dem Zylinderkopfgehäuse 30 herausragenden Endabschnitt der ersten Nockenwelle 32 drehfest befestigt. An einem zweiten, ebenfalls aus dem Zylinderkopfgehäuse 30 herausragenden Endabschnitt der ersten Nockenwelle 32 ist zudem ein Nocken 44 (mit einer oder mehreren Nockenerhebungen) angeordnet, der ein Teil eines Nockentriebs ist, mit dem eine als Kolbenpumpe ausgebildete (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe 46 antreibbar ist. Dabei wird mittels dieses Nockens 44 ein Förderhub eines in einem Gehäuse 48 der Kraftstoffpumpe 46 verschiebbar geführten Kolbens 50 bewirkt, während der Rückhub des Kolbens 50 mittels eines vorgespannten Federelements 52 bewirkt wird, indem dieses Federelement 52 eine an einem Ende mit dem Kolben 50 verbundene Kolbenstange 54 mit dem entsprechenden anderen Ende gegen den Nocken 44 beaufschlagt.
• Mittels der Kraftstoffpumpe 46 wird Injektoren 56 des Verbrennungsmotors 10 Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 26 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs zugeführt. Mittels der Injektoren 56 wird der Kraftstoff dann unter relativ hohem Druck und zu vorgegebenen Zeitpunkten in die Brennräume eingespritzt.
• Der Zahnriementrieb 28 umfasst neben dem Zahnriemen 24 als Zugmittel, dem Zahnriemenrad 40 der ersten Nockenwelle 32 und einem Zahnriemenrad 36 der Kurbelwelle 20 noch ein Zahnriemenrad 38 einer Kühlmittelpumpe 68. Die Kühlmittelpumpe 68 kann beispielsweise als Strömungspumpe und insbesondere als Radialpumpe ausgebildet sein. Diese umfasst somit ein innerhalb eines Strömungsraums eines Pumpengehäuses 70 drehbar gelagertes Pumpenrad 72, wobei eine das Pumpenrad 72 tragende Pumpenwelle 74 drehfest mit dem dazugehörigen Zahnriemenrad 38 verbunden ist. Durch den so bewirkbaren Drehantrieb des Pumpenrads 72 kann eine Kühlflüssigkeit in bekannter Weise zur Zirkulation in einem im Übrigen nicht dargestellten Kühlsystem der Brennkraftmaschine 26 gefördert werden. Dabei wird die Kühlflüssigkeit auslassseitig der Kühlmittelpumpe 68 in Kühlmittelkanäle 78 des Zylinderkurbelgehäuses 12 und des Zylinderkopfgehäuses 30 gefördert, um den Verbrennungsmotor 10 im Betrieb zu kühlen.
• Weiterhin umfasst der Zahnriementrieb 28 eine mittels einer Stellvorrichtung (in der 1 nicht dargestellt) einstellbare Spannvorrichtung 76, mittels der eine Vorspannung des Zahnriemens 24 einstellbar ist. Die Ansteuerung der Stellvorrichtung erfolgt dabei über eine Steuerungsvorrichtung (in der 1 nicht dargestellt), bei der es sich beispielsweise um die Motorsteuerung der Brennkraftmaschine 26 handeln kann.
• Die 2 zeigt in vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäßes Zugmittelgetriebe 28, das beispielsweise als Steuertrieb bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 26 zum Einsatz kommen kann. Das Zugmittelgetriebe 28 umfasst ein Zugmittel 24, beispielsweise in Form eines Zahnriemens oder einer Kette (zur Ausbildung des Zugmittelgetriebes 28 als Synchrontrieb), ein erstes Getrieberad 36, das zur Verbindung mit einer Kurbelwelle 20 der Brennkraftmaschine 26 vorgesehen ist, ein zweites Getrieberad 40, das zur Verbindung mit einer Nockenwelle 32 der Brennkraftmaschine 26 vorgesehen ist, ein drittes Getrieberad 80, das zur Verbindung mit einer Antriebswelle einer (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe 46 vorgesehen ist (anders als bei der Brennkraftmaschine 26 gemäß der 1 erfolgt der Antrieb der Kraftstoffpumpe 46 hier somit nicht über die Nockenwelle 32), ein viertes Getrieberad 38, das zur Verbindung mit der Antriebswelle 74 einer Kühlmittelpumpe 68 der Brennkraftmaschine 26 vorgesehen ist, eine konventionelle Spannrolle 82, eine (zusätzliche) Spannvorrichtung 76, die mittels einer von einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbaren Stellvorrichtung (nicht dargestellt) einstellbar ist, sowie eine konventionelle Beruhigungsrolle 86.
• Eine konventionelle Spannrolle 82, wie sie in dem Zugmittelgetriebe 28 gemäß der 2 vorgesehen ist, dient dazu, die Vorspannung des Zugmittels 24 bei der Montage des Zugmittelgetriebes 28 auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, indem die Spannrolle 82 eine entsprechende Distanz in den dazugehörigen Trum des Zugmittels 24 eingetaucht wird. Ist die Spannrolle 82 als sogenannte feste Spannrolle 82 ausgebildet, verändert sich deren Position im Betrieb des Zugmittelgetriebes 28 nicht, was insoweit problematisch sein kann, weil im Betrieb der das Zugmittelgetriebe 28 umfassenden Brennkraftmaschine 26 die dabei auftretenden Temperaturdifferenzen in der Regel zu einer höheren thermischen Dehnung des Verbrennungsmotors 10 und damit der Abstände zwischen den einzelnen Getrieberädern 36, 38, 40, 80 und sonstigen Führungselementen (Spannrolle 82, Spannvorrichtung 76 und Beruhigungsrolle 86) führen können, als dies für das Zugmittel 24 der Fall ist. Dies kann zu einer Erhöhung der ursprünglich eingestellten Vorspannung führen. Andererseits kann sich das Zugmittel 24 während seiner Betriebslebensdauer im relevanten Ausmaß dauerhaft längen, was wiederum zu einer Verringerung der ursprünglich eingestellten Vorspannung führt. Um diese Einflüsse auf die Vorspannung auszugleichen, werden regelmäßig sogenannte automatische Spannrollen 82 eingesetzt, bei der die Ausgangseinstellung der Vorspannung unter Federbelastung der Spannrolle 82 mit definierter Federvorspannung erfolgt. Eine nachlassende Vorspannung im Zugmittel 24 wird somit durch ein durch die vorgespannte Feder 88 bewirktes verstärktes Eintauchen der Spannrolle 82 in den dazugehörigen Trum des Zugmittels 24 kompensiert, während eine zunehmende Vorspannung im Zugmittel 24 zu einem begrenzten Ausweichen der Spannrolle 82 unter weiterer Erhöhung der Federvorspannung führt.
• Eine konventionelle Beruhigungsrolle 86 dient dagegen nicht dem Einstellen einer Vorspannung im Zugmittel 24, sondern dem unter Spannung Halten eines relativ langen Trums, um dessen Schwingungsanregung zu unterbinden, indem diese geringfügig in den entsprechenden Trum eingetaucht wird. Hierzu wird eine solche Berührungsrolle 86 bei der Montage des Zugmittelgetriebes 28 fest eingestellt. Weiterhin können fest montiere Rollen mit größerer Umschlingung verwendet werden, um den Lauf des Zugmittels 24 in einer notwendigen Art zu beeinflussen oder umzulenken beziehungsweise um die Umschlingung an einem Getrieberad 36, 38, 40, 80 des Zugmittelgetriebes 28 zu erhöhen.
• Die Drehmomente, mit denen einzelne Getrieberäder 36, 38, 40, 80 eines Steuertriebs einer Brennkraftmaschine 26 belastet werden, können stark schwanken. Dies gilt insbesondere für die mit der Kurbelwelle 20, der Nockenwelle 32 und der Antriebswelle einer (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe verbundenen Getrieberäder 36, 40, 80. Um diese ungleichförmigen Drehmomentbelastungen zumindest teilweise zu kompensieren ist in bekannter Weise vorgesehen, eines oder mehrere der Getrieberäder 36, 38, 40, 80, beispielsweise das mit der Kurbelwelle 20 verbundene Getrieberad 36, mit einem nicht-kreisförmigen (z.B. ovalen oder einem Quadrat angenäherten) Wirkumfang zu versehen, durch den in Abhängigkeit von der Drehausrichtung des entsprechenden Getrieberads 36, 38, 40, 80 die Länge der Umschlingung mit dem Zugmittel 24 und damit auch die Zugspannung im Zugmittel 24 zumindest lokal variiert. Bei entsprechender Anpassung der Drehausrichtung des entsprechenden Getrieberads 36, 38, 40, 80 bezüglich der die Ungleichförmigkeit der Drehmomentbelastung bewirkenden Effekte kann erreicht werden, dass die jeweiligen Wirkungen auf die dynamische Schwankung der Zugspannung im Zugmittel 24 sich zumindest teilweise kompensieren.
• Problematisch ist dabei jedoch die Auslegung des oder der Getrieberäder 36, 38, 40, 80 mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang, weil dessen/deren Wirkungen auf die dynamische Schwankung der Zugspannung infolge der geometrischen Festlegung unveränderlich sind, während die schwankenden Drehmomentbelastungen in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Zugmittelgetriebes 28 beziehungsweise der dieses umfassenden Brennkraftmaschine 26 erheblich variieren können. So ist beispielsweise die Förderleistung einer (Hochdruck-)Kraftstoffpumpe 46 unter Volllast am höchsten, während diese im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 26 ein Minimum erreicht. Proportional zu der Förderleistung verändert sich dabei jedoch auch das Ausmaß der Ungleichförmigkeit der Drehmomentbelastung auf das entsprechende Getrieberad 80 und damit auf das Zugmittel 24. Dies kann dazu führen, dass die Wirkung eines Getrieberads 36, 38, 40, 80 mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang, die eigentlich zur Kompensation von durch ungleichförmige Drehmomentbelastungen hervorgerufene dynamische Schwankungen der Zugspannung im Zugmittel 24 vorgesehen ist, selbst im erheblichen Ausmaß solche dynamischen Schwankungen erzeugt. Im Ergebnis sind durch ungleichförmige Drehmomentbelastungen hervorgerufene dynamische Schwankungen der Zugspannung im Zugmittel 24 im Steuertrieb einer Brennkraftmaschine 26 nicht durch den Einsatz von Getrieberädern 36, 38, 40, 80 mit nicht-kreisförmigem Wirkumfang vollständig kompensierbar.
• Um eine Schwingungsanregung des Zugmittels 24 infolge einer dynamischen Schwankung der Zugspannung zu vermeiden und dadurch einen möglichst geräuscharmen und sicheren Lauf des Zugmittels 24 auf den Getrieberädern 36, 38, 40, 80 zu gewährleisten ist es bekannt, die Vorspannung des Zugmittels 24 und damit die Grund-Zugspannung im Zugmittel 24 belastungsabhängig festzulegen, so dass bei relativ hohen dynamischen Schwankungen der Zugspannung auch eine relativ hohe Vorspannung gewählt wird. Erfolgt eine Auslegung der Vorspannung auf die höchste auftretende dynamische Schwankung der Zugspannung, bedeutet dies wegen der Abhängigkeit dieser Schwankung von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, dass die Vorspannung in den meisten Betriebszuständen überdimensioniert ist. Problematisch dabei ist, dass mit zunehmender Vorspannung auch die Reibungsverluste im Betrieb des Zugmittelgetriebes 28 zunehmen, was sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten des Zugmittelgetriebes 28 sowie auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 26 auswirkt.
• Erfindungsgemäß wird diese Problematik dadurch umgangen, dass die Vorspannung im Betrieb des Zugmittelgetriebes 28 in Abhängigkeit von der Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung variiert wird, und dabei die Vorspannung mit zunehmender dynamischer Schwankung höher eingestellt wird. Dadurch kann folglich eine stets belastungsgerechte Einstellung der Vorspannung erreicht werden, was wiederum dazu führt, dass die Reibungsverluste im Zugmittelgetriebe 28 auf das notwendige Minimum reduziert werden können. Die Einstellung der Vorspannung erfolgt bei dem Zugmittelgetriebe 28 gemäß der 2 mittels der Spannvorrichtung 76, die gleichzeitig die Funktion einer Beruhigungsrolle oder einer Umlenkrolle aufweist, jedoch - im Gegensatz zu der Beruhigungsrolle 86 - hinsichtlich der Distanz, mit der diese in den dazugehörigen Trum des Zugmittels 24 eingetaucht wird, mittels einer Stellvorrichtung (nicht dargestellt) einstellbar ist. Dies ist in der 2 anhand des Doppelpfeils angedeutet. Die mittels der Spannvorrichtung 76 aktiv veränderbare Vorspannung überlagert somit im Betrieb des Zugmittelgetriebes 28 belastungsabhängig eine Grund-Vorspannung, die mittels der Spannrolle 82 bei der Montage des Zugmittelgetriebes 28 eingestellt wurde, um die Vorspannung im Zugmittel 24 und damit die Reibungsverluste im Zugmittelgetriebe 28 belastungsabhängig so gering wie möglich zu halten.
• Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die belastungsabhängige aktive Einstellbarkeit der Vorspannung als Funktion in die Spannrolle 82 selbst zu integrieren, mit der auch die Grund-Vorspannung bei der Montage eingestellt wird. Dies ist in der 3 schematisch dargestellt. Gezeigt ist die unter Belastung einer definiert vorgespannten Feder 88 in den entsprechenden Trum des Zugmittels 24 eingetauchte Spannrolle 82, bei der mittels einer Stellvorrichtung 90, die von einer Steuerungsvorrichtung 92 angesteuert wird, Einfluss auf die Federvorspannung der Feder 88 genommen werden kann. Dadurch kann im gleichen Ausmaß die Belastung des Zugmittels 24 durch die Spannrolle 82 und damit die Tiefe des Eintauchens der Spannrolle 82 in das Zugmittel 24 verändert werden. Die Stellvorrichtung 90 kann dazu beispielsweise einen elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Stellantrieb 84 umfassen. Eine Rotation dieses Stellantriebs 84 kann beispielsweise über ein Schneckengetriebe 22 auf einen Exzenter 66 übertragen werden, durch den die Federvorspannung der Feder 88, die beispielsweise als Drehfeder ausgebildet sein kann, veränderbar ist. In Verbindung mit einem innenliegenden Stator (nicht dargestellt), der an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors 10 einer Brennkraftmaschine 26 befestigt ist, kann dies die teilweise oder vollständige Integration der Stellvorrichtung 90 in die Spannrolle 82 selbst ermöglichen.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungsmotor

12

Zylinderkurbelgehäuse

14

Zylinder

16

Kolben des Verbrennungsmotors

18

Pleuel

20

Kurbelwelle

22

Schneckengetriebe

24

Zahnriemen / Zugmittel

26

Brennkraftmaschine

28

Zahnriementrieb / Zugmittelgetriebe

30

Zylinderkopfgehäuse

32

Nockenwelle

34

Einlassventil

36

Zahnriemenrad der Kurbelwelle / erstes Getrieberad

38

Zahnriemenrad der Kühlmittelpumpe / viertes Getrieberad

40

Zahnriemenrad der Nockenwelle / zweites Getrieberad

42

Zahnrad des Zahnradgetriebes

44

Nocken

46

Kraftstoffpumpe

48

Gehäuse der Kraftstoffpumpe

50

Kolben der Kraftstoffpumpe

52

Federelement

54

Kolbenstange

56

Injektor

58

Kraftstofftank

60

Kraftstoffvorleitung

62

Kraftstoffvorförderpumpe

64

Zahnriemenrad des zweiten Zahnriemengetriebes

66

Exzenter

68

Kühlmittelpumpe

70

Pumpengehäuse

72

Pumpenrad

74

Pumpenwelle

76

Spannvorrichtung

78

Kühlmittelkanal

80

drittes Getrieberad

82

Spannrolle

84

Stellantrieb

86

Beruhigungsrolle

88

Feder

90

Stellvorrichtung

92

Steuerungsvorrichtung

Claims (10)

1. Verfahren zur Einstellung einer Vorspannung für ein Zugmittel (24) eines Zugmittelgetriebes (28), wobei das Zugmittelgetriebe (28) mindestens zwei Getrieberäder (36, 38, 40, 80) aufweist, von denen mindestens eines einen nicht-kreisförmigen Wirkumfang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung im Betrieb des Zugmittelgetriebes (28) in Abhängigkeit von der Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung im Zugmittel (24) variiert wird, wobei die Vorspannung mit zunehmender dynamischer Schwankung der Zugspannung höher eingestellt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung in Abhängigkeit von der Größe der dynamischen Schwankung der Zugspannung minimal eingestellt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung und/oder die dynamische Zugspannung im Zugmittel (24) gemessen wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung des Zugmittels (24) relativ hoch eingestellt wird, wenn die Ungleichförmigkeit eines ein Getrieberad (36, 38, 40, 80) belastenden Drehmoments relativ groß ist und/oder wenn diese relativ klein ist sowie relativ niedrig eingestellt wird, wenn die Ungleichförmigkeit des belastenden Drehmoments mittelgroß ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung der Einstellung der Vorspannung kontinuierlich durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung in Abhängigkeit eines Motorbetriebskennfelds einer das Zugmittelgetriebe (28) umfassenden Brennkraftmaschine (26) eingestellt wird.
7. Zugmittelgetriebe (28) mit einem Zugmittel (24), das um mindestens zwei Getrieberäder (36, 38, 40, 80) geführt ist, wobei mindestens eines der Getrieberäder (36, 38, 40, 80) einen nicht-kreisförmigen Wirkumfang aufweist, und mit einer Spannvorrichtung (76) zur Einstellung einer Vorspannung für das Zugmittel (24), gekennzeichnet durch eine mittels einer Steuerungsvorrichtung (92) verstellbare Stellvorrichtung (90) für die Spannvorrichtung (76), wobei die Steuerungsvorrichtung (92) derart ausgebildet ist, dass diese die Stellvorrichtung (90) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ansteuert.
8. Zugmittelgetriebe (28) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (76) eine starre Führung für das Zugmittel (24) darstellt.
9. Zugmittelgetriebe (28) gemäß Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein zusätzliches Spannelement, das elastisch auslenkbar gelagert ist.
10. Brennkraftmaschine (26) mit einem Zugmittelgetriebe (28) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.

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