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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hybrid-Gebläseantrieb unter Verwendung eines kontinuierlich variablen Getriebes, wobei der Gebläseantrieb zwei Betriebsmodi aufweist, einen mechanischen Modus und einen elektrischen Antriebsmodus.
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HINTERGRUND
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Da die von der Regierung angeordneten Kraftstoffsparsamkeits- und Emissionsregelungen sich weiterhin verschärfen, wird auf die Fahrzeughersteller mehr Druck ausgeübt, neue Technologien zu finden, die die Kraftstoffsparsamkeit erhöhen und Emissionen von Brennkraftmaschinen minimieren. In der ersten Reihe der neuen Emissions- und Kraftstoffsparsamkeitstechnologie steht die Elektrifizierung des Fahrzeugantriebsstrangs. Die Elektrifizierung ermöglicht hochentwickelte Steueroptionen für Antriebsstrangkomponenten, die herkömmlich direkt mit der Kraftmaschinendrehzahl gekoppelt sind. Außerdem wurden einige Hybridsysteme vorgeschlagen, die neue Kraftstoffeinsparungstechniken einführen, wie z. B. eine Start/Stopp-Technologie.
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Fahrzeuge umfassen typischerweise ein Kühlsystem, um Wärme abzuleiten, die durch das Fahrzeugantriebsaggregat wie z. B. eine Brennkraftmaschine entwickelt wird. In einem typischen Fahrzeug bewegt das Kühlsystem ein Kühlmittel durch die Kraftmaschine. Das Kühlmittel, das durch die Kraftmaschine strömt, absorbiert Wärme und überträgt sie von der Kraftmaschine weg. Wärme vom Kühlmittel muss jedoch schließlich an die Luft abgeführt werden, indem Luft durch den Kühler geleitet wird. Wenn sich das Fahrzeug mit erheblicher Geschwindigkeit bewegt, ist der Luftstaudruck, der durch den Kühler gedrängt wird, häufig ausreichend, um den Kühler zu kühlen. Wenn sich jedoch das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit bewegt, ist ein Gebläse erforderlich, um die Luft durch den Kühler zu bewegen.
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Diese Kühlgebläse werden auf zahlreiche verschiedene Weisen angetrieben. Ein breiter Bereich von Systemen steht zur Verfügung, um Leistung von den Kraftmaschinen auf die rotierenden Kühlgebläse zu übertragen. Einige von diesen umfassen Ein/Aus-Kupplungen und Viskosegebläseantriebe. Bei diesen Vorrichtungen oder Systemen wird ein Endlosriemen verwendet, um Rotationsenergie von der Fahrzeugkraftmaschine auf das Kühlgebläse der Gebläseantriebssysteme zu übertragen.
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Es besteht ein Bedarf an verbesserten Gebläseantriebssystemen, die das Fahrzeug- und Kraftmaschinenwärmemanagement unterstützen. Es besteht auch ein Bedarf an thermischen Systemen, die die Kraftstoffsparsamkeit verbessern und unerwünschte Fahrzeugemissionen verringern können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft ein kontinuierlich variables Riemenscheiben-Übertragungssystem, das zwei Betriebsmodi aufweist und eine spezielle Verwendung zum Betreiben eines Kraftmaschinenkühlgebläses aufweist. Das System besteht aus einer Anordnung mit zwei Riemenscheiben, wobei ein Endlosriemen eine Drehbewegung zwischen ihnen überträgt. Die Riemenscheiben sind jeweils durch vordere und hintere Laufrollen gebildet, die gegenüberliegende konische Oberflächen definieren. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Riemenscheiben ist durch die Position des V-förmigen Riemens zwischen den konischen Oberflächen der Laufrollen bestimmt.
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Die vorliegende Erfindung umfasst ein kontinuierlich variables System, das zwei Betriebsmodi aufweist, einen mechanischen Modus und einen elektrischen Modus. Ein Modus schafft einen direkten mechanischen Antrieb mit variabler Drehzahl. Der zweite Modus schafft einen direkten elektrischen Antrieb für das Gebläse.
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Die Erfindung umfasst einen Gummiriemen-CVT-Gebläseantrieb mit einem Fliehgewicht-Riemenspannmechanismus an der Eingangsseite und einem direkt wirkenden elektronischen Laufrollensteuermechanismus am Ausgangsmechanismus. Ein Rollengewindemechanismus wird verwendet, um die Position der hinteren Laufrolle am Ausgangselement zu steuern. Ein Elektromotor wie z. B. ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) wird verwendet, um die Betätigung des Rollengewindemechanismus elektronisch zu steuern.
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Die vorliegende Erfindung kann die thermischen Systeme im Fahrzeug und in der Kraftmaschine managen und kann gleichzeitig die Kraftstoffsparsamkeit verbessern und unerwünschte Fahrzeugemissionen verringern.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann auf dem Gebiet aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, wenn sie gemäß den beigefügten Zeichnungen und angehängten Ansprüchen betrachtet wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Diagramm eines CVT-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Ausführungsform von Ausgangslaufrollen für ein CVT-System, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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3 stellt einen Planetenrollengewinde-Laufrollenpositionierungsmechanismus dar.
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4 ist eine vergrößerte Ansicht eines CVT-Eingangselements, das bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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5 und b sind vergrößerte Ansichten, die Komponenten eines Planetenrollengewindemechanismus darstellen, der bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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7 ist ein vergrößerter perspektivischer teilweiser Querschnitt eines Abschnitts der in 2 gezeigten Ausführungsform.
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8 ist ein weiterer vergrößerter perspektivischer teilweiser Querschnitt eines Abschnitts der in 2 gezeigten Ausführungsform.
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9 stellt eine Ausführungsform eines Klauenelements dar, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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10 ist ein Graph, der die Funktionsmodi eines Hybrid-Gebläseantriebs gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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11 ist ein Zustandsübergangsdiagramm, das den Antriebsmodus-Übergangsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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12 und 13 stellen die Kupplungsmechanismen vom Klauentyp dar, die bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Für den Zweck des Förderns und Verstehens der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird nun auf die Ausführungsformen Bezug genommen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, und eine spezifische Sprache wird verwendet, um sie zu beschreiben. Trotzdem wird hierdurch selbstverständlich keine Begrenzung hinsichtlich des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt. Die Erfindung umfasst beliebige Alternativen und andere Modifikationen in den dargestellten Vorrichtungen und beschriebenen Verfahren und weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, die normalerweise einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, einfallen würden.
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung ein kontinuierlich variables Riemenantriebssystem zum Antreiben eines Kühlgebläses, das ein Hybridsystem mit zwei Betriebsmodi ist. Die bevorzugte Ausführungsform weist einen ersten mechanischen Modus mit einem kontinuierlich variablen Getriebe (CVT) mit Gummiriemen mit einer Verhältnissteuerung, das durch einen Elektromotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor), angetrieben wird, auf. Der zweite Modus ist ein direkter elektrischer Antriebsmodus, in dem das Ausgangselement des CVT durch denselben BLDC-Motor angetrieben wird, der das mechanische Übersetzungsverhältnis steuert.
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Wie bei den meisten CVT-Systemen sind zwei V-förmige Elemente vorhanden, ein Antriebselement und ein Abtriebselement. Ein Endlosriemen mit einem V-förmigen Querschnitt ist zwischen den zwei V-förmigen Laufrollen angeordnet. Der Riemen ist so konfiguriert, dass er mit einander zugewandten konischen Reibungsoberflächen eines Paars von gegenüberliegenden Riemenscheibenlaufrollen in Eingriff steht. Das kontinuierlich variable Merkmal des CVT-Systems wird durch Andern des Abstandes zwischen den Laufrollen einer speziellen Riemenscheibe erreicht.
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Wenn die Laufrollen an einer der zwei Riemenscheiben auseinander bewegt werden, bewegt sich der V-förmige Riemen radial einwärts zu einem niedrigeren Drehradius. Wenn die Laufrollen näher zueinander bewegt werden, schieben die konischen Oberflächen den V-förmigen Riemen radial nach außen, so dass der Riemen in einem größeren Durchmesser läuft. CVT-Systeme werden manchmal als Systeme eines ”unendlich variablen Getriebes” bezeichnet, da sich der V-Riemen in theoretisch irgendeinem unendlichen Bereich von Radien in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den konischen Riemenscheibenlaufrollen befinden kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ein kontinuierlich variables Riemenantriebssystem vorzugsweise verwendet, um ein Kühlgebläse anzutreiben. Dies ermöglicht, dass die Drehzahl des Kühlgebläses gleich der Menge an Kühlung gesetzt wird, die für die Kraftmaschine erforderlich ist, indem die Laufrollen so eingestellt werden, dass ein geeignetes Riemenverhältnis hergestellt wird.
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Ein Hybrid-Gebläseantriebssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 1 gezeigt und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 angegeben. Dieses System umfasst eine Eingangslaufrollenantriebsanordnung 12 und eine Ausgangslaufrollenantriebsanordnung 14. Ein Kühlgebläse 16 ist direkt mit dem stationären Laufrollenelement 18 an der Ausgangslaufrollenanordnung verbunden und wird direkt durch dieses angetrieben. Das Kühlgebläse 16 liegt typischerweise benachbart zu einem Fahrzeugkühler (nicht dargestellt).
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Die Eingangslaufrollenelementanordnung 12 ist direkt mit der Kraftmaschine 20 verbunden und treibt mit einer Kraftmaschineneingangsdrehzahl an. Ein Endlosriemen 22, vorzugsweise ein Gummiriemen, ist zwischen den zwei Sätzen von Laufrollen 12 und 14 angeordnet. Der Riemen ist vorzugsweise V-förmig und kann aus einer Vielfalt von bekannten Konfigurationen und Materialien bestehen. Der Riemen wird durch Reibungskontakt mit der Riemenscheibe der Antriebselementanordnung 12 angetrieben. Ebenso wird das Abtriebselement der Laufrollenanordnung 14 durch Reibungskontakt mit dem rotierenden Riemen angetrieben.
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Die Antriebselementanordnung 12 umfasst eine Antriebswelle 24, die so konfiguriert sein kann, dass sie an einer Kraftmaschine wie z. B. durch ein Montageelement 26 montiert ist. Die Abtriebslaufrollenelementanordnung 14 weist eine Welle 28 auf, die einen Elektromotor 30 aufweist, der am beweglichen Laufrollenelement 32 befestigt ist, um das Verhältnis relativ zum Eingangslaufrollenelement zu ändern. Eine bevorzugte Abtriebslaufrollenelementanordnung dieses Typs ist in 2 genauer gezeigt.
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Das CVT-Riemenantriebssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung funktioniert anders als typische CVT-Antriebssysteme. Herkömmliche CVT-Antriebssysteme verwenden ein Zentripetalfliehgewichtsystem für die Verhältnissteuerung am Eingangselement und spannen den Riemen mit einer Feder am Ausgangselement. Da die vorliegende Erfindung eine direkte elektronische Steuerung erfordert, werden diese Funktionen umgekehrt, so dass der elektronische Aktuator in das Ausgangselement integriert ist. 2 stellt ein Ausgangselement dar, das verwendet wird, um das Gebläseübersetzungsverhältnis zu steuern. Ein Motor 30 wird verwendet, um einen Planetenrollengewindemechanismus 40 (in 3 gezeigt) zu drehen, der die hintere Laufrolle 32 axial bewegt und das Übersetzungsverhältnis ändert. Wenn die Laufrollen am Ausgangselement sich näher zusammen bewegen, wird der Riemen auf einen größeren Radius an den Laufrollen gedrängt. Da der Riemen eine feste Länge aufweist und ein fester Mittenabstand zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangselement vorliegt, drängt der Riemen die Laufrollen am Eingangselement auseinander und bewegt sich auf einen kleineren Radius an den Eingangslaufrollen, was effektiv das Übersetzungsverhältnis verringert.
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Ein Satz von frei rotierenden Oberflächenelementen 42 an den Laufrollenflächen am Innendurchmesser erzeugt einen Lösemechanismus 45 am Eingangselement. Dies ist in 4 gezeigt. Lagerelemente 44 ermöglichen, dass sich die Oberflächenelemente 42 frei drehen. Wenn sich der Antrieb zu niedrigeren Verhältnissen bewegt, verläuft der Riemen schließlich an diesen frei rotierenden Elementen 42, die das Ausgangselement lösen. Der Eingangsmechanismus kann in dieser Weise gelöst werden, wenn es erwünscht ist, dass der Abtriebslaufrollenmechanismus nur durch den Elektromotor betrieben wird.
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Wie angegeben, ist ein Elektromotor 30 in das Ausgangselement 14 zum Steuern des Übersetzungsverhältnisses integriert. Für einen Hybridbetrieb wird ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) vorzugsweise zum Einstellen der Laufrollenposition verwendet, obwohl andere Elektromotoren wie z. B. ein Schrittmotor verwendet werden könnten. Ein Kupplungsmechanismus ist integriert, um selektiv entweder den Laufrollenpositionierungsmechanismus oder die hintere Laufrolle am Ausgangselement direkt anzutreiben. Da die Vorrichtung einen Lösemechanismus beinhaltet, kann der Elektromotor die Laufrolle in eine mechanische Löseposition antreiben. An diesem Punkt trennt der Kupplungsmechanismus den Positionsaktuator in Verbindung mit der hinteren Ausgangslaufrolle vom BLDC-Motor und verbindet die hintere Laufrolle direkt mit dem BLDC-Motor, was ermöglicht, dass das Gebläse elektrisch angetrieben wird.
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Das CVT-System gemäß dieser Ausführungsform schafft einen direkten mechanischen Antrieb mit variabler Drehzahl vielmehr durch Ändern des Übersetzungsverhältnisses als Erreichen einer variablen Drehzahl durch eine Gleitkupplung. Die vorliegende Erfindung weist keine ”Schlupfwärme” auf und benötigt folglich keine Kühlkörperrippen oder andere Vorrichtungen zum Ableiten der Wärme. Bei Gleitkupplungssystemen wird typischerweise eine Steuerlogik verwendet, um zu verhindern, dass die Kupplung in einer Zone arbeitet, in der sie einen übermäßigen Schlupf erzeugt. Dies erfordert häufig, dass die Kupplung mit einer anderen Drehzahl als jener, die für die Kühlung des Fahrzeugs ideal ist, arbeitet.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird keine andere Wärme erzeugt als jene des Riemens, der in die Riemenscheibenlaufrollen eintritt oder aus diesen austritt. Folglich ist die Vorrichtung in der Lage, eine mechanische Antriebseffizienz von bis zu 97% zu erreichen. Die Erfindung schafft folglich eine optimale Gebläsedrehzahl, wie für die Fahrzeugkühlung unter allen Betriebsbedingungen erforderlich.
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Der Lösemechanismus 45 ermöglicht, dass das Gebläse vollständig von der Kraftmaschine gelöst wird. Dies ermöglicht, dass das Gebläse vielmehr zu einem vollständigen Stopp kommt als sich weiterhin mit einigen hundert min–1 dreht, was die typische Lösedrehzahl für die meisten mechanischen Gebläseantriebe ist. Bei der vorliegenden Erfindung und mit der Fähigkeit zum mechanischen Ändern des Übersetzungsverhältnisses und für die Überdrehzahl des Gebläses kann das Gebläse viel kleiner bemessen werden und dennoch die erforderliche Luftströmung bei niedrigen Kraftmaschinendrehzahlen bereitstellen. Dies schafft Flexibilität und die Bemessung der Wärmetauscherpackung und sogar der Fahrzeugfrontöffnung, die sich auf die Aerodynamik des Fahrzeugs auswirkt. Ferner ergänzt die Fähigkeit zum Verkleinern des Gebläses unter Verwendung des CVT-Mechanismus den elektrischen Antriebsmodus, da ein kleineres Gebläse mit niedrigerem Drehmoment für den direkten Antrieb durch den Elektromotor besser geeignet ist.
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Wie in 3 gezeigt, sind die zwei Laufrollen 18 und 32 des Abtriebselements 14 an einer zentralen Achse oder einem zentralen Wellenelement 28 montiert. Die vordere Laufrolle 18 ist stationär an der Welle oder Achse 28 befestigt, während die hintere Laufrolle 32 verschiebbar auf dem Achsenelement 28 angeordnet ist. Die hintere Laufrolle ist typischerweise an der Welle verkeilt, so dass sie sich nicht relativ zur Welle dreht. Die Achse 28 ist am Montagegehäuse 27 durch ein Kugellager 29 und ein Nadellager 31 drehbar montiert.
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3 stellt auch den bevorzugten Planetenrollengewindemechanismus 40 dar, der verwendet wird, um die Position der hinteren Laufrolle am Ausgangselement zu steuern. Dies schafft ein Verfahren mit hoher Effizienz zum Umwandeln der Drehbewegung vom Motor in eine lineare Bewegung, die das CVT-Übersetzungsverhältnis steuert.
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Der Planetenrollengewindemechanismus 40 schafft eine Übertragung einer Dreh- in eine lineare Bewegung ohne Gleitreibung. Der Planetenrollengewindemechanismus muss auch keine Elemente zurückführen und er weist eine viel höhere Drehzahl- und Lastkapazität als eine Kugelumlaufspindel auf. Außerdem kann der Rollengewindeaktuator nicht rückwärts angetrieben werden. Dies bedeutet, dass kein Haltedrehmoment und keine zugehörige parasitäre Entnahme von elektrischer Leistung besteht, die erforderlich ist, um den Aktuator in einer gegebenen Position zu halten.
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Der Rollengewindemechanismus umfasst ein Rollengewindegehäuse 60 und mehrere Rollenelemente 62. Diese Komponenten sind in 5 und 6 besser gezeigt. Die Rollenelemente drehen sich und werden durch Abstandhalter 63 und Haltesicherungsringe 61 an der Stelle gehalten, wie in 7 besser gezeigt. Vorzugsweise sind sechs bis acht Rollenelemente 62 vorgesehen. Das Rollengewindegehäuse 60 weist mehrere Zähne oder Keile 64 um seine äußere Oberfläche auf. Die Keile 64 verzahnen mit entsprechenden Nuten 66 in einem Rollengewindehülsenelement 68. Das Rollengewindegehäuse 60 bewegt (verlagert) sich in der axialen Richtung relativ zum Rollengewindehülsenelement 68. Dies verlagert wiederum die hintere Laufrolle 32 axial und ändert wiederum das Übersetzungsverhältnis und die Gebläsedrehzahl.
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Der Elektromotor 30 ist in das Abtriebswellenanordnungs-Montagegehäuse 44 integriert. Wenn sich die Rotoranordnung dreht, treibt der Motor den Planetengewindemechanismus durch die verkeilte Schnittstelle an. Die Planetenrollengewindeelemente 62 rollen innerhalb des Rollengewindegehäuses 60 und werden durch Abstandsringe in der Winkelposition gehalten. Wenn sich das Gehäuseelement 60 dreht, verlagert es sich entlang eines Gewindehülsenelements 84 über die Planetenrollengewindeelemente.
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Das Hülsenelement 84 im Planetenrollengewindemechanismus 40 weist eine Gewindeoberfläche auf, die mit ringförmigen Nuten an den Rollenelementen 62 zusammenwirkt. Die Gewinde sind Gewinde vom Spiralschraubentyp. Da das Hülsenelement 84 stationär ist, wirken die Gewinde zum Drehen der Rollenelemente 62 und verlagern sie in der axialen Richtung.
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Die Nuten 63 an den Rollenelementen 62 könnten auch Gewinde vom Spiraltyp sein, so dass sie den Gewinden vom Spiraltyp am Hülsenelement 84 folgen würden. Vorzugsweise sind jedoch die Nuten 63 an den Rollenelementen einfach gerade kreisförmige Nuten mit entsprechenden Rippen und nicht Gewinde vom Schraubentyp. Um zu ermöglichen, dass der Satz von 6–8 Rollenelementen axial in der Position bleibt, sind die Nuten 63 an jedem aufeinander folgenden Rollenelement im Satz axial verschoben. Die Menge der Nutverschiebung wird durch die Gleichung bestimmt: Gewindesteigung/Anzahl von Rollenelementen. Wenn mehr als ein Anfang für die Gewinde vom Schraubentyp am Hülsenelement 84 vorhanden ist, dann ist die Menge der Nutverschiebung durch die Gleichung bestimmt: (Gewindesteigung x Anzahl von Anfängen)/Anzahl von Rollen.
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Wie durch 5 und 6 gezeigt, weist das Hülsenelement 60 auch eine Reihe von kreisförmigen Rippen 61 auf. Die Rippen verzahnen mit den tiefen Nuten 67 an den Rollenelementen 62. Die verzahnenden Rippen und tiefen Nuten halten die Rollenelemente und das Hülsenelement in axialer Ausrichtung.
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Der Motor 30 umfasst einen Stator 72 und einen Rotor 74. Der Rotor ist mit einem Rotorgehäuse 76 verbunden. Ein Kugellager 80 und ein Rollenlager 82 ermöglichen, dass sich das Rotorgehäuse 76 relativ zu den Gehäuseelementen 44 und 27 dreht. Wenn der Motor erregt wird, dreht sich das Rotorgehäuse 76 mit dem Rotor. Ein Satz von Klauenelementen 90 ist schwenkbar am Rotorgehäuse 76 befestigt und durch Federelemente 93 in einer Richtung zum zentralen Wellenelement 28 hin vorbelastet. Die Klauenelemente 90 stehen mit Kerben 79 in dem Rollengewindehülsenelement 68 in Eingriff, was bewirkt, dass sich das Hülsenelement 68 mit dem Rotorgehäuse 76 dreht. Dies bildet einen Klauenkupplungsmechanismus, der das Drehmoment vom Gehäuse 76 auf das Hülsenelement 68 überträgt. Dies bewirkt wiederum, dass sich der Planetenrollengewindemechanismus 40 dreht, was wiederum bewirkt, dass die Rollenelemente 62 das Rollengewindegehäuse 60 in der axialen Richtung antreiben.
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Die axiale Verlagerung des Rollengewindegehäuses 60 in einer Richtung zum hinteren Hülsenelement 32 hin wirkt auf ein Axiallager 81, um das Laufrollenelement 32 in Richtung des vorderen stationären Laufrollenelements 18 zu drängen. Dies drängt das V-förmige Antriebsriemenelement 22 radial nach außen, was die Drehzahl des Kühlgebläses 16 ändert.
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Wenn es erforderlich ist, die Drehzahl des Gebläses in der anderen Richtung zu ändern, wird der Elektromotor 30 umgekehrt, wobei der Planetenrollengewindemechanismus nach rechts angetrieben wird. Die Kraft des Riemens 22 am hinteren Laufrollenelement 32 drängt das Laufrollenelement 32 vom vorderen Laufrollenelement 18 weg. Dies ändert wiederum das Übersetzungsverhältnis vom Riemen und die Drehzahl des Gebläses dementsprechend.
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Der Motor 30 ist ein reversibler Motor und wird verwendet, um die hintere Laufrolle 32 anzutreiben, um sie in beiden Richtungen zu verschieben. Für den elektrischen Antriebsmodus ist ein zweiter Satz von Klauenelementen 92 vorgesehen. Wie in 8 gezeigt, sind die Klauenelemente 92 an einem Klauenabstandselement 94 schwenkbar befestigt. Die Klauenelemente sind durch eine Feder 93 in Richtung des zentralen Wellenelementes 28 federvorbelastet.
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Repräsentative Klauenelemente 90, 92 sind in 9 gezeigt. Die Klauenelemente sind auf entgegengesetzten Seiten des Abstandselements 94 angeordnet. Beide Sätze von Klauenelementen sind in Richtung der Welle 28 federvorbelastet.
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Die Klauenelemente 92 sind dazu ausgelegt, mit Kerben 83 im Antriebshülsenelement 77 in Eingriff zu kommen. (Die Kerben 83 sind in 7 und 13 gezeigt.) Das Antriebshülsenelement 77 ist mit dem hinteren Laufrollenelement 32 verbunden, wie in 3 gezeigt. Durch eine schnelle Beschleunigung des Motors 30 wird die Federvorbelastung der Klauenelemente 92 über eine Zentrifugalkraft überwunden und die Klauenelemente kommen mit den Kerben 83 in Eingriff. Dies ermöglicht, dass der Elektromotor 30 die hintere Laufrolle 32 direkt antreibt (dreht). Für diesen Zweck wird der Lösemechanismus 45 auch aktiviert.
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Um den Riemen von den zwei Riemenscheibenmechanismen zu lösen, wird das hintere Laufrollenelement 32 am Ausgangsriemenscheibenmechanismus axial so weit wie möglich in Richtung des festen vorderen Laufrollenelements 18 verschoben. Dies bewegt den Riemen 22 so weit wie möglich radial vom zentralen Wellenelement 28 weg, was wiederum bewirkt, dass der Riemen 22 radial einwärts gegen die Welle 24 am Eingangselement gedrängt wird. Wenn das Riemenelement 22 in dieser Position angeordnet ist, liegt es an den frei rotierenden Oberflächenelementen 42 an und ist vom Eingang gelöst.
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Wie vorstehend angegeben, wird, wenn der Riemen 22 gelöst wird, das Hybrid-Gebläseantriebssystem nur durch den Elektromotor betrieben. Aufgrund des Klauenkupplungsmechanismus wird der Elektromotor direkt mit der hinteren Laufrolle durch das Antriebshülsenelement verbunden. Die Drehung der hinteren Laufrolle 32 bewirkt dann die Drehung der vorderen Laufrolle 18 und die Drehung des Gebläses 16.
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Wenn das Gebläse durch den Elektromotor betrieben wird, ist auch die Drehzahl des Gebläses dieselbe wie die Drehzahl des Motors. Wenn der Gebläseantrieb wieder auf einen mechanischen Modus umgeschaltet oder umgestellt wird, wird die Motordrehung umgekehrt. Dies ermöglicht, dass die Klauen 92 vom Antriebshülsenelement 77 gelöst werden und in ihre vorbelastete Ruheposition zurückkehren.
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Wie vorstehend angegeben, sind Paare von Kerben 83 um den inneren Umfang des Antriebshülsenelements 77 vorgesehen. Dies ist in 13 am besten gezeigt. Vorzugsweise sind drei Paare von Kerben 83 vorhanden, die auf dem Umfang beabstandet sind, um mit den drei Klauenelementen 92 in Eingriff zu kommen. Jedes der Paare von Kerben weist eine Kerbe in jeder Drehrichtung auf. Dies ermöglicht, dass dieser Kupplungsmechanismus den Motor mit dem Antriebshülsenelement in entweder der Vorwärts- oder der Rückwärtsrichtung des Motors 30 in Eingriff bringt. Jede der Kerben weist auch eine überhängende Lippe 85 auf, die verwendet wird, um die entgegengesetzten vorbelasteten Klauen 92 in den Kerben 83 während der Drehung festzuhalten.
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Um die Klauenelemente 92 im Antriebshülsenelement 77 in Eingriff zu bringen und folglich den Gebläseantrieb im Elektromotormodus zu betreiben, wird der Rotor des Modus schnell beschleunigt, was die Klauenelemente 92 radial nach außen kippt und die radial einwärts vorbelastende Kraft von den Federelementen 93 überwindet. Sobald die Klauenelemente durch die Lippen 85 in den Kerben ergriffen sind, werden die Klauenelemente verwendet, um das Antriebshülsenelement 77 und das Laufrollenelement 32 zu drehen.
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Wenn die Klauenelemente 90 in Eingriff gebracht sind, laufen die Klauenelemente 92 frei. Ein ringförmiges Plattenelement 96 hält die Klauenelemente in der Position. Vorzugsweise sind drei Klauenelemente 90 in einem Kupplungsmechanismus und drei Klauenelemente 92 im anderen Kupplungsmechanismus vorhanden. Eine andere Anzahl von Klauenelementen und Kerben könnte jedoch verwendet werden.
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Paare von Kerben 79 sind um den äußeren Umfang des Hülsenelements 68 vorgesehen. Dies ist am besten in 12 gezeigt. Vorzugsweise sind drei Paare von Kerben 79 vorhanden, die auf dem Umfang beabstandet sind, um mit den drei Klauenelementen 90 in Eingriff zu kommen. Jedes der Paare von Kerben weist eine Kerbe in jeder Drehrichtung auf. Dies ermöglicht, dass dieser Kupplungsmechanismus das Hülsenelement 68 mit dem Rotorgehäuse 76 ungeachtet der Drehrichtung des Motors 30 verbindet. Da die Klauenelemente 90 radial einwärts in Richtung des zentralen Wellenelements 28 vorbelastet sind, rückt der Kupplungsmechanismus automatisch ein, wenn sich der Motorrotor dreht.
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Das hintere Laufrollenelement 32 beinhaltet ferner vorzugsweise einen vorderen und einen hinteren Führungsring (in 3 gezeigt, aber nicht bezeichnet), die konzentrisch mit der Keilwelle 28 durch einen engen Laufsitz in Eingriff stehen, um das Laufrollentaumeln zu minimieren.
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Der Motor 30 wird durch die Leistungsquelle 100 elektrifiziert, die durch die elektronische Steuereinheit (ECU) 102 des Fahrzeugs (3) gesteuert wird. Ein oder mehrere Sensoren 104 liefern relevante Daten zur ECU, wie z. B. die Kühlmitteltemperatur, die verwendet werden, um die Drehzahl des Kühlgebläses zu steuern.
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Die Drehzahl des Gebläses wird unter Verwendung einer Zahnraderfassungs-Hall-Effekt-Vorrichtung (HED) 106 gemessen. Dies ist in 3 und 7 gezeigt. Die HED ist im Gehäuse 27 angeordnet und ist übernommen, um Messungen vom Zahnrad 108 zu lesen und zu sichern. Das Zahnrad 108 ist am Drehsteuerwellenelement 28 befestigt.
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Ein oder mehrere Fliehgewichte 50 sind am Eingangselement befestigt und schaffen ein Spannsystem für das CVT-System. Dies ist in 2 und 4 gezeigt. Das Fliehgewichtsystem ist so ausgelegt, dass, wenn das Verhältnis zunimmt, die Gewichte sich weiter vom Drehzentrum des Eingangselements nach außen bewegen. Die Fliehgewichte 50 sind schwenkbar an einem Ende 46 an einem Abschnitt der Welle 24 befestigt und benachbart zum anderen Ende durch ein Federvorbelastungselement 48 mit der hinteren Laufrolle 49 verbunden. Das vordere Laufrollenelement 33 ist stationär. Mit diesem System kann das Fliehgewichtsystem optimiert werden, um die gewünschte Riemenspannungsabbildung anzupassen. Es wird angenommen, dass die Riemenspannung, die erforderlich ist, um einen Schlupf unter den meisten Betriebsbedingungen bei der vorliegenden Erfindung zu verhindern, geringer als 10 von jener ist, die beim höchsten Übersetzungsverhältnis und bei der höchsten Eingangsdrehzahl erforderlich ist. Folglich wird erwartet, dass der Spannmechanismus die Riemenlebensdauer verbessert.
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Die Funktionsmodi des Hybrid-Gebläseantriebs gemäß der Erfindung sind in Graphenform in 10 gezeigt. Die direkte 1:1-Antriebskurve ist als 120 identifiziert. Das maximale mechanische Übersetzungsverhältnis ist durch die Kurve 122 gezeigt und das minimale mechanische Übersetzungsverhältnis ist durch die Kurve 124 gezeigt. Der grundlegende mechanische Antrieb ist durch die schraffierte Fläche 126 gezeigt. Der mechanische Antrieb (durch die Steuereinheit eingeschränkt) ist durch die Fläche 128 gezeigt.
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Der elektrische Antrieb in der Vorwärtsrichtung ist durch die schraffierte Fläche 130 gezeigt, während der elektrische Antrieb in der Rückwärtsrichtung durch die schraffierte Fläche 132 gezeigt ist.
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Der Modusübergangsprozess für den Hybrid-Gebläseantrieb ist in 11 gezeigt und ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnet. Alle verschiedenen Modi des Hybrid-Gebläseantriebs für sowohl den mechanischen Antrieb als auch den Elektromotorantrieb (sowohl vorwärts als auch rückwärts) sind dargestellt. Eine Erläuterung der Funktion und des Betriebs einer Hybrid-Gebläseausführungsform, wie in 11 dargelegt, wird wie folgt dargelegt.
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Beim Start 200 des Fahrzeugs, wenn der Schlüssel eingesteckt und eingeschaltet wird 202, arbeitet das Kühlgebläse nicht 204. Für den mechanischen Antriebsmodus, bei dem das Gebläse in der Drehzahl zunimmt 210, beschleunigt der Motorrotor 74 langsam und die Vorwärtsklauen 90 kommen mit den Kerben 79 im Hülsenelement 68 in Eingriff. Dies ist im Kasten 212 gezeigt. Der Motor 30 dreht sich in der Vorwärtsrichtung.
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Wenn das Gebläse die geeignete Kühldrehzahl erreicht hat, befindet sich der mechanische Antrieb in der ”Verhältnishalte”-Position 220. Um diese Position zu erreichen, wird der Motor 30 gestoppt, der Motor wird schnell umgekehrt, um die Klauen 90 zu lösen, und dann gestoppt. Dies ist im Kasten 222 gezeigt. Wenn es erwünscht ist, die Drehzahl des Gebläses von der ”Verhältnishalte”-Position zu erhöhen, wird der Motor langsam in der Vorwärtsrichtung beschleunigt und die Rückwärtsklauen kommen mit den Rollengewindeantriebskerben in Eingriff. Dies ist im Kasten 224 gezeigt.
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Wenn es erforderlich ist, die Drehzahl des Gebläses zu verringern, befindet sich der mechanische Antrieb in der ”Verhältnisverringerungs”-Position 230. Der Motorrotor wird langsam in der Rückwärtsrichtung beschleunigt und die Rückwärtsklauen kommen mit den Rollengewindeantriebskerben in Eingriff. Dies ist im Kasten 232 gezeigt.
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Wenn es erwünscht ist, die Drehzahl des Gebläses in seine Verhältnishalteposition 220 zurückzuführen, wird der Motor gestoppt und dann umgekehrt, um die Klauen zu lösen. Der Motor wird dann erneut gestoppt. Dies ist im Kasten 234 gezeigt. Wenn das Fahrzeug sein Ziel erreicht und die Kraftmaschine ausgeschaltet wird, wird der Motor gestoppt und dann umgekehrt, um die Klauen zu lösen. Der Motor wird anschließend gestoppt und ebenso das Gebläse 204. Dies ist im Kasten 240 gezeigt.
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Um den elektrische Antriebsmodus 250 zu aktivieren, wird der Motor schnell in der Vorwärtsrichtung angetrieben, was den Rotor beschleunigt. Dies bringt die Klauen 92 mit den Kerben 83 am Antriebshülsenelement 77 in Eingriff. Dies ist im Kasten 252 gezeigt. Wenn die Drehung des Gebläses gestoppt werden muss, dann wird der Motor 30 gestoppt. Die Trägheit der rotierenden Komponenten löst die Klauen vom Antriebshülsenelement 77. Dies ist im Kasten 254 gezeigt. Wenn der Fahrer das Fahrzeug ausschalten will, wird der Schlüssel in seine Aus-Position gedreht. Dies ist in den Kästen 256 und 258 gezeigt. Die Kraftmaschine kühlt sich über die Zeit ab.
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Es ist auch möglich, den Motor in der Rückwärtsrichtung anzutreiben. Dies ist im Kasten 260 gezeigt. Um dies aus einer Gebläsestoppposition zu erreichen, wird der Rotor des Motors schnell beschleunigt. Dies bringt die Rückwärtsklauen mit dem Antriebshülsenelement 77 in Eingriff. Dies ist im Kasten 262 gezeigt. Wenn es erwünscht ist, die Drehung des Gebläses zu stoppen, wird der Motor gestoppt. Die Trägheit des Gebläses löst die Klauen. Dies ist im Kasten 264 gezeigt.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, soll sie selbstverständlich nicht so begrenzt sein, da Änderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, die innerhalb des vollständigen Schutzbereichs dieser Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche detailliert dargestellt, liegen.
