DE10010095A1

DE10010095A1 - Kurbelwelle mit hoher Schwingungsdämpfung

Info

Publication number: DE10010095A1
Application number: DE2000110095
Authority: DE
Inventors: Hans-Gerd Eckel; Volker Hirsch
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: WO2001065094A1; DE10010095B4; AU2001217024A1

Abstract

Kurbelwelle mit hoher Schwingungsdämpfung, wobei die Kurbelwelle (1) mit einem Schwungrad (3), einem Kurbelwellen-Startergenerator (4), dessen Rotor (5) als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist, und einem drehzahladaptiven Tilger (10) versehen ist, die so an der Kurbelwelle (1) angeordnet und aufeinander in ihrer Dämpf- und Tilgerwirkung abgestimmt sind, das über den gesamten Drehzahlbereich (N) der Kurbelwelle (1) eine minimale Schwingungsamplitude (A) an der Kurbelwelle (1) gegeben ist.

Description

Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren werden durch Gas- und Massenkräfte zu Schwingungen angeregt, die die Dauerhaltbarkeit der Kurbelwelle herabsetzen. Außerdem können dadurch erhebliche Geräusche entstehen, die den Fahrkomfort mindern. Verschiedene Maßnahmen sind bekannt, um hier Verbesserungen zu erreichen.

Um Drehzahlschwankungen auszugleichen, werden Kurbelwellen mit Schwungrädern ausgestattet, die bei Kurbelwellen für die heute üblichen Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zwischen Motor und Getriebe starr an der Kurbelwelle befestigt sind.

Weit verbreitet ist auch der Einsatz von Torsionsschwingungsdämpfern, die eine Reduzierung der Torsionseigenschwingungen von Kurbelwellen durch Dämpfung oder Tilgung erreichen. Die Dauerhaltbarkeit der Kurbelwelle wird gewährleistet und eventuelle Überbeanspruchungen der Welle vermieden. Die Torsionsschwingungsdämpfer sind (siehe DE 25 21 107) in der Regel aus einer Nabe gebildet, an der über eine Elastomerschicht eine Schwung masse befestigt ist. Die Elastomerschicht ist als Elastomerfeder ausgebildet und so ausgelegt, daß sich eine Tilgerwirkung einstellt und durch die Reduk tion der Torsionseigenschwingungen der Kurbelwelle, zum Beispiel im höherfrequenten Bereich, eine Reduzierung von Geräuschen stattfindet. Üblich ist die Anordnung des Torsionsschwingungsdämpfers am freien Ende der Kurbelwelle, das heißt am dem Schwungrad gegenüberliegenden Kurbelwellenende.

Eine andere Möglichkeit Schwingungen an der Kurbelwelle zu reduzieren, besteht im Einsatz von drehzahladaptiven Tilgern, wie sie beispielsweise in der DE 198 31 153 A1 dargestellt sind. An Stelle der Dämpfungswirkung, die darin beruht, daß die Amplituden durch Energiedissipation reduziert werden, wird bei drehzahladaptiven Tilgern die ihnen zugeführte Energie zwischen gespeichert und durch eine phasenversetzte Rückspeisung an das schwin gende System zur Schwingungsreduktion ausgenutzt. Die drehzahladaptiven Tilger haben eine der Drehzahl proportionale Eigenfrequenz. Somit ist eine zur Kurbelwellendrehzahl proportionale Starrkörperschwingung (Dreh ungleichförmigkeit), wie sie zum Beispiel aufgrund der durch den Verbren nungsprozeß und die Verhältnisse im Kurbeltrieb verursachten zeitlich dis kontinuierlichen Momenteneinteilung entsteht, im gesamten Drehzahlbereich tilgbar. Ein Anwendungsbereich der drehzahladaptiven Tilger besteht in der Verbindung des Tilgers mit dem Schwungrad, das am getriebeseitigen Ende der Kurbelwelle befestigt ist.

Eine neuere Entwicklung geht dahin, daß Kurbelwellen-Startergeneratoren so ausgebildet und angeordnet werden, daß die Rotoren als Torsions schwingungsdämpfer dienen, siehe DE 44 06 481 A1. Diese elektrischen Kurbelwellen-Startergeneratoren haben den Vorteil, daß die Übertragung der Startenergie berührungslos und somit verschleißfrei erfolgt. Außerdem ver ursacht der Startvorgang keine zusätzlichen Geräusche, so daß eine Start- Stopp-Automatik mit häufig notwendigen Startvorgängen realisiert werden kann.

Jede der obigen Maßnahmen hat eine Reihe von Vorteilen und erfüllt für das betreffende Einsatzgebiet die gestellten Anforderungen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hohe Schwingungsdämpfung an einer Kurbelwelle zu erreichen und gleichzeitig die durch die eingesetzten Mittel verursachten Massenkräfte auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Sowohl die Torsionsschwingungen als auch die Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle sollen auf ein Mindestmaß reduziert werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Kurbelwelle mit einem Schwungrad, einem Kurbelwellen- Startergenerator, dessen Rotor als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist, und einem drehzahladaptiven Tilger versehen ist, die so an der Kurbelwelle angeordnet und aufeinander in ihrer Dämpf- und Tilgerwirkung abgestimmt sind, daß über den gesamten Drehzahlbereich der Kurbelwelle eine minimale Schwingungsamplitude gegeben ist.

Eine vorteilhafte Maßnahme hierfür besteht darin, daß der als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildete Rotor des Kurbelwellen- Startergenerators auf die dominante Ordnung der Drehungleichförmigkeit bei einer bestimmten Drehzahl abgestimmt ist und hier einen drehzahladaptiven Tilger in seiner Wirkung unterstützt. Im Leerlaufbereich sind die Drehwinkel- Amplituden der Kurbelwelle am größten, so daß hier eine besonders starke Absenkung vorteilhaft ist. Der drehzahladaptive Tilger kann dann kleiner und leichter ausgebildet werden.

Die optimale Lösung wird dann erreicht, wenn auch der drehzahladaptive Tilger auf die dominante Ordnung der Drehzahlungleichförmigkeit des Motors abgestimmt ist.

Das Schwungrad und der Kurbelwellen-Startergenerator können am getriebeseitigen Ende der Kurbelwelle und der drehzahladaptive Tilger am freien Ende der Kurbelwelle angeordnet sein. Diese Anordnung ermöglicht eine nicht unerhebliche Gewichtsreduzierung an dem Schwungrad. Ohne daß die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle dadurch beeinträchtigt werden würde.

Die besonders günstige Ausführungsform sieht jedoch vor, daß das Schwungrad und der drehzahladaptive Tilger am getriebeseitigen Ende der Kurbelwelle und der Kurbelwellen-Startergenerator am freien Ende der Kurbelwelle angeordnet sind. Ein Torsionsschwingungsdämpfer üblicher Bauart wird nicht mehr benötigt, da diese Aufgabe vom Rotor des Kurbelwellen-Startergenerators übernommen werden kann. Alternativ dazu kann der drehzahladaptive Tilger kleiner gemacht werden, wenn der Rotor als Torsionsschwingungsdämpfer gegen die Drehungleichförmigkeit im Leerlaufbereich des Motors abgestimmt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm mit dem Amplitudenverlauf der Drehungleichförmigkeit über der Frequenz,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kurbelwelle mit Schwingungsdämpfern,

Fig. 3 eine Kurbelwelle, ebenfalls schematisch mit einer anderen Anordnung der Dämpfungseinrichtungen,

Fig. 4 eine Kurbelwelle mit den Schwingungsdämpfern am getriebeseitigen Kurbelwellenende und

Fig. 5 eine Kurbelwelle mit drehzahladaptivem Tilger und Starter- Generator am freien und Schwungrad am getriebeseitigen Ende der Kurbelwelle.

Ausführung der Erfindung

In dem Diagramm der Fig. 1 ist im Koordinatensystem der Schwingungsverlauf als Abhängigkeit der Drehungleichförmigkeitsamplitude von der Drehzahl eingezeichnet. Die Kurve X gibt den Schwingungsverlauf einer Kurbelwelle mit Schwungrad wieder Bei Einsatz eines Kurbelwellen- Startergenerators mit einem Rotor als Torsionsschwingungsdämpfer, der auf den Leerlaufbereich L des Motors abgestimmt ist, entsteht ein Schwingungsverlauf gemäß der Kurve Y. Durch den Kurbelwellen- Startergenerator findet zunächst eine starke Herabsetzung der Schwingungsamplituden A statt, so daß beispielsweise bei einer im Leerlauf üblichen Drehzahl N von 1000 Umdrehungen/min ein Minimum erreicht wird. Mit zunehmender Drehzahl steigt die Kurve Y jedoch wieder an, um nach Erreichen eines Maximums bei beispielsweise 2000 Umdrehungen/min wieder abzufallen. Die Kurve Z zeigt den Schwingungsverlauf bei Einsatz des drehzahladaptiven Tilgers. Der Tilger reduziert die Drehungleichförmigkeit gleichmäßig über den gesamten Drehzahlbereich.

Die insgesamt beste Reduktion der Schwingungsamplitude gemäß der Kurve R wird durch den Einsatz eines drehzahladaptiven Tilgers in Kombination mit einem als Torsionsschwingungsdämpfer genutzten Kurbelwellen- Startergenerators erzielt. Der drehzahladaptive Tilger bewirkt im Zusammenwirken mit dem Kurbelwellen-Startergenerator einen Kurvenverlauf der deutlich unterhalb der Kurve Y liegt und bei der ein Minimum im Leerlaufbereich bzw. ein Maximum nach Verlassen des Leerlaufbereichs zu höheren Drehzahlen hin erheblich vermindert auftritt. Die an der Welle angebrachten Dämpfer bzw. Tilger können vom Gewichtsumfang auf ein Minimum reduziert werden. Dies trifft auch auf das eingesetzte Schwungrad zu.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der schwingungsdämpfenden bzw. tilgenden Teile schematisch dargestellt. Die Kurbelwelle 1 ist an ihrem getriebeseitigen Ende 2 mit dem Schwungrad 3 und dem Kurbelwellen-Startergenerator 4 versehen. Der Kurbelwellen- Startergenerator 4 ist mit einem Rotor 5 versehen, der als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist. Die Schwungmasse 6 ist über das Gummifederelement 7 in geeigneter Weise mit der Nabe 8 verbunden. Der Stator 11 des Startergenerators 4 ist an dem nicht näher gezeigten Motorgehäuse befestigt. Am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1 ist der drehzahladaptive Tilger 10 befestigt, der an sich bekannter Bauart ist. In der DE 196 04 160 C1 ist beispielsweise ein solcher Tilger behandelt. Der Rotor 5 des Kurbelwellen-Startergenerators 4 ist als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet.

Ergänzend zu obigen Maßnahmen wird der drehzahladaptive Tilger 10 am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1 so abgestimmt, daß mit ihm wie in Fig. 1 gezeigt, die dort beschriebene weitere Verringerung der Amplituden A über den gesamten Drehzahlbereich erzielt wird.

Die Fig. 3 zeigt die Ausführungsform der Erfindung, mit der eine höchstmögliche Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger größtmöglicher Dämpfung bzw. Tilgung der Amplituden A möglich ist. In diesem Fall ist das getriebeseitige Ende 2 der Kurbelwelle 1 mit dem Schwungrad 3 und dem drehzahladaptiven Tilger 10 versehen. Das Schwungrad 3 und der Tilger 10 können hier beispielsweise zu einer Einheit zusammengefaßt werden. Der Kurbelwellen-Startergenerator 4 ist am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1 angeordnet. Der Rotor 5 ist als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet mit der Schwungmasse 6, der Gummifeder 7 und der auf dem Wellenende 9 angebrachten Nabe 8. Der Stator 11 befindet sich am Motorgehäuse.

Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der Schwungrad 3, drehzahladaptiver Tilger 10 und Kurbelwellen-Startergenerator 4 am getriebeseitigen Ende 2 der Kurbelwelle 1 aufgesetzt sind. Dieses ist von Vorteil, wenn am freien Kurbelwellenende 9 kein Bauraum für den Kurbelwellen-Startergenerator 4 oder den drehzahladaptiven Tilger 10 vorhanden ist. Außerdem reduziert sich bei dieser Anordnung die Beanspruchung der Kurbelwelle durch Torsionseigenresonanz.

In der Fig. 5 ist schließlich eine Lösung gezeigt, bei der das Schwungrad 3 am getriebeseitigen Ende 2 der Kurbelwelle 1 und der drehzahladaptive Tilger 10 mit dem Startergenerator 4 am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1 angebracht sind. Diese Anordnung wird bevorzugt bei wenig Bauraum am dem getriebeseitigen Ende 2 der Kurbelwelle 1.

Claims

1. Kurbelwelle mit hoher Schwingungsdämpfung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (1) mit einem Schwungrad (3), einem Kurbelwellen-Startergenerator (4), dessen Rotor (5) als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist, und einem drehzahladaptiven Tilger (10) versehen ist, die so an der Kurbelwelle (1) angeordnet und aufeinander in ihrer Dämpf und Tilgerwirkung abgestimmt sind, das über den gesamten Drehzahlbereich (N) der Kurbelwelle (1) eine minimale Schwingungsamplitude (A) an der Kurbelwelle (1) gegeben ist.

2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildete Rotor (5) des Kurbelwellen- Startergenerators (4) auf die dominante Ordnung der Drehungleichförmigkeit im Leerlaufbereich (L) des Motors abgestimmt ist.

3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahladaptive Tilger (10) auf die dominante Ordnung der Drehungleichförmigkeit des Motors abgestimmt ist.

4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3) und der Kurbelwellen- Startergenerator (4) am getriebeseitigen Ende (2) der Kurbelwelle (1) und der drehzahladaptive Tilger (10) am freien Ende (9) der Kurbelwelle (1) angeordnet sind.

5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3) und der drehzahladaptive Tilger (10) am getriebeseitigen Ende (2) der Kurbelwelle (1) und der Kurbelwellen-Startergenerator (4) am freien Ende (9) der Kurbelwelle (1) angeordnet sind.

6. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche nach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3) am getriebeseitigen Ende (2) und der Kurbelwellen-Startergenerator (4) mit dem drehzahladaptiven Tilger (10) am freien Ende (9) der Kurbelwelle (1) angeordnet sind.

7. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche nach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3), der drehzahladaptive Tilger (10) und der Kurbelwellen-Startergenerator (4) am getriebeseitigen Ende (2) der Kurbelwelle (1) angebracht sind.