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Technisches Gebiet
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Es
ist bekannt, dass Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren durch Gas-
und Massenkräfte
zu Schwingungen angeregt werden, die zu Überbeanspruchungen der Welle
führen
können.
Um die Dauerhaltbarkeit der Kurbelwelle jedoch zu gewährleisten,
ist es erforderlich diese Schwingungen auf ein möglichst geringes Niveau herabzusetzen.
Gängige Maßnahmen
hierfür
sind der Einsatz von Schwungrädern,
Torsionsschwingungsdämpfern
und drehzahladaptiven Schwingungstilgern, die allein oder in Kombination
eingesetzt werden. Die Eigenfrequenz des jeweils eingesetzten Tilgers
beziehungsweise Dämpfers
wird auf die Eigenfrequenz der jeweiligen Kurbelwelle abgestimmt.
Allgemein ist es wünschenswert, dass
die Tilger beziehungsweise Dämpfer
möglichst kleine
Abmessungen haben und ein geringes Gewicht aufweisen. Letzteres
hat jedoch zur Folge, dass die Resonanzschwingungen in tiefere Drehzahlbereiche
sich verlagern und dort einen überkritischen
Bereich ergeben. Aus diesem Grunde werden insbesondere Schwungräder so bemessen,
dass sie über den
gesamten Drehzahlbereich der Kurbelwelle unterhalb des überkritischen
Bereichs liegen.
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Stand der Technik
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In
der
DE 196 04 160
C1 wird ein drehzahladaptiver Tilger behandelt, der eine
der Drehzahl proportionale Eigenfrequenz hat, so dass Drehschwingungen
mit Frequenzen, die der Drehzahl proportional sind, im gesamten
Drehzahlbereich tilgbar sind. Ein solcher drehzahladaptiver Tilger
kann über
sein Nabenteil an einer Welle, einem Schwungrad oder auch anderen
Teilen der Kurbelwelle befestigt werden, um auftretende Drehschwingungen
zu dämpfen. Die
Befestigung an den genannten Teilen erfolgt dabei torsionssteif.
Die Wirkung des Schwingungstilgers ist auf die Dämpfung von Schwingungen in
torsionaler Richtung ausgerichtet.
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In
der
DE 196 15 890
C1 ist eine Einrichtung gezeigt, bei der ein drehzahladaptiver
Tilger direkt an einem Schwungrad einer Kurbelwelle angebracht ist. Eine
solche Verbindung ermöglicht
eine Reduzierung der Schwungradmasse. Trotz der erreichten Gewichtsreduzierung
besteht nach wie vor der Wunsch, nach einer weiteren Reduzierung
der im Betrieb auftretenden Kräfte.
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Eine
andere Möglichkeit
für eine
verbesserte Tilgerwirkung ist der
DE 198 31 159 A1 zu entnehmen. Hier wird
zusätzlich
zu einem auf einer Welle befindlichen drehzahladaptiven Schwingungstilger auf
dem Nabenteil ein relativ verdrehbarer Schwungring federnd abgestützt. Dadurch
wird die Tilgerwirkung verbessert, wenn die die Rotationsbewegung überlagernden
Drehschwingungen von sehr geringer Amplitude sind.
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Ohne
einen drehzahladaptiven Schwingungstilger kommt das Zweimassenschwungrad nach
der
DE 198 09 425
A1 aus, bei dem eine Primärmasse drehfest mit einer Antriebswelle
und eine Sekundärmasse
mit einer Abtriebswelle verbunden ist. Zweck dieser Maßnahme ist
die Beseitigung von Drehungleichförmigkeiten.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verbesserung
in der Reduzierung der im Betrieb von Brennkraftmaschinen auftretenden
Kräfte
an den Kurbelwellen zu erreichen.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe wird bei einer Kurbelwelle für Verbrennungsmotoren
mit einer Schwungmasse aus einem drehzahladaptiven Schwingungstilger,
der torsionssteif an der Welle, einem Schwungrad oder dergleichen
befestigt ist, erfindungsgemäß dadurch erreicht,
dass der Schwingungstilger über
einen ersten Drehzahlbereich der Welle radial steif und über einen
zweiten dem ersten Drehzahlbereich folgenden höheren Drehzahlbereich der Welle
radial weich an die Welle angebunden ist. Mit dieser Maßnahme wird
ein völlig
neuer Lösungsweg
beschritten, der eine beachtliche Reduzierung der Unwuchtkräfte an den
Lagern zur Folge hat. Weiterhin ist eine Reduzierung der Abmessungen
der eingesetzten Teile möglich
und auch eine Verminderung ihrer Massen. Durch die unterschiedliche
Anbindung des Schwingungstilgers ist eine Eliminierung der Resonanzbereiche
möglich.
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Damit
der Übergang
von radial steif zu radial weich und umgekehrt bei vorgegebenen
Drehzahlen stattfindet, ist vorzugsweise eine Umschalteinrichtung
vorgesehen, die bei eingestellter Drehzahl die Umschaltung bewirkt.
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Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die beiden Drehzahlbereiche
sich in einem vorgegebenen Bereich überlappen und der Schaltpunkt für das Umschalten
von radial steif auf radial weich in bezug auf die Drehzahl der
Welle oberhalb der Schaltpunktes für das Umschalten von radial
weich auf radial steif liegt. Besondere Maßnahmen sind hierfür dann nicht
erforderlich, da die für
die Anbindung des Schwingungstilgers eingesetzten Federdämpfer eine
Hysterese haben, in deren Folge die Überlappung eintritt.
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Die
Anbindung des Schwingungstilgers an der Welle erfolgt bevorzugt über zwei
parallel geschaltete Federdämpfer.
Die Federdämpfer
sind so ausgelegt, dass sie zusammen genommen eine radial steife
Anbindung der Schwungmasse an die Welle ergeben und dass bei Wegfall
des einen Federdämpfers über den
noch verbliebenen Federdämpfer
eine radial weiche Anbindung von Schwungmasse und Welle gegeben
ist.
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Die
Federdämpfer
können
in ihrer Ausbildung und Charakteristik gleich sein. Bevorzugt wird jedoch
eine Ausbildung, bei der die Federdämpfer eine unterschiedliche
Elastomerspur haben. Die Elastomerspuren sind so ausgelegt, dass
einer der Federdämpfer
bei Überschreiten
einer vorgegebenen Drehzahl der Welle von der Welle abkoppelt und bei
Unterschreiten derselben Drehzahl oder einer niedrigeren Drehzahl
an die Welle wieder ankoppelt. Hierfür ist der Federdämpfer mit
einer Stellmasse versehen, die bei einer vorbestimmten Fliehkraft
den Federdämpfer
von der Welle löst
beziehungsweise bei Unterschreiten dieser Fliehkraft den Federdämpfer wieder
mit der Welle verbindet.
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In
vielen Anwendungsfällen
ist es günstig, wenn
der Federdämpfer
mit der höheren
Elastomerspur von der Welle abkoppelt beziehungsweise an die Welle
wieder ankoppelt. Hierdurch ist eine Reduzierung der Kräfte auf
ein Mindestmaß möglich.
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Ein
als Schwungmasse sich gut eignender Schwingungstilger besteht aus
einem Nabenteil und einer Anzahl von den in Umfangsrichtung benachbarten
und jeweils von zwei Bolzen gehaltenen, auf Kurvenbahnen beweglich
angeordneten Trägheitsmassen,
die bei Einleitung von Drehschwingungen ihren Abstand zur Rotationsachse
verändern.
Solche Schwingungstilger sind an sich bekannt und eingangs der Beschreibung
zum Stand der Technik genannt worden.
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In
weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es möglich, den
Schwingungstilger am Schwungrad oder an der Welle unter Beibehaltung der
torsionssteifen Befestigung axial elastisch anzubinden. Hierdurch
können
Axial- und auch Taumelbewegungen wirksam bedampft werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
Diagramm eines möglichen
Kräfteverlaufs
in Abhängigkeit
von der Wellendrehzahl,
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2 die
Anbindung einer Schwungmasse an eine drehende Welle und
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3 eine
Schwungmasse mit einer zusätzlichen
Schaltmasse.
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Ausführung der Erfindung
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In
dem in der 1 gezeigten Diagramm ist die
an den Wellenlagern entstehende radiale Kraft, die Zentripetalkraft,
in Newton N gegenüber
der Drehzahl n in U/min eingezeichnet. Um die Wirkungsweise der
vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, ist der Kräfteverlauf
für unterschiedliche
Federdämpfer
eingezeichnet. Die Kurve 1 zeigt den Kräfteverlauf bei einem relativ
weichen Federdämpfer
mit einer Elastomerspur von C1 = 200 N/mm.
Die Kurve 1 hat in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich
eine Resonanzspitze, die bei etwa 1600 U/min liegt. Bereits bei
etwa 1200 U/min erfolgt ein sehr steiler Anstieg der Kraft, was
zu einer überkritischen
Beanspruchung der Lager führt.
Nach Erreichen der Resonanzspitze fällt die Kurve 1 wieder
stark ab, um bei Drehzahlen oberhalb von 2500 U/min einen abgeflachten,
relativ niedrigen Verlauf zu nehmen.
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Der
Kräfteverlauf
gemäß der Kurve 2 wird
erreicht, wenn zu dem Federdämpfer
mit der Elastomerspur C1 ein weiterer Federdämpfer mit
einer Elastomerspur von C2 hinzugefügt wird.
Im vorliegenden Beispiel hat die Elastomerspur C2 einen
Steifigkeitswert von 4800 N/mm. Die beiden Federdämpfer haben
folglich eine Gesamtelastomerspur von 5000 N/mm. Der Verlauf der
Kurve 2 ist bei niedrigen Drehzahlen deutlich flacher,
als die der Kurve 1 bei höheren Drehzahlen, beispielsweise über 2500
U/min, erreicht die Kurve 2 jedoch ebenfalls den überkritischen Bereich.
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Beide
Kurven überschneiden
sich im Schnittpunkt 3. Die Kurve 1 ergibt eine
weiche Anbindung der Schwungmasse an die Welle, während durch
die Kurve 2 eine radial steife Anbindung von Schwungmasse
und Welle erzielt wird. Um zu vermeiden, dass die radialen Kräfte an der
Kurbelwelle in die überkritischen
Bereiche der Kurven 1 und 2 gelangen, ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass die Schwungmasse im niedrigeren ersten Drehzahlbereich 8 der Welle
radial steif mit der Welle verbunden ist, das heißt über beide
Federdämpfer
C1 und C2 und dass im
zweiten Drehzahlbereich 9 die Verbindung zwischen Schwungmasse
und Welle radial welch erfolgt, indem der Federdämpfer C2 abgekoppelt
wird und somit wirkungslos ist. Der Verlauf der radialen Kraft folgt
damit zunächst
der Kurve 2 bis zum Schnittpunkt 3, danach wird
der Federdämpfer
C2 inaktiviert und der Kräfteverlauf
folgt nach dem Schnittpunkt 3 der Kurve 1.
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In
der praktischen Ausführung
ist es zweckmäßig, wenn
die Drehzahlbereiche 8, 9 sich überlappen
und die Schaltpunkte für
die Schaltvorgänge oberhalb
beziehungsweise unterhalb des Schnittpunkts 3 der beiden
Kurven 1 und 2 liegen. Das hat zur Folge, dass
bei ansteigender Drehzahl der Kräfteverlauf
zunächst
der Kurve 2 folgt bis zum Schaltpunkt 4. Nach
Wegnahme des Federdämpfers
C2 fällt die
radiale Kraft, wie mit dem Pfeil 5 angezeigt, bis auf die
Kurve 1 ab und folgt dann der Kurve 1 bei höheren Drehzahlen.
In umgekehrter Richtung, das heißt bei absinkender Drehzahl
folgt die radiale Kraft zunächst
der Kurve 1 bis zum Schaltpunkt 6, fällt dort dem
Pfeil 7 folgend bis auf die Kurve 2 ab, um dann auf
der Kurve 2 sich fortzusetzen. Es versteht sich, dass der Überlappungsbereich 20 so
gewählt
wird, dass keine allzu großen
Sprünge
im Kräfteverlauf auftreten.
Lediglich zur Veranschaulichung der Wirkungsweise wurden die Schaltpunkte 4 und 6 mit
beträchtlichem
Abstand zum Schnittpunkt 3 gewählt.
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In
der 2 ist schematisch eine einfache Ausführungsform
einer Welle 10 mit Schwungmasse 11 dargestellt.
An die Welle 10 ist die Schwungmasse 11 über die
beiden Federdämpfer 12 und 13 befestigt.
Die Federdämpfer 12 und 13 sind
parallel angeordnet und entsprechend dem Diagramm nach 1 mit
unterschiedlichen Elastomerspuren versehen. Die Elastomerspur für den Federdämpfer 12 beträgt C1 = 4800 N/mm und die Elastomerspur für den Federdämpfer 13 beträgt C2 = 200 N/mm. Der Federdämpfer 13 verbindet
die Schwungmasse 11 mit der Welle 10 torsionssteif,
jedoch axial weich. Wegen seiner geringen Steifheit kann seine radiale
Anbindung von Schwungmasse 11 und Welle 10 als
radial weich bezeichnet werden. Der Federdämpfer 12 ist mit einer
zusätzlichen
Stellmasse 14 versehen, die, wie auf dem oberen Teil der
Fig. eingezeichnet, an die Welle 10 angedrückt wird.
Wegen der hohen Steifigkeit des Federdämpfers 12 findet hier
sichere kraftschlüssige
Verbindung zwischen Stellmasse 14 und Welle 10 statt.
Beide Federdämpfer 12 und 13 zusammen
ergeben eine radial steife Verbindung zwischen der Schwungmasse 11 und
der Welle 10.
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Bei
relativ niedrigen Drehzahlen bleibt die radial steife Verbindung
zwischen der Schwungmasse 11 und der Welle 10 bestehen.
Nach Erreichen des Schaltpunkts 4 wird die Fliehkraft an
der Stellmasse 14 jedoch so hoch, dass sie die Federkraft
des Federdämpfers 12 überwindet,
so dass die Stellmasse 14 sich von der Welle löst, wie
im unteren Teil der Fig. gezeigt. Nachdem sich die Stellmasse 14 gelöst hat, ist
die Schwungmasse 11 lediglich über den Federdämpfer 13 mit
der Welle 10 verbunden. Diese Verbindung ist radial weich
und die Schwungmasse 11 kann durch den eintretenden selbstzentrierenden
Effekt eventuelle Ungenauigkeiten ausgleichen.
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In
der 3 ist prinzipiell der gleiche Aufbau von Welle 10,
Schwungmasse 11 und Federdämpfern 12 und 13 gezeigt.
Bei niedrigeren Drehzahlen liegt die Stellmasse 14 kraftschlüssig an
der Welle 10 an, wie im oberen Teil der Fig. dargestellt.
Die Schwungmasse 14 ist jedoch an ein Gestänge angeschlossen,
das aus der Stütze 15 und
dem daran angelenkten Hebel 16 mit der Zusatzmasse 17 besteht. Durch
das Gestänge
mit der Zusatzmasse 17 ist eine sehr genaue Einstellung
der Schaltkraft für
die Stellmasse 14 möglich.
Die an der Zusatzmasse 17 angreifenden Fliehkräfte bei
höheren
Drehzahlen bewirken ein sicheres Abkoppeln der Stellmasse 14 von der
Welle 10, wie im unteren Teil der Fig. dargestellt.