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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern bzw. Dämpfen der Schwingungen in einem Antriebsstrang zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. nach dem Oberbegriff von Anspruch 5. Bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung, die insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind, wird ein so genannter „aktiver” Filter verwendet, der mit der Abtriebswelle verbunden ist, welche zum Beispiel die Eingangswelle eines Schaltgetriebes sein kann.
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Man kennt bereits Vorrichtungen zum Filtern bzw. Dämpfen von Schwingungen, die eine Masse umfassen, die elastisch mit einer drehenden Welle gekuppelt ist. Eine solche Vorrichtung, die hier „Schlagdämpfer” genannt wird, dämpft bzw. filtert gut eine Schwingungsfrequenz, die der Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems des Schlagdämpfers entspricht, verstärkt hingegen die Schwingungen mit Frequenzen, die der Eigenfrequenz benachbart sind.
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Es wurden auch „aktive” Systeme vorgeschlagen, zum Beispiel in der Druckschrift
FR 2 658 888 A1 , die einen ähnlichen Aufbau haben, wie der eines gesteuerten Elektromotors, so dass sich das von diesem Motor gelieferte Drehmoment der zu dämpfenden Schwingung für einen gegebenen Drehzahlbereich widersetzt. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sie relativ viel elektrische Leistung verbrauchen.
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Aus der
DE 41 00 937 A1 ist eine Vorrichtung zum Dämpfen von Drehschwingungen in einem Antriebsstrang bekannt. Dabei ist zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe des Kraftfahrzeuges ein Drehschwingungsdämpfer vorgesehen, an dessen Ausgang ein elektromotorischer Drehmomentpuffer angekoppelt ist, der die am Ausgang des Drehschwingungsdämpfers noch verbleibenden Drehmomentschwankungen kompensiert.
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Aus der
DE 198 37 115 A1 ist eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine einen Rotor und einen Stator umfassende elektrische Maschine aufweist, wobei der Rotor mittels einer schaltbaren Verriegelungseinrichtung an den Antriebsstrang ankoppelbar ist.
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Ferner kennt man durch die Druckschrift
FR 2 824 374 A1 bzw. durch die entsprechende Druckschrift
WO 2002/090793 A1 einen aktiven Schlagdämpfer, insbesondere für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, der mit der Abtriebswelle des Antriebsstangs verbunden ist und zusätzlich zu einem Haupttorsionsdämpfer wirkt, der in herkömmlicher Weise zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist. Dabei sind Modulationsmittel elektromagnetischer Art vorgesehen, um die Frequenz des Schlagdämpfers auf die Frequenz der durch die Antriebswelle übertragenen Schwingungen abzustimmen. In diesem Fall ist die von der Dämpfungsvorrichtung verbrauchte elektrische Leistung relativ gering, zum Beispiel in der Größenordnung von etwa 100 Watt, und der Schlagdämpfer kann sowohl als Elektromotor zum Liefern eines zusätzlichen Antriebsdrehmoments an der Abtriebswelle als auch als Energierückgewinner bei einem Bremsvorgang verwendet werden.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der
DE 199 34 936 A1 bekannt. Sie beschreibt einen Antriebsstrang insbesondere für Kraftfahrzeuge, der ein Antriebselement mit einer Antriebswelle, ein Abtriebselement mit einer Eingangswelle sowie eine mit dem Antriebsstrang in Wirkverbindung stehende elektrischen Maschine umfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Filtern von Schwingungen in einem Antriebsstrang mit einem perfektionierten und weiterentwickelten aktiven Schlagdämpfer bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Dazu schlägt die Erfindung ein insbesondere in Kraftfahrzeugen einsetzbares Verfahren zum Filtern bzw. Dämpfen der Schwingungen in einem Antriebsstrang zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle vor, wobei der Antriebsstrang eine Antriebswelle mit einer Abtriebswelle vermittels mindestens eines fest mit der Antriebswelle verbundenen Schwungrads und eines Torsionsdämpfers verbindet und einen Schlagdämpfer aufweist, der einen rotierend auf der Abtriebswelle montierten Rotor, einen Stator, elektromagnetische Mittel, welche auf dem Rotor und auf dem Stator montiert und mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden sind, sowie elastisch verformbare Mittel zum Verbinden des Rotors mit der Abtriebswelle umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- – Bestimmen der Momentanbeschleunigung des Schwungrads und/oder der Momentanbeschleunigung des Rotors des Schlagdämpfers,
- – und Berechnen der Stärke eines elektrischen Versorgungsstroms der elektromagnetischen Mittel ausgehend von dieser Momentanbeschleunigung sowie von der Trägheit des Rotors, um an den Rotor ein elektromagnetisches Drehmoment anzulegen, das sich zu dem Rückholmoment hinzufügt, welches auf den Rotor durch seine elastisch verformbaren Mittel zum Verbinden mit der Abtriebswelle angelegt wird, und das im Wesentlichen in Phase oder in entgegengesetzter Phase mit diesem Rückholmoment ist, um die Eigenfrequenz des Schlagdämpfers zu ändern und sie an die Frequenz der Schwingungen anzupassen, die von dem Torsionsdämpfer auf die Abtriebswelle übertragen werden,
wobei das an den Rotor angelegte elektromagnetische Drehmoment entweder ausgehend von dem Produkt der Trägheit und der Momentanbeschleunigung des Rotors oder ausgehend von dem Produkt der Trägheit des Rotors und der Momentanbeschleunigung des Schwungrads oder ausgehend von einer verzögerten Winkelbeschleunigung des Rotors, die um 90° zu der Frequenz der Oberschwingung 2 verzögert ist, bestimmt wird.
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Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, besonders wenig Energie zu verbrauchen, denn der Schlagdämpfer wirkt über eine halbe Schwingungsperiode als Elektromotor und über die andere halbe Schwingungsperiode als Bremse, so dass der mittlere verbrauchte Strom sehr gering und nur auf Verluste zurückzuführen ist, wobei ein effizientes Dämpfen bzw. Filtern der Schwingungen in den niedrigen Drehzahlbereichen, insbesondere von etwa 800–1000 Umdrehungen pro Minute bis etwa 1600 Umdrehungen pro Minute erlaubt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es bei diesem Verfahren, dass das elektromagnetische Drehmoment, das an den Rotor des Schlagdämpfers angelegt wird, auf drei verschiedene Varianten bestimmt werden kann, nämlich ausgehend von dem Produkt der Trägheit und der Momentanwinkelbeschleunigung des Rotors, oder ausgehend von dem Produkt der Trägheit des Rotors und der Momentanwinkelbeschleunigung des Schwungrads, oder ausgehend von dem Produkt der Trägheit dieses Rotors und seiner verzögerten Winkelbeschleunigung.
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Bei der letzten dieser drei erfindungsgemäßen Varianten entspricht die Verzögerung dem Versatz um 90°, der zwischen der Geschwindigkeit und der Beschleunigung bei der Frequenz der Oberschwingung 2 (Harmoniefrequenz 2) existiert.
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Natürlich kann man die Winkelbeschleunigungen ausgehend von gemessenen Winkelpositionen des Schwungrads und des Rotors und einer doppelten Ableitung bestimmen.
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Vorzugsweise kann man das an den Rotor des Schlagdämpfers angelegte elektromagnetische Drehmoment ausgehend von Messungen der Momentanwinkelposition des Schwungrads und/oder des Rotors des Schlagdämpfers sowie von in Speichern vorgespeicherten Wertetabellen bestimmen.
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Besonders vorteilhaft ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner, wenn der Schlagdämpfer zum Filtern von Schwingungen bei einem eingelegten Gang, also außerhalb der Getriebegangwechsel verwendet wird um einen Kondensator mit hoher Leistung zu laden, wobei die in dem Kondensator gespeicherte Energie anschließend für die Synchronisation der Drehzahlen während eines Gangwechsels wieder genutzt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, während der Gangwechsel des Getriebes den Schlagdämpfer von der Abtriebswelle zu trennen. Man vermeidet dabei ein Steigern der Trägheit der im allgemeinen aus der Eingangswelle eines Schaltgetriebes bestehenden Abtriebswelle während der Gangwechsel des Getriebes, was die Synchronisation und das Einrücken während dieser Wechsel erleichtert.
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Die Erfindung schlägt ferner eine insbesondere in Kraftfahrzeugen einsetzbare Vorrichtung bzw. Anordnung zum Filtern bzw. Dämpfen der Schwingungen in einem Antriebsstrang zwischen einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle vor, wobei die Anordnung zumindest ein fest mit der Antriebswelle verbundenes Schwungrad, einen Torsionsdämpfer und einen Schlagdämpfer umfasst, welcher einen Rotor, der rotierend um die Abtriebswelle montiert ist, einen Stator, elektromagnetische Mittel, die auf dem Stator und auf dem Rotor montiert und mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden sind, sowie elastisch verformbare Mittel zum Verbinden des Rotors mit der Abtriebswelle umfasst, wobei die Vorrichtung bzw. Anordnung ferner Folgendes umfasst:
- – Mittel zum Bestimmen der Momentanbeschleunigung des Schwungrads und/oder der Momentanbeschleunigung des Rotors des Schlagdämpfers,
- – Mittel zum Steuern der Stromversorgung der elektromagnetischen Mittel des Schlagdämpfers, wobei diese Steuermittel Rechenmittel zum Berechnen umfassen, um ausgehend von der Trägheit des Rotors und seiner Momentanbeschleunigung oder der Momentanbeschleunigung des Schwungrads den Momentanwert der Stärke des Versorgungsstroms der elektromagnetischen Mittel zu bestimmen, um an den Rotor ein elektromagnetisches Drehmoment anzulegen, das sich zu dem Rückstelldrehmoment hinzufügt, das auf den Rotor durch seine elastisch verformbaren Mittel zum Verbinden mit der Abtriebswelle ausgeübt wird, und das im Wesentlichen in Phase oder in entgegengesetzter Phase mit diesem Rückstelldrehmoment ist, um die Eigenfrequenz des Schlagdämpfers zu ändern und sie an die Frequenz der Schwingungen anzupassen, die von dem Torsionsdämpfer auf die Abtriebswelle übertragen werden,
wobei die Vorrichtung bzw. Anordnung ferner Mittel zum Messen der Momentanwinkelposition des Rotors und/oder Mittel zum Messen der Momentanwinkelposition des Schwungrads umfasst.
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Diese Messmittel sind mit den oben genannten Rechenmitteln verbunden, zum Beispiel mit dem Motorsteuerrechner des Fahrzeugs.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die elektromagnetischen Mittel des Schlagdämpfers elektrisch leitende Wicklungen, die insbesondere von dem Stator getragen werden, und die mit einem Ladeschaltkreis eines Kondensators mit großer Kapazität verbunden sind. Dabei werden die Wicklungen des Stators vorteilhafterweise von den vorgenannten Steuermitteln gesteuert.
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Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Rotor drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist, wobei Mittel zum Trennen dieser drehfesten Verbindung vorgesehen sind.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei ferner, wenn die Mittel zum Trennen der drehfesten Verbindung des Rotors mit der Abtriebswelle von Mitteln zum Öffnen einer Kupplung, die in dem Antriebsstrang zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle montiert ist, steuerbar sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Rotor über die elastisch verformbaren Mittel drehfest mit einer Hülse verbunden ist, die drehbar und axial verschiebbar auf der Abtriebswelle gelagert ist, wobei Mittel für eine lösbare formschlüssige und/oder kraftschlüssige Drehverbindung der Hülse mit der Abtriebswelle vorgesehen sind.
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Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die in dem Antriebsstrang vorgesehene Kupplung eine kippbar an dem Kupplungsdeckel gelagerte Membran, insbesondere eine Membranfeder umfasst, deren radial innerer Bereich Ausrückmittel, insbesondere radial nach innen gerichtete und durch Schlitze voneinander getrennte Zungen aufweist, die zum Auskuppeln der Kupplung mittels eines Ausrücklagers axial beansprucht bzw. verlagert werden können, wobei das Ausrücklager nicht direkt, sondern nur mittelbar über die axial verschiebbar gelagerte Hülse auf die Ausrückmittel bzw. die inneren Enden der Zungen einwirkt.
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Die Erfindung wird besser verstanden und weitere Merkmale, Details und Vorteile ergeben sich klarer bei der Lektüre der folgenden Beschreibung, die beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen gegeben wird. Darin zeigen:
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1: eine schematische Ansicht im axialen Schnitt eines Antriebsstrangs mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2: schematisch einen Schaltkreis zum Laden eines Kondensators durch den Schlagdämpfer der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Antriebswelle, wie zum Beispiel die Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, und das Bezugszeichen 12 eine Abtriebswelle, wie zum Beispiel die Eingangswelle eines Schaltgetriebes.
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Ein Schwungrad 14 ist am Ende der Antriebswelle 10 durch Schrauben 16 befestigt und bildet eine Reaktionsplatte einer Kupplung 18 eines herkömmlichen Typs, die eine Reibungsscheibe 20 umfasst, die drehfest mit der Abtriebswelle 12 über einen Torsionsdämpfer 22 eines herkömmlichen Typs verbunden ist, mit elastisch verformbaren Mitteln zum Absorbieren der Schwingungen und Unregelmäßigkeiten des Drehmoments, die von der Antriebswelle 10 übertragen werden, und mit Reibungsmitteln zum Dämpfen der absorbierten Drehmomentschwingungen und -unregelmäßigkeiten.
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Die Kupplung umfasst noch eine Druckplatte 24, die drehfest mit dem Schwungrad 14 verbunden und axial zu Letzterem verschiebbar ist, sowie Kuppelmittel und Auskuppelmittel, die durch eine ringförmige Membran 26 bzw. Membranfeder gebildet werden, die kippend oder schwenkend auf einem Kupplungsdeckel 28, der fest mit dem Schwungrad 14 verbunden ist, montiert sind.
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Der radial äußere Teil der ringförmigen Membran 26 beansprucht die Druckplatte 24 in Richtung zu dem Schwungrad 14 hin zum Festklemmen der Reibbeläge, die von der Kupplungsscheibe 20 getragen werden, und der radial innere Teil dieser ringförmigen Membran arbeitet mit einem Ausrücklager 30 zusammen, das die Abtriebswelle 12 umgibt und axial verschiebbar zwischen einer Ruhestellung, die in den Zeichnungen dargestellt ist, wo die Kupplung geschlossen oder gekuppelt ist, und einer Betriebsposition oder Auskuppelposition, in der das Lager 30 zu der Antriebswelle 10 bewegt und die Druckplatte 24 von dem Schwungrad 14 zum Öffnen der Kupplung entfernt wird, verschiebbar ist. Die Mittel zum Steuern des Ausrücklagers wurden nicht dargestellt und können herkömmlichen Typs sein.
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Bei dem in 1 dargestellten Beispiel ist dieses Ausrücklager am hinteren Ende (oder am Ende auf der der Antriebswelle 10 abgewandten Seite) einer zylindrischen Hülse 32 montiert, die frei drehbar und verschiebbar auf der Abtriebswelle 12 montiert ist, und deren hinteres Ende Mittel zur drehfesten Verbinden mit der Abtriebswelle 12 umfasst, wobei diese Mittel zum Beispiel eine Klaue 34 oder Reibungsmittel 36 umfassen, die zwischen einem äußeren Ansatz der Abtriebswelle 12 (oder einem drehfest mit der Abtriebswelle 12 verbundenen Ring) und einem ringförmigen hinteren Rand der Hülse 32 vorgesehen sind. Die Hülse 32 ist auf die Welle 12 mittels eines Lagers 38 montiert und umfasst an ihrem vorderen Ende einen nicht näher dargestellten Anschlag, der mit dem radial inneren Teil der ringförmigen Membran 26 zusammenarbeitet.
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Diese Hülse ist über Federmittel 40 mit einem Rotor 42 verbunden, der sich radial entlang der ringförmigen Membran 26 und des Kupplungsdeckels 28 erstreckt und Dauermagnete 44 trägt, die gegenüber von stationären ringabschnittförmigen Sektoren 46 des Stators eingerichtet sind, die elektrisch leitende Wicklungen 60 umfassen, die eine geringe axiale Entfernung von den Dauermagneten 44 haben, die von dem Rotor 42 getragen werden.
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Die Gesamtheit diese ringabschnittförmigen Sektoren 46 bilden den Stator einer Elektromaschine, dessen Wicklungen 60 mit einer elektrischen Stromversorgung 48 verbunden sind, die von einem Rechner 50 gesteuert wird, der vorzugsweise zu dem Motorsteuerrechner des Fahrzeugs gehören kann.
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Winkelpositionsdetektoren 52, 54 und 56 gehören hier zu dem Schwungrad 14, das fest mit der Antriebswelle 10 verbunden ist, zu der Abtriebswelle 12 und dem Rotor 42, um jeweils deren Momentanwinkelpositionen zu erfassen.
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Diese Detektoren 52, 54 und 56 sind eines bekannten Typs, zum Beispiel mit 64 oder 32 Punkten pro Umdrehung.
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Die von dem Rotor 42, dem Stator 46 und den Federmitteln 40 gebildete Einheit bildet einen aktiven Schlagdämpfer, dessen elektrische Stromversorgung gesteuert ist, um ein elektromagnetisches Drehmoment zu erzeugen, das an den Rotor angelegt wird, und das sich zu dem von den Federn 40 angelegten Rückstellmoment hinzufügt, wobei dieses elektromagnetische Drehmoment entweder mit dem Rückstellmoment in Phase ist oder in entgegengesetzter Phase mit diesem, um jeweils die Steifheit des Schlagdämpfers zu steigern oder zu verringern und daher seine Eigenfrequenz zu steigern oder zu verringern.
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Beim Betrieb werden die Schwingungen und Unregelmäßigkeiten des Drehmoments, die von der Antriebswelle 10 übertragen und an das Schwungrad 14 und die Abtriebswelle 12 angelegt werden, durch eine Analyse der Momentanwinkelpositionen des Schwungrads 14, der Abtriebswelle 12 und des Rotors 42 erfasst, die von den Detektoren 52, 54, 56 an den Rechner 50 geliefert werden.
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Das an den Rotor 42 angelegte elektromagnetische Drehmoment wird durch die Stärke des Versorgungsstroms der Wicklungen 46 bestimmt und kann direkt ausgehend von der Momentanwinkelbeschleunigung des Schwungrads 14 berechnet werden, welche durch eine doppelte Ableitung des Ausgangssignals des Detektors 52 erzielt wird, und/oder ausgehend von der Momentanwinkelbeschleunigung des Rotors 42, die durch eine doppelte Ableitung des Ausgangssignals des Detektors 56 erzielt wird.
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Es wurde in der Tat festgestellt, dass, in Abhängigkeit von den Drehzahlen der Antriebswelle 10 und den Fahrbedingungen des Fahrzeugs, das an den Rotor 42 anzulegende elektromagnetische Drehmoment durch das Produkt der Trägheit des Rotors 42, einer Konstante und der Winkelbeschleunigung des Schwungrads 14 oder des Rotors 42 des Schlagdämpfers bestimmt werden kann.
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Es ist in bestimmten Fällen auch möglich, für diese Berechnung eine verzögerte Beschleunigung des Rotors 42 zu verwenden. Wenn der Detektor 56 zum Erfassen der Winkelposition des Rotors 42 zum Beispiel ein Detektor mit 64 Punkten ist, kann man eine verzögerte Winkelbeschleunigung von 8 Punkten verwenden, was einem Versatz um 90° zu der Frequenz der Oberschwingung 2 entspricht und daher dem Versatz zwischen der Geschwindigkeit und Beschleunigung bei dieser Frequenz.
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Es ist vorteilhaft, im Speicher Tabellen mit vorausbestimmten Werten zu registrieren, die man mit den gemessenen oder berechneten Werten der Beschleunigung des Schwungrads 14 oder der des Rotors 42 kombiniert, um das an den Rotor 42 anzulegende elektromagnetische Momentandrehmoment zu bestimmen und daher die Stärke des Versorgungsstroms der Wicklungen 46 des Schlagdämpfers.
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Die von dem Detektor 54 verbunden mit der Abtriebswelle 12 gelieferten Signale erlauben es, die Effizienz der Steuerung der Stromversorgung des Schlagdämpfers zu prüfen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung, die in 1 dargestellt ist, ist die drehfeste Verbindung des Schlagdämpfers mit der Antriebswelle auskuppelbar, wobei dieses Auskuppeln gleichzeitig mit dem Öffnen der Kupplung 18 eintritt, wenn die Hülse 32, die den Schlagdämpfer trägt, in axialer Verschiebung von den Steuermitteln der Kupplung 18 zu der Antriebswelle 10 bewegt wird, um auf den radial inneren Teil der ringförmigen Membran 26 einzuwirken und sie auf den Kupplungsdeckel 18 schwenken zu lassen.
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Diese Bewegung des Schlagdämpfers zu der Antriebswelle 10 ergibt das Ausrücken der Mittel 34 oder Umstellen auf den Ruhezustand der Reibungsmittel 36, so dass der Rotor 42 und die Hülse 32 nicht mehr mit der Abtriebswelle 12 verbunden sind.
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Dieses Auskuppeln des Schlagdämpfers hat den Vorteil, dass sich die Trägheit des Schlagdämpfers bei Gangwechseln in dem Schaltgetriebe, für das die Welle 12 eine Eingangswelle ist, nicht zu der der Welle 12 hinzufügt, was ein normales Funktionieren der Synchronisations- und Einrückmittel erlaubt.
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Während des größten Teils des Betriebs des Motors des Fahrzeugs ist der Schlagdämpfer drehfest mit der Abtriebswelle 12 verbunden und wird von dem Rechner 50 gesteuert, um als Stromgenerator während des Betriebs beim gekuppelten Betrieb zu funktionieren, und die von ihm erzeugte Energie wird gespeichert und während der Getriebegangwechsel wiedergegeben, um die Synchronisations- und Einrückmittel zu unterstützen.
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Man kann dazu die schematisch in 2 dargestellte Anordnung verwenden, bei welcher die Wicklungen 60 des Stators 46 mit einem Kondensator 62 mit großer Kapazität und mit einer Brückenanordnung von Leistungstransistoren 64 verbunden sind, die von dem Rechner 50 in Abhängigkeit von einem Beschleunigungs-Signal 66 der Antriebswelle 10 und von einem Beschleunigungs-Signal 68 des Rotors 42 gesteuert werden. Die in dem Kondensator 62 gespeicherte Energie, die zum Beispiel zwischen 500 und 1000 Joule liegt, wird während der Getriebegangwechsel verwendet, um die Drehzahl der Abtriebswelle 12 zu steigern oder zu verringern.
