DE102005020961A1

DE102005020961A1 - Crankshaft oscillation dampener has a ring separated from housing by a highly viscous medium in a varying electrical field

Info

Publication number: DE102005020961A1
Application number: DE200510020961
Authority: DE
Inventors: Gerhard Deschler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-11-09

Abstract

An automotive engine has a crankshaft resting in bearings. The crankshaft front end rests within a primary housing and oscillating ring secondary part. The housing and ring are separated by a highly viscous medium whose oscillation characteristics are modified as required by exposure to an electric field.

Description

Ausgangssituationinitial situation

Die Visco-Drehschwingungsdämpfer heutiger Bauweise sind passive Dämpfer. Ihre Aufgabe besteht darin, die in der Kurbelwelle bei Resonanz auftretenden Drehwinkelausschläge am vorderen Kurbelwellenende auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Der Aufbau des Visco-Dämpfers besteht aus einem geschlossenen Gehäuse (Primärmasse), das mit der Kurbelwelle fest verbunden ist und einem im Gehäuse befindlichen Schwungring (Sekundärmasse), dessen Spalt mit Silikonöl hoher Viskosität ausgefüllt ist. Bei Relativbewegung zwischen Gehäuse und Schwungring treten im viskosen Medium Scherkräfte auf, die dämpfend auf das schwingende System wirken. Die Baugröße, das heißt die Trägheitsmasse des Schwungrings und die Viskosität des verwendeten viskosen Dämpfungsmediums des Dämpfers richten sich nach den vorgegebenen Angaben für den zulässigen Drehwinkelausschlag bei maximaler Motorleistung. Die für den Auslegepunkt zugrundegelegten Daten wie Temperatur und Schwingungszahl des zu dämpfenden Systems werden als fixe und unveränderliche Größen angesehen. Bei Veränderung der Umgebungstemperatur und/oder der Motorträgheitsmassen sowie geringerer innerer Motordämpfung nach der Einlaufzeit bewegt sich der Dämpfer weg vom Auslegepunkt in Richtung höherer Ausschläge und Temperaturen.The Visco-torsional vibration dampers Today's design are passive dampers. Their task is to find the resonance occurring in the crankshaft Rotational angular deflections at the front end of the crankshaft to a tolerable level. The structure of the viscous damper from a closed housing (Primary mass), which is firmly connected to the crankshaft and one located in the housing Swing ring (secondary mass), its gap with silicone oil high viscosity filled out is. When relative movement between housing and flywheel occur Shearing forces in the viscous medium on, the steaming act on the vibrating system. The size, that is the inertial mass of the flywheel and the viscosity the used viscous damping medium of the damper depend on the specified data for the permissible angular deflection at maximum engine power. The basis for the design point Data such as temperature and vibration number of the to be damped Systems are considered fixed and unchangeable quantities. In case of change the ambient temperature and / or the engine inertia masses and lesser internal engine damping after the break-in period, the damper moves away from the design point towards higher rashes and temperatures.

Der optimale Dämpfungsfaktor k wird vom Trägheitsmoment des Schwungrings und der Kreisfrequenz ω des Systems Kurbelwelle bestimmt. k = J ω The optimal damping factor k is determined by the moment of inertia of the flywheel and the angular frequency ω of the crankshaft system. k = J ω

Das optimale Dämpfungsmoment D, das sich mit der Schwingungsamplitude A am vorderen Kurbelwellenende ergibt, ist D = k ω A D = J ω2 A The optimal damping torque D, which results with the oscillation amplitude A at the front end of the crankshaft, is D = k ω A D = J ω 2 A

Da sich das Dämpfungsmoment D aus der Scherkraft der sich relativ zueinander bewegenden Teile von Gehäuse und Schwungring bildet, ist dieses eine Funktion der dynamischen Viskosität η und der Schwinggeschwindigkeit (Aω) D = f((Aω), η) Since the damping torque D is formed by the shearing force of the relatively moving parts of the housing and the flywheel, this is a function of the dynamic viscosity η and the vibration speed (Aω). D = f ((Aω), η)

Die notwendige Höhe der Viskosität η ist eine Funktion des Trägheitsmomentes J des Schwungrings, der Kreisfrequenz ω der Kurbelwelle und des Spaltmaßes s zwischen Gehäuse und Schwungring. η = f(J, ω, s) The necessary level of viscosity η is a function of the moment of inertia J of the flywheel, the angular frequency ω of the crankshaft and the gap s between housing and flywheel. η = f (J, ω, s)

Das heißt, je schwerer der Schwungring, je größer die Kreisfrequenz, um so höher kann die Viskosität und damit auch die Dämpfung sein. Ist der Spalt größer, muß auch die Viskosität für optimale Dämpfung steigen.The is called, the heavier the flywheel, the larger the angular frequency, so higher the viscosity and with it the damping be. If the gap is larger, then the viscosity rise for optimal damping.

Viskose, polymere Flüssigkeiten haben ein nicht-Newtonsches Verhalten. Die Viskosität ist nicht nur temperaturabhängig, sondern sie wird auch entscheidend von der Schergeschwindigkeit beeinflußt. Bei der Auslegung eines Visco-Dämpfers mit der Wahl der festzulegenden Viskosität kann nur vom Auslegungspunkt 1 mit der Betriebstemperatur t₁ und dem Drehwinkelausschlag A₁ ausgegangen werden. Steigt im Betrieb die Temperatur, fällt die Viskosität, und damit erhöhen sich die Drehwinkelausschläge soweit, bis wieder Gleichgewicht zwischen Schwingungsenergie und Dämpfungsarbeit hergestellt ist.XXXXXViscous, polymeric fluids have a non-Newtonian behavior. The viscosity is not only temperature-dependent, but it is also decisively influenced by the shear rate. When designing a visco damper with the choice of the viscosity to be determined can only from the design point 1 with the operating temperature t ₁ and the rotational angle excursion A _{1 are} assumed. If the temperature rises during operation, the viscosity will drop, and thus the angular deflection will increase until equilibrium between vibration energy and damping work is restored.XXXXX

Da mit steigendem Drehwinkelausschlag A auch Schwinggeschwindigkeit A ω und damit auch die Schergeschwindigkeit (Geschwindigkeitsgefälle) v/s im Spalt proportional wächst, führt dies zu einem weiteren Viskositätsabfall, bis sich wieder ein Gleichgewichtszustand zwischen Erregungs- und Dämpfungsarbeit einstellt. Das führt zu einer Erhöhung der Dämpferleistung, die proportional zum Drehwinkelausschlag steht. In 1 ist der Auslegepunkt 1 mit den neuen Betriebszuständen 2 und 3, als neuer Gleichgewichtszustand dargestellt. Geht man davon aus, daß der neue Drehwinkelausschlag um ca. 30% gestiegen ist, steigt damit auch die Dämpferleistung um den gleichen Betrag. Ist der Dämpfer für 700 W ausgelegt, bedeutet dies ein Anwachsen auf 910 W, was zu einem Ausfall bei längerem Betrieb in diesem Betriebszustand führen kann.As, with increasing rotational angle excursion A, oscillation velocity A ω and thus also the shear rate (velocity gradient) v / s increase proportionally in the gap, this leads to a further decrease in viscosity until an equilibrium state between excitation and damping work sets again. This leads to an increase in the damper power, which is proportional to the rotational angle deflection. In 1 is the design point 1 with the new operating conditions 2 and 3 , shown as a new equilibrium state. Assuming that the new rotation angle excursion has increased by about 30%, so does the damper performance by the same amount. If the damper is designed for 700 W, this means an increase to 910 W, which can lead to a failure during prolonged operation in this operating state.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abdriften des Dämpfers vom Auslegepunkt infolge der sich im Betrieb verändernden Parameter zu verhindern. Wie oben erwähnt, wird die optimale Dämpfung von den Parametern J (Trägheitsmoment des Schwungrings) und der Kreisfrequenz ω des zu dämpfenden Systems bestimmt. Danach richtet sich die zu wählende Viskosität des viskosen Mediums. Diese hängt wiederum von dem Spaltmaß s, der zu erwartenden Betriebstemperatur t und der Schergeschwindigkeit v/s bei einem Drehwinkelausschlag A ab. Der einzige Parameter, der in dieser Abhängigkeitsfunktion geändert werden kann, ist die Viskosität des Dämpfungsmediums.task The invention is to drift the damper from Auslegepunkt due which are changing during operation Prevent parameters. As mentioned above, the optimal damping of the parameters J (moment of inertia of the flywheel ring) and the angular frequency ω of the system to be damped. Thereafter, the viscosity of the viscous depends Medium. This hangs again from the gap s, the expected operating temperature t and the shear rate v / s at a rotational angle deflection A from. The only parameter that in this dependency function changed can be, is the viscosity of the damping medium.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Nach der Rheologie (s. Thermo Haake) ist bekannt, daß es elektroviskose Fluide gibt, die ihr Fließverhalten bei Anlegen eines elektrischen Feldes ändern. Diese Fluide enthalten üblicherweise fein verteilte, dielektrische Partikel, wie z.B. Aluminiumsilikate in elektrisch leitenden Flüssigkeiten, die in einem elektrischen Feld polarisiert werden. Die Viskosität dieser elektroviskosen Fluide (kurz EVFs genannt), kann sich bei Veränderung des wirksamen elektrischen Feldes bedingt durch Spannungsänderungen augenblicklich und beliebig umkehrbar von einem niedrigen zu einem hohen Wert ändern, bis diese Suspension eine teigähnliche oder sogar feste Beschaffenheit annimmt. Alternativ sind noch elektromagnetische Fluide zu erwähnen, deren Viskosität sich in wechselnden Magnetfeldern stark ändern.According to the rheology (see Thermo Haake) it is known that there are electroviscous fluids, which their flow behavior when applying an electric field to change. These fluids usually contain finely divided dielectric particles, such as aluminum silicates in electrically conductive liquids, which are polarized in an electric field. The viscosity of these electroviscous fluids (called EVFs for short) can change from a low to a high value as soon as the suspension changes to a dough-like or even solid state as a result of changes in voltage. Alternatively, electromagnetic fluids should be mentioned, the viscosity of which change greatly in changing magnetic fields.

Hier setzt die Lösung der Aufgabe an. Über einen Sensor wird der Drehwinkelausschlag am vorderen Kurbelwellenende abgefragt. Die Abfrage beginnt erst ab Drehzahlen 1000 l/min um sicherzustellen, daß der Ungleichförmigkeitsgrad, auch UFG genannt, der bei kleiner Motordrehzahl wegen geringer Drehenergie meistens höher als der Drehwinkelausschlag ist, nicht fälschlicherweise als Drehschwingungswinkel erfaßt wird. Bahnt sich nun bei Annäherung der Resonanzdrehzahl eine Überschreitung des bei Auslegung vorgegebenen Wertes für den Drehwinkelausschlag an, wird ein elektrisches Feld angelegt. Der Spannungsanstieg erfolgt in diskreten Schritten. Die Anzahl der Schritte richtet sich nach der wiederholten Abfrage nach jedem Schritt, bis der vorgegebene Drehwinkelausschlag erreicht ist. In diesen Regelkreis muß neben dem Drehwinkelausschlag auch die Temperatur einbezogen werden, um sicherzugehen, daß bei Verlassen des optimalen Dämpfungsfaktors k in Richtung zu hoher Viskosität und damit Rückgang der Temperatur auch die Spannung des elektrischen Feldes zurückgenommen wird, damit immer optimale Dämpfung vorliegt.Here sets the solution to the task. About one Sensor becomes the rotational angle deflection at the front crankshaft end queried. The query only starts at speeds of 1000 l / min to make sure that droop, also called UFG, which at low engine speed because of low rotational energy usually higher as the angle of rotation is, not falsely as torsional vibration angle detected becomes. Now walk on approach the resonance speed is exceeded of the value predefined for the rotation angle excursion, an electric field is applied. The voltage increase takes place in discrete steps. The number of steps depends on the repeated query after each step, until the predetermined angle of rotation is reached. In this control loop next to the rotation angle rash Also included the temperature to ensure that when leaving the optimal damping factor k towards high viscosity and thus decline the temperature also the voltage of the electric field is withdrawn, thus always optimal damping is present.

In 1, 2, und 3, 4 wird die Funktionsweise des aktiven Dämpfers erläutert.In 1 . 2 , and 3 . 4 the operation of the active damper is explained.

1 zeigt die Abhängigkeit der dynamischen Viskosität η von Temperatur t und Schergeschwindigkeit v/s im Spalt. Im weiteren wird die Schergeschwindigkeit mit γ . bezeichnet. 1 stellt den Auslegepunkt mit Drehwinkel A₁, η₁, und t₁ dar. Driftet der Dämpfer vom Auslegepunkt 1 infolge gestiegener Temperatur in Richtung 2 ab, steigt der Drehwinkelausschlag und damit auch die Schergeschwindigkeit γ .. Die Folge ist ein weiterer Abfall der Viskosität auf Betriebszustand 3 mit Gleichgewicht zwischen Erregung und Dämpfung. 1 shows the dependence of the dynamic viscosity η on temperature t and shear rate v / s in the gap. Furthermore, the shear rate is γ. designated. 1 represents the design point with rotation angle A ₁ , η ₁ , and t _1. Drifts the damper from the design point 1 due to increased temperature in the direction 2 decreases, the angle of rotation and thus also the shear rate γ .. The result is a further drop in viscosity to operating condition 3 with balance between arousal and damping.

Die gestrichelt dargestellte Linie von 1 nach 2 und 2 nach 3 zeigt den Abfall der Viskosität η in Abhängigkeit von Temperatur t und Schergeschwindigkeit γ . in nur zwei Schritten. In Wirklichkeit erfolgt der Viskositätsabfall nach der durchgezogenen Kurve 1 nach 3 und ist die Summation einer Vielzahl differentiell kleiner Schritte für t und γ ..The dashed line of 1 to 2 and 2 to 3 shows the drop in viscosity η as a function of temperature t and shear rate γ. in just two steps. In reality, the drop in viscosity occurs after the solid curve 1 to 3 and is the summation of a plurality of differentially small steps for t and γ.

In 2 ist der Dämpfungsfaktor k abhängig von η als Funktion von Temperatur t und Drehwinkelausschlag A dargestellt. Punkt 1 ist der optimale Auslegepunkt. Durch Anlegen einer Spannung U kann dieser optimale Wert nach dem Abdriften des Dämpfers auf Punkt 3 wieder erreicht werden.In 2 the damping factor k is shown as a function of η as a function of temperature t and rotational angle deflection A. Point 1 is the optimal design point. By applying a voltage U, this optimum value can after the drift of the damper to point 3 be reached again.

3 zeigt den Aufbau des aktiven Dämpfers. Dämpfer 30 besteht aus Gehäuse 10, dem Schwungring 11 und dem elektroviskosen Fluid 12. Kurve A stellt den Drehwinkel an der jeweiligen Stelle dar. 16 ist der Knoten der Drehschwingung, der in Ruhe bleibt. Die Amplituden vor und nach dem Knoten 16 sind um 180 Grad phasenversetzt. Das bedeutet, daß die Ausschläge am Dämpfer 30 und die am Schwungrad 14 immer gegeneinander schwingen. Dämpfer 30 ist mit der Kurbelwelle 15 fest verschraubt. Bei Drehwinkelausschlägen treten zwischen Gehäuse 10 und Schwungring 11 Relativbewegungen auf, die das elektroviskose Fluid 12 auf Scherung beanspruchen, was dämpfend auf die auf Verdrillung (Torsion) beanspruchte Kurbelwelle 15 wirkt. 3 shows the structure of the active damper. damper 30 consists of housing 10 , the swing ring 11 and the electroviscous fluid 12 , Curve A represents the angle of rotation at the respective location. 16 is the knot of torsional vibration that stays calm. The amplitudes before and after the node 16 are out of phase by 180 degrees. That means the rashes on the damper 30 and the flywheel 14 always swing against each other. damper 30 is with the crankshaft 15 firmly screwed. For angular deflection occur between housing 10 and swing ring 11 Relative movements on which the electroviscous fluid 12 subject to shear, which dampens the twisted (twisted) crankshaft 15 acts.

4. Maßaufnehmer (Sensor) 20 nimmt die Amplituden am vorderen Wellenende auf. Diese werden in 21 mit dem zulässigen Amplitudenwert Azul abgeglichen. Ist A > Azul und Δt ≥ 0 bzw. Δt ≤ 0 steigt bzw. fällt die Spannung U im Regler 22, die als elektrisches Feld 23 an EVF 12 angelegt wird. Bei A ≤ Azul liegt keine Spannung an. 4 , Transducer (sensor) 20 picks up the amplitudes at the front end of the shaft. These are in 21 adjusted with the allowable amplitude value Azul. If A> Azul and Δt ≥ 0 or Δt ≤ 0, the voltage U rises or falls in the controller 22 that as electric field 23 to EVF 12 is created. When A ≤ Azul no voltage is applied.

Vorteiladvantage

Der aktive Drehschwingungsdämpfer hat aufgrund des Regelkreises die Fähigkeit, immer den optimalen Dämpfungswert zu halten. Temperatureinflüsse im Betrieb, Veränderungen am System können damit berücksichtigt werden. Somit wird erreicht, daß der Dämpfer in jedem Betriebszustand optimal arbeitet und seine Leistungsfähigkeit auch nach langer Laufzeit erhalten bleibt. Die über den Maßaufnehmer erfaßten Drehwinkelausschläge können als weiterer Vorteil dafür verwendet werden, daß bei Überschreiten des zulässigen Amplitudenwertes Azul. und bei weiterem Überschreiten eines festgelegten Grenzwertes A_Grenz für den Amplitudenausschlag, z.B. wenn der optimale Dämpfungswert k durch den Regelkreis nicht mehr hergestellt werden kann, ein Warnsignal ertönt, das darauf hinweist, daß Gefahr im Verzug für die Kurbelwelle besteht. Wenn dieses Signal vorn Fahrer ignoriert wird, könnte vorgesehen werden, daß der Motor nicht mehr in der Resonanzdrehzahl betrieben werden kann.The active torsional vibration damper has the ability to always maintain the optimum damping value due to the control loop. Temperature influences during operation, changes to the system can be taken into account. Thus, it is achieved that the damper works optimally in any operating condition and its performance is maintained even after a long time. The rotational angle excursions detected via the measuring transducer can be used as a further advantage in that when the permissible amplitude value Azul. and on further exceeding a specified limit A _limit for the amplitude deflection, for example, when the optimal damping value k can no longer be established by the control loop, a warning sounds, indicating that there is danger in default for the crankshaft. If this signal is ignored by the driver, it could be provided that the engine can no longer be operated at the resonance speed.

Claims

Torsional vibration damper for reducing the rotational angle deflections at the front end of the crankshaft, consisting of a housing (primary part) ( 10 ) and a flywheel (secondary part) ( 11 ), whose gaps between the flywheel and housing with a high-viscosity medium ( 12 ) and the flow behavior of this medium is strongly influenced by the magnitude of the applied electric field, characterized in that an electric field ( 23 ) is created.

Claim 1 characterized in that via a transducer ( 20 ) Rotational angle deflections (A) are recorded, by comparison with the permissible value Azul ( 21 ) the voltage U ( 22 ) in steps and as an electric field ( 23 ) is applied to the high-viscosity medium.

Claim 2 characterized in that at the same time a temperature difference Δt at measuring point ( 20 ) is taken as a determinant of a voltage change of the electric field.

Claim according to 2 characterized in that in the transducer ( 20 Recorded) rotational angular deflections with a limit value A _border are compared, and an audible warning signal when it is exceeded.

Claim according to 1, 2 and 3 characterized that the viscosity a high-viscosity medium is influenced alternatively via a controllable magnetic field.