DE102006023568A1

DE102006023568A1 - Schwingungstilger

Info

Publication number: DE102006023568A1
Application number: DE200610023568
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl. Ing. Rettig
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Schwingungstilger, umfassend wenigstens einen um eine Drehachse drehbaren Tilgerkörper und wenigstens eine auf eine Anregungsfrequenz abgestimmte Tilgermasse, die ein auf den Tilgerkörper wirkendes Moment erzeugt, wobei eine Ausgleichsmasse (11) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass sie ein auf den Tilgerkörper (2) wirkendes, dem durch die Tilgermasse (10) erzeugten Moment entgegenwirkendes Moment erzeugt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Schwingungstilger, umfassend wenigstens einen um eine Drehachse drehbaren Tilgerkörper und wenigstens eine, auf eine Anregungsfrequenz abgestimmte Tilgermasse, die ein auf den Tilgerkörper wirkendes Moment erzeugt.
Hintergrund der Erfindung
Dynamische Systeme, die im Bereich ihrer Eigenfrequenzen angeregt werden, zeigen generell als Systemantwort erhöhte Schwingungen. Wenn ein System, etwa ein Teil einer drehenden Maschine, in einem breiten Frequenzspektrum angeregt wird, so besteht die Gefahr, dass bei ungünstigen Betriebsverhältnissen Resonanzphänomene auftreten. Bei Brennkraftmaschinen ist dies meist dann der Fall, wenn Eigenfrequenzen von rotierenden Bauteilen, zum Beispiel des Steuertriebs, des Aggregatetriebs, der Nockenwelle oder eines Nockenwellenverstellers, mit den Anregungsfrequenzen der Brennkraftmaschine zusammenfallen. Da die Anregungsfrequenzen mit der Drehzahl des Motors steigen, durchlaufen sie den gesamten Frequenzbereich, in dem auch Eigenfrequenzen der erwähnten Komponenten der Brennkraftmaschine liegen. Dabei kann es sich um Eigenfrequenzen eines Zugmittels im Aggregatetrieb oder im Steuertrieb handeln, ebenso um Dreheigenfrequenzen der Aggregate oder des Steuertriebs. Es können sogar solche Freiheitsgrade angeregt werden, die keine unmittelbare Kopplung mit dem Verbrennungsprozess besitzen, beispielsweise können Biegeschwingungen einer Fahrzeugkarosserie entstehen, die eine Schallabstrahlung in den Fahrgastraum und die Umgebung bewirken.
Diese dynamischen Effekte können zu einer erhöhten Belastung von Zugmitteln führen, daneben kann Schlupf entstehen oder es wird eine Schallabstrahlung in angrenzende Strukturen erzeugt. Diese dynamischen Belastungen reduzieren außerdem die Lebensdauer der Bauteile und sind daher unerwünscht. Um diesen Effekten entgegen zu wirken, hat man bisher aufwändige Gegenmaßnahmen ergriffen und mechanische und hydraulische Spannsysteme, Freiläufe, Dämpfer oder Elastriemen eingesetzt. Alle bekannten Maßnahmen weisen jedoch Nachteile auf, hydraulische Spannsysteme bewirken beispielsweise einen Leistungsverlust, der zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt, andere Maßnahmen führen zu höheren Kosten.
Schwingungstilger, bei denen eine drehbare Masse beweglich mit Tilgermassen verbunden ist, sind bereits seit langer Zeit bekannt, beispielsweise wird auf die CH 175420 oder die GB 379 165 verwiesen. Weitere Schwinungstilger, die für den Einsatz bei Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, sind beispielsweise aus der DE 199 11 564 A1 oder der DE 100 59 101 A1 bekannt. In dem Artikel „Drehzahladaptiver Tilger – Eine Alternative für die Schwingungsreduzierung?" (ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 103 (2001) 4, S. 290–296) werden verschiedene konstruktive Ausführungen von Schwingungstilgern für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Es wird empfohlen, den Schwingungstilger durch die Wahl der geometrischen Verhältnisse genau auf eine bestimmte Anregungsordnung einer Brennkraftmaschine abzustimmen. Allerdings ergibt sich dabei das Problem, dass bei der Abstimmung auf eine bestimmte Anregungsfrequenz häufig Schwingungen benachbarter Motorordnungen verstärkt werden.
In der Praxis sind zusätzlich konstruktive Randbedingungen zu beachten, die zum Beispiel durch den zur Verfügung stehenden Bauraum und die Anschlussmaße vorgegeben sind. Dadurch kann es schwierig werden, einen optimal ausgelegten Schwingungstilger zu integrieren. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass herkömmliche Schwingungstilger lediglich bei Schwingungen ab der ersten Motorordnung eingesetzt werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungstilger anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet und zur Tilgung beliebiger Frequenzen eingesetzt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Schwingungstilger der eingangs genannten Art erfindungsgemäß eine Ausgleichsmasse vorgesehen, die derart angeordnet ist, dass sie ein auf den Tilgerkörper wirkendes, dem durch die Tilgermasse erzeugten Moment entgegenwirkendes Moment erzeugt.
Der erfindungsgemäße drehzahladaptive Tilger weist den Vorteil auf, dass er auch zur Tilgung von Frequenzen unterhalb der ersten Ordnung geeignet ist. Dies wird durch eine Ausgleichsmasse erreicht, die der Tilgermasse entgegenwirkt, genauer gesagt erzeugt die Ausgleichsmasse ein Moment bezüglich eines Befestigungspunkts, das entgegengesetzt zu dem durch die Tilgermasse erzeugten Moment ist. Dementsprechend reduziert die Ausgleichsmasse das Rückstellmoment und beeinflusst die Tilgungsfrequenz des Schwingungstilgers.
Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungstilger können die Tilgermassen und die Ausgleichsmasse miteinander gekoppelt sein, damit zu jedem Zeitpunkt während der Bewegung das benötigte Tilgermoment sowie das diesem entgegenwirkende durch die Ausgleichsmasse erzeugte Moment vorhanden sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse an einer drehbar an dem Tilgerkörper gelagerten Koppelstange angeordnet sind. Zweckmäßig sind die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse an gegenüberliegenden Seiten der Koppelstange angeordnet, wobei sich der Drehpunkt der Koppelstange zwischen der Tilgermasse und der Ausgleichsmasse befindet. Die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse führen dann bei einer Drehung des Tilgerkörpers eine Drehbewegung um den Drehpunkt der Koppelstange durch.
Bei anderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers können die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse ein einstückiges Tilgerbauteil bilden. Vorzugsweise kann das Tilgerbauteil eine kreisförmige Grundform aufweisen, wobei zur Schaffung der Tilgermasse und der Ausgleichsmasse gegebenenfalls Segmente ausgespart sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Tilgermasse, die Ausgleichsmasse und die jeweiligen auf die Drehachse bezogenen Radien so gewählt sein, dass Schwingungen unterhalb der ersten Ordnung getilgt werden. Dies ist bei herkömmlichen Schwingungstilgern nicht möglich. Dieser Fall tritt jedoch in der Praxis häufig auf, wenn ein Schwingungstilger beispielsweise an einem Generator oder einem ähnlichen Aggregat angebracht werden soll. Bei Riementrieben, in denen derartige Schwingungstilger eingesetzt werden können, kann das Übersetzungsverhältnis beispielsweise 3 betragen. Falls die zweite Motorordnung eines Verbrennungsmotors (n_Motor=2) mit einem Schwingungstilger, der auf dem Generator angebracht ist, getilgt werden soll, so ergibt sich für den Generator eine Ordnung von n_Gen=0,67. Bei herkömmlichen Schwingungstilgern muss jedoch die Bedingung n > 1 eingehalten werden, dementsprechend kann ein herkömmlicher Schwingungstilger in dem geschilderten Beispiel nicht eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungstilger kann es vorgesehen sein, dass an dem Tilgerkörper mehrere Tilgermassen angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Tilgermassen und die zugehörigen Ausgleichsmassen in Umfangsrichtung auf dem Tilgerkörper verteilt angeordnet.
Der erfindungsgemäße Schwingungstilger kann auch eingesetzt werden, um mehrere Frequenzen eines schwingungsfähigen Systems zu dämpfen. Bei Brennkraftmaschinen sind sehr häufig mehrere störende Anregungsfrequenzen vorhanden. Erfindungsgemäß kann der Schwingungstilger wenigstens eine erste, an eine erste Anregungsfrequenz und wenigstens eine zweite, an eine zweite Anregungsfrequenz angepasste Tilgermasse sowie die jeweils zugehörige Ausgleichsmasse umfassen.
In einzelnen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Tilgermasse als Fluid, insbesondere als Flüssigkeit, auszubilden. Dasselbe gilt für die Ausgleichsmasse, die ebenfalls als Fluid oder Flüssigkeit ausgebildet sein kann.
Daneben bezieht sich die Erfindung auf einen Zugmitteltrieb mit einem als Riemen oder Kette ausgebildeten Umschlingungsmittel, wenigstens einem antreibenden rotierenden Bauteil und wenigstens einem angetriebenen rotierenden Bauteil.
Erfindungsgemäß weist das antreibende und/oder das wenigstens eine angetriebene rotierende Bauteil einen Schwingungstilger der beschriebenen Art auf.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Zugmitteltrieb Bestandteil eines Antriebsstrangs, eines Aggregatetriebs oder eines Steuertriebs einer Brennkraftmaschine ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 einen Schwingungstilger gemäß dem Stand der Technik;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers;
4 den Schwingungstilger von 3 mit ausgelenkten Tilgermassen;
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers; und
6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Der in 1 gezeigte Schwingungstilger 1 umfasst einen Tilgerkörper 2, der scheibenförmig ausgebildet ist. Es kann sich dabei um eine beliebige Scheibe eines Aggregats im Steuertrieb oder im Aggregatetrieb einer Brennkraftmaschine handeln. Alternativ kann es sich dabei um eine Nockenwellenscheibe, die Nockenwelle selbst oder einen Nockenwellenversteller handeln. Grundsätzlich kann der in 1 gezeigte Tilgerkörper an allen rotierenden Komponenten im Antriebsstrang, im Aggregatetrieb oder im Steuertrieb, jeweils mit angekoppelten Strukturen, angeordnet sein. Es ist sogar möglich, den Tilgerkörper an solchen Strukturen anzubringen, die selbst keine Drehschwingungen ausführen, aber durch deren Auswirkungen Schwingungen angeregt werden, dabei kann es sich beispielsweise um die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs handeln. Typische Aggregate bzw. rotierende Scheiben, an denen der Tilgerkörper 2 angebracht sein kann, sind: Generator, Klimakompressor, Lenkhilfepumpe, Wasserpumpe, Umlenkrollen, Spannerscheiben, Kurbelwellenscheiben, Freilaufscheiben, Scheiben mit doppelter Riemenberührung oder Koppelscheiben zwischen zwei Riementrieben.
Der Tilgerkörper 2 des in 1 gezeigten Schwingungstilgers 1 besitzt den Radius r₂ und führt eine Drehbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit Ω um den Drehpunkt 3 durch. Eine Tilgermasse 4 ist an einer Koppelstange 5 angebracht, die in einem Aufhängepunkt 6 drehbar gelagert ist. Die Koppelstange 5 besitzt die Länge r₁.
Für den in 1 gezeigten drehzahladaptierten Schwingungstilger gilt die Gleichung r₁/r₂ = n², wobei n die zu tilgende Ordnung der Schwingung ist. Wenn die Hauptordnung einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern getilgt werden soll, ist n = 2. Der Schwingungstilger 1 besitzt eine variable Eigenfrequenz, die sich proportional zur Drehzahl verändert. Die oben angegebene Gleichung setzt voraus, dass n > 1 ist. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung dargelegt wurde, kann der in 1 gezeigte Schwingungstilger nicht eingesetzt werden, wenn dieser etwa am Generator befestigt wird, wenn dessen Übersetzungsverhältnis zum Beispiel 3 beträgt. Da die zu tilgende Ordnung für den Generator n_Gen = 0,67 betragen würde, ist die Bedingung n > 1 verletzt, sodass der Schwingungstilger 1 nicht verwendet werden kann.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers.
Für übereinstimmende Komponenten werden in den 1 und 2 dieselben Bezugszeichen verwendet. In Übereinstimmung mit dem Schwingungstilger von 1 umfasst der Schwingungstilger 7 einen Tilgerkörper 2, der eine Drehbewegung um den Drehpunkt 3 durchführt. Eine Tilgermasse 10 ist an einer Koppelstange 8 angeordnet, die in einem Aufhängepunkt 9 drehbar gelagert ist. Am anderen Ende der Koppelstange 8 befindet sich eine Ausgleichsmasse 11, sodass sich die Tilgermasse 10 und die Ausgleichsmasse 11 diametral gegenüberliegen. Bei einer Drehbewegung des Tilgerkörpers 2 führt die Tilgermasse 10 eine Drehung um den Aufhängepunkt 9 mit dem Radius r₁ durch. Gleichzeitig führt die Ausgleichsmasse 11 eine Drehbewegung um den Aufhängepunkt 9 mit dem Radius r_a durch.
Der Zusammenhang zwischen der zu tilgenden Ordnung (n), der Tilgermasse 10 (M₁), dem Radius (r₁) der Drehbewegung der Tilgermasse 10, der Ausgleichsmasse 11 (M_a), dem Radius (r_a) der Ausgleichsmasse 11 bei der Drehbewegung sowie dem Radius (r₂) des Tilgerkörpers 2 ergibt sich durch die folgende Gleichung:
Da bei der Auslegung des Schwingungstilgers 7 neben den Radien r₁ (Tilgermasse 10) und r₂ (Tilgerkörper 2) auch der Radius r_a (Ausgleichsmasse 11) sowie die Massen M₁ (Tilgermasse 10) und M_a (Ausgleichsmasse 11) in die Bestimmung der Ordnung und damit der Tilgerfrequenz eingehen, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, um den Schwingungstilger 7 an konstruktive Randbedingungen anzupassen.
Generell ist die Anzahl der Ausgleichsmassen beliebig. Es ist nicht erforderlich, dass die Ausgleichsmasse und die Tilgermasse einander diametral gegenüber liegen. Ebenso wenig müssen die Ausgleichsmasse und die Tilgermasse starr miteinander gekoppelt sein. Es ist auch möglich, anstelle der in 2 gezeigten punktförmigen Massen Fluide zu verwenden, deren Position sich bei einer Drehbewegung bezogen auf die Drehachse radial verändert.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schwingungstilgers. An dem Tilgerkörper 2 sind Tilgermassen 12 angeordnet, die mit Ausgleichsmassen 13 zusammenwirken, wobei eine Tilgermasse 12 und eine Ausgleichsmasse 13 jeweils ein einstückiges Tilgerbauteil 14 bilden. Das Tilgerbauteil 14 ist ein Festkörper mit einer kreisförmigen Grundform, wobei entsprechende Kreissegmentabschnitte ausgespart sind, um die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse zu schaffen. Die Tilgermasse 12 ist dabei jeweils größer als die Ausgleichsmasse 13. In Übereinstimmung mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist das Tilgerbauteil 14 um den Mittelpunkt des durch den Umfang des Tilgerbauteils 14 gebildeten Kreises drehbar.
4 zeigt den Schwingungstilger von 3 in ausgelenktem Zustand. Wenn die Tilgerkörper 14 aus der in 3 dargestellten Gleichgewichtslage ausgelenkt werden, z. B. durch eine Störung der Drehbewegung des Tilgerkörpers 2, verändern sie wie in 4 dargestellt ihre Position durch Drehen gegenüber der Gleichgewichtslage. Durch die Tilgermasse 12 wird das Moment M₁ bezüglich des Drehpunkts 15 des Tilgerkörpers 2 ausgeübt, das in die Richtung des Gleichgewichts wirkt. Gleichzeitg wird durch die Ausgleichsmasse 13 ein Moment M_a bezüglich des Drehpunkts 15 ausgeübt, das in entgegengesetzter Richtung, also in Richtung der Auslenkung wirkt. Da M₁ > M_a ist, wirkt das resultierende Gesamtdrehmoment zur Gleichgewichtslage hin.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Schwingungstilgers, bei dem eine Tilgermasse und eine Ausgleichsmasse jeweils ein gemeinsames Tilgerelement 16 bilden. Das Tilgerelement 16 ist als Segment eines Kreisrings ausgebildet und umschließt im dargestellten Ausführungsbeispiel näherungsweise drei Viertel eines Vollkreises. Die Wirkungsweise entspricht derjenigen des Schwingungstilgers von 4.
6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Schwingungstilgers, wobei die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse ein Tilgerelement 17 bilden, das als zusammenhängendes Fluid ausgebildet ist. In Abhängigkeit von der Auslenkung der Tilgermasse und der Ausgleichsmasse wirkt ein kleineres Moment M_a der Ausgleichsmasse in Richtung der Auslenkung und ein entgegengesetztes, größeres Moment M₁ der Tilgermasse in Richtung der Gleichgewichtslage.

1: Schwingungstilger
2: Tilgerkörper
3: Drehpunkt
4: Tilgermasse
5: Koppelstange
6: Aufhängepunkt
7: Schwingungstilger
8: Koppelstange
9: Aufhängepunkt
10: Tilgermasse
11: Ausgleichsmasse
12: Tilgermasse
13: Ausgleichsmasse
14: Tilgerbauteil
15: Drehpunkt
16: Tilgerelement
17: Tilgerelement

Claims

Schwingungstilger, umfassend wenigstens einen um eine Drehachse drehbaren Tilgerkörper und wenigstens eine, auf eine Anregungsfrequenz abgestimmte Tilgermasse, die ein auf den Tilgerkörper wirkendes Moment erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgleichsmasse (11) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass sie ein auf den Tilgerkörper (2) wirkendes, dem durch die Tilgermasse (10) erzeugten Moment entgegen wirkendes Moment erzeugt.
Schwingungstilger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (10) und die Ausgleichsmasse (11) miteinander gekoppelt sind.
Schwingungstilger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (10) und die Ausgleichsmasse (11) an einer drehbar an dem Tilgerkörper (2) gelagerten Koppelstange (8) angeordnet sind.
Schwingungstilger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (10) und die Ausgleichsmasse (11) an gegenüberliegenden Seiten der Koppelstange (8) angeordnet sind.
Schwingungstilger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse und die Ausgleichsmasse ein einstückiges Tilgerelement (16, 17) bilden.
Schwingungstilger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tilgerelement (16, 17) eine kreisförmige Grundform aufweist.
Schwingungstilger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (10), die Ausgleichsmasse (11) und deren auf die Drehachse bezogene Radien so gewählt sind, dass Schwingungen unterhalb der ersten Ordnung getilgt werden.
Schwingungstilger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Tilgerkörper (2) mehrere Tilgermassen (10) angeordnet sind.
Schwingungstilger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine erste, an eine erste Anregungsfrequenz und wenigstens eine zweite, an eine zweite Anregungsfrequenz angepasste Tilgermasse (10), jeweils mit zugehöriger Ausgleichsmasse (11), umfasst.
Schwingungstilger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tilgermasse (10) und/oder eine Ausgleichsmasse (11) als Fluid, insbesondere als Flüssigkeit, ausgebildet ist.
Zugmitteltrieb, mit einem als Riemen oder Kette ausgebildeten Umschlingungsmittel, wenigstens einem antreibenden rotierenden Bauteil und wenigstens einem angetriebenen rotierenden Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das antreibende und/oder das wenigstens eine angetriebene rotierende Bauteil einen Schwingungstilger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines Antriebsstrangs, eines Aggregatetriebs oder eines Steuertriebs einer Brennkraftmaschine ist.