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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung
zur Schwingungsreduktion insbesondere für einen Verbrennungsmotor,
mit einer angetriebenen Welle, einem Antriebsrad, das mit der angetriebenen
Welle gekoppelt ist, einem Antriebsmittel, mindestens eine im Zugmitteltrieb
relativ bewegbare Ausgleichsmasse, wobei die mindestens eine Ausgleichsmasse
in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegbar ist, und mindestens
einen Stellmechanismus zum Bewegen der mindestens einen Ausgleichsmasse. Weiter
betrifft die Erfindung die Verwendung eines Nockenwellen-Versteilsystems
zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb und ein entsprechendes
Verfahren zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb.
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Bei
der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge gewinnt das sogenannte NVH-Verhalten
(Noise, Vibration and Harshness) zunehmend an Bedeutung. Neben dem
Wunsch der Käufer
nach einem hohen Schwingungskomfort trägt auch eine geringere Geräusch- und
Schwingungsbelastung des Fahrers zur aktiven Sicherheit bei. Außerdem beeinträchtigen insbesondere
die Schwingungsbelastungen die Lebensdauer von Bauteilen und zwingen
bei der Dimensionierung der betroffenen Bauteile zu verstärkten Abmessungen.
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In
einem Kraftfahrzeug treten eine Vielzahl von Komponenten gleichzeitig
als Anregungsquellen für
Schwingungen und Geräusche
auf. Eine dominante Rolle spielen dabei jedoch die Schwingungs- und
Geräuschanregungen
des Antriebsstrangs, insbesondere die Drehmomentanregungen der Kurbel- und
Nockenwelle. Diese dynamischen Belastungen des Antriebsstrangs setzen
sich dominant im gesamten Kraftfahrzeug fort und überlagern
alle weiteren Schall- und Schwingungsquellen.
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Aus
der
DE 40 10 856 A1 ein
Massen- und Kräfteausgleich
angetriebener Motorwellen, insbesondere der Kurbelwelle, bekannt,
bei dem im Abstand von der Kurbelwelle und im gegenseitigen Abstand
zueinander zwei mit Ausgleichsgewichten versehene Ausgleichswellen
angeordnet werden. Die zwei Ausgleichswellen werden beide von der
Kurbelwelle angetrieben und drehen sich gegensinnig. Wesentlicher
Nachteil dieses sogenannten Lancaster-Ausgleichs liegt darin, dass
er verhältnismäßig viel
Bauraum beansprucht, was den Motor insgesamt vergrößert und
schwerer macht. Darüber
hinaus be nötigen
die Ausgleichswellen zusätzliche
Lager und der Antrieb der Ausgleichswellen erhöht die Reibungsverluste im
Motor.
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Eine
Verbesserung des Lancester-Ausgleichs wird in der
DE 199 08 437 C1 beschrieben, bei
dem eine Ausgleichswelle mit einem auf einem Lagerzapfen der Kurbelwelle
gelagerten Zahnrad mit Ausgleichsgewichten zusammenwirkt, um die
Reibungsverluste und den notwendigen Bauraum derartiger Ausgleichsvorrichtungen
zu verringem.
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Die
US 5,655,416 beschreibt
einen Schwingungsdämpfer
zum Absorbieren von Resonanzschwingungen in einem Nockenwellenantrieb.
Der Schwingungsdämpfer
weist einen Trägheitsring
und ein Nabenteil auf, das neben dem Trägheitsring auf der Nockenwelle
angeordnet ist. Zwischen dem Nabenteil und einem Randabschnitt des
Trägheitsringes ist
ein Reibmaterial vorgesehen, um Schwingungen der Nockenwelle durch
Wärmedissipation
zu dämpfen.
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Darüber hinaus
ist die Entwicklung eines Momentenausgleichs für eine Nockenwelle bekannt,
bei dem ein Massenträger
mit vier radial bewegbaren Ausgleichsmassen auf der Nockenwelle
befestigt ist und die Ausgleichsmassen durch ein feststehendes Nockenprofil
beim Drehen der Welle radial gegen die Vorspannkraft einer Feder
bewegt werden. Diese Vorrichtung ermöglicht eine deutliche Senkung
der dynamischen Momente für
eine Drehzahl und eine Schwingungsordnung. Nachteile dieser Momentenausgleichsvorrichtung
sind die durch das Gewicht der Vorrichtung erhöhten Massenträgermomente
und die Beschränkung
der Kompensation auf einen bestimmten Verlauf der Drehmomentanregung, üblicherweise
für eine
Schwingungsordnung und eine bestimmte Drehzahl.
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Zur
Reduzierung der Geräusch-
und Schwingungsbelastung des Antriebstrangs sind in den letzten
Jahren viele unterschiedliche Lösungen
vorgeschlagen worden, die sich im Rahmen ihres Einsatzes zum Teil
gut bewährt
haben. Die derzeit intensiven Bemühungen, das NVH-Verhalten in Kraftfahrzeugen
weiter zu verbessern, erfordern insbesondere auch bei der dominierenden
Schall- und Schwingungsquelle des Antriebsstrangs weitere Entwicklungsanstrengungen.
Darüber
hinaus sind die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen üblicherweise
auf die Kompensation der maximalen Schwingungsbelastung im Resonanzbereich
ausgerichtet, d.h. auf eine Schwingungsordnung und einen Drehzahlbereich
optimiert. Daraus folgt, dass die dynamische Belastung des Antriebs über einen
großen Be triebsbereich
und auch für
andere Schwingungsordnungen weiterhin relativ hoch ist. Eine weitere
Reduzierung der Schwingungsbelastung insbesondere der Wechselmomente
im Antriebsstrang ist daher wünschenswert,
um insbesondere die Haltbarkeit der Antriebskette oder – riemen
zu verbessern. Weiter könnte über Downsizing-Effekte
bei der Dimensionierung des Antriebsstrangs eine Kostenreduzierung
erreicht werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Zugmitteltrieb
mit einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion bereitzustellen,
um die dynamischen Anteile der Schwingungen in dem Zugmitteltrieb
für einen
Verbrennungsmotor zu kompensieren oder zumindest zu reduzieren und
dabei die Nachteile bekannter Lösungen
möglichst
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird in einem gattungsgemäßen Zugmitteltrieb mit einer
Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion dadurch gelöst, dass
der mindestens eine Stellmechanismus als sich tangential bewegender,
aktiv mittels einer Steuerung angesteuerter Aktuator ausgebildet
ist, um die mindestens eine Ausgleichsmasse zur Schwingungsreduktion
im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle
zu bewegen.
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Die
in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle relativ bewegbar
angeordnete Ausgleichsmasse dreht sich im Allgemeinen im System
des Zugmitteltriebs mit um die Achse der Welle wenn sich diese dreht.
Eine Bewegung der Ausgleichsmasse relativ zu den anderen Bauteilen
des Zugmitteltriebs wird durch den tangential wirkenden Aktuator
bewirkt, wobei die durch den Aktuator indizierte Bewegung der Ausgleichsmasse
in oder entgegen der Drehrichtung der Welle zumindest eine wesentliche, tangentiale
Komponente mit einem Anteil von über 50
% des resultierenden Kraftvektors, bevorzugt über 80 %, aufweist. Die durch
den Aktuator kraftangeregte Ausgleichsmasse bewirkt entsprechend
des aufgeprägten
Kraft-Zeit-Zusammenhangs ein Reaktionsmoment in der angetriebenen
Welle, das zur Kompensation eines bestehenden dynamischen Anteils
der Schwingungen des Zugmitteltriebs genutzt werden kann. Diese
im Gegensatz zu herkömmlichen
Schwingungsausgleichsvorrichtungen im Wesentlichen kinematische
Kraftaufbringung ermöglicht durch
die Verschieblichkeit des Momentenvektors eine relativ freie Anordnung
und freie Ausbildung der mindestens einen Ausgleichsmasse relativ
zu den anderen Bauteilen des Zugmitteltriebs, z.B. auf einem Massenträger. Durch
die direkte Momentenerzeugung in der angetriebenen Welle werden
zum Einen nur geringe Massen und zum Anderen nur kleine Relativwege
zur Erzeugung eines geeigneten Reaktionsmoments benötigt.
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Bei
Nockenwellen sind zur Winkelverstellung der Steuerzeit sogenannte
Nockenwellen-Verstellsysteme
bekannt, bei denen die Nockenwelle relativ zur durch das Antriebsmittel
festgelegten Antriebsrad verstellt wird, z.B. mittels Hydraulik.
Im Gegensatz zu dem er findungsgemäßen Zugmitteltrieb mit Ausgleichsvorrichtung
bewirkt die relative Bewegung der Nockenwelle eine reine Anpassung
der Steuerzeit an den von globalen Aspekten des Motors, z.B. Betriebstemperatur,
Verbrennung, Abgaszusammensetzung und Leistungsspektrum, beeinflussten
Verbrennungszustand in den Brennkammern des Motors. Die Winkelverstellung
der Nockenwelle erfolgt im Vergleich zu der Drehzahl eines Verbrennungsmotors
in sehr langen Zeiträumen
ab, so dass sich durch die Winkelverstellung der Steuerzeit mit
einem Nockenwellen-Verstellsystem im Hinblick auf eine Umdrehung
der angetriebenen Welle weder ein wirksames Drehmoment entsteht
noch gar ein Kompensationsmoment zum Ausgleich des dynamischen Anteils
der Schwingungen des Zugmitteltriebs erzeugt wird.
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Prinzipiell
lässt sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung
für alle
Antriebe von Wellen einsetzen, bei denen eine Welle über ein
Antriebsrad von einem Antriebsmittel angetrieben wird. Dabei können neben Steuertrieben
von Verbrennungsmotoren auch Einspritzpumpen- und Wasserpumpentriebe
oder ähnliche
Antriebe mit einem entsprechenden Ausgleich zur Schwingungsreduktion
versehen sein. Besonders interessant ist eine solche Ausgleichsvorrichtung
jedoch für
Nockenwellen, um die von Verbrennungsmotoren induzierten dynamischen
Schwingungen auszugleichen. Durch die reduzierten dynamischen Anteile
der Schwingungen im Zugmitteltrieb bzw. der dynamischen Wechselmomente
in der angetriebenen Welle kann beispielsweise beim Antriebsstrang
zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle die Steuerkette oder ein entsprechender
Riemen signifikant leichter und filigraner dimensioniert werden. Bei
einer nockenwellenseitigen Befestigung der Ausgleichsvorrichtung
ergibt sich darüber
hinaus eine spreizungsunabhängige
Wirkung, so dass bei einer Winkelverstellung der Nockenwelle die
Wirkung der Ausgleichsvorrichtung unverändert bleibt.
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Eine
günstige
Ausführungsform
sieht vor, dass die mindestens eine Ausgleichsmasse auf einem Kreisbogen
in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegbar ist. Durch
die Drehung der Ausgleichsmasse um die Achse der angetriebenen Welle entlang
eines Teils der Kreislinie, die die Ausgleichsmasse um die Achse
der Welle beschreibt, werden bei einer entsprechend ausgeglichenen
Verteilung der Ausgleichsmasse(n) relativ zur Welle die Massenverhältnisse
trotz der Bewegung der Ausgleichsmasse nicht verändert, so dass die statischen
Momentenverhältnisse
in der angetriebenen Welle im Wesentlichen unverändert bleiben. Anstatt einer kreisförmigen Bewegung
der Ausgleichsmasse kann die mindestens eine Ausgleichsmasse auf
einer Tangente eines Kreises um die Achse der Welle in oder entgegen
der Drehrichtung der Welle bewegbar seien. Durch die tangentiale
Bewegung der Ausgleichsmasse kann die tangentiale Kraftanregung
durch die Aktuatoren vollständig
in ein Kompensationsmoment an der angetriebenen Welle umgesetzt
werden, mit dem sich die dynamischen Schwingungsanteile im Antriebsmittel
des Zugmitteltriebs kompensieren oder reduzieren lassen.
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Eine
zweckmäßige Ausbildung
sieht vor, dass ein Rückstellmechanismus
vorgesehen ist, der an der mindestens einen Ausgleichsmasse zum Rückstellen
der Bewegung der Ausgleichsmasse angeordnet ist. Ein derartiger
Rückstellmechanismus, beispielsweise
eine Federeinrichtung oder die Anbringung mittels eines elastischen
Materials, z.B. Anvulkanisieren der Ausgleichsmasse, mit einer begrenzten
Beweglichkeit der Ausgleichsmasse relativ zu dem Zugmitteitrieb,
ermöglicht
einen einfachen und wirkungsvollen Stellmechanismus, insbesondere einen
tangentialen oder linearen Aktuator, zu nutzen. Zur Reduzierung
der Komponenten und zur Beschränkung
der Produktionskosten kann die mindestens eine Ausgleichsmasse mittels
des Rückstellmechanismus
bewegbar an einem Träger
angeordnet sein. Eine besonders einfache Anbringung ermöglicht das
Anvulkanisieren der mindestens einen Ausgleichsmasse, insbesondere
auch im Hinblick auf den bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglichen
geringen Stellweg der Masse.
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Eine
andere Ausführung
sieht vor, dass der tangentiale Aktuator als Piezoelement ausgebildet ist.
Ein Piezoelement ist bei einem relativ kleinen benötigten Bauraum
ein einfacher und wirkungsvoller Stellmechanismus und darüber hinaus
verhältnismäßig preiswert.
Zur Einsparung eines gegebenenfalls benötigten Rückstellmechanismus kann das
Piezoelement als doppelt wirkendes Piezoelement ausgebildet sein,
um die mindestens eine Ausgleichsmasse in Druck- und Zugrichtung
zu bewegen.
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Zur
aktiven Verstellung der Ausgleichsvorrichtung kann eine Steuerung
zum Ansteuern des mindestens einen Stellmechanismus vorgesehen sein.
Die Steuerung ermöglicht
nicht nur eine angepasste Ansteuerung des Stellmechanismus bei wechselnden
Drehzahlen, sondern auch eine Reaktion auf zusammengesetzte Schwingungen
unterschiedlicher Ordnungen. Dabei erfolgt insbesondere zur Kompensation
zusammengesetzter Schwingungen während
einer Umdrehung der Welle ein kontinuierliches Verstellen der Ausgleichsmasse,
so dass sich ein bei einer Umdrehung der Welle bereits ein Verstellweg
der Ausgleichsmasse mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Auslenkungspositi onen
ergibt. Neben einer Steuerung des mindestens einen Stellmechanismus
in Abhängigkeit
des Motorkennfeldes ist auch eine aktive Steuerung in Abhängigkeit des
momentanen Lastmoments an der angetriebenen Welle möglich. Dabei
kann ein Sensor zum Aufnehmen des Lastmoments, bzw. des dynamischen Anteils
des Lastmoments, an der angetriebenen Welle vorgesehen sein, der
eine entsprechende Eingangsgröße für die Steuerung
liefert. Bevorzugt kann dieser Sensor ein Dehnungsmessstreifen sein,
der einfach auf der Welle anbringbar ist, schnell reagiert und kostengünstig ist.
Alternativ kann der Sensor ein Piezoelement sein, das zwischen zwei
Bestandteilen der angetriebenen Welle zwischengeschaltet werden muss
und bei einer Anregung eine dem Lastmoment proportionale Spannung
erzeugt, die wiederum direkt für
den Stellmechanismus bzw. den Aktuator, bevorzugt ebenfalls ein
Piezoelement, als Eingangsspannung genutzt werden kann.
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Bevorzugt
kann ein an der Welle fest angeordneter Massenträger vorgesehen sein und die
mindestens eine Ausgleichsmasse ringförmig oder kreisförmig ausgebildet
und drehbar auf einem Massenträger
angeordnet sein. Bei einer gleichförmig homogenen oder periodisch
verteilten ring- oder kreisförmigen
Ausgleichsmasse, die drehbar auf dem Massenträger angeordnet ist, kann bereits
mit einem einzelnen Stellmechanismus ein im Wesentlichen kinematisches
Ausgleichsmoment bereitgestellt werden. Bei einer Drehung einer
ringförmigen
Ausgleichsmasse um die Achse der Welle können zusätzliche dynamische Momente
annähernd
vollständig
vermieden werden, da die Ausgleichsmasse gleichmäßig um die Drehachse verteilt
ist. Alternativ können
zur Vermeidung zusätzlicher
dynamischer Momente mindestens zwei Ausgleichsmassen vorgesehen
sein und die Ausgleichsmassen gleichmäßig verteilt um die Welle,
d.h. gleichmäßig in Bezug
auf ihre Winkellage und Abstand zur Achse der Welle, auf dem Massenträger angeordnet
sein. Dabei sind für
eine gleichmäßige Verteilung
zwei Ausgleichsmassen um 180° versetzt,
drei Massen um 120° versetzt,
vier Massen um 90° versetzt,
usw. anzuordnen, um keine Unwucht zu erzeugen. Durch die gleichmäßige Anordnung
mehrerer Ausgleichsmassen können
bei einer gleichartigen Bewegung aller Massen das Einwirken äußerer Kräfte auf
die angetriebene Welle verhindert, zusätzliche dynamische Momente
im Wesentlichen vermieden und die tangentiale Kraftanregung der
Ausgleichsmassen vollständig
in ein entsprechendes Ausgleichsmoment an der angetriebenen Welle
umgesetzt werden. Weiter entstehen durch das gleichmäßig verteilte
Anbringen der mindestens einen Ausgleichsmasse auch keine zusätzliche
Lagerbelastung der angetriebenen Wel le, da die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung
im Wesentlichen nach außen
hin kräftefrei
bleibt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Stellmechanismus
auf dem Massenträger
angeordnet ist. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung einen Kontakt
zu ortsfesten Konturen in der Umgebung der angetriebenen Welle vermeiden.
Da sich damit auch die relative Position des Stellmechanismus zur
Ausgleichsmasse nicht verändert,
kann der Stellmechanismus mit einer relativ kleinen Relativgeschwindigkeit
betätigt
werden und das benötigte
Kompensationsmoment direkt durch einen geeigneten Aktuator auf die
am Massenträger
angeordnete Ausgleichsmasse aufgebracht werden. Für eine gleichmäßige Bewegung
und Auslenkung der Ausgleichsmasse zur Vermeidung zusätzlicher
dynamischer Momente können
mindestens zwei Stellmechanismen vorgesehen und die Stellmechanismen
gleichmäßig um die
Welle angeordnet sein. Die gleichmäßig verteilte Anordnung mehrerer
Stellmechanismen um die angetriebene Welle herum verhindert eine
Unwucht des Massenträgers,
die ansonsten bei einer ungleichmäßigen Kraftanregung möglich ist.
Bevorzugt ist daher für
jede am Massenträger
verteilte angeordnete Ausgleichsmasse mindestens ein Stellmechanismus
und bei ring- oder kreisförmigen
Ausgleichsmassen mindestens zwei Stellmechanismen vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die angetriebene Welle und das Antriebsrad relativ zueinander
bewegbar ausgebildet, wobei der mindestens eine Stellmechanismus
zwischen dem Antriebsrad und der angetriebenen Welle angeordnet
ist, um die angetriebene Welle und das Antriebsrad zur Schwingungsreduktion
im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle
relativ zueinander zu bewegen. Diese Ausführung verzichtet auf zusätzliche
Ausgleichsmassen und Massenträger,
sondern nutzt die vorhandenen Bauteile des Zugmitteltriebs, um an
der Welle ein Kompensationsmoment zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb
zu bewirken.
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Eine
Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die angetriebene
Welle als Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem zur Winkelverstellung
der Steuerzeit ausgebildet ist, wobei die Nockenwelle gleichzeitig
als Ausgleichsmasse ausgebildet ist und zur Schwingungsreduktion
im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle
relativ zum Antriebsrad bewegbar ist. Durch die Kombination der
Drehmomentausgleichsvorrichtung mit einem vorhandenen Nockenwellen-Verstell-system
kann die vorhandene relativ zum durch das Antriebsmittel festgehaltene
Antriebsrad bewegbare Nockenwelle gleichzeitig als Ausgleichsmasse
zum Drehmomentausgleich genutzt werden. Dadurch bleiben das insgesamt
vorhandene Trägheitsmoment
der Nockenwelle und die daraus entstehenden Kräfte im Antriebsmittel im Wesentlichen
unverändert.
Darüber
hinaus werden durch diese Bauteil-Kombination der Konstruktionsaufwand
für das Antriebsrad,
bevorzugt ein Kettenrad zum Eingriff in eine Steuerkette, und dessen
Herstellkosten reduziert.
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Ein
besonders effiziente Ausbildung der Kombination des Nockenwellen-Versteilsystems
mit dem Drehmomentausgleich sieht vor, dass das Nockenwellen-Versteilsystem
ein Steuerzeit-Verstellmechanismus aufweist, wobei der mindestens
eine Stellmechanismus zur Schwingungsreduktion mit dem Steuerzeit-Verstellmechanismus
in Reihe geschaltet ist, oder wobei der mindestens eine Stellmechanismus
durch den Steuerzeit-Verstellmechanismus
ausgebildet ist. Die in Reihe geschalteten Stellmechanismen können die
gleichen Verbindungskomponenten zur bewegbaren Masse nutzen und
unabhängig
von der Ansteuerung des jeweils anderen Mechanismus gleichzeitig
die Masse bewegen. Ein gemeinsamer Stellmechanismus für die Winkelverstellung
der Steuerzeit und zur Schwingungsreduktion des Zugmitteltriebs
reduziert durch das Einsparen eines Stellmechanismus nicht nur den
konstruktiven Aufwand, sondern kann auch ohne Überlagerungen mittels einer
einzigen Steuerung angesteuert werden.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Nockenwellen-Verstellsystems
zur Winkelverstellung der Steuerzeit einer Nockenwelle als Ausgleichsvorrichtung
zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb, wobei ein als
tangential wirkender Aktuator ausgebildeter Stellmechanismus die Nockenwelle
zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen
der Drehrichtung der Welle bewegt. Die Verwendung eines Nockenwellen-Verstellsystems
zur gleichzeitigen Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb ermöglicht die
Einsparung zusätzlicher
Ausgleichsmassen und eine gemeinsame aufeinander abgestimmte Ansteuerung der
Stellmechanismen. Die synergetischen Effekte zwischen einem Nockenwellen-Verstellsystems
und einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion können somit
sowohl die Konstruktion vereinfachen als auch helfen Kosten einzusparen.
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Weiter
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Schwingungsreduktion
in einem Zugmitteltrieb, insbesondere für einen Verbrennungsmotor,
mit einer angetriebenen Welle, einem Antriebsrad, das mit der angetriebenen
Welle gekoppelt ist, und einem Antriebsmittel, wobei mindestens
ein Stellmechanismus mindestens eine im Zugmitteltrieb relativ bewegbare
Ausgleichsmasse bewegt, wobei das Verfahren das Ansteuern des mindestens
einen Stellmechanismus, das Bewegen der mindestens einen Ausgleichsmasse
mittels des Stellmechanismus in oder entgegen der Drehrichtung der
Welle und das Erzeugen eines Kompensationsmoments an der angetriebenen
Welle umfasst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann passend zu
den Schwingungen im Antriebsstrang bzw. zum auszugleichenden Lastmoment
in einer angetriebenen Welle ein Kompensationsmoment zur Tilgung
der dynamischen Anteile der Schwingungen bzw. des Lastmoments erzeugt
werden. Dabei ist der notwendige Bewegungsweg der Ausgleichsmasse
relativ gering, zum Teil nur wenige Millimeter oder bei einer entsprechend
großen
Ausgleichsmasse nur Bruchteile von Millimetern, und kann bei einem
ebenfalls mit um die Achse der Welle umlaufenden Stellmechanismus
direkt auf die Ausgleichsmasse aufgebracht werden. Die Ausgleichsmasse
wird in diesem Verfahren durch den im Wesentlichen tangential wirkenden
Stellmechanismus kraftangeregt, wodurch auf der angetriebenen Welle
direkt ein Ausgleichsmoment erzeugt wird. Neben der minimalen Auslenkung
der Ausgleichsmasse durch den Stellmechanismus ist durch die direkte Wirkung
auf die angetriebene Welle auch die benötigte Masse klein, so dass
die bei diesem Verfahren erzeugte zusätzlichen statischen Momente
gering ausfallen. Durch die direkte Wirkung des Verfahrens über den
Stellmechanismus und die Ausgleichsmasse kann die Anordnung der
Masse und dessen Verschieblichkeit optimal aufeinander abgestimmt
werden. Weiter bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch die direkte
Wirkung insbesondere auch für
eine Regelung bzw. Steuerung des Verfahrens in Bezug auf die tatsächlich in
der angetriebenen Welle auftretenden dynamischen Momentenbelastung, bzw.
den dynamischen Schwingungsanteilen im Zugmitteltrieb, an. Insgesamt
kann durch dieses Verfahren das Problem der Schwingungen im Zugmitteltrieb,
bzw. der dadurch induzierten Wechselmomente in einer angetriebenen
Welle deutlich reduziert und sogar nahezu getilgt werden, wodurch
die Dimensionierung des Antriebsmittel und Antriebsrad eines Zugmitteltriebs
bei einem Verbrennungsmotor verkleinert werden kann bei einer gleichzeitig
erhöhten Haltbarkeit
der Antriebskette bzw. -riemen.
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Günstigerweise
kann das Verfahren zur Schwingungsreduktion das Bestimmen des dynamischen
Drehmomentanteils an der angetriebenen Welle und das Ansteuern des
mindestens einen Stellmechanismus unter Berücksichtigung des dynamischen
Drehmomentanteils umfassen. Dadurch kann das an der angetriebenen
Welle tatsächlich
vorliegen de Lastmoment, bzw. dessen dynamische Anteile, in der Ansteuerung
des Stellmechanismus berücksichtigt
werden. Für
eine direkte Messung des dynamischen Drehmomentanteils kann die
angetriebene Welle mit einem Sensor versehen sein, mittels dem der
tatsächlich
vorliegende dynamische Drehmomentanteil der angetriebenen Welle
bestimmt wird. Darüber
hinaus kann das dynamische Drehmoment an der angetriebenen Welle,
bzw. das dynamische Schwingungsverhalten im Zugmitteltrieb, mithilfe
indirekter Kennwerte, insbesondere des Motorkennfeldes eines Verbrennungsmotors,
z.B. Drehzahn, Antriebsmoment, usw., ermittelt werden. Die Bestimmung
des dynamischen Drehmomentanteils und des Schwingungsverhaltens
des Zugmitteltriebs mithilfe indirekter Kennwerte ermöglicht es
auf entsprechende Sensoren an der angetriebenen Welle zu verzichten.
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Eine
besondere Modifikation des Verfahrens zur Schwingungsreduktion sieht
vor, dass die angetriebene Welle als Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem
zur Winkelverstellung der Steuerzeit ausgebildet ist und die Nockenwelle
relativ zum Zugmitteltrieb bewegbar ist, das Verfahren umfasst weiter
das Ansteuern des mindestens einen Stellmechanismus oder eines in
Reihe zum Stellmechanismus angeordneten Steuerzeitverstellmechanismus
des Nockenwellen-Versteilsystems zur Winkelverstellung der Nockenwelle.
Die Kombination des Verfahrens zum Drehmomentausgleich mit der Steuerzeitverstellung
einer Nockenwelle ermöglicht
eine Reihe von Synergieeffekten, die nicht nur das Trägheitsmoment
und die Kettenkräfte
im Wesentlichen auf das bereits vorhandene Maß einer entsprechenden Steuerzeitverstellung
begrenzen, sondern insbesondere bei einer gemeinsamen Steuerung
gegenläufige
Bewegungen der Ausgleichsmasse verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung für vorteilhafte
Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a eine
stirnseitige Draufsicht einer Ausgleichsvorrichtung mit einer bewegbar
angeordneten Ausgleichsmasse für
einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
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1b eine
stirnseitige Draufsicht einer weiteren Ausgleichsvorrichtung mit
einer ringförmigen Ausgleichsmasse
für einen
erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
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1c eine
stirnseitige Draufsicht noch einer Ausgleichsvorrichtung mit zwei
versetzt zueinander angeordneten Ausgleichsmassen für einen
erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
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1d ein
Analogie-Schaltbild für
die Ausgleichsvorrichtungen aus den 1a bis 1c,
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2 ein
Schnitt in Längsrichtung
durch eine angetriebene Welle mit einer Ausgleichsvorrichtung für einen
erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
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3 der
relative Verfahrweg der Ausgleichsmassen über den Drehwinkel der angetriebenen
Welle in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
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4a eine
stirnseitige Draufsicht einer anderen Ausgleichsvorrichtung mit
einer bewegbar angeordneten Welle zum Drehmomentausgleich für einen
erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
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4b ein
Analogie-Schaltbild für
die Ausgleichsvorrichtung auf 4a, und
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5 einen
Schnitt durch ein Kettenrad und eine Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem
zur Verwendung als Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion
in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb.
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Die 1a bis 1c zeigen
verschiedene Ausführungsformen
einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb
in einer stirnseitigen Draufsicht. Dabei ist auf dem Massenträger 1 der
Ausgleichsvorrichtung jeweils eine oder zwei Ausgleichsmassen 2 bewegbar
angeordnet und die Ausgleichsmassen 2 jeweils mit einem Stellmechanismus 3 versehen,
der die Ausgleichsmasse 2 in oder entgegen der Drehrichtung
D der Welle 4 bewegen kann.
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In
der in 1a dargestellten Ausgleichsvorrichtung
ist nur eine Ausgleichsmasse 2 auf dem Massenträger 1 in
einem Abstand zur Drehachse A der angetriebenen Welle 4 angeordnet.
Diese Ausgleichsmasse 2 wird durch einen Stellmechanismus 3,
der sich am Massenträger 1 abstützt bevorzugt
auf einem Kreisbogen des Massenschwerpunkts der Ausgleichsmasse 2 um
die Drehachse A in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegt.
Die Bewegung dieser einen exzentrisch angeordneten Ausgleichsmasse 2 erzeugt
neben dem gewünschten Kompensationsmoment
zur Schwingungsreduktion zusätzlich
auch ein statisches und ein dynamisches Moment, die jedoch bei einer
geringen Masse und kleinem Abstand zur Drehachse A gering gehalten werden
können.
Der dynamische Anteil kann durch die entsprechende Positionierung
einer um 180° versetzten
Gegenmasse auf den funktionsabhängigen Anteil
reduziert werden.
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1b zeigt
eine weitere Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion, bei
der im Gegensatz zu 1a die auf dem Massenträger 1 bewegbar
angeordnete Ausgleichsmasse 2 ringförmig ausgebildet ist, wobei
der Massenschwerpunkt der ringförmigen
Ausgleichsmasse in der Drehachse A der angetriebenen Welle 4 liegt.
Die ringförmige
Ausgleichsmasse 2 wird in der gezeigten Ausführungsform
durch einen Stellmechanismus 3 bewegt. Bei der hier vorliegenden
kreisbogenförmigen
Bewegung B der ringförmigen
Ausgleichsmasse 2 auf einem Kreisbogen um die Drehachse
A der angetriebenen Welle 4 entstehen bei der Erzeugung
des Kompensationsmoments zur Schwingungsreduktion keine zusätzlichen
dynamischen Momente, da sich die Massenverhältnisse relativ zur Drehachse
A der Welle nicht verändern.
Bei einer tangentialen Bewegung mit einem Bewegungsanteil außerhalb
der kreisbogenförmigen
Bewegung B wird in diesem Fall jedoch ein geringes zusätzliches
dynamisches Moment an der Welle erzeugt, wobei auch die radiale
Bewegungskomponente bei einer gezielten Anregung bzw. Anordnung
zusätzlich
ausgleichend wirken kann.
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Eine
Ausgleichsvorrichtung mit zwei Ausgleichsmassen 2 ist in 1c dargestellt,
wobei die Ausgleichsmassen 2 um 180° zueinander versetzt und im
gleichen Abstand zur Drehachse A der angetriebenen Welle 4 auf
dem Massenträger 1 angeordnet
sind. Beide Ausgleichsmassen 2 sind jeweils mit einem Stellmechanismus 3 verbunden,
die sich am Massenträger 1 abstützen und
die Ausgleichsmassen 2 in die relativ zur Drehachse A gleiche
Richtung in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle drehen, d.h.
bei einer um 180° versetzten
Anordnung der Ausgleichsmassen 2 ist auch die Bewegungsrichtung um
180° versetzt.
Die versetzte Anordnung und Bewegung der Ausgleichsmassen 2 verhindert
unabhängig
davon, ob die Ausgleichsmassen 2 eine kreisförmige Bewegung
B oder eine tangentiale Bewegung mit einem nichtkreisbogenförmigen Anteil
ausführen,
die Erzeugung zusätzlicher
dynamischer Momente, bzw. führt
dazu, dass sich entstehende zusätzliche
dynamische Momente im Wesentlichen ausgleichen.
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1d zeigt
ein Analogie-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs 11 für die in
den 1a bis 1c dargestellten
Ausgleichsvorrichtungen. Am Knoten 12 ist der Zugmitteltrieb
relativ zum Verbrennungsmotor festgelegt, wobei der Zugmitteltrieb
an dem Knoten 12 mit dem Antriebsmittel mit der Steifigkeit
CAm angreift. An dem Antriebsmittel mit
der Steifigkeit CAm ist das Antriebsrad
und die Welle, die fest miteinander verbunden sind, mit der Masse
mAr+W gekoppelt, auf die Welle wirkt das
zu kompensierende Lastmoment ML(t). Zwischen
dem Antriebsrad und der Welle mit der Masse mAr+W und der
Ausgleichsmasse 2 mit der Masse mAm wirkt
der Stellmechanismus 3 mit der zeitabhängigen Stellbewegung u(t).
Durch die Stellbewegung u(t) der Masse mAm wird
in dem Zugmitteltrieb ein Ausgleichsmoment MA(t),
das als Trägheitsmoment
relativ beschleunigten Masse mAm entsteht,
zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb erzeugt.
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2 zeigt
einen Schnitt in Längsrichtung durch
eine Ausgleichsvorrichtung entsprechend der 1b. Der
Massenträger 1 ist
hier fest mit der angetriebenen Welle 4 verbunden und dreht
sich zusammen mit der Welle 4 kreisförmig um die Drehachse A. Der
Massenträger 1 kann
dabei als separates von der eigentlichen Funktion der angetriebenen Welle 4 unabhängiges Bauteil
ausgebildet sein, oder der Massenträger 1 kann gleichzeitig
zu seiner Funktion als Träger
der Ausgleichsmassen und gegebenenfalls der Stellmechanismen im
Zugmitteltrieb als Antriebs- bzw. Abtriebsrad der Welle 4 genutzt
werden. Der Massenträger 1 ist
dieser Ausführungsform mit
einer ringförmigen
oder kreisförmigen
Ausgleichsmasse 2 versehen, die drehbar um die Drehachse
A der Welle 4 oder zumindest bewegbar auf dem Massenträger 1 befestigt
ist. Der ebenfalls auf dem Massenträger 1 angeordnete
Stellmechanismus 3 bewegt die Ausgleichsmasse 2 in
oder entgegen der Drehrichtung D der Welle 4, wobei der
Stellmechanismus 3 hier als hin- und herbewegendes Piezoelement ausgebildet
ist. Auf einen Rückstellmechanismus
kann bei einem solchen sich in Zug- und Druckrichtung bewegenden
und Kraft ausübenden Piezoelement
verzichtet werden. Der Stellmechanismus 3 wird durch eine
Steuerung 5 über
Steuerleitungen 8 aktiv angesteuert, um die dynamischen
Anteile des an der angetriebenen Welle 4 anliegenden Lastmoments
M zu kompensieren bzw. die Schwingungen im Zugmitteltrieb zu reduzieren.
Zur aktiven Steuerung des Stellmechanismus 3 wird die Steuerung 5 von
einem auf der angetriebenen Welle 4 angeordneten Dehnungsmessstreifen 6 mit über die
Signalleitung 7 mit einer Eingangsgröße versorgt.
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Zur
Kompensierung oder Reduktion der Schwingungen im Zugmitteltrieb
muss entsprechend dem momentan herrschenden Schwingungsverhalten
bzw. den vorliegenden dy namischen Momenten in der angetriebenen
Welle 4 die Ausgleichsmasse 2 in Abhängigkeit
von der momentanen Winkelstellung der angetriebenen Welle 4 während einer
Umdrehung in unterschiedlicher Weise ausgelenkt werden. 3 zeigt
beispielhaft den relativen Verfahrweg der Ausgleichmasse 2 in
Abhängigkeit
der Drehwinkelstellung der angetriebenen Welle 4 während einer Umdrehung
der Welle. Dabei erfolgt während
einer Drehung der Welle sowohl eine kontinuierliche Vor- und Zurückbewegung
der Ausgleichsmasse 2, aber auch ein Verharren der Ausgleichsmasse
auf einer ausgelenkten Position. Der absolute Verfahrweg einer Ausgleichsmasse 2 ist
abhängig
von deren Masse und Positionierung gegenüber der Drehachse A der angetriebenen
Welle 4. An dem relativen Verfahrweg der Ausgleichsmasse 2 in 3 lässt sich
erkennen, dass die Ausgleichsmasse 2 nicht nur einfach
bewegt sondern auch kontinuierlich in Abhängigkeit der momentanen Schwingungssituation
ausgelenkt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieses drehwinkelabhängige Verfahrprofil
von der Ausgleichsvorrichtung in sehr kleinen Zeiträumen abgearbeitet
wird, z.B. bei einer Motordrehzahl von 3.000 U/min innerhalb von
40 ms.
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4a zeigt
eine andere Ausführungsform einer
Ausgleichsvorrichtung eines erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs zur Schwingungsreduktion.
Bei dieser Ausführungsform
wird die bewegbar angeordnete Ausgleichsmasse direkt von der angetriebenen Welle 4 gebildet,
d.h. der Zugmitteltrieb kommt ohne Massenträger 1 zur Anordnung
der Ausgleichsmasse 2 aus. Falls die Festlegung des Antriebsrads
im Steuermitteltrieb eine Bewegung relativ zum Zugmitteltrieb ermöglicht,
kann alternativ auch das Antriebsrad bzw. ein anderes geeignetes
Bauteil, als Ausgleichsmasse fungieren und zur Erzeugung eines Kompensationsmoments
bewegt werden.
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Die
in 4a gezeigte Ausgleichsvorrichtung kann dabei nicht
nur zur Erzeugung eines Kompensationsmoments zum Ausgleich des dynamischen
Anteils des Lastmoments M, d.h. zur Schwingungsreduktion im Antriebsmittel,
sondern gleichzeitig auch zur Winkelverstellung der Welle, hier
eine Nockenwelle, dienen und somit eine Veränderung des Zündzeitpunkts
im Verbrennungsmotor bewirken. Bei bekannten Nockenwellen-Verstellsystemen zur
Steuerzeit-Verstellung ist das Antriebsrad 9, das gleichzeitig
auch eine Verzahnung zum Eingriff in eine Antriebskette bzw. eine
Lauffläche
für einen
Riemen aufweisen kann, relativ beweglich zur angetriebenen Nockenwelle 4,
um die Welle 4 herum angeordnet und mit einem Steuerzeit-Verstellmechanismus
versehen, der eine Bewegung des Antriebsrad 9 gegenüber der
Nockenwelle 4 in Abhängigkeit
einer ge wünschten
Leistungscharakteristik des Motors ermöglicht. Bei der relativen Bewegungen
der Nockenwelle 4 gegenüber
dem Antriebsrad 9 kann sich je nach Bezugspunkt auch die
Lage des Antriebsrads 9 gegenüber der Nockenwelle 4 verstellen.
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Bei
dieser Stellvorrichtung erfolgt eine Bewegung der als Ausgleichsmasse
dienenden angetriebenen Welle 4 mittels des Stellmechanismus 3 ebenfalls
in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle 4. Da die
Welle 4 gegenüber
dem Antriebsrad 9 um ihre eigene Achse A bewegbar und geführt ist,
erfolgt die Bewegung des „Massenkörpers" in einer kreisbogenförmigen Bewegung
B um die Drehachse A der Welle 4. Dabei kann die Welle 4 als
Nockenwelle durch den Stellmechanismus 3 sowohl zur langfristigen
Winkelverstellung der Steuerzeit als auch zum momentanen Erzeugen
eines Kompensationsmoments an der Nockenwelle 4 bewegt
werden. Neben einem einzelnen Stellmechanismus 3 können auch zwei
in Reihe geschaltete Stellmechanismen vorgesehen sein, die unabhängig voneinander
die Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebskettenrad und
die Bewegung der Welle gegenüber
dem Zugmitteltrieb zum Erzeugen eines auf die aktuelle Drehwinkelstellung
abgestimmten Kompensationsmoments bewirken.
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4b zeigt
ein Analogie-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Zumitteltriebs 11 für die in
der 4a dargestellte Ausgleichsvorrichtung. Wiederum
ist der Zugmitteltrieb am Knoten 11 relativ zum Verbrennungsmotor
festgelegt und an der zweiten Seite des Knotens 12 das
Antriebsmittel des Zugmitteltriebs mit einer Steifigkeit CAm angeordnet. An dem Antriebsmittel mit
der Steifigkeit CAD, ist das Antriebsrad
mit der Masse mA, angekoppelt. Zwischen
dem Antriebsrad mit der Masse mAr und der
angetriebenen Welle mit der Masse mW, an
der das Lastmoment ML(t) der angetriebenen
Nockenwelle angreift, wirkt der Stellmechanismus 3 mit
der zeitabhängigen
Stellbewegung u(t). Durch die Stellbewegung u(t) der angetriebenen
Welle mit der Masse mW wird in dem Zugmitteltrieb
ein Ausgleichsmoment MA(t) zur Schwingungsreduktion
im Zugmitteltrieb erzeugt, ohne eine zusätzliche Masse in das System
des Zugmitteltriebs integrieren zu müssen.
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5 zeigt
einen Schnitt durch ein Kettenrad und eine Nockenwelle mit einem
Nockenwellen-Verstellsystem, das durch den Einsatz eines tangential wirkenden
Aktuators zur Schwingungsreduktion in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb
verwendbar ist. Das Antriebsrad 9 ist in einen inneren
Teil 13 und einen äußeren Teil 14 getrennt,
wobei der innere Teil 13 und der äußere Teil 14 des Antriebsrad 9 durch geeignete
Lager 15 relativ zueinander gleitend bewegbar sind. Der äußere Teil 14 des
Antriebsrads 9 ist mit einem Zahnkranz 16 zum
Eingriff des als Antriebskette ausgebildeten Antriebsmittel versehen. Der
innere Teil 13 des Antriebsrads 9 ist fest mit
der Welle 4 verbunden, z.B. durch Aufpressen, und dreht sich
zusammen mit der Welle 4 um die Achse A. Die Anordnung
eines oder mehrerer Stellmechanismen 3 zwischen den nach
Außen
vorstehenden Armen des inneren Teils 13 und den nach Innen
ragenden Armen des äußeren Teils 14 des
Antriebsrads 9 ermöglicht
eine Bewegung der Welle 4 mit dem inneren Teil 13 in
und/oder entgegen der Drehrichtung D der angetriebenen Welle auf
einem Kreisbogen B um die Achse A relativ zu dem äußeren Teil 14 des
Antriebsrads 9 sowie der daran angreifenden Antriebskette, die
den Zugmitteltrieb gegenüber
den Verbrennungsmotor festlegt.
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Im
Folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des oben beschriebenen
Zugmitteltriebs bzw. der Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion
einer angetriebenen Welle näher
erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung
bewirkt durch die Relativbewegung der Ausgleichsmassen 2 gegenüber dem
zugeordneten Zugmitteltrieb bzw. der angetriebenen Welle 4 ein
Kompensationsmoment, das bei einer geeigneten Ansteuerung der Stellmechanismen
zur Tilgung oder Reduzierung der dynamischen Anteile des an der
angetriebene Welle 4 aufgeprägten Lastmoments und damit
zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb selbst führt. Zur
Verringerung der dynamischen Anteile des Lastmoments M reicht bereits
eine periodische Anregung der Ausgleichsmassen 2 durch
den Stellmechanismus 3, die mechanisch durch Nocken, Federn
oder Verzahnungen einer gegenüber
der angetriebenen Welle 4 ortsfesten Kontur erreicht werden
kann. Mit einer derartigen rein periodischen Relativbewegung lassen
sich insbesondere die im Resonanzbereich der angetriebenen Welle 4 auftretenden
maximalen dynamischen Momente und damit auch die Resonanz-Schwingungen
im Zugmitteltrieb reduzieren. Demgegenüber kann bei einer aktiven Steuerung
der Stellmechanismen 3 mittels einer Steuerung 5 eine
Tilgung oder Reduzierung der dynamischen Anteile des Lastmoments
M bzw. der Schwingungen über
den gesamten Drehzahlbereich der Welle 4, oder zumindest über einen
großen
Bereich davon, erreicht werden. Eine aktive Ansteuerung des Stellmechanismus 3 durch
die Steuerung 5 kann sowohl in Abhängigkeit eines vorliegenden
Motorkennfeldes, als auch mittels der Messung des tatsächlich an
der angetriebenen Welle 4 anliegenden dynamischen Drehmoments
als proportionale Größe für die Schwingungen
im System erfolgen.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb mit
Ausgleichsvorrichtung wird das benötigte Kompensationsmoment direkt
durch die mittels eines Aktuators in oder entgegen der Drehrichtung
D der Welle 4 drehbaren Ausgleichsmasse 2 aufgebracht.
Mittels des als Aktuator ausgebildeten Stellmechanismus 3,
z.B. einem Piezoelement, werden die Ausgleichsmassen 2 tangential
kraftangeregt, wodurch ein entsprechendes Reaktionsmoment auf der
Welle zur Kompensation des dynamischen Anteils des Lastmoments M
und damit der Schwingungen im Zugmitteltrieb erzeugt wird. Durch
die direkte Momentenerzeugung sind nur kleine Relativwege der Ausgleichsmasse 2 notwendig,
so dass die notwendigen Auslenkungswege der Ausgleichmassen 2 zum
Teil nur wenige Millimeter oder bei großen Massen weniger als ein
Millimeter betragen. Diese geringe Auslenkung der Ausgleichsmasse 2 ermöglicht die
Nutzung schneller und steuerungsfähiger Stellmechanismen 3,
z.B. Piezoelemente, wodurch die Ausgleichsvorrichtung flexibel einsetzbar
und der Schwingungsausgleich auf die Drehzahl anpassbar ist. Durch
die direkte Momentenerzeugung mittels der tangentialen Kraftanregung
der Ausgleichmassen 2 lässt
sich auch der sich ergebende Momentenvektor gegenüber der
Drehachse A der Welle 4 verschieben und damit die Ausgleichsmassen 2 in
Abhängigkeit
der Relativwege frei anordnen und dimensionieren.
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Die
direkte Krafteinbringung durch tangential wirkende Aktuatoren ermöglicht die
direkte Kompensation des dynamischen Anteils der Schwingungen bzw.
des gemessenen Lastmoments M. Das an einer angetriebenen Welle 4 anliegende
Lastmoment M kann dabei beispielsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens 6 gemessen
werden, dessen Ausgangsspannung direkt als Eingangsgröße für den Stellmechansimus,
bzw. Aktuator, oder als Eingangsgröße für eine den Stellmechanismus 3 ansteuernde Steuerung 5 genutzt
werden kann, wobei der angesteuerte Stellmechanismus 3 die
notwendige Kraft zum Bewegen der Ausgleichsmasse 2 im Wesentlichen
tangential auf die Ausgleichsmasse 2 aufbringt und so ein
entsprechendes Kompensationsmoment erzeugt.
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Darüber hinaus
kann eine direkte Ansteuerung des Stellmechanismus 3 erreicht
werden, indem das dynamische Drehmoment an der angetriebenen Welle 4 mittels
eines Piezoelements aufgenommen wird, wobei das Piezoelement im
Prinzip frei auf dem bewegten System angeordnet werden kann. Eine
besonders sinnvolle Anordnung ist ein spiegel bildlicher Aufbau zur
Ausgleichsvorrichtung, wobei das Piezoelement mit einem Ende am
Massenträger
befestigt wird, während
das andere Ende mit einer (kleinen) Masse versehen ist. Hierdurch
erzeugt das Piezoelement ein Ausgangssignal, das proportional zum Trägheitsmoment
ist, anstatt zur elastischen Auslenkung. So befinden sich Mess-
und Stellgröße in derselben
Ableitungsordnung (2. Ordnung/Beschleunigung), wodurch
eine direkte ungesteuerte Schaltung zur Kompensation der Momente
möglich
wird. Die Ausgangsspannung des Piezoelements dient dann direkt als
Eingangsgröße für den Stellmechanismus 3,
beispielsweise ebenfalls ein Piezoelement, das dann die tangentiale
Kraftanregung der Ausgleichsmasse 2 aufbringt, um ein dem
dynamischen Anteil des Lastmoments M proportionales Kompensationsmoment
an der angetriebenen Welle 4 zu erzeugen.
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Die
mindestens eine Ausgleichsmasse 2 einer erfindungsgemäßen Drehmoment-Ausgleichsvorrichtung
ist im Falle einer einzelnen Masse bevorzugt als ringförmige oder
kreisförmige
Ausgleichsmasse 2 ausgebildet, die drehbar um die Drehachse A
der Welle auf dem Massenträger 1 angeordnet
ist. Diese ring- oder kreisförmige
Ausgleichsmasse 2 wird durch den tangential wirkenden Aktuator
in eine Drehung auf einem Kreisbogen in oder entgegen der Drehrichtung
der Welle versetzt. Da sich diese ring- oder kreisförmige Ausgleichsmasse 2 um
die Drehachse A der angetriebenen Welle 4 dreht, entstehen keine
zusätzlichen
dynamischen Momente. Als zweite Möglichkeit zusätzliche
dynamische Momente zu verhindern, ist die gleichmäßig versetzte
Anordnung mehrerer Ausgleichsmassen 2 um die Drehachse
A der Welle 4 herum mit einem jeweils gleichen Abstand
zueinander sowie einem gleichen Abstand zur Drehachse A. Solange
alle einzelnen Ausgleichsmassen 2 gleichartig relativ zur
Drehachse A angeregt werden, entsteht unabhängig davon, ob eine Anregung
auf einem Kreisbogen oder einer Tangente eines Kreises erfolgt,
kein zusätzlich
dynamisches Moment. Durch das paarweise oder gleichmäßige Anbringen
der Ausgleichsmassen 2 bleibt die Ausgleichsvorrichtung
bei gleicher Ansteuerung der Ausgleichsmassen 2 nach außen hin
kräftefrei,
so dass auch keine zusätzliche
Lagerbelastung entsteht.
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Die
vorliegende Ausgleichsvorrichtung ermöglicht ein Drehmomentenausgleich
einer angetriebenen Welle mit kleinen Ausgleichsmassen 2 und
einer kleinen Auslenkung der Ausgleichsmasse 2 über tangential
kraftangeregte Aktuatoren. Durch die geringen zusätzlich notwendigen
Ausgleichsmassen bzw. durch den Verzicht auf zusätzliche Massen können auch
die zusätzlichen
statischen Momente durch die Ausgleichsvorrichtung gering gehalten
werden, beispielsweise wenn der Massenträger 1 gleichzeitig als
Antriebs- oder Abtriebsrad der Welle 4 genutzt wird oder
die angetriebene Welle 4 selbst als Ausgleichsmasse 2 dient.
Auch bei nicht vollständig
ausgeglichen angeordneten Ausgleichsmassen 2 bzw. ungleichen
oder einseitigen Bewegungen der Ausgleichsmasse 2 sind
durch die kleinen Auslenkungswege und kleinen Massen die zusätzlichen
dynamischen Momente relativ gering.
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Eine
andere mögliche
Ausführungsform sieht
vor, eine reine Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion in
einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
im Falle eines Steuertriebs, nockenwellenseitig zu installieren,
um eine spreizungsabhängige
Wirkung zu erreichen.
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Bei
der in 4a gezeigten Kombination eines
Nockenwellen-Verstellsystems herkömmlicher Bauart in einem Zugmitteltrieb
mit einer Ausgleichsvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung,
wird die Wirkungsweise der einzelnen Funktionen nicht verändert, obwohl
beide Funktionen durch eine einzige Vorrichtung bewirkt werden.
Die Winkelverstellung der Steuerzeit erfolgt bei dieser Vorrichtung
durch den Stellmechanismus 3 in Abhängigkeit einer für den jeweiligen
Leistungsbereich oder Betriebszustand des Motors gewünschten
Einstellung die von den Schwingungen im Zugmitteltrieb bzw. dem
momentanen Lastmoment M an der Nockenwelle völlig unabhängig ist. Im Gegensatz zur
Winkelverstellung der Steuerzeit hängt die Ansteuerung zur Schwingungsreduktion
direkt von Schwingungen oder dem an der Welle 4 anliegenden
Lastmoment M, bzw. dessen dynamischer Anteile, ab, die wiederum
von der momentanen Beschleunigung der Welle 4 mittels des
Antriebsrads abhängen.
In dieser kombinierten Vorrichtung ist die Ansteuerung der Ausgleichsmasse
zur Schwingungsreduktion mit der Winkelverstellung der Steuerzeit überlagert,
obwohl die einzelnen Funktionen auf unterschiedlichen Ebenen wirken.
Die Schwingungen des Zugmitteltriebs bzw. der dynamische Anteil
des Lastmoments M verändern
sich bereits im Laufe der Drehung der Welle 4 um die Drehachse
A um wenige Winkelgrade, während
die Steuerzeit-Verstellung eine längerfristige, von der Drehung
der Welle und der Drehwinkelstellung unabhängigen Lageverstellung der
Nockenwelle 4 zu deren Antrieb durch das Antriebsmittel
bewirkt, d.h. für
eine sehr große
Anzahl von Umdrehungen der Nockenwelle 4 bzw. für einen
bestimmten Betriebsbereich des Motors. Um diese auf unterschiedlichen
Ebenen wirkenden Funktionen zu bewältigen, muss der Stellmechanismus 3 sowohl
einen entsprechenden Hub in oder entgegen der Drehrichtung D der
Nockenwelle 4 bereitstellen, als auch die notwendige Reaktionsgeschwindigkeit
zum Erzeugen eines Kompensationsmoments aufweisen.