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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reduktion von Drehschwingungen
an einer Welle, umfassend ein mit der Welle drehfest verbindbares erstes
Element, ein zu diesem relativ verdrehbares zweites Element sowie
wenigstens eine Ausgleichsmasse zum Ausgleich von Drehschwingungen,
wobei die wenigstens eine Ausgleichsmasse zur Veränderung
des Trägheitsmoments abhängig von der relativen
Drehlage zwischen erstem und zweitem Element zwischen einer ein
minimales Trägheitsmoment bedingenden und einer ein maximales
Trägheitsmoment bedingenden Endlage verlagerbar ist. Außerdem
betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Einrichtung.
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Die
DE 103 31 391 A1 offenbart
ein Schwungrad zur Schwingungsreduzierung im Getriebe eines Kraftfahrzeuges,
wobei das Schwungrad eine Schwungscheibe aufweist, die um eine Rotationsachse
drehbar ist sowie Ausgleichsmassen, die derart mit der Schwungscheibe
verbunden sind, dass der Schwerpunkt der Ausgleichsmasse in einer
mit Bezug auf die Schwungscheibe definierten Bahn in Umfangsrichtung
der Schwungscheibe schwingfähig ist, wobei das Schwungrad
eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Abstandes der Bahn von
der Rotationsachse der Schwungscheibe aufweist. Die Ausgleichsmassen
weisen dabei jeweils einen Schwerpunkt auf, der bei einer Pendel-
bzw. Drehbewegung der Ausgleichsmassen jeweils eine Bahn beschreibt.
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Durch
die Pendel- bzw. Drehbewegung der Ausgleichsmassen können
Drehschwingungen in dem Getriebe des Kraftfahrzeuges reduziert werden, jedoch
bewegen sich die Ausgleichsmassen dabei frei und es wird keine Energie
gespeichert. Zum Verstellen des Abstandes der Bahnen der Ausgleichsmassenschwerpunkte
von der Rotationsachse der Schwungscheibe ist eine Steuereinrichtung
vorgesehen, die in Abhängigkeit von einer erfassten Betriebsgröße
eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Abstandes ansteuert.
Auf diese Weise erfolgt abhängige von einer Betriebsgröße
eine Verstellung des Abstandes der Bahnen der Ausgleichsmassenschwerpunkte,
wobei jedoch die Betriebsgröße den Abstand der
Bahnen der Ausgleichsmassenschwerpunkte von der Rotationsachse der
Schwungscheibe nur mittelbar beeinflusst.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Einrichtung zur
Reduktion von Drehschwingungen bereitzustellen, bei der das Massenträgheitsmoment
mechanisch unmittelbar abhängig von der Drehzahl gesteuert
wird, die gezielt auf Schwingungsanregungen reagiert und bei der
ein Energiefluss zur Reduktion von Drehschwingungen optimiert ist.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zugrunde
liegenden Idee wenigstens eine Einrichtung zur Speicherung und Abgabe
von Energie beim Ausgleich der Drehschwingungen vorgesehen ist.
Damit kann beim Ausgleich von Drehschwingungen eine definierte Energiemenge
gespeichert und dem System wieder zugeführt werden.
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Besonders
zu bevorzugende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorzugsweise
ist die wenigstens eine Einrichtung zur Speicherung und Abgabe von
Energie zwischen der wenigstens einen Ausgleichsmasse und dem zweiten
Element wirksam. Dadurch ist bei einer Verlagerung der wenigstens
einen Ausgleichsmasse eine Energiespeicherung und bei deren Abgabe
wiederum eine Verlagerung der wenigstens einen Ausgleichsmasse ermöglicht.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die wenigstens eine Einrichtung
zur Speicherung und Abgabe von Energie zumindest mittelbar zwischen
dem ersten und dem zweiten Element wirksam ist. Dadurch wird bei
einer entsprechenden Verdrehung des ersten Elements relativ zum
zweiten Element eine Energiespeicherung und bei deren Abgabe eine
Relativverdrehung zwischen erstem und zweitem Element ermöglicht.
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Ebenfalls
wird als sehr vorteilhaft eine Ausführung der Erfindung
angesehen, bei der eine erste Einrichtung zur Speicherung und Abgabe
von Energie zwischen der wenigstens einen Ausgleichsmasse und dem
zweiten Element und eine zweite Einrichtung zur Speicherung und
Abgabe von Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Element wirksam ist.
Dabei können Qualität und Quantität der
Drehschwingungsreduktion durch das Zusammenwirken von erster und
zweiter Einrichtung zur Speicherung und Abgabe von Energie besonders
eingestellt werden.
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist eine zwischen dem erstem Element und der wenigstens einen Ausgleichsmasse
angeordnete Getriebeeinrichtung vorgesehen, welche bei einer Verdrehung
des zweiten Elements relativ zum ersten Element eine proportionale
Verlagerung der Ausgleichsmasse bedingt. Die relative Lage zwischen
erstem und zweitem Element bestimmt demnach das Trägheitsmoment
der Einrichtung zur Reduktion von Drehschwingungen.
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Zweckmäßigerweise
ist die wenigstens eine Ausgleichsmasse um einen von ihrem Schwerpunkt deutlich
beabstandeten Drehpunkt verschwenkbar. Diese Anordnung gewährleistet
bei einer Verdrehung von erstem und zweitem Element relativ zueinander eine
besonders große Änderung des Trägheitsmoments
der Einrichtung.
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Bevorzugt
ist es, wenn die wenigstens eine Ausgleichsmasse und die wenigstens
eine Einrichtung zur Speicherung und Abgabe von Energie derart aufeinander
abgestimmt sind, dass bei einer Drehzahl der Welle in einem kritischen
Betriebsbereich die wenigstens eine Ausgleichsmasse eine Arbeitsposition
zwischen den Endlagen, insbesondere im mittleren Bereich zwischen
den Endlagen, einnimmt. Ein kritischer Betriebsbereich ist ein Drehzahlbereich,
in dem Drehschwingungen besonders ausgeprägt auftreten.
Ausgehend von einer Ruhelage wird bis zum Erreichen einer Betriebsdrehzahl
häufig ein kritischer Drehzahlbereich durchlaufen, d. h.
der Kritische Drehzahlbereich liegt unterhalb der regulären
Betriebsdrehzahl. Die vorliegende Abstimmung gewährleistet
im kritischen Drehzahlbereich einen maximalen Arbeitsbereich der
Einrichtung zur Reduktion von Drehschwingungen, indem der wenigstens
einen Ausgleichsmasse dort in Richtung der beiden Endlagen jeweils
ein zumindest annähernd gleicher Arbeitsweg zur Verfügung
steht.
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Bevorzugt
ist es, wenn die wenigstens eine Einrichtung zur Speicherung und
Abgabe von Energie ein elastisches Medium zur Speicherung von potentieller
Energie als Spannungsenergie umfasst, insbesondere eine Feder. Das
elastische Medium weist zweckmäßigerweise eine
konstante, eine progressive oder eine degressive Kraft-Weg-Kennlinie auf.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn die erfindungsgemäße
Einrichtung in einer Brennkraftmaschine zur Reduktion von Drehschwingungen
einer Kurbelwelle verwendet wird.
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf Figuren besonders zu bevorzugende Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert, dabei zeigen schematisch
und beispielhaft:
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1a eine
Einrichtung zur Reduktion von Drehschwingungen an einer Kurbelwelle
mit zwischen Ausgleichsmassen und Gehäuse angeordneten
Federn in einer Position mit geringem Trägheitsmoment,
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1b dieselbe
Einrichtung in einer Position mit mittlerem Trägheitsmoment,
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1c dieselbe
Einrichtung in einer Position mit maximalem Trägheitsmoment,
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2a eine
Einrichtung zur Reduktion von Drehschwingungen an einer Kurbelwelle
mit ersten, zwischen Ausgleichsmassen und einem Gehäuse und
zweiten, zwischen einem Gehäuse und einem Nabenteil angeordneten
Federn in einer Position mit minimalem Trägheitsmoment,
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2b dieselbe
Anordnung in einer Position mit mittlerem Trägheitsmoment,
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2c dieselbe
Anordnung in einer Position mit maximalem Trägheitsmoment
und
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3 eine
Einrichtung zur Reduktion von Drehschwingungen an einer Kurbelwelle
mit zwischen Ausgleichsmassen und Gehäuse angeordneten
Federn in einer Position mit geringem Trägheitsmoment.
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1a zeigt
eine Einrichtung 100 zur Reduktion von Drehschwingungen
an einer hier nicht näher dargestellten Kurbelwelle einer
Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit einem mit der Kurbelwelle drehfest
verbindbaren Nabenteil 102, einem zu diesem relativ verdrehbaren
Gehäuse 104 sowie Ausgleichsmassen 106 zum
Ausgleich von Drehschwingungen, wobei die Ausgleichsmassen 106 zur Veränderung
des Trägheitsmoments abhängig von der relativen
Drehlage zwischen Nabenteil 102 und Gehäuse 104 zwischen
einer ein minimales Trägheitsmoment bedingenden und einer
ein maximales Trägheitsmoment bedingenden Endlage verlagerbar sind.
Zwischen den Ausgleichsmassen 106 und dem Gehäuse 104 sind
jeweils Spiraldruckfedern 108 angeordnet.
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In 1a sind
die Ausgleichsmassen 106 bei Stillstand der Welle oder
nur geringer Drehzahl in einer Position dargestellt, in der die
Einrichtung 100 ein minimales Trägheitsmoment
aufweist, in 1b bei einer Drehzahl der Welle
im kritischen Bereich in einer Position, in der die Einrichtung 100 ein
mittleres Trägheitsmoment aufweist und in 1c bei
einer Drehzahl der Welle im regulären Betriebsbereich oberhalb
der kritischen Drehzahl in einer Position, in der die Einrichtung 100 ein
maximales Trägheitsmoment aufweist. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit wurde in den 1b, 1c auf
eine Darstellung der Federn 108 verzichtet.
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Die
Einrichtung 100 dient vorliegend zur Reduktion von Drehschwingungen
einer Kurbelwelle einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine und kann insbesondere
anstelle eines Zweimassenschwungrades verwendet werden.
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Jedoch
kann die Einrichtung 100 grundsätzlich an jeder
Stelle im Antriebsstrang von brennkraftmaschinengetriebenen Fahrzeugen
verwendet werden, wobei das Nabenteil 102 ein Eingangs-
und das Gehäuse 104 ein Ausgangsteil bildet.
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Das
Nabenteil 102 der Einrichtung 100 ist in Einbaulage
mit einer Antriebswelle koaxial drehfest verbunden, abtriebsseitig
ist die Einrichtung 100 mittels des Gehäuses 104 in
den Antriebsstrang eingebunden. Nabenteil 102 und Gehäuse 104 sind
relativ zueinander verdrehbar. Das Nabenteil ist mit einer Außenverzahnung 112 versehen,
das Gehäuse 104 trägt innenseitig vorliegend
sechs Ausgleichsmassen 106, welche um dem Gehäuse 104 zugeordnete Drehpunkte 110 verschwenkbar
sind. Die Ausgleichsmassen 106 weisen Verzahnungen auf,
die mit der Verzahnung 112 des Nabenteils 102 korrespondieren.
Bei einer Verdrehung von Nabenteil 102 und Gehäuse 104 relativ
zueinander werden die Ausgleichsmassen 106 mittels der
Verzahnung 112 entsprechend ausgelenkt. Die Massenschwerpunkte
der Ausgleichsmassen 106 sind von deren Drehpunkt 110 beabstandet,
sodass sich bei einer Auslenkung der Ausgleichsmassen 106 das
Trägheitsmoment der Einrichtung 100 entsprechend
erhöht oder verringert.
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Zwischen
Ausgleichsmassen 106 und Gehäuse 104 sind
jeweils Druckfedern 108 angeordnet, mittels denen die Ausgleichsmassen 106 in
Richtung der ein minimales Trägheitsmoment bedingenden Endlage
vorgespannt sind. Die Federn 106 stützen sich
ausgleichsmassenseitig an Kugelköpfen 114, welche
in korrespondierenden Ausnehmungen der Ausgleichsmassen 106 angeordnet
sind und gehäuseseitig in topfförmigen Kappen 116 ab.
Die Kugelköpfe 114 ermöglichen bei Auslenkung
der Ausgleichsmassen 106 eine im Wesentlichen axiale Belastung
der Federn 108 unter Vermeidung von Biegekräften.
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Beim
Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Nabenteil 102 von
der Antriebswelle angetrieben, ein Abtrieb erfolgt über
das Gehäuse 104. Mit zunehmender Drehzahl verlagern
sich die Ausgleichsmassen 106 ausgehend von ihrer Ruhelage, in
der sie federkraftbedingt (108) am Nabenteil 102 anliegen
und die Einrichtung 100 ein minimales Trägheitsmoment
aufweist, fliehkraftbedingt radial nach außen, wobei die
Federn 108 gespannt werden und Energie speichern und nehmen
im Bereich der kritischen Drehzahl eine Position zwischen den beiden Endlagen
ein. Im regulären Betriebsdrehzahlbereich oberhalb des
kritischen Drehzahlbereichs liegen die Ausgleichsmassen 106 fliehkraftbedingt
innenseitig am Gehäuse 104 an, die Einrichtung 100 weist
ein maximales Trägheitsmoment auf und die Federn 108 sind
maximal gespannt. Zur Dämpfung können zwischen
Gehäuse 104 und Ausgleichsmassen 106 elastische
Dämpfer vorgesehen sein, sodass ein harter Aufprall der
Ausgleichsmassen 106 am Gehäuse 104 und
Geräusche vermieden sind. Bei einer Brennkraftmaschine
liegt der kritische Drehzahlbereich beispielsweise unterhalb 1000
U/min, insbesondere zwischen 400 und 800 U/min und der reguläre
Betriebsbereich bei mehreren 1000 U/min, insbesondere bei 2000 bis
6000 U/min.
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Wenn
sich die Ausgleichsmassen 106 in einer Position zwischen
den beiden Endlagen, vorzugsweise im mittleren Bereich zwischen
den Endlagen befinden, erfolgt ein Ausgleich von Drehschwingungen,
indem bei einer drehschwingungsbedingten Relativverdrehung zwischen
Nabenteil 102 und Gehäuse 104 mittels
der Verzahnung 112 eine Auslenkung der Ausgleichsmassen 106,
welche sich in einer Arbeitsposition im Gleichgewicht zwischen Federkraft
(108) und Fliehkraft befinden, erfolgt. Während sich
die Ausgleichsmassen 106 radial nach außen bewegen,
wobei das Trägheitsmoment der Einrichtung 100 erhöht
wird, wird in den Federn 108 Energie gespeichert. Diese
Kraft wirkt direkt auf die Vibrationskraft und reduziert so den
Effekt der Vibration. Sobald die Vibrationskraft ihre Richtung ändert,
verringert sich das Trägheitsmoment der Einrichtung 100 bei
einer Verzögerung der Wellendrehung, sodass die Welle beschleunigt
und wiederum die Vibrationskraft verringert wird. Während
des Vibrationsprozesses wird beim Richtungswechsel mittels der Ausgleichsgewichte 106 und
dem Gehäuse 104 ebenfalls eine Trägheitskraft
aufgebracht. Dieser Richtungswechsel wirkt ebenfalls vibrationsdämpfend.
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Die
Einrichtung 200 gemäß den 2a, 2b, 2c umfasst
ebenfalls ein mit einer Welle drehfest verbindbares Nabenteil 202,
ein zu diesem relativ verdrehbares Gehäuse 204 sowie
vorliegend drei Ausgleichsmassen 206. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind jedoch erste Federn 208 zwischen den Ausgleichsmassen 206 und
dem Gehäuse 204 sowie zweite Federn 222 zwischen
Nabenteil 202 und Gehäuse 204 wirksam.
Die Federn 208 sind als Spiraldruckfedern ausgebildet und
sitzen zur Vermeidung von Biegung im Betrieb in kegelförmigen
Ausnehmungen in den Ausgleichsmassen 206 ein. Die Federn 222 sind
als Tellerfederpack ausgestaltet.
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Bei
einer Verdrehung von Nabenteil 202 und Gehäuse 204 relativ
zueinander erfolgt mittels der Verzahnung 212 eine entsprechende
Auslenkung der Ausgleichsmassen 206.
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In
Ausgangslage liegen die Ausgleichsmassen 208 unter Einwirkung
der Federkraft (208) an der Kontur 218 des Nabenteils 202 an,
wobei das Trägheitsmoment der Einrichtung 200 minimal
ist. Nabenteil 202 und Ausgleichsmassen 206 weisen
korrespondierende Konturen auf, sodass eine vergrößerte Anlagefläche
gebildet ist. Bei Rotation der Welle und Drehzahlerhöhung
bewegen sich fliehkraftbedingt die Ausgleichsmassen 208 radial
nach außen in Richtung des Gehäuses 204,
wobei die Federn 208, 222 gespannt werden. Die
Einrichtung 200, insbesondere die Ausgleichsmassen 206 und
die Federn 208, 222 sind derart abgestimmt, dass
in einem kritischen Drehzahlbereich, in welchem besonders starke Drehschwingungen
auftreten, sich die Ausgleichsmassen 206 in einem Arbeitsbereich
zwischen den beiden Endlagen befinden. Eine Reduktion von Drehschwingungen
erfolgt wie bei 1 beschrieben. Bei höheren
Drehzahlen bewegen sich die Ausgleichsmassen 206 fliehkraftbedingt
weiter radial nach außen, bis sie am Gehäuse 204 zur
Anlage kommen.
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Die
Einrichtung 300 gemäß 3 umfasst ebenfalls
ein mit einer Welle drehfest verbindbares Nabenteil 302,
ein zu diesem relativ verdrehbares Gehäuse 304 sowie
vorliegend drei Ausgleichsmassen 306. Zwischen den Ausgleichsmassen 306 und dem
Gehäuse 304 sind Federn 308 wirksam.
Die Federn 308 sind als Tellerfederpack ausgestaltet.
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Bei
einer Verdrehung von Nabenteil 302 und Gehäuse 304 relativ
zueinander erfolgt mittels der Verzahnung 312 eine entsprechende
Auslenkung der Ausgleichsmassen 306.
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In
der dargestellten Ausgangslage liegen die Ausgleichsmassen 308 unter
Einwirkung der Federkraft (308) an der Kontur 318 des
Nabenteils 302 an, wobei das Trägheitsmoment der
Einrichtung 300 minimal ist. Nabenteil 302 und
Ausgleichsmassen 306 weisen korrespondierende Konturen
auf, sodass eine vergrößerte Anlagefläche
gebildet ist. Bei Rotation der Welle und Drehzahlerhöhung
(nicht dargestellt) bewegen sich fliehkraftbedingt die Ausgleichsmassen 308 radial
nach außen in Richtung des Gehäuses 304,
wobei die Feder 308 gespannt wird. Die Einrichtung 300,
insbesondere die Ausgleichsmassen 306 und die Feder 308 sind
derart abgestimmt, dass in einem kritischen Drehzahlbereich, in
welchem besonders starke Drehschwingungen auftreten, sich die Ausgleichsmassen 306 in
einem Arbeitsbereich zwischen den beiden Endlagen befinden. Eine
Reduktion von Drehschwingungen erfolgt wie bei 1 beschrieben.
Bei höheren Drehzahlen bewegen sich die Ausgleichsmassen 306 fliehkraftbedingt
weiter radial nach außen, bis sie am Gehäuse 304 zur
Anlage kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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