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Die
Erfindung betrifft einen Drehschwingungstilger mit einer einen Kurbelwellenzapfen
aufweisenden Kurbelwelle, die eine zu einer Rotationsachse der Kurbelwelle
exzentrische Kurbelwellenwange aufweist, von der ein Pleuelzapfen
absteht, wobei die Kurbelwellenwange einen um die Rotationsachse
umlaufenen Verlängerungsbereich aufweist, an welchem zumindest
ein Pendelkörper angreift.
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In
Kraftfahrzeugen, insbesondere Pkws und Lkws werden Kurbelwellen
in deren Verbrennungskraftmaschinen verwendet, um Bewegungen von Kolben
nach Übertragung auf die Kurbelwelle über Pleuel
zum Antrieb der Fahrzeuge verwenden zu können. Allerdings
treten häufig Drehschwingungen auf, die ungewünscht
sind und entsprechend gedämpft werden sollen. Dabei ist
das Ausmaß der Dämpfung abhängig von
der Drehzahl der Kurbelwelle, weswegen zur Verminderung von Drehschwingungen
der Kurbelwellen sog. drehzahladaptive Tilger (DAT) verwendet werden.
Hierbei werden an der trägen Kurbelwelle Pendelkörper,
also Pendelmassen, angebracht, die sich auf bestimmten Bahnen frei bewegen
können. Die Pendelkörper werden durch ein von
außen an der Welle wirkendes, ungleichförmiges
Moment, zur Schwingung angeregt. Stimmt die Anregungsordnung des äußeren
Moments mit der Abstimmungsordnung des Pendelkörpers überein,
so kommt es für bestimmte Bahnen der Pendelkörper
zu einer tilgenden Wirkung, also einer Tilgerwirkung. Das bedeutet,
dass das Moment, welches aus den Massenkräften der Pendelkörper
resultiert, dem Anregungsmoment entgegengesetzt ist, was zu einem
vollständigen oder teilweisen Auslöschen der ungleichförmigen
Momente führt.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der
US 6026776 bekannt. Dort
werden in einer Kurbelwelle, die eine Kurbelwellenwange aufweist,
im Bereich der Kurbelwellenwange bewegliche Gegengewichte angeordnet.
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Allerdings
ist es bisher üblich, die Drehschwingungen der Kurbelwelle
mittels einer Schwungscheibe zu reduzieren oder durch ein Zweimassenschwungrad
vom Antriebsstrang zu isolieren. Diesbezüglich ist die
DE 19631989 C1 relevant,
in der ein drehzahladaptiver Tilger zum Einbau in einem durch einen
um einen Mittelpunkt M geschlagenen Außenradius R
a und einem Innenradius R
i begrenzten
Bauraum offenbart ist.
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Ferner
werden drehzahladaptive Tilger auch bei Flugzeugmotoren und in Rotoranlagen
von Hubschraubern in Einsatz gebracht, wie etwa der
US 4218187 zu entnehmen ist.
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Aus
der
DE 597091 ist ferner
eine Vorrichtung zur Verminderung von Torsionsschwingungen in Wellen
mittels pendelnder Massen offenbart. Auch die
US 5405924 offenbart ein Vibrationsabsorptionssystem
mittels Pendelkörpern.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ungewünschte
Drehschwingungen effizient zu vermindern, so dass eine Kurbelwelle
möglichst gleichförmig und ruhig drehend in einer
Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Es ist ferner die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik
zu vermeiden und eine kostengünstigere Lösung
zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Drehschwingungstilger
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Pendelkörper über zwei in je eine Ausnehmung
des Pendelkörpers eingreifende Vorsprungselemente an dem
Verlängerungsbereich beweglich gelagert ist.
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In
einer solchen Ausgestaltung eines drehzahladaptiven Tilgers werden
die Pendelmassen über den Verlängerungsbereich
an den Kurbelwellenwangen angebracht. Der Vorteil einer solchen
Anordnung ist, dass die Masse der Kurbelwellen-Gegengewichte als
Tilgermasse und der Bewegungsraum der Gegengewichte als Bauraum
des Tilgers genutzt wird.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen
beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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So
ist es von Vorteil, wenn die als Bolzen ausgebildeten Vorsprungselemente,
so an dem Verlängerungsbereich angeordnet sind, dass sie
auf in den Ausnehmungen ausgebildeten kurvigen Führungsbahnen
abrollbar sind. Gerade für die Wirkung eines drehzahladaptiven
Tilgers ist die Bahn, auf der die Masse des Pendelkörpers,
also die Pendelmasse schwingt, von besonderer Bedeutung. Schwingt
der Schwerpunkt der Pendelmasse auf einer Kreisbahn, so besteht
eine Tilgerwirkung lediglich für kleine Pendelausschläge
und damit verbundene kleine Anregungsmomente. Bei großen
Anregungsmomenten, wie sie in modernen Verbrennungskraftmaschinen auftreten,
kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen der Pendelbewegung
und dem Anbringungsmoment, so dass die Drehschwingungen angeregt
und nicht reduziert werden. Die vorteilhafte Ausführungsform
ermöglicht jedoch, dass sich die Pendelmasse auf einer
idealen Bahn bewegt, auf der eine gute Dämpfung auch gegen
große Anregungsmomente stattfindet. Es ist dabei insbesondere
von Vorteil, wenn tautochronische Eigenschaften bei Bewegung der
Pendelmasse auf einer solchen Bahn in einem Zentrifugalfeld vorhanden
sind. Das bedeutet, dass die Periodendauer der Pendelschwingung
nicht vom Ausschlag des Pendels abhängt. Die Schwingungsperiode
hängt dann lediglich linear von der Drehzahl ab.
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Es
ist ferner von Vorteil, wenn nur zwei Pendelkörper angebracht
sind, also zwei Pendel je Kurbelwellenwange inkl. des Verlängerungsbereiches wirken.
Auf diese Weise wird eine massenausgleichende Funktion der Kurbelwellengegengewichte beibehalten
und wird nur der entsprechende Bauraum zur Unterbringung der Pendelkörper
verwendet.
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Für
eine optimale Anzahl an Pendelkörper je Kurbelwelle spielen
gegenläufige Überlegungen eine Rolle. Einerseits
kann mit einer geringen Anzahl an Pendelkörpern mehr Masse
im Bauraum untergebracht werden und gleichzeitig verringert sich
dabei die Anzahl der Bauteile, wodurch sich der konstruktive Aufwand
verringert. Andererseits wird der Abstand zwischen der Rotationsachse
und dem jeweiligen Pendelmassenschwerpunkt kleiner. Dies hat wiederum
ein kleineres Tilgungsmoment zur Folge. Es hat sich daher als nahezu
optimal herausgestellt, wenn vier Pendelkörper pro Kurbelwelle
angebracht sind.
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Um
ein besonders günstiges Bauraum-Wirkungsverhältnis
zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn eine bifilare Aufhängung
gewählt wird. Um die Pendelkörper mit der Welle
zu verbinden, werden dabei jeweils zwei Bolzen verwendet. Diese
rollen in Aussparungen, die sich sowohl in den Pendelkörpern
als auch in dem Verlängerungsbereich der Kurbelwellenwange
befinden. Durch die Form der Aussparungen lassen sich die Rollbahnenbolzen
und damit verbunden, die Bahn definieren, auf der der Pendelmassenschwerpunkt
schwingt. Es ist insbesondere von Vorteil, wenn die Bolzen in einem
weiteren Ausführungsbeispiel in dem Verlängerungsbereich
eingepresst sind. So findet zumindest noch eine Relativbewegung
der Pendelkörper um die in dem Verlängerungsbereich
festgelegten Bolzen statt. Ein Abrollen ist nach wie vor möglich.
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Wenn
die Pendelkörper spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse
angeordnet sind, die die Kurbelwellenwange symmetrisch teilt und
die Rotationsachse der Kurbelwelle orthogonal schneidet, so lässt
sich auf diese Art einfach ein drehzahladaptiver Tilger als Drehschwingungstilger
ausbilden.
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Die
Lebensdauer und Ausfallsicherheit wird erhöht, wenn in
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Pendelkörper
auf drei Seiten des Verlängerungsbereiches angeordnet ist.
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Wenn
der Pendelkörper an zwei gegenüberliegenden Seiten
an dem Verlängerungsbereich anliegt und an der dritten
Seite zur Umfangsfläche des Verlängerungsbereiches
mittels einer Aussparung im Pendelkörper beabstandet ist,
so wird eine Relativbewegung, nämlich an Pendeln, des Pendelkörpers relativ
zu dem Verlängerungsbereich nicht gehemmt.
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Der
zur Verfügung stehende Bauraum ist wie folgt limitiert.
Der begrenzende Innenradius entspricht dem Radius des Kurbelwellenzapfens.
Der Außenradius ist durch den Kolben begrenzt, der im unteren
oder oberen Totpunkt von den Pendelmassen, also den Pendelkörpern,
passiert werden muss. Die Breite der Pendelkörper darf
die Breite der Kurbelwellenwange nicht überschreiten, um
zu gewährleisten, dass sich das Pleuel weiter frei bewegen kann.
In Umfangsrichtung beschränkt ein Pleuelzapfen den Bauraum.
Der Bauraum für die Pendelkörper hat somit die
Gestalt eines Kreisscheibenausschnitts. Dabei ist es von Vorteil,
wenn der Pendelkörper so angeordnet ist, dass er in jeglicher
Position von dem Kurbelwellenzapfen, einem die Kurbelwelle antreibenden
Kolben und einem den Kolben mit der Kurbelwelle verbindenden Pleuel
beabstandet ist. Wird allerdings der volle Bauraum genutzt, so geht die
massenausgleichende Wirkung der Kurbelwellen-Gegengewichte teilweise
verloren, was zu vermeiden ist.
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Um
sicher die tautochronische Eigenschaft zu erreichen, ist es von
Vorteil, wenn der Pendelkörper so gelagert ist, dass er
auf einer Epizykloidbahn bewegbar ist, insbesondere ohne an deren
Endpunkten anzuschlagen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen drehzahladaptiven
Tilger, nämlich einen Drehschwingungstilger mit vier Pendelkörpern,
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2 eine
Seitenansicht des Drehschwingungstilgers aus 1,
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III aus 1,
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4 eine
perspektivische Ansicht des Drehschwingungstilgers aus 1 und
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5 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Drehschwingungstilgers mit nur zwei Pendelkörpern.
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Die
Figuren sind lediglich schematischer Art und dienen nur dem Verständnis
der Erfindung. Für die gleichen Elemente werden dieselben
Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Drehschwingungstilger 1 dargestellt,
der als drehzahladaptiver Tilger wirkt. Der Drehschwingungstilger 1 weist
einen einteilig ausgebildeten Kurbelwellenzapfen 2 an einer
Kurbelwelle 3 auf. Der Kurbelwellenzapfen 2 ist
somit eine Verlängerung in Richtung und parallel zu einer
Rotationsachse 4 der Kurbelwelle 3. Siehe diesbezüglich
auch 2, in der die räumliche Darstellung plausibilisiert
wird.
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Exzentrisch
zur Rotationsachse 4, also abstehend von der Kurbelwelle 3,
ist eine Kurbelwellenwange 5 einteilig mit der Kurbelwelle 3 ausgebildet. In
der Bildebene der 1 nach hinten abstehend ist ein
Pleuelzapfen 6 von der Kurbelwellenwange 5 abstehend.
Auch hier wird auf die 2 verwiesen, in der der Pleuelzapfen 6 als
einteilig abstehendes Element der Kurbelwellenwange 5 dargestellt
ist.
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Die
Kurbelwellenwange 5 wird um die Rotationsachse umlaufend
durch einen Verlängerungsbereich 7 verlängert.
Der Verlängerungsbereich 7 erstreckt sich um die
gesamte Rotationsachse von der einen Seite der Kurbelwellenwange 5 bis
zu der anderen Seite der Kurbelwellenwange 5.
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In
diesem Verlängerungsbereich 7 sind in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel vier Pendelkörper 8 angeordnet.
Die Pendelkörper 8 sind massenbehaftete Elemente,
die auch als Pendelkörpermassen bezeichnet werden. Diese
Pendelkörper 8 wirken schwingungsmindernd, insbesondere
drehschwingungsmindernd, wobei sie als Tilger fungieren.
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Die
Pendelkörper 8 werden dabei mittels in Ausnehmungen 9 eingreifender
Vorsprungselemente 10 am Verlängerungsbereich 7 beweglich
gelagert. Die Pendelkörper 8 rollen dabei um die
Vorsprungselemente 10 schwerkraftbedingt bei Bewegung der Kurbelwelle 3 um
die Rotationsachse 4. Die Pendelkörper 8 rollen
auf Führungsbahnen 16 ab. Die Vorsprungselemente 10 sind
als Bolzen ausgebildet. Die Bolzen rollen dabei in nierenförmigen
Ausnehmungen 9 und können sich entlang der ebenfalls
epizykloidförmigen Rollbahnen frei bewegen. Die Pendelkörper 8 verlassen
bei keinem Ausschlag ihren Bauraum, welcher außen durch
den Außendurchmesser da mit dem
Bezugszeichen 11 und innen durch den Innendurchmesser di des Kurbelwellenzapfens 2 mit dem
Bezugszeichen 12 (siehe 2), in der
Tiefe durch b mit dem Bezugszeichen 13 in 2 zu
erkennen und dem Umfang durch den Pleuelzapfen 6 begrenzt
ist.
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In 3 ist
ein Schnitt entlang der Linie III aus 1 dargestellt,
wohingegen in 2 lediglich eine ungeschnittene
Seitenansicht auf die Ausführungsform gemäß 1 dargestellt
ist.
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In 3 ist
besonders gut das Anliegen der Pendelkörper 8 an
zumindest zwei Seiten des Verlängerungsbereiches 7 erkennbar.
Auch die einteilige Bauweise der Kurbelwelle 3 mit den
Kurbelwellenzapfen 2 und der Kurbelwellenwange 5 sowie
des Pleuelzapfens 6 ist erkennbar. Auf der dem Pendelkörper 8 zugewandten
Seite ist zwischen dem Umfang des Verlängerungsbereiches 7 und
der Innenseite des Pendelkörpers 8 eine Beabstandung 14 vorhanden,
die durch eine Aussparung im Pendelkörper 8 erreicht
ist.
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In 4 ist
eine isometrische Ansicht der Ausführungsform gemäß 1 dargestellt.
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Eine
weitere Ausführungsform mit zwei statt vier Pendelkörpern 8 ist
in der 5 visualisiert.
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Dort
ist auch zu erkennen, dass die Bolzen, also die Vorsprungselemente 10,
nicht nur beweglich in den Pendelkörpern 8, nämlich
deren Ausnehmungen 9, gelagert sind, sondern auch in Öffnungen 15 im
Verlängerungsbereich 7 beweglich, nämlich
rollend, angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6026776 [0003]
- - DE 19631989 C1 [0004]
- - US 4218187 [0005]
- - DE 597091 [0006]
- - US 5405924 [0006]