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Die
Erfindung betrifft einen Drehschwingungstilger zum Tilgen von Drehschwingungen
in einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Kurbelwelle, die über
ein Getriebe zumindest mit einer Schwingungsausgleichswelle diese
antreibend gekoppelt ist.
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Drehzahladaptive
Tilger (DAT) werden zur Verringerung oder Auslöschung von
Drehschwingungen an Wellen eingesetzt. In Verbrennungskraftmaschinen
treten derartige Schwingungen hauptsächlich an der Kurbelwelle
auf. Durch das Integrieren eines drehzahladaptiven Tilgers in eine
Verbrennungskraftmaschine sollen die Drehschwingungen der Kurbelwelle
deutlich verringert werden. Im Stand der Technik sind bereits Ansätze
bekannt, um Drehschwingungen zu tilgen. Bisher wurde jedoch davon ausgegangen,
dass der Tilger direkt an der Antriebswelle eines Fahrzeuges angebracht
werden muss. Bekannte Lösungen greifen z. B. an der Schwungmasse
oder an der Kurbelwelle an. Entsprechende Lösungen sind
in der
DE 19631989
C1 und der
US 6026776 offenbart.
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Die
DE 19631989 C1 offenbart
einen drehzahladaptiven Tilger. Dieser ist zum Einbau in einem durch
einen um einen Mittelpunkt geschlagenen Außenradius und
einen Innenradius im Bauraum vorgesehen.
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In
der
US 6026776 ist ein
Kurbelwellendämpfer offenbart, der mit Pendelkörpern
arbeitet, die in einer Kurbelwellenwange rotierbar angebracht sind.
Die Pendelkörper sind dabei in Ausnehmungen angeordnet,
die einen größeren Durchmesser aufweisen, als
die Pendelkörper, wodurch sie auch in diesen Ausnehmungen
abrollen und dabei Schwingungen dämpfen.
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Drehschwingungstilger,
insbesondere solche, die als drehzahladaptive Tilger ausgebildet
sind, werden bereits seit den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts
genutzt, um Verdrehschwingungen von Wellen zu verringern. Bisher
wurden sie hauptsächlich in der Luftfahrt eingesetzt, so
z. B. in Sternmotoren, also Verbrennungskraftmaschinen mit sternartig angeordneten
Zylindern und Kolben, welche insbesondere bei Flugzeugen oder Hubschraubern
Anwendung finden. Es besteht Bedarf, das Prinzip als solches auch
in der Automobilindustrie zu nutzen. Hierbei wird derzeit versucht,
den Drehschwingungstilger direkt in den Antriebsstrang zu integrieren.
Die praktische Umsetzung in einem Serienmotor konnte jedoch aufgrund
des geringen verfügbaren Bauraums noch nicht realisiert
werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Drehschwingungstilger
für Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung zu
stellen, der dann in Kraftfahrzeugen, insbesondere Pkws und Lkws
verwendbar ist. Ein solcher Drehschwingungstilger soll bei Betrieb
in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit
einer Verbrennungskraftmaschine ausfallsicher und in der Herstellung
weder besonders aufwändig noch besonders kostenintensiv
sein.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen gattungsgemäßen
Drehschwingungstilger dadurch gelöst, dass zwei Pendelkörper
als Fliehkraftpendel beweglich an der Schwingungsausgleichswelle
angeordnet sind.
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Durch
den Einbau eines solchen Drehschwingungstilgers, der dann als drehzahladaptiver Tilger
wirkt, an einer Ausgleichswelle erhöht sich die Wirkung
des Drehschwingungstilgers. Es können größere
Tilgungsmomente erzeugt werden. Auch wird die Steifigkeit des Drehschwingungstilgers
erhöht.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen
beansprucht und nachfolgend näher erläutert. So
ist es von Vorteil, wenn das Getriebe eine solche Übersetzung
aufweist, dass die Schwingungsausgleichswelle eine doppelte Umdrehungsanzahl
im Vergleich zur Kurbelwelle bei entsprechender Rotation aufweist.
Der Effekt ist eine Verstärkung des Zentrifugalfeldes,
was zu einer nochmals erhöhten Steifigkeit des Tilgers
führt.
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Die
Schwingungstilgungswirkung lässt sich weiter erhöhen,
wenn zwei Schwingungsausgleichswellen vorhanden sind.
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Wenn
an jeder Schwingungsausgleichswelle zumindest zwei oder genau zwei
Pendelkörper angebracht sind, werden nicht nur kleine,
sondern auch große Anregungsmomente beseitigt.
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Unwuchten
werden vermieden, wenn die zwei Pendelkörper auf gegenüberliegenden
Seiten einer Rotationsachse der Schwingungsausgleichswelle angeordnet
sind.
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Wenn
die Pendelkörper einer Epizykloidbahn folgend beweglich
angeordnet sind, so findet auch bei großen Verbrennungskraftmaschinen
eine wirkungsvolle Drehschwingungstilgung statt.
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Stöße
werden vermieden, wenn die Pendelkörper gewichtsmäßig
so ausgebildet sind und so an der Schwingungsausgleichwelle beweglich
angeordnet sind, dass sie nicht am Ende der Epizykloidbahn anschlagen.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine 4-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine
mit einem in einem Lancester-Ausgleich integrierten Drehschwingungstilger,
der mit einer Kurbelwelle die über ein Getriebe zumindest
mit einer Schwingungsausgleichswelle diese antreibend gekoppelt
zwei Pendelkörper aufweist, die als Fliehkraftpendel beweglich
an der Schwingungsausgleichswelle angeordnet sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher
erläutert.
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So
zeigen
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1 eine
schematische Ansicht der Pendelgeometrie und
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2 eine
Prinzipskizze für einen als drehzahladaptiver Tilger ausgebildeten
Drehschwingungstilger mit zwei Ausgleichswellen.
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Die
Zeichnungen sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem
Verständnis der Erfindung. Für die gleichen Elemente
werden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In 1 ist
ein Drehschwingungstilger 1 zum Tilgen von Drehschwingungen
in einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt, wobei die Verbrennungskraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug, wie einem Pkw oder einem Lkw angeordnet
ist.
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Der
Drehschwingungstilger 1 ist dabei ein drehzahladaptiver
Tilger, d. h. er ist abhängig von der Größe
der Drehzahl einer Kurbelwelle 2 der Verbrennungskraftmaschine.
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Für
die Wirkung eines drehzahladaptiven Tilgers sind im Wesentlichen
fünf Einflussgrößen entscheidend.
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So
ist zum einen die Masse eines Pendelkörpers 3 ausschlaggebend.
Je größer die pendelnde Masse ist, umso höher
sind die entstehenden Massenkräfte. Dies hat zur Folge,
dass bei gleicher Anregung geringere Pendelausschläge entstehen
oder, in umgekehrter Betrachtung, dass für den max. Pendelausschlag
ein größeres Eingangsmoment nötig ist. Der
maximale Pendelausschlag liegt an den Enden einer Pendelbahn 4 vor.
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Ferner
ist ein Schwerpunktabstand c der Pendelmassen relevant. Als Schwerpunktabstand wird
der Abstand des Schwerpunktes S eines Pendelkörpers 3 in
Ruhelage des Pendelkörpers 3 zu einer Rotationsachse 5 der
Kurbelwelle 2 oder einer Ausgleichswelle 6 (siehe 2)
bezeichnet. Er bestimmt im Wesentlichen den Hebelarm für
das zu erzeugende Tilgungsmoment. Je größer der
Schwerpunktabstand c ist, desto größer ist das
zu ertragende Eingangsmoment, bevor die Pendelkörper die
Enden der Pendelbahnen 4 erreichen.
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Ferner
ist die Dämpfung relevant. Durch die Dämpfung
zwischen den Pendelkörpern 3 und der Welle, also
der Ausgleichswelle 6 oder der Kurbelwelle 2,
werden die Pendel in ihrer freien Bewegung gehemmt. Es kommt zu
einer Phasenverschiebung zwischen Pendelbewegung und äußerem
Moment, welche bei gleicher Eingangsmomentenamplitude zu einem geringeren
Pendelausschlag führt.
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Die
vierte Einflussgröße liegt in der Abstimmungsordnung
n vor. Jedes Pendel kann über die Geometrie der Pendelbahn
auf eine bestimmte Ordnung abgestimmt werden. Entscheidend hierfür
ist das Verhältnis r / ρ₀, wobei ρ0 dem
Krümmungsradius der Pendelbahn 4 an ihrer Symmetrieachse
entspricht und die Länge r die Differenz aus dem Schwerpunktabstand
c und ρ0 ist. Im Idealfall entspricht
diese der Anregungsordnung n'. Ist die Anregung jedoch zu groß,
d. h. dass die Pendelkörper 3 das Ende der Pendelbahn 4 er reichen,
so kann das System verstimmt werden. Dabei wird die Abstimmungsordnung
der Pendel etwas oberhalb der Anregungsordnung gewählt.
Die Pendelkörper 3 werden synonym auch als Pendel
bezeichnet. Das Wählen der Abstimmungsordnung oberhalb
der Anregungsordnung hat zur Folge, dass der Pendelausschlag reduziert
wird. Die Wirkung des Drehschwingungszählers 1 wird
jedoch ebenfalls verringert.
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Als
fünfte Einflussgröße ist die Drehzahl,
die Drehzahl an der Kurbelwelle 2 bzw. die Drehzahl an der
Ausgleichswelle 6 entscheidend. Mit steigender Drehzahl
erhöht sich die Wirkung des Zentrifugalfeldes, welche für
die Steifigkeit des Systems verantwortlich ist. Je größer
die Wirkung des Zentrifugalfeldes ist, desto größere
Eingangsmomente können von den Pendelkörpern 3 getilgt
werden, bevor sie an den Enden der Pendelbahn 4 anschlagen.
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Die
ersten beiden Einflussgrößen, nämlich die
Masse der Pendelkörper 3 und der Schwerpunktabstand
c der Pendelmassen, hängen von dem zur Verfügung
stehenden Bauraum ab. Dieser ist in Verbrennungskraftmaschinen sehr
begrenzt. Der dritte Einflussfaktor, nämlich die Dämpfung,
führt zu einem Energieverlust und kann nur bedingt eingestellt
werden. Der vierte Einflussfaktor, nämlich die Abstimmungsordnung
n kann in der Praxis ausgenutzt werden, um bei großen Eingangsmomenten
das Anschlagen der Pendelkörper 3 zu verhindern.
Die dafür notwendige Verstimmung führt aber auch
zu einem deutlichen Verlust der Tilgerwirkung.
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Wie
in den Figuren zu erkennen, wird der Drehschwingungstilger an der
Ausgleichswelle 6, die die verkürzte Begrifflichkeit
für die Schwingungsausgleichswelle ist, integriert. Die
Schwingungsausgleichswellen 6 drehen doppelt so schnell
wie die Kurbelwelle 2, womit die Steifigkeit des Systems
erheblich erhöht wird.
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Ebenfalls
wird durch die Übersetzung (i = 0,5) das auf die Pendelkörper 3 wirkende
ungleichförmige Anregungsmoment halbiert. Die Übersetzung wird
durch ein nicht dargestelltes Getriebe, nämlich ein Übersetzungsgetriebe,
ermöglicht.
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Durch
die Verdoppelung der Drehzahl wird die Anregungsordnung
halbiert, wodurch auch die
Abstimmungsordnung n halbiert werden kann. Dies hat zur Folge, dass
die Bogenlänge der Epizykloidbahn s
max,
auf der sich der Schwerpunkt S der Pendelkörper
3 bewegt,
vergrößert wird. Die halbierte, quadrierte Bogenlänge
berechnet sich aus (s
max)
2 = c² / n²(1 + n²).
Die Variable c = r + ρ
0 und entspricht
dem Schwerpunktabstand der Massen der Pendelkörper
3 in
der Ruhelage.
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Die
sich an den Ausgleichswellen 6, die auch als Lancester-Wellen
bezeichnet werden, einstellenden Rotationsschwingungsamplituden,
werden durch die Übersetzung nur mit dem Faktor 0,5 auf
die Kurbelwelle 2 übertragen.
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Alle
diese Faktoren führen zu einer wesentlich besseren Tilgung
der ungleichförmigen Anregungsmomente n-ter Ordnung und
somit zu geringeren Drehschwingungen der Kurbelwelle 2.
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In 1 ist
auch die Winkelgeschwindigkeit ΩWelle visualisiert.
Der Schwerpunkt der Pendelkörper 3, ist mit den
Bezugszeichen S versehen und bewegt sich entlang der Pendelbahn 4.
Die Pendelbewegung ist durch die Enden der Pendelbahn 4 bei
+/–smax eingeschränkt.
Die Pendelbahn entspricht einer Epizykloide. Somit ist der Krümmungsradius
R eine Funktion des Pendelausschlages s.
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In 2 ist
eine Prinzipskizze eines drehzahladaptiven Tilgers, nämlich
eines Drehschwingungstilgers 1 an zwei Ausgleichswellen 6 dargestellt.
Ein solcher Drehschwingungstilger 1 wird in einem 4-Zylinder-Motor
mit Lancester-Ausgleich verwendet. Die Ausgleichswellen 6 drehen
sich dabei doppelt so schnell wie die Kurbelwelle 2. An
jeder Ausgleichwelle 6 sind symmetrisch zwei Pendelkörper 3 angebracht,
die als Fliehkraftpendel wirken. Ferner wirken diese bei entsprechender
Konstruktion wirkungsvoll als drehzahladaptive Tilger. Das Getriebe,
nämlich das Übersetzungsgetriebe, ist nicht dargestellt.
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Mit ΩKW ist die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
bezeichnet.
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Die
Erfindung betrifft auch 2-Zylinder-Verbrennungskraftmaschinen und
weitere Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschinen, wie etwa 6-Zylinder-Verbrennungskraftmaschinen,
8-Zylinder-Verbrennungskraftmaschinen und 12-Zylinder-Verbrennungskraftmaschinen.
Auch Einzylinder-Verbrennungskraftmaschinen sind umfasst, wenn ein
Drehschwingungstilger gemäß Anspruch 1 verwendet
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19631989
C1 [0002, 0003]
- - US 6026776 [0002, 0004]
