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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleich oder zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten an einer Antriebswelle gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Beispielsweise Verbrennungsmotoren, wie z. B. Turbo-Diesel- oder direkt eingespritzte Otto-Motoren, weisen immer stärker zunehmende Drehungleichförmigkeiten über der Drehzahl auf. Beispielsweise werden zur Drehschwingungsreduktion Feder-Dämpfer-Systeme, Zwei-Massen-Schwingungssysteme oder drehzahladaptive Tilger eingesetzt.
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Aus der Druckschrift
DE 199 11 564 A1 ist eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges bekannt. Die Schwingungsdämpfungsvorrichtung umfasst eine in einem um eine Drehachse drehbaren Grundkörper angeordnete Auslenkungsmassenanordnung mit wenigstens einer Auslenkungsmasse und eine der Auslenkungsmasse zugeordnete Auslenkungsbahn. Ferner ist eine Zwangs-Rollenanordnung vorgesehen. Als Rollenanordnung sind Ausnehmungen in dem Grundkörper vorgesehen, in denen die zugeordneten Auslenkungsmassen willkürliche Rollbewegungen ausführen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zum Ausgleichen von Drehungleichförmigkeiten einer Antriebswelle gemäß der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, mit der eine gezielt veränderliche Massenträgheit über den Drehwinkel realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.
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Somit wird eine Anordnung zum Entkoppeln bzw. Ausgleichen oder Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten an einer Antriebswelle mit zumindest einer bewegten Masse zum Verändern des Trägheitsmomentes in Abhängigkeit des Drehwinkels der Antriebswelle vorgeschlagen, wobei jede Masse derart zwangsgeführt ist, dass über den Drehwinkel der Antriebswelle jeweils ein vordefiniertes Trägheitsmoment realisierbar ist.
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Auf diese Weise wird eine Drehschwingungsentkopplung mit zum Beispiel zyklischer Veränderung der Massenträgheit erreicht. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann aufgrund der zwangsgeführten Bewegung der verwendeten Massen ein Ausgleich erfolgen, der genau an die Charakteristik der Momentungleichförmigkeit angepasst ist und diese dann aufhebt, da bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Zwangsführung eine radiale und/oder auch eine tangentiale Komponente bezogen auf die jeweilige Position der verwendeten Massen zu jedem Zeitpunkt eindeutig festgelegt sind. Zu diesem Zweck wird jede Masse der Anordnung zumindest entlang einer vordefinierten Kurvenbahn in Abhängigkeit des Drehwinkels der Antriebswelle gezielt geführt, wobei die Form beziehungsweise das Profil der Kurvenbahn je nach Ordnung der zu reduzierenden Massenmomente ausgeführt ist.
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Die Zwangsführung entlang der gewählten Kurvenbahn wird bei der gewählten Ausgleichsmasse dadurch erreicht, dass diese drehfest aber radial bewegbar mit der Antriebswelle verbunden ist, wobei die radiale Bewegung der Masse durch die gewählte Kurvenbahn vorbestimmt ist und sich daraus für jeden Drehwinkel ein vorgegebener radialer Abstand zum Massenmittelpunkt beziehungsweise ein vorbestimmter Radius ergibt. Konstruktiv kann dies dadurch realisiert werden, dass die Masse direkt oder über ein zusätzliches Bauteil in radialer Richtung längenverstellbar mit der Antriebswelle gekoppelt ist.
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Eine mögliche konstruktive Ausgestaltung die eine Zwangsführung jeder Masse entlang der Kurvenbahn ermöglicht, kann dadurch erreicht werden, dass jede Masse über eine Rolle oder ein Rad oder Ähnlichem entlang der Kurvenbahn abrollbar gelagert ist. Beispielsweise kann dazu an der Masse beziehungsweise an einem Verbindungselement der Masse zum Verbinden der Masse mit der Antriebswelle zumindest ein Zahnrad oder dergleichen drehbar gelagert sein, welches z. B. mit einer eine Innenverzahnung oder dergleichen aufweisenden Kurvenbahn gekoppelt ist. Die Masse ist jeweils entweder direkt oder über ein Verbindungs- beziehungsweise Befestigungselement in radialer Richtung bewegbar mit der Antriebswelle verbunden. Es sind auch andere konstruktive Verbindungsmöglichkeiten denkbar, um eine drehfeste Verbindung jedoch radial veränderbare Position der Masse an der Antriebswelle zu realisieren.
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Um beispielsweise eine Reduktion beziehungsweise einen Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten der 2. Ordnung zu ermöglichen, kann vorzugsweise eine etwa ellipsenförmige Kurvenbahn bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein. Zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten der 3. Ordnung kann beispielsweise eine Polygon-Kurvenbahn etwa in Dreiecksform eingesetzt werden. Wenn gleichzeitig verschiedene Ordnungen von Drehungleichförmigkeiten ausgeglichen werden sollen, kann eine Kombination entsprechender Polygonkurven als Kurvenbahn verwendet werden.
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Wenn beispielsweise die Wirkung des Ausgleiches der Drehungleichförmigkeiten über Betriebspunkte eines Antriebsmotors berücksichtig werden soll, kann die Kurvenbahn bei der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechend geändert werden. Dazu kann gemäß einer nächsten Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Kurvenbahn durch steuerbare Änderungen der Geometrie veränderbar ist und somit an die speziellen Gegebenheiten angepasst werden kann. Diese Anpassung kann gemäß einer alternativen Ausgestaltung auch dadurch erreicht werden, dass die Position der Masse durch aktive Verstellung verändert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Position der verwendeten Masse durch einen mitrotierenden Motor, zum Beispiel einem Elektromotor oder dergleichen erfolgt.
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Idealerweise besteht die Einheit aus einer Vielzahl von rotierenden Massen, deren Massenkräfte sich bezüglich der Raumkräfte wieder aufheben. Zur Reduktion der zweiten Ordnung wird eine gerade Anzahl von jeweils gegenüberliegenden Massen benötigt. Die Änderungen des Massenträgheitsmoments ergibt sich aus dem Steinerschen Satz. Je nach Form der Kurvenbahn kann sich sowohl ein harmonischer Sinus-Verlauf der Änderung als auch andere nicht-harmonische Verläufe ergeben, die sich gegebenenfalls jedoch genau an die Charakteristik der Momentenungleichförmigkeit anpassen und diese aufheben.
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Im Rahmen einer weiteren möglichen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jede Masse als Unwucht an einem Planetenrad zumindest eines Planetenradsatzes vorgesehen ist, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Bei dieser möglichen Variante ist ein Planetenradsatz mit mehreren rotierenden Planeten vorgesehen, auf denen jeweils eine zusätzliche Masse außermittig angebracht ist. Diese quasi unwuchtigen Planetenräder rotieren bei Antrieb durch die Antriebswelle und verändern somit die Massenträgheit je nach Position des Massenpunktes. Durch die zwangsgeführten Planetenräder beziehungsweise den daran befestigten Massen ergibt sich wieder über den Drehwinkel der Antriebswelle ein vordefiniertes Trägheitsmoment.
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Vorzugsweise kann bei dieser Ausgestaltung die Antriebswelle mit dem Planetenradträger beziehungsweise dem Steg verbunden sein, wobei das Sonnenrad oder alternativ das Hohlrad gehäusefest angeordnet sind. Je nachdem kann beispielsweise das Hohlrad oder auch das Sonnenrad entfallen. Es ist jedoch auch möglich, dass bei gehäusefestem Sonnenrad das Hohlrad oder bei gehäusefestem Hohlrad das Sonnenrad jeweils als zusätzliche Schwungmasse verwendet wird. Beispielsweise durch schnelleres Drehen des Hohlrades oder des Sonnenrades gegenüber dem Antrieb beziehungsweise der Antriebswelle wird ein Übersetzungseffekt in vorteilhafter Weise bewirkt. Beispielsweise bei einer Standübersetzung von i0 = –2,0 kann der Übersetzungseffekt durch die reduzierte Drehmasse beispielsweise bei Beibehaltung des Hohlrades das 2,25 fache erreichen.
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Zum Ausgleich einer Drehungleichförmigkeit kann je nach Ordnung bei dem Planetenradsatz eine entsprechende Standübersetzung gewählt werden, um eine gewünschte Drehschwingungsentkopplung zu erreichen.
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Die vorgeschlagene Anordnung zum Ausgleichen beziehungsweise Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten bei einer Antriebswelle kann bei beliebigen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise ist der Einsatz an einer Kurbelwelle eines Antriebsmotors beziehungsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges möglich. Durch geeignete Auslegung der Anordnung, wie zum Beispiel Steigerung der Drehmassenänderung über den Drehwinkel, können mit der vorliegenden Erfindung die derzeitige verwendeten Schwingungsreduktionseinrichtungen deutlich entlastet werden und die dadurch auftretenden nachteiligen Masseneffekte bei höheren Drehzahlen durch diese wieder reduziert werden. Die vorgeschlagene Anordnung kann mit jeder existierenden Schwingungsreduktionseinrichtung kombiniert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann somit in ein eigenständiges Zweimassenschwungrad, in eine Trockenkupplung mit Zweimassen-Schwungrad oder in Schwingungsdämpfer oder in einen hydraulischen Drehmomentwandler mit Schwingungsdämpfer eingebaut werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten an einer Antriebswelle mit einer entlang einer Kurvenbahn umlaufenden Masse;
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2 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführung gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsvariante;
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3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung mit unwuchtigen Planetenrädern eines Planetenradsatzes zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten 1. Ordnung;
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4 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführung gemäß der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsvariante zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten der 2. Ordnung;
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5 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführung gemäß der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsvariante zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten der 3. Ordnung; und
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6 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführung gemäß der 3 dargestellten zweiten Ausführungsvariante zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten der 3. Ordnung mit festgehaltenem Hohlrad.
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In den Figuren sind zwei verschiedene Ausführungsvarianten mit entsprechend alternativen Ausgestaltungen einer Anordnung zum Entkoppeln beziehungsweise Ausgleichen oder Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten an einer Antriebswelle 1 dargestellt, wobei als Antriebswelle 1 zum Beispiel eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors oder dergleichen vorgesehen ist.
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Bei der in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante umfasst die vorgeschlagene Anordnung eine bewegte Masse 2 zum Verändern des Trägheitsmoments in Abhängigkeit des Drehwinkels, die drehfest jedoch radial bewegbar mit der Antriebswelle 1 verbunden ist. Dadurch ist die Masse 2 derart zwangsgeführt, dass die Masse 2 über den Drehwinkel jeweils eine vordefinierte Position einnimmt und somit über den Drehwinkel der Antriebswelle ein vordefiniertes Trägheitsmoment einstellbar ist. Dazu ist die Masse 2 über ein längenverstellbares Befestigungselement 3 an der Antriebswelle 1 befestigt. An dem Befestigungselement 3 ist ein Rad 4 drehbar gelagert, welches entlang einer zugeordneten radiusvariablen Kurvenbahn 5 abrollbar ist. Auf diese Weise wird der Abstand der Masse 2 bezogen auf den Drehmittelpunkt der Antriebswelle 1 in Abhängigkeit des Drehwinkels verändert.
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In den 1 und 2 sind beispielhaft zwei Positionen der Masse 2 bei verschiedenen Drehwinkeln dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass sich der Abstand des Massenmittelpunktes der Masse 2 bezogen auf den Drehmittelpunkt der Antriebswelle 1 entlang der Kurvenbahn 5 verändert.
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In 1 ist beispielhaft eine ellipsenförmige Kurvenbahn 5 dargestellt, um dadurch die Drehungleichförmigkeiten 2. Ordnung zu reduzieren. In 2 ist dagegen beispielhaft eine Polygonkurve in Form einer Dreiecksbahn als Kurvenbahn 5 dargestellt, um Drehungleichförmigkeiten der 3. Ordnung zu reduzieren.
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Die Kurvenbahn 5 ist bei der ersten Ausführungsvariante an einem drehfest angeordneten Hohlkörper realisiert, in dem der Innendurchmesser beziehungsweise der Innenumfang als Kurvenbahn 5 ausgeführt ist.
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In den 3 bis 6 sind verschiedene Varianten einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Bei der zweiten Ausführungsvariante besteht die vorgeschlagene Anordnung im Wesentlichen aus einem Planetenradsatz 6 mit mehreren rotierenden Planetenrädern 7, an denen jeweils eine Masse 2 außermittig angebracht ist. Auf diese Weise rotieren an den unwuchtigen Planetenrädern 7 mehrere Massen 2.
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Bei den Ausgestaltungen gemäß der 3 bis 5 ist der Planetenradsatz 6 jeweils zum Antrieb über den Planetenradträger beziehungsweise den Steg 8 mit der Antriebswelle 1 verbunden, wobei das Sonnenrad 9 dabei gehäusefest angeordnet ist. Demgegenüber ist bei der Ausgestaltung gemäß 6 dass Hohlrad 10 gehäusefest angeordnet, wobei der Antrieb wieder über dem Planetenradträger 8 erfolgt. Bei dieser Konstellation wird die Drehrichtung der Planetenräder 7 mit der jeweils zugeordneten Masse 2 bezogen auf die Ausführungen gemäß der 3 bis 5 umgekehrt.
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In 3 ist bei dem Planetenradsatz 6 eine Standübersetzung i0 = –3,0 zur Reduktion von Drehungleichförmigkeiten der 1. Ordnung vorgesehen. Bei dem in 4 dargestellten Planetenradsatz 6 ist eine Standübersetzung i0 = –2,0 zur Reduktion von Drehungleichförmigkeiten der 2. Ordnung vorgesehen. Schließlich ist bei dem in 5 dargestellten Planetenradsatz 6 eine Standübersetzung i0 = –1,667 zur Reduktion von Drehungleichförmigkeiten der 3. Ordnung vorgesehen. Ebenfalls zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten der 3. Ordnung kann bei dem in 6 dargestellten Planetengetriebe 6 mit festgehaltenem Hohlrad 10 eine Standübersetzung i0 = –3,0 vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Masse
- 3
- Befestigungselement
- 4
- Rad
- 5
- Kurvenbahn
- 6
- Planetenradsatz
- 7
- Planetenräder
- 8
- Planetenradträger
- 9
- Sonnenrad
- 10
- Hohlrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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