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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Schwingungstilger.
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Stand der Technik
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Schwingungstilger sind allgemein bekannt und gelangen beispielweise zur Anwendung, um Drehschwingungen am Differenzialeingang eines Kraftfahrzeugs zu tilgen. Die vorbekannten Drehschwingungstilger umfassen eine mit der Kardanwelle drehsteif verbundene Nabe und einen relativ zur Nabe verdrehbaren Schwungring, wobei die Nabe und der Schwungring durch einen Federkörper aus einem elastomeren Werkstoff miteinander verbunden sind.
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Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Tilgerwirkung des Schwingungstilgers von der Temperatur, die den Schwingungstilger umgibt, abhängig ist. Bei Temperaturen zwischen 50°C und 100°C ist in der Regel eine gute Tilgerwirkung gegeben. Bei niedrigen Temperaturen wie zum Beispiel 0°C sind die Gebrauchseigenschaften vorbekannter Schwingungstilger mit Federkörpern aus elastomeren Werkstoffen jedoch wenig zufriedenstellend.
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Die
US 3 495 459 A zeigt einen Tilger, der einen Schwungring aufweist, welcher sich gegenüber einem Gehäuse des Tilgers frei bewegen kann.
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Zwischen Gehäuse und Schwungring sind Elastomerkörper angeordnet, die mit viskoser Flüssigkeit gefüllte Spalte bilden.
DE 689 18 278 T2 ,
DE 93 11 252 U1 ,
DE 23 62 155 A1 ,
DE 27 54 802 A1 und
JP H10-132029 A zeigen Schwingungsdämpfer, welche zur Dämpfung unter anderem eine viksose Flüssigkeit verwenden.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Schwingungstilger der vorbekannten Art derart weiterzuentwickeln, dass dieser in einem breiten Frequenzband gute Gebrauchseigenschaften aufweist, wobei diese guten Gebrauchseigenschaften praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur des Schwingungstilgers erhalten bleiben sollen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schwingungstilger gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Schwingungstilger vorgesehen, umfassend ein Gehäuse, das mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist, wobei innerhalb des Gehäuses ein in Umfangsrichtung relativ verdrehbarer Schwungring angeordnet ist, der mit dem Gehäuse einen Scherspalt veränderlicher Dicke begrenzt. Abhängig von den jeweiligen Temperaturen während des Betriebs des Schwingungstilgers bewegt der Antrieb den Schwungring zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Scherspalts. Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungstilger handelt es sich um einen sogenannten Visko-Tilger.
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In letzter Zeit geht der Trend in der Getriebetechnik immer stärker in Richtung Doppelkupplungsgetriebe mit vielen Gängen, zum Beispiel 7- oder 8-Gang-Getriebe. Aus der hieraus resultierenden hohen Übersetzungsspreizung der Gänge ergibt sich ein breiteres Eigenfrequenzband, das ohne breitbandigere Tilgerwirkung zu unangenehmen Geräuschen während der Fahrt führen würden.
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Die bisher zur Anwendung gelangenden und zuvor im Stand der Technik beschriebenen Elastomer-Tilger bringen zwar eine Verbesserung des Geräuschverhaltens, jedoch insgesamt noch keine zufriedenstellende Reduzierung, insbesondere deshalb, weil die Gebrauchseigenschaften dieser Elastomer-Tilger auch von der Umgebungstemperatur abhängig sind.
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Diese temperaturabhängigen Gebrauchseigenschaften werden durch den erfindungsgemäßen Visco-Tilger vermieden.
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Dies geschieht dadurch, dass der Scherspalt eine temperaturabhängig veränderliche Dicke aufweist, so dass die temperaturbedingte Änderung zum Beispiel der Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit dadurch kompensiert wird.
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Als Dämpfungsflüssigkeit gelangen bevorzugt Silikonöle zur Anwendung, wobei diese Silikonöle eigentlich gute Gebrauchseigenschaften aufweisen, jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen auch deutlich unterschiedliche Viskositäten, was im Hinblick auf praktisch konstante Gebrauchseigenschaften des Schwingungstilgers über einen großen Temperaturbereich nachteilig ist.
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Diese Silikonöle haben ein viskoelastisches Verhalten, das heißt, sie haben neben den dämpfenden auch elastische Eigenschaften. Mit der Scherspaltgeometrie lassen sich das Dämpfungsverhalten mit ölspezifischem Verlustmodul und das Federverhalten mit dem ölspezifischen Speichermodul beschreiben. Beide Größen, Verlust- und Speichermodul, zeigen eine Frequenz- und Temperaturabhängigkeit. Der mit der Frequenz wachsende Speichermodul liefert breitbandige Wirkung, so dass dem breiteren Eigenenfrequenzband bei Fahrzeugen mit hoher Gangzahl begegnet werden kann. Darüber hinaus ist ein deutlicher Funktionszugewinn zu verzeichnen, wenn der Temperatureinfluss kompensiert wird.
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Der Schwungring kann mit einem Antrieb zur Einstellung einer veränderlichen Dicke des Scherspalts verbunden sein. Abhängig von den jeweiligen Temperaturen während des Betriebs des Schwingungstilgers bewegt der Antrieb den Schwungring zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Scherspalts. Bei steigenden Temperaturen wird der Scherspalt verkleinert, bei sinkenden Temperaturen demgegenüber vergrößert. Dadurch sind die Gebrauchseigenschaften des Schwingungstilgers nahezu unabhängig von dessen Umgebungstemperaturen.
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Der Antrieb kann durch zumindest ein thermisches Dehnelement gebildet sein. Thermische Dehnelemente zur Einstellung der Dicke des Scherspalts sind deshalb vorteilhaft, weil der entscheidende Einfluss sowohl für die Viskositätsänderung der Dämpfungsflüssigkeit als auch für den Antrieb jeweils die Temperatur ist.
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Hinsichtlich einer zuverlässigen Funktion während einer langen Gebrauchsdauer kann der Antrieb durch vier gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnete thermische Dehnelemente gebildet sein, die für eine gleichmäßige und verkantungsfreie Bewegung des Schwungrings innerhalb des Gehäuses sorgen, zur Einstellung der veränderlichen Dicke des Scherspalts.
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Jedes thermische Dehnelement kann durch einen stirnseitig einerseits am Gehäuse anliegenden Stift aus einem polymeren Werkstoff gebildet sein, der radial außenseitig und stirnseitig andererseits von einer topfförmigen Kraftübertragungshülse anliegend berührt ist, wobei die Kraftübertragungshülse an ihrem freien Ende einen sich radial nach außen erstreckenden Bund aufweist, der eine Dehnhülse aus polymerem Werkstoff stirnseitig einerseits hintergreift, wobei die Dehnhülse andererseits ein, im Längsschnitt betrachtet, im Wesentlichen Z-förmiges Gestänge anliegend berührt und wobei das Gestänge stirnseitig einerseits in axialer Richtung auf einer elastisch nachgiebigen Feder abgestützt ist und in axialer Richtung andererseits mit dem relativ verdrehbaren Schwungring verbunden ist.
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Der Stift und/oder die Dehnhülse können aus Kunststoff, zum Beispiel Polyethylen bestehen.
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Bei zunehmender Umgebungstemperatur dehnen sich der Stift und die Dehnhülse jeweils aus, wobei sich die Wärmedehnung des Stifts und der Dehnhülse durch die zuvor beschriebene Anordnung der Kraftübertragungshülse addieren.
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Durch die Auswahl der polymeren Werkstoffe lässt sich die Charakteristik des Antriebs zusammen mit dessen Abmessungen an die jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles anpassen.
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Das Gestänge kann in axialer Richtung andererseits mittels eines Axiallagers mit dem Schwungring verbunden sein. Dadurch ist sowohl das relative Verdrehen des Schwungrings zum Gehäuse als auch die axiale Positionierung des Schwungrings im Gehäuse gegeben. Das Axiallager stellt in einem solchen Fall die Verbindung zwischen dem Gestänge und dem Schwungring her.
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Der Schwungring kann mittels zumindest eines Radiallagers relativ verdrehbar im Gehäuse abgestützt sein. Bevorzugt gelangen zumindest zwei mit axialem Abstand benachbart zueinander angeordnete Radiallager zur Anwendung, die den Schwungring im Gehäuse radial führen. Dadurch wird eine gute Positionierung des Schwungrings im Gehäuse ermöglicht, wobei diese gute Zuordnung erforderlich ist, um die Dicke des Scherspalts mit der erforderlichen Genauigkeit einstellen zu können.
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Das Gehäuse kann einen Mantel mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden konischen Innenumfangsfläche aufweisen, die mit dem Schwungring, der eine kongruent gestaltete konische Außenumfangsfläche aufweist, den Scherspalt begrenzt. Die beiden konischen Oberflächen bestimmen hierbei den Scherspalt.
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Zur Funktion wird folgendes ausgeführt:
Bei zunehmender Umgebungstemperatur und auch durch Eigenerwärmung (Dämpfung) steigende Tilgertemperatur dehnen sich der Stift und die Dehnhülse jeweils aus, wobei sich die Wärmedehnung des Stifts und der Dehnhülse durch die Anordnung der Kraftübertragungshülse, wie zuvor beschrieben, addieren. Der Stift wirkt mittels der Kraftübertragungshülse und der Dehnhülse auf das Gestänge, das mit dem Schwungring verbunden ist. Bei zunehmender Temperatur dehnen sich sowohl der Stift als auch die Dehnhülse in axialer Richtung aus und bewegen dadurch das Gestänge und mittels des Gestänges und des Axiallagers den Schwungring in gleichsinniger axialer Richtung, so dass der Scherspalt mit zunehmender Temperatur verkleinert wird.
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Sinkt die Temperatur demgegenüber wieder ab, verkleinern sich der Stift und die Dehnhülse in die axial engegengesetzte Richtung zurück und nehmen den Schwungring mittels des federkraftbeaufschlagten Gestänges und des Axiallagers mittels der Rückstellkraft der Federn in dieselbe Richtung mit. Der Scherspalt wird dadurch vergrößert. Durch die temperaturabhängig veränderliche Dicke des Scherspalts wird den temperaturabhängigen Eigenschaften, insbesondere der temperaturabhängigen Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit Rechnung getragen. Dadurch wird das Ziel erreicht, dass der erfindungsgemäße Schwingungstilger gleichmäßig gute Gebrauchseigenschaften praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur hat.
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Das Gehäuse kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Hierbei ist von Vorteil, dass ein solches Gehäuse einfach und kostengünstig herstellbar ist, weil sich zum Beispiel Bleche durch eine geeignete Umformtechnik einfach und kostengünstig in die entsprechende Form bringen lassen.
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Das Gehäuse kann stirnseitig einen ersten Flansch umfassen.
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Der erste Flansch kann mittels eines Verbindungsteils mit einem zweiten Flansch einer Kardanwelle eines Kraftfahrzeugs verbindbar sein.
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Durch die mehrteilige Ausgestaltung von Gehäuse, erstem Flansch und Verbindungsteil kann der Schwingungstilger besonders gut an die jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalls angepasst werden. So können beispielsweise unterschiedliche Gehäuse an unterschiedlichen ersten Flanschen befestigt werden und die Einheit, bestehend aus Gehäuse und erstem Flansch, kann mit unterschiedlichen Verbindungsteilen mit den zweiten Flanschen einer Kardanwelle verbunden werden.
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Das Gehäuse, der erste Flansch und das Verbindungsteil können eine vormontierbare Einheit bilden. Dadurch ist die Montage vor Ort vereinfacht und die Gefahr von Montagefehlern ist auf ein Minimum reduziert.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers wird nachfolgend an Hand der 1 bis 6 näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 einen Längshalbschnitt durch den Schwingungstilger gemäß 3 im Bereich der thermischen Dehnelemente,
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2 einen Längshalbschnitt durch den Schwingungstilger gemäß 3 im Bereich, in Umfangsrichtung gesehen, zwischen den thermischen Dehnelementen
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3 eine geschnittene perspektivische Darstellung des Schwingungstilgers mit Temperatursteuerung,
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4 eine perspektivische Ansicht des Schwingungstilgers aus 3,
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5 eine perspektivische Ansicht des Schwingungstilgers aus 3 von der gegenüberliegenden Seite,
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6 fünf unterschiedliche Diagramme, in denen das Schwingungsverhalten eines schwingenden Systems ohne Tilger, mit Elastomer-Tilger, mit einem Visko-Tilger ohne Temperatursteuerung und mit dem erfindungsgemäßen Visko-Tilger bei den Temperaturen 0°C, 25°C, 50°C, 75°C und 100°C dargstellt ist.
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Ausführung der Erfindung
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schwingungstilgers in längshalbgeschnittener Darstellung gezeigt. Der Schwingungtilger ist als Visko-Tilger ausgebildet und umfasst ein aus einem metallischen Werkstoff bestehendes Gehäuse 1, das mit einer Dämpfungsflüssikeit 2 gefüllt ist. Unter Fliehkraft stellt sich der Füllstand 29 ein. Beider Dämpfungsflüssigkeit 2 handelt es sich um ein Silikonöl.
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Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein in Umfangsrichtung 3 relativ verdrehbarer Schwungring 4 angeordnet, der durch das Axiallager 16 und die beiden Radiallager 17 geführt ist. Das Gehäuse 1 hat einen Mantel 19, der eine sich in axialer Richtung erstreckende konische Innenumfangsfläche 20 aufweist, die mit dem außenumfangsseitig kongruent gestalteten, eine konische Außenumfangsfläche 21 aufweisenden Schwungring 4 den Scherspalt 5 begrenzt.
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Der Scherspalt 5 ist in seiner Dicke 6, abhängig von der Temperatur, die den Schwingungstilger umgibt, veränderlich, derart, dass sich der Scherspalt 5 mit zunehmender Umgebungstemperatur des Schwingungstilgers verkleinert und mit sinkender Umgebungstemperatur vergrößert. Dadurch wird den temperaturabhängigen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Viskosität des Silikonöls, Rechnung getragen. Die Gebrauchseigenschaften des Schwingungstilgers sind dadurch nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur.
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Der Antrieb 7 des Schwungrings 4 zur Einstellung der Dicke 6 des Scherspalts 5 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch vier gleichmäßig in Umfangsrichtung 3 verteilt angeordnete thermische Dehnelemente 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 gebildet, die aus Polyethylen bestehen. Die thermischen Dehnelemente 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 und deren Anordnung ist in den 3 und 4 dargestellt.
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Jedes thermische Dehnelement 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 ist durch einen am Gehäuse 1 anliegenden Stift 9 gebildet, der außenumfangsseitig von der Kraftübertragungshülse 10 umschlossen ist. Die Kraftübertragungshülse 10 ist an ihrem freien Ende 11 mit einem sich radial nach außen erstreckenden Bund 12 versehen, der eine Dehnhülse 13 anliegend berührt. Die Dehnhülse 13 besteht, wie auch der Stift 9, aus Polyethylen.
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Die Kraftübertragungshülse 10 bildet eine Verbindung, so dass sich die Wärmedehnungen des Stifts 9 und der Dehnhülse 13 addieren.
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Die Dehnhülse 13 drückt in axialer Richtung einerseits auf das Z-förmige Gestänge 14, das stirnseitig einerseits in axialer Richtung elastisch nachgiebig auf der Feder 15 abgestützt ist. Die Feder 15 ist andererseits im Gehäuse 1 abgestützt und bewirkt, dass der Schwungring 4 bei sinkender Umgebungstemperatur wieder derart zurückbewegt wird, dass sich der Scherspalt 5 vergrößert.
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Der Schwingungstilger ist zur Tilgung von Kardanwellenschwingungen eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei die Kardanwelle zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe mit z. B. mehr als sechs Gängen zur Anwendung gelangt. Durch die hohe Anzahl der Gänge und die hieraus resultierende hohe Übersetzungsspreizung ergibt sich ein breites Eigenenfrequenzband. In diesem breiten Frequenzband werden Schwingungen angeregt, die getilgt werden müssen, um die Entstehung unerwünschter Geräusche zu verhindern. Das geschieht durch den erfindungsgemäßen Visko-Tilger. Die Wirkung ist über ein breites Frequenzband gleichbleibend gut, nahezu unabhängig von den Temperaturen.
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Zur Funktion wird Folgendes ausgeführt:
Bei zunehmender Umgebungstemperatur um den Schwingungstilger und durch Eigenerwärmung dehnen sich der Stift 9 und die Dehnhülse 13 jeweils aus, wobei sich die Wärmedehnung des Stifts 9 und der Dehnhülse 13 durch die Anordnung der Kraftübertragungshülse 10, wie zuvor beschrieben, addieren.
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Der Stift 9 wirkt mittels der Kraftübertragungshülse 10 und der Dehnhülse 13 auf das Gestänge 14, das über das Axiallager 16 mit dem Schwungring 5 verbunden ist. Bei zunehmender Temperatur dehnen sich sowohl der Stift 9 als auch die Dehnhülse 13 in axialer Richtung aus und bewegen dadurch das Gestänge 14 und mittels des Gestänges 14 den Schwungring 4 in gleichsinniger axialer Richtung, so dass sich der Scherspalt 5 mit zunehmender Temperatur verkleinert.
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Sinkt die Temperatur demgegenüber wieder ab, verkürzen sich der Stift 9 und die Dehnhülse 13 in die axial entgegengesetzte Richtung zurück und nehmen den Schwungring 4 mittels des federkraftbeaufschlagten Gestänges 14 und mittels des Axiallagers 16 in dieselbe Richtung mit. Der Scherspalt 5 wird dadurch vergrößert. Durch die temperaturabhängig veränderliche Dicke 6 des Scherspalts 5 wird der temperaturabhängigen Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit 2 Rechnung getragen. Dadurch wird das Ziel erreicht, dass der erfindungsgemäße Schwingungstilger gleichmäßig gute Gebrauchseigenschaften praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur hat.
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Der erste Flansch 22 ist mit dem Gehäuse 1 verbunden und mit dem Verbindungsteil 26 an dem zweiten Flansch 23 mit der Verbindung 27 mittels der nicht dargestellten Verschraubung 28 befestigt, wobei der zweite Flansch 23 mit dem Kardanwellenrohr 24 verbunden ist. Die vormontierbare Einheit 25 wird durch das Gehäuse 1, den ersten Flansch 22 und das Verbindungsteil 26 gebildet.
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In 2 ist ein Längshalbschnitt durch den Schwingungstilger gemäß 3 gezeigt. Dieser Schnitt ist, in Umfangsrichtung 3 des Schwingungstilgers betrachtet, zwischen zwei thermischen Dehnelementen 8 geführt.
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In 3 ist der Längsteilschnitt aus den 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Schwingungstilgers ist hier ein Teil des Kardanwellenrohrs 24 dargestellt.
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In 4 ist der Schwingungstilger aus 3 in einer perspektivischen nicht-teilgeschnittenen Ansicht dargestellt.
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In 5 ist der Schwingungstilger aus 3 in einer perspektivischen Ansicht von der gegenüberliegenden Seite gezeigt.
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In 6 sind fünf unterschiedliche Diagramme dargestellt, die das Schwingungsverhalten einer Kardanwelle ohne Tilger, mit einem Elastomer-Tilger gemäß Stand der Technik, einem Visko-Tilger ohne Temperatursteuerung und einem erfindungsgemäßen Visko-Tilger mit Temperatursteuerung zeigen. Die Arbeitstemperaturen betragen 0°C, 25°C, 50°C, 75°C und 100°C, jeweils bei derselben Systemeigenfrequenz des schwingenden Systems.
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Bei 50°C Arbeitstemperatur des Schwingungstilgers zeigt sich, dass die Kardanwellenschwingungen ohne Tilger zu großen Amplituden führen, die durch die Verwendung eines Elastomer-Tilgers bereits deutlich reduziert werden können. Noch weiter reduzieren lassen sich die Schwingungen und damit auch resultierende Geräusche, wenn der erfindungsgemäße Visko-Tilger zur Anwendung gelangt.
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Beträgt die Arbeitstemperatur 0°C, wie hier ganz links oben dargestellt, verhält sich das System mit Elastomer-Tilger deutlich schlechter, als das System mit dem erfindungsgemäßen Tilger. Das System mit temperaturgesteuertem Visko-Tilger hat nahezu die gleichen guten Gebrauchseigenschaften wie bei 50°C. Beträgt die Arbeitstemperatur demgegenüber 100°C, verhält sich das System ähnlich, wie bei 50°C. Die schlechtesten Ergebnisse hinsichtlich unerwünschter Geräusche liefert das System ohne Tilger. Mit einem Elastomer-Tilger sind die Geräusche bereits reduziert. Eine noch weitere Reduzierung lässt sich dadurch erreichen, dass statt des Elastomer-Tilgers ein erfindungsgemäßer Visko-Tilger zur Anwendung gelangt. Der temperaturgesteuerte Visko-Tilger hat auch bei 100°C nahezu die gleichen Gebrauchseigenschaften wie bei 50°C.
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Die vorteilhaften Gebrauchseigenschaften gelten nicht nur für die hier dargestellte Systemeigenfrequenz. Auch davon abweichende leicht erhöhte oder erniedrigte Systemeigenfrequenzen zeigen bei den genannten unterschiedlichen Temperaturen ähnliche Ergebnisse.
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Dies erklärt sich durch den mit wachsender Frequenz ansteigenden Speichermodul von Silikonölen. Höherer Speichermodul bedeutet bei gleicher Spaltgeometrie höhere Drehfederrate und damit höhere Tilgereigenfrequenz.
