DE102011009484A1

DE102011009484A1 - Zentrifugalpendel-Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102011009484A1
Application number: DE201110009484
Authority: DE
Inventors: Shushan Mich. Bai; Paul G. Mich. Otanez; Vijay A. Mich. Neelakantan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2011-08-04
Also published as: CN102141113B; US20110186395A1; US8931607B2; CN102141113A

Abstract

Ein Zentrifugalpendel-Schwingungsdämpfer (CPVA) zum Dämpfen einer Torsionsschwingung, die durch den Betrieb eines Motors erzeugt wird, umfasst mehrere Pendel, die bezüglich einer drehbaren Welle bewegbar sind. Die Pendel sind mit der drehbaren Welle durch mehrere Stifte verbunden, die sich durch Öffnungen in dem Pendel erstrecken. Die Pendel bewegen sich jeweils entlang eines Pfades, der durch verschiedene Parameter und Eigenschaften eines Endantriebs oder Antriebsstrangs definiert ist. Der Pfad wird implementiert, indem ein aktiver Abschnitt der Öffnungen profiliert wird, der mit den Stiften in Eingriff steht.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/299,757, die am 29. Januar 2010 eingereicht wurde und die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Dämpfen einer Torsionsschwingung, die durch den Betrieb eines Motors erzeugt wird, und insbesondere ein System, das einen Hochleistungs-Zentrifugalpendel-Schwingungsdämpfer umfasst, der ausgebildet ist, um Torsionsschwingungen zu dämpfen, die während des Motorbetriebs erzeugt werden.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern nur auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation und können, müssen jedoch nicht, Stand der Technik bilden.
Zentrifugalpendel-Schwingungsdämpfer (CPVAs) werden typischerweise verwendet, um Torsionsschwingungen in rotierenden Maschinenkomponenten zu verringern. Ein rotierendes Element, wie z. B. eine Welle, umfasst beispielsweise mehrere CPVAs, wobei jeder CPVA eine Pendelmasse aufweist, die oszilliert, wenn die Welle in Betrieb ist. Die Bewegung der Pendelmassen wirkt Drehmomentschwankungen entgegen, die erzeugt werden, wenn die Welle in Betrieb ist, was die Torsionsschwingung der Welle verringert. CPVAs können derart ausgestaltet sein, dass die Oszillationsfrequenz der Pendelmasse mit der Motorverbrennungsfrequenz bei einer beliebigen Motorbetriebsdrehzahl übereinstimmt. Der Pfad des Schwerpunkts des Pendels weist eine signifikante Auswirkung auf die Leistung eines CPVA auf. Existierende Pfade sind typischerweise kreisförmig oder zykloid.
Obwohl gegenwärtige CPVAs ihren beabsichtigten Zweck erfüllen, besteht in der Technik Bedarf, einen CPVA mit einem Pfad der Pendelmasse zu schaffen, der während schneller Änderungen der Motordrehzahl stabil ist und der eine maximale Schwingungsverringerung liefert.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Zentrifugalpendel-Schwingungsdämpfer (CPVA) zum Dämpfen einer Schwingung, die durch den Betrieb eines Motors erzeugt wird, umfasst mehrere Pendel, die bezüglich einer drehbaren Welle bewegbar sind. Die Pendel sind mit der drehbaren Welle durch mehrere Stifte verbunden, die sich durch Öffnungen in dem Pendel erstrecken. Die Pendel bewegen sich jeweils entlang eines Pfades, der durch verschiedene Parameter und Eigenschaften eines Endantriebs oder Antriebsstrangs definiert ist. Der Pfad wird implementiert, indem ein aktiver Abschnitt der Öffnungen profiliert wird, der mit den Stiften in Eingriff steht.
Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die speziellen Beispiele nur zu Darstellungszwecken gedacht sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Darstellungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften CPVA gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Ansicht einer Pendelmasse, die in dem in 1 gezeigten CPVA verwendet wird;
3 ist ein Koordinatensystem, das den Pfad der Pendelmasse gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 ist eine schematische Ansicht eines anderen beispielhaften CPVA gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die nachfolgende Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen nicht einschränken. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Zentrifugalpendel-Schwingungsdämpfer (CPVA) allgemein durch das Bezugszeichen 10 angegeben. Der CPVA 10 weist eine rotierende Motorwelle oder Scheibe 12 und mehrere Pendelmassen 14 auf, die mit der ersten Scheibe 12 bewegbar verbunden sind. Die Scheibe 12 wird durch einen Motor (nicht gezeigt) oder eine andere Drehmoment erzeugende Maschine angetrieben, um ein Antriebsdrehmoment zu der Scheibe 12 zu liefern. Dementsprechend ist die Scheibe 12 um eine Achse ”A” drehbar, die mit der Scheibe 12 konzentrisch ist. Die Scheibe 12 ist eine beliebige Scheibe, die an einer Ausgangswelle eines Motors angebracht ist, wie beispielsweise ein Schwungrad oder eine Biegeplatte. Die Scheibe 12 ist betreibbar, um ein Drehmoment von dem Motor zu einer anderen Komponente in dem Kraftfahrzeug zu übertragen, wie beispielsweise zu einer Achswelle oder einer Getriebekomponente. Die Scheibe 12 kann beispielsweise mit einer anderen drehbaren Scheibe oder einem anderen drehbaren Element (nicht gezeigt) verbunden sein, die bzw. das vorzugsweise ein Teil einer Drehmoment übertragenden Einrichtung ist, wie beispielsweise eines Drehmomentwandlers eines Automatikgetriebes oder einer Kupplung eines Handschaltgetriebes. Es versteht sich jedoch, dass die Scheibe 12 mit verschiedenen anderen Komponenten in einem Endantrieb eines Antriebsstrangs verbunden sein kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Pendelmassen 14 sind jeweils mit der ersten Scheibe 12 bewegbar verbunden, wobei jede der Pendelmassen 14 zwei Öffnungen 16A und 16B aufweist, die innerhalb der Pendelmassen 14 angeordnet sind. Entsprechende Stifte 18, die mit der Scheibe 12 verbunden sind, sind für jede Öffnung 16 vorgesehen, wobei jede Öffnung 16 einen der Stifte 18 durch diese hindurch aufnimmt. Jeder der Stifte 18 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius von ”r” auf. Die Öffnungen 16A und 16B sind durch eine Innenfläche 20 der Pendelmasse 14 definiert, die eine erste Fläche oder einen aktiven Abschnitt 22 und eine zweite Fläche oder einen passiven Abschnitt 24 umfasst. Der aktive Abschnitt 22 definiert den Pfad der Pendelmasse 16, wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird. Der passive Abschnitt 24 weist vorzugsweise eine gerade Kontur auf, obwohl andere Konturen verwendet werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jede von den mehreren Pendelmassen 14 ist umlaufend in einem im Wesentlichen symmetrischen Muster um die Drehachse ”A” der Scheibe 12 angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden vier Pendelmassen 14 von dem CPVA 10 umfasst, Fachleute werden jedoch einsehen, dass eine beliebige Anzahl von Pendelmassen 14 verwendet werden kann.
Wenn sich die Scheibe 12 in Ruhe befindet, bleiben die Pendelmassen 14 jeweils im Allgemeinen stationär und bewegen sich im Wesentlichen nicht. Jede Pendelmasse 14 oszilliert oder bewegt sich jedoch um die entsprechenden Stifte 18, wenn sich die Scheibe 12 um die Achse ”A” dreht. Wenn sich die Pendelmasse 14 um die entsprechenden Stifte 18 bewegt, gleitet beispielsweise ein Abschnitt einer Außenfläche 26 der Stifte 18 entlang des aktiven Abschnitts 22 jeder Öffnung 16A und 16B. Dementsprechend bewegt sich jede Pendelmasse 14 über einen speziellen Pfad, der durch die Kontur des aktiven Abschnitts 22 bestimmt ist, der die Bewegung der Pendelmasse 14 um die entsprechenden Stifte 18 steuert. Die Bewegung der Pendelmassen 14 entlang der Pfade wirkt zumindest einem Teil der Drehmomentfluktuationen entgegen, die erzeugt werden, wenn der Motor in Betrieb ist, was dadurch die Torsionsschwingung verringert.
Zu 2 übergehend, werden die Pendelmassen 14 unter Bezugnahme auf eine der Pendelmassen 14 in größerem Detail beschrieben, wobei es sich versteht, dass jede der Pendelmassen 14 bei der vorliegenden Ausführungsform identisch ist. Die Pendelmasse 14 weist einen Schwerpunkt ”m” auf. Jede der Öffnungen 16A und 16B ist äquidistant und symmetrisch bezüglich des Schwerpunkts ”m” angeordnet. Zusätzlich ist jede der Öffnungen 16A und 16B identisch geformt.
Zu 3 übergehend, ist ein Koordinatensystem darstellt, das verwendet wird, um den Pfad des Schwerpunkts ”m” des Pendels 14 während einer Drehung der Scheibe 12 zu definieren. ”A” ist die Drehachse, die das Zentrum der Drehbewegung der Scheibe 12 darstellt. Ein kartesisches Koordinatensystem (x, y) dreht sich mit der Scheibe 12. Der Ursprung des kartesischen Koordinatensystems ist ”o”. Der Abstand von der Drehachse ”A” bis ”o” ist durch ein konstantes ”R” definiert. Die x-Achse des kartesischen Koordinatensystems liegt auf der verlängerten geraden Linie, welche die Punkte ”A” und ”o” verbindet. ”m” ist der Schwerpunkt der Pendelmasse 14, wie vorstehend beschrieben wurde. ”l” ist die Länge der geraden Linie von dem Punkt ”o” bis zu dem Schwerpunkt ”m”. ϕ ist der Winkel zwischen der x-Achse und der Linie ”l”. Dementsprechend ist ϕ die Winkelauslenkung der Pendelmasse 14. θ ist die Winkelauslenkung der Scheibe 12. Der Schwerpunkt ”m” der Pendelmasse 14 bewegt sich entlang eines Pfades ”P”.
Der Pfad ”P” kann unter Verwendung des kartesischen Koordinatensystems mit den folgenden Gleichungen (1) und (2) definiert werden: x = b(1 + k₁φ² + k₂φ⁴)cos(φ) (1) y = b(1 + k₁φ² + k₂φ⁴)sin(φ) (2)
Alternativ kann der Pfad ”P” unter Verwendung des Abstands ”l” von dem Ursprung ”o” des kartesischen Koordinatensystems unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) definiert werden: l = b(1 + k₁φ² + k₂φ⁴) (3)
In den Gleichungen (1), (2) und (3) wird die Variable ”b” verwendet, um den CPVA 10 abzustimmen. Die Variable ”b” wird unter Verwendung der folgenden Gleichung (4) berechnet: R / b = λn² (4)
In Gleichung (4) ist ”n” die Ordnung der Motordrehmomentoszillation, die eine ganze Zahl ist, die als die Anzahl der Motordrehmomentoszillationen für jede Motorumdrehung definiert ist. Die Variable ”R” ist, wie vorstehend angemerkt wurde, der Abstand zwischen der Drehachse ”A” der Scheibe 12 und dem Ursprung des kartesischen Koordinatensystems ”o”. Die Variable λ weist einen Wert auf, der vorzugsweise zwischen 1 und ungefähr 1,3 liegt. Der tatsächliche Wert von λ hängt von Dynamikeigenschaften des Endantriebs des Kraftfahrzeugs ab. λ wird vorzugsweise durch eine Dynamikanalyse unter Verwendung von Simulationsmodellen an dem speziellen Endantrieb ermittelt, in dem der CPVA 10 eingebaut ist.
In den Gleichungen (1), (2) und (3) basieren die Variablen ”k₁” und ”k₂” gemäß der nachstehenden Tabelle 1 auf der Ordnung ”n” der Motordrehmomentoszillation:

Motorordnung (n) Wert von k₁ Wert von k₂

2 0,025 –0,1

3 0,026 –0,14

4 0,028 –0,16

Tabelle 1
Zu 2 zurückkehrend, ist die Kontur des aktiven Abschnitts 22 zum Implementieren des Pfades ”P” der Pendelmasse 14 für jede der Öffnungen 16A und 16B unter Verwendung entweder der kartesischen Koordinaten x und y oder durch einen Winkel ϕ und einen Abstand l von einem Ursprungspunkt ”o” des kartesischen Koordinatensystems definiert. Der aktive Abschnitt 22 kann unter Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems mit einem Ursprung ”o” bei einem Abstand ”R” von dem Drehzentrum der Scheibe 12 mit den nachfolgenden Gleichungen (5) und (6) definiert werden, und die y-Achse des kartesischen Koordinatensystems liegt auf der verlängerten geraden Linie, die den Mittelpunkt 28 und ”o” verbindet.
In den Gleichungen (5) und (6) ist die Variable ”r” der Radius der Stifte 18, wie vorstehend angemerkt wurde. Alternativ kann der aktive Abschnitt 22 unter Verwendung des Abstands ”l” von dem Ursprung ”o” des kartesischen Koordinatensystems unter Verwendung der folgenden Gleichung (7) definiert werden: l = r + b(1 + k₁φ² + k₂φ⁴) (7)
Die Stifte 18 sind derart an der Scheibe 12 angeordnet, dass dann, wenn sich die Stifte 18 bei einem Mittelpunkt 28 entlang der Kontur des aktiven Abschnitts 22 befinden, der Abstand von dem Schwerpunkt ”m” jeder der Pendelmassen 14 zu der Drehachse ”A” oder dem Zentrum der Scheibe 12 gleich R + b ist.
Zu 4 übergehend, ist ein alternativer CPVA allgemein durch 10' angegeben, der den Pfad ”P” des Schwerpunkts ”m” der Pendelmassen 14 implementiert. Der CPVA 10' ist dem CPVA 10 ähnlich, und daher werden gleiche Komponenten durch gleiche Bezugszeichen angegeben. Die Scheibe 12 weist jedoch zwei Öffnungen 30A und 30B auf, und die Stifte 18 sind durch Rollen 32 ersetzt. Die Rollen 32 sind mit der Scheibe 12 nicht fest verbunden. Die Öffnungen 30A und 30B befinden sich in teilweiser axialer Ausrichtung mit den Öffnungen 16A und 16B und weisen identische Konturen ihrer aktiven Abschnitte 22 auf, obwohl die Öffnungen 30A und 30B Spiegelbilder der Öffnungen 16A und 16B sind. Die Rollen 32 weisen einen kreisförmigen Querschnitt und einen Radius ”r” auf. Die Rollen 32 laufen in den aktiven Abschnitten 22 sowohl der Öffnungen 16A und 30A als auch 16B und 30B. Die aktiven Abschnitte 22 sind auf dieselbe Weise wie diejenigen gebildet, die in dem vorstehend beschriebenen CPVA 10 verwendet werden, und sie sind durch die folgenden Gleichungen (8) und (9) definiert:
Die aktiven Abschnitte 22 der Öffnungen 30A und 30B sind derart an der Scheibe 12 angeordnet, dass dann, wenn die Rollen 32 mit den Zentren 28 sowohl der Öffnungen 16A und 30A als auch 16B und 30B in Kontakt stehen, der Abstand von dem Schwerpunkt ”m” der Pendelmasse 14 bis zu der Drehachse ”A” oder dem Zentrum der Scheibe 12 gleich R + b ist.
Der vorstehend beschriebene Pfad ”P” liefert eine verbesserte Schwingungsverringerung gegenüber kreisförmigen oder zykloiden Pfaden. Zusätzlich ermöglicht der Pfad ”P” ein schnelles und stabiles Übergangsansprechen während schneller Änderungen der Motordrehzahl.
Die Beschreibung der Erfindung ist nur beispielhafter Natur, und es ist beabsichtigt, dass Abwandlungen, die nicht von dem Kern der Erfindung abweichen, innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen sollen. Solche Abwandlungen sollen nicht als ein Abweichen von dem Geist und dem Umfang der Erfindung angesehen werden.

Claims

Vorrichtung, die zwischen einem Motor, der während einer Motordrehung Drehmomentoszillationen erzeugt, und einem Getriebe angeordnet ist, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Scheibe, die eine Drehachse aufweist und mit dem Motor verbunden ist sowie mit dem Getriebe verbunden ist; zumindest ein zylindrisches Element, das mit der Scheibe verbunden ist; und zumindest ein Massenelement mit einem Schwerpunkt und einer Öffnung, wobei das zylindrische Element durch die Öffnung hindurch angeordnet ist, um das Massenelement an der Scheibe zu tragen, wobei die Öffnung durch eine Innenfläche mit einem aktiven Abschnitt definiert ist, wobei der aktive Abschnitt einen Bewegungspfad des Massenelements um die Drehachse definiert, wenn sich die Scheibe dreht, und wobei der aktive Abschnitt eine in einem kartesischen Koordinatensystem definierte Kontur aufweist, die eine Funktion einer Abstimmungsvariablen, einer ersten und einer zweiten Variablen, die auf einer Drehmomentoszillationsordnung des Motors basieren, einer Winkelauslenkung des Massenelements und eines Radius des zylindrischen Elements ist, wobei das zylindrische Element derart an der Scheibe angeordnet ist, dass dann, wenn sich das zylindrische Element in dem Zentrum des aktiven Abschnitts befindet, der Abstand von dem Schwerpunkt des Massenelements bis zu der Drehachse gleich dem Radius des zylindrischen Elements plus einem Abstand von der Drehachse bis zu einem Ursprung des kartesischen Koordinatensystems ist, und wobei dann, wenn sich die Scheibe dreht, das Massenelement einen Teil der Drehmomentoszillationen von dem Motor durch die Scheibe zu dem Getriebe dämpft, wenn sich das Massenelement entlang des Bewegungspfades bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstimmungsvariable eine Funktion des Abstands von dem Schwerpunkt des Massenelements bis zu der Drehachse, wenn sich das zylindrische Element in dem Zentrum des aktiven Abschnitts befindet, einer ganzen Zahl, die als die Anzahl der Motordrehmomentoszillationen für jede Motorumdrehung definiert ist, und einer dynamischen Variablen ist, die von den dynamischen Eigenschaften des Motors und des Getriebes abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die dynamische Variable vorzugsweise zwischen ungefähr 1,0 und ungefähr 1,3 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Variable einen Wert von ungefähr 0,025 bzw. –0,1, wenn die Drehmomentoszillationsordnung 2 beträgt, einen Wert von ungefähr 0,026 bzw. –0,14, wenn die Drehmomentoszillationsordnung 3 beträgt, und einen Wert von ungefähr 0,028 bzw. –0,16 aufweisen, wenn die Drehmomentoszillationsordnung 4 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Winkelauslenkung des Massenelements die Winkelauslenkung des Massenelements um die Drehachse während einer vollständigen Umdrehung der Scheibe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner zwei zylindrische Elemente aufweist, und wobei das Massenelement zwei Öffnungen aufweist, wobei jede Öffnung eines der zwei zylindrischen Elemente aufweist, das durch diese hindurch angeordnet ist, und wobei jedes zylindrische Element identisch ist und jede Öffnung identisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner vier Sätze von zwei zylindrischen Elementen und vier Massenelemente mit jeweils zwei Öffnungen umfasst, wobei jedes Massenelement einem Satz von zwei zylindrischen Elementen zugeordnet ist und wobei die vier Sätze von zylindrischen Elementen symmetrisch um die Scheibe positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scheibe eine Scheibenöffnung aufweist, wobei die Scheibenöffnung durch eine Innenfläche mit einem passiven Abschnitt und einem aktiven Abschnitt definiert ist, wobei die aktiven Abschnitte der Massenelementöffnung und die Scheibenöffnung einen Bewegungspfad des Massenelements um die Drehachse definieren, wenn sich die Scheibe dreht, und wobei die aktiven Abschnitte der Scheibenöffnung und die Massenelementöffnung eine in einem kartesischen Koordinatensystem definierte Kontur aufweisen, die eine Funktion einer Abstimmungsvariablen, einer ersten und einer zweiten Variablen, die auf einer Drehmomentoszillationsordnung des Motors basieren, einer Winkelauslenkung des Massenelements und eines Radius des zylindrischen Elements ist, und wobei das zylindrische Element derart an der Scheibe angeordnet ist, dass dann, wenn sich das zylindrische Element in dem Zentrum der aktiven Abschnitte der Scheibenöffnung und der Massenelementöffnung befindet, der Abstand von dem Schwerpunkt des Massenelements bis zu der Drehachse gleich dem Radius des zylindrischen Elements plus einem Abstand von der Drehachse bis zu einem Ursprung des kartesischen Koordinatensystems ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die aktiven Abschnitte der Massenelementöffnung und der Scheibenöffnung jeweils durch die folgenden Gleichungen definiert sind:
wobei x und y Koordinaten in dem kartesischen Koordinatensystem sind, welche die aktiven Abschnitte bei einer gegebenen Winkelauslenkung definieren, b die Abstimmungsvariable ist, K1 und K2 die erste und die zweite Variable sind, die jeweils auf einer Drehmomentoszillationsordnung des Motors basieren, und ϕ die Winkelauslenkung des Schwerpunkts um die Drehachse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Abstimmungsvariable eine Funktion des Abstands von dem Schwerpunkt des Massenelements bis zu der Drehachse, wenn sich das zylindrische Element in dem Zentrum der aktiven Abschnitte der Scheibe und des Massenelements befindet, einer ganzen Zahl, die als die Anzahl von Motordrehmomentoszillationen für jede Motorumdrehung definiert ist, und einer dynamischen Variablen ist, die von dynamischen Eigenschaften des Motors und des Getriebes abhängt, wobei die dynamische Variable vorzugsweise zwischen ungefähr 1,0 und ungefähr 1,3 liegt und wobei die erste und die zweite Variable einen Wert von ungefähr 0,025 bzw. –0,1, wenn die Drehmomentoszillationsordnung 2 beträgt, einen Wert von ungefähr 0,026 bzw. –0,14, wenn die Drehmomentoszillationsordnung 3 beträgt, und einen Wert von ungefähr 0,028 bzw. –0,16 aufweisen, wenn die Drehmomentoszillationsordnung 4 beträgt.