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Die Erfindung betrifft ein im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges angeordnetes Zweimassenschwungrad gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zweimassenschwungräder (ZMS) als Drehschwingungsdämpfer im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen sind vielfach bekannt. Die Auslegung der die Torsionskennlinie bestimmenden Federeinheit (zumeist ringförmig angeordnete Schraubendruckfedern) des ZMS ist derart, dass deren Resonanzfrequenz außerhalb des regulären Motorbetriebs von Leerlaufdrehzahl bis Volllastdrehzahl liegt, um eine stets wirksame Drehschwingungstilgung sicherzustellen. Die Resonanzfrequenz kann zum Beispiel bei einer Motordrehzahl deutlich unterhalb der Leerlaufdrehzahl liegen, so dass dieser Zustand nur kurzfristig beim Starten des Motors oder bei dessen Stillsetzen durchlaufen wird.
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Die Torsionskennlinien von Zweimassenschwungrädern werden heute üblicherweise so ausgelegt, dass das wechselnde Drehmoment des Motors von Leerlaufdrehzahl bis zur maximalen Drehzahl und vom maximalen Schubmoment bis zum maximalen Zugmoment drehweich übertragen wird. Diese Auslegung führt zu der bekannten Resonanzfrequenz des Zweimassenschwingers. Die Resonanzfrequenz darf vom Verbrennungsmotor nicht angeregt werden, da die dabei entstehenden Schwingungsamplituden und Momente die Bauteile gefährden und zu gravierenden Komfort-Beeinträchtigungen führen. Will man bei einem ZMS, das für den 4-Zylinderbetrieb ausgelegt ist, zwei Zylinder abschalten, um den Teillastbetrieb des 4-Zylinder-Motors mit schlechtem Wirkungsgrad zu umgehen, dann wird die oben beschriebene Resonanzfrequenz bei der doppelten Drehzahl getroffen, weil sich die Erregerfrequenz halbiert.
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Heute übliche ZMS für 4-Zylinder-Motoren können eine Resonanzfrequenz im Bereich von 12 Hz haben, so dass diese bei ca. 350 U/min. Motordrehzahl getroffen wird. Dieser Wert steigt dann im 2-Zylinder-Betrieb auf 700 U/min. Da es sich um ein gedämpftes Schwingungssystem handelt, ist die Überhöhung der Amplitude im Bereich der Resonanz gegenüber der anregenden Amplitude des Motors bis 1400 U/min. so hoch, dass zumindest Komforteinbußen hinsichtlich Dröhnen und Brummen der Karosserie entstehen. Daher ist ein Betrieb mit nur 2-Zylindern erst oberhalb dieser Drehzahl zulässig. Das CO2-Einsparpotential ist daher deutlich eingeschränkt.
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Durch die gattungsbildende
DE 10 2007 044 474 A1 ist ein ZMS bekannt, bei dem mittels einer elektrisch oder hydraulisch betriebenen Stelleinrichtung die Federeinheit bzw. zumindest eine Feder der Federeinheit zum Verändern der Resonanzfrequenz des ZMS beaufschlagbar bzw. in ihrer Vorspannung verstellbar ist. Insbesondere soll dadurch die Schwingungsdämpfung beim Starten des Motors und bei dessen Hochlaufen verbessert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Torsionsdämpferkennlinie eines im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges angeordneten ZMS mit baulich einfachen Mittel so auszubilden, dass die Anregung seiner Resonanzfrequenz nicht mehr an jedem beliebigen Momentenpunkt so stattfinden kann, dass störende oder Bauteil gefährdende Schwingungen auftreten können. Insbesondere soll ein im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges angeordnetes ZMS mit baulich einfachen Mittel so ausgebildet werden, dass der Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich auch nahe seiner Resonanzfrequenz möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erzielt. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angeführt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Federeinheit derart vorgespannt zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil angeordnet ist, dass sie unterhalb eines definierten Motordrehmoments eine starre Verbindung herstellt und dass ferner der Federeinheit trieblich eine zweite Federeinheit nachgeschaltet ist, die im Wesentlichen nur unterhalb des definierten Motordrehmoments wirksam ist. Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird das ZMS in seiner Wirkung auf den Lastbereich oberhalb des gewählten Vorspannmoments beschränkt. Die Aufgabe der Schwingungsentkopplung des Triebstrangs bis zu diesem Vorspannmoment wird einem dem ZMS nachgeschalteten Torsionsdämpfer übertragen. Damit ist die Resonanzfrequenz des ZMS bei den niedrigen Momenten-Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, wie sie nach Abschaltung von Zylindern entstehen, nicht anregbar. Das ZMS verhält sich nahezu starr. Die Schwingungsentkopplung geschieht vollständig im nachgeschalteten Torsionsdämpfer. Zur Aufteilung der Wirkung der beiden Torsionsdämpfer ist keine Stelleinrichtung oder dergleichen notwendig.
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Die Kennlinie des Zweimassenschwungrades wird also durch den Einbau der Torsionsfedern im stark vorgespannten Zustand soweit verändert, dass eine Bewegung im ZMS erst ab einem frei definierbaren Motormoment stattfindet. Dieses Moment kann zum Beispiel das Moment sein, bis zu dem ein 2-Zylinderbetrieb vorgesehen ist. Bei höheren Drehmomenten wird der R4-Betrieb wieder aufgenommen und das ZMS funktioniert wie bekannt mit seiner vorgesehenen Kennlinie. Um die im R2-Betrieb bzw. im Bereich niedriger Drehmomente auftretenden Drehschwingungen vom Triebstrang zu entkoppeln, wird nach dem ZMS ein Torsionsdämpfer vorgesehen, dessen Kennlinie mindestens bis zu dem vorgespannten Moment im ZMS reicht. Als Ausführungsform bei einem Fahrzeug mit Handschaltgetriebe bietet sich der übliche Torsionsdämpfer von Kupplungsscheiben für Antriebsstränge mit Einmassenschwungrad an.
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Da nur niedrige Momente abgedeckt werden müssen, kann auch hier eine sehr gute Entkopplung für alle Niedriglastbereiche im Schub- und Zugbetrieb erreicht werden. Auch ein Dämpfer für die Entkopplung im Leerlauf kann vorgesehen werden. Um den Übergang der Bewegung von einem Torsionsdämpfer auf den anderen ohne störende Drehmomentstöße aus der Anregung der Brennkraftmaschine beim Anschlagen eines der beiden Dämpfer zu gewährleisten, muss das Anschlagmoment des zweiten Torsionsdämpfers etwas oberhalb des Losbrechmoments des ersten Torsionsdämpfers gewählt werden. Bei der Auslegung des Vorspannmoments ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass im Torsionsdämpfer des ZMS nicht nur das mittlere Moment der Brennkraftmaschine wirkt, sondern auch das Moment, das durch die wechselnde Beschleunigung des Kurbeltriebs aus dem Brennkraftverlauf an der sekundären trägen Masse erzeugt wird.
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Diese Methode ist natürlich nicht auf den 2-Zylinderbetrieb eines 4-Zylinder-Motors beschränkt, sondern kann bei allen bekannten Motorbauformen und Anregungen durch mehr oder weniger Zylinder bei der Abschaltung angewandt werden. Das Übergangsmoment des EMS in ein ZMS muss dann angepasst werden (ebenso der nachgeschaltete Torsionsdämpfer).
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Durch die Vorspannung der Federn wird das ZMS bis zu einem bestimmten Moment zum EMS. Durch geeignete Wahl der Kennlinie des nachgeschalteten Torsionsdämpfers ist ein Zweizylinderbetrieb bis zu niedrigen Drehzahlen möglich. Das Ankoppeln der Sekundärseite erhöht das Massenträgheitsmoment des Schwungrads und reduziert so das in den Triebstrang abgegebene Wechselmoment. Die Wirkung des nachgeschalteten Torsionsdämpfers wird dadurch verbessert. Die Wirkung eines im oder am ZMS verbauten Ordnungstilgers wie zum Beispiel eines Fliehkraftpendels wird nicht behindert.
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Das Verbrauchs-Einsparpotential kann voll ausgeschöpft werden.
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Die zweite Federeinheit kann in vorteilhafter Weise zwischen dem ersten, mit dem Primärteil zusammenwirkenden Sekundärteil und einem zweiten Sekundärteil eingeschaltet sein. Dies bedingt nur abtriebsseitige Änderungen am Antriebsstrang, wobei das zweite Sekundärteil bereits ein abtriebsseitiges Getriebeteil, wie zum Beispiel ein entsprechend modifizierter Eingangsflansch, etc. sein kann.
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Wenn in an sich bekannter Weise dem Sekundärteil des ZMS eine Reibungskupplung mit einer Mitnehmerscheibe nachgeschaltet und in der Mitnehmerscheibe eine Federeinheit angeordnet ist, so kann nahezu ohne baulichen Mehraufwand die unterhalb des definierten Motordrehmoments wirksame zweite Feder-Dämpfereinheit durch die Federeinheit in der Mitnehmerscheibe gebildet sein. Dies erfordert dann lediglich eine geeignete Anpassung der beiden Federeinheiten im vorstehenden Sinne.
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Des Weiteren können die beiden Federeinheiten in an sich bekannter Weise durch ringförmig um das Primärteil, das Sekundärteil und gegebenenfalls die Mitnehmerscheibe angeordnete Druckfedern gebildet sein, zwischen die die jeweils abtreibenden Mitnehmer der Sekundärteile spielfrei eingespannt sind, wobei die Federhärte der Druckfedern entsprechend abzustimmen ist.
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Schließlich wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit abschaltbaren Zylindern im Niedrig-Lastbereich die zweite Federeinheit auf das daraus resultierende niedrigere Motordrehmoment und die erste Federeinheit auf das höhere Motordrehmoment bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit allen Zylindern ausgelegt ist. Wird zum Beispiel eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine im Niedrig-Lastbereich zur Einsparung von Kraftstoff und zur Wirkungsgraderhöhung nur mit zwei Zylindern betrieben, so kann die zweite Federeinheit so abgestimmt sein, dass sie der veränderten Schwingungsanregung im gesamten Niedriglast-Drehzahlbereich Rechnung trägt. Daraus resultierend kann die Brennkraftmaschine auch mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden, ohne den kritischen Bereich der Resonanzfrequenz des ZMS zu erreichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die nur skizzenhafte Zeichnung zeigt in:
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1 ein Schwingungsmodell eines dem Stand der Technik entsprechenden ZMS im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer linearen Torsionskennlinie; und
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2 ein weiteres Schwingungsmodell eines ZMS mit einer Torsionskennlinie, die erst ab einem gewissen Drehmoment eine Verdrehung zulässt, mit einem nachgeschalteten Torsionsdämpfer, dessen Torsionskennlinie knapp oberhalb dieses genannten Drehmoments die weitere Verdrehung nicht mehr zulässt.
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In der 1 ist skizzenhaft das Schwingungsmodell eines in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingeschalteten Zweimassenschwungrades 10 (ZMS) als Drehschwingungsdämpfer dargestellt, dessen mit der nicht dargestellten Kurbelwelle einer Hubkolben-Brennkraftmaschine fest verbundenes Primärteil 12 über eine Federeinheit 14 und eine Dämpfereinheit 16 begrenzt drehelastisch mit einem Sekundärteil 18 gekoppelt ist.
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Das Sekundärteil 18 ist zum Beispiel über eine integrierte Reibungskupplung (nicht dargestellt) und eine Getriebeeingangswelle 19 (als Drehfeder wirksam) mit dem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 20 und über dieses mit dem weiteren Antriebsstrang 21 des Kraftfahrzeuges 22 verbunden, wobei diese Bauteile das dargestellte Schwingungsmodell entsprechend ergänzen.
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Die Federeinheit 14 mit der Dämpfereinheit 16 ist schwingungstechnisch so abgestimmt, dass die in der Grafik darunter eingezeichnete Torsionskennlinie (Drehmoment über Drehwinkel) 24 mit ansteigendem Motormoment M über dem Schwingwinkel phi zum Beispiel linear ansteigt. Bis zum Anschlagmoment Mmax ist das ZMS als Drehschwingungsdämpfer wirksam.
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Die 2 zeigt ein zur 1 verändertes Schwingungsmodell, bei dem zwischen dem Primärteil 12 des ZMS 10' und dem Sekundärteil 18 eine zur Dämpfereinheit 16 parallele, erste Federeinheit 26 eingeschaltet ist.
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Die Federeinheit 26 setzt sich aus mehreren, vorgespannt zwischen dem Primärteil 12 und dem Sekundärteil 18 in Umfangsrichtung spielfrei verbauten Schraubendruckfedern zusammen. Die Vorspannung der Druckfedern der Federeinheit 26 ist so ausgelegt, dass die Drehverbindung zwischen dem Primärteil 12 und dem Sekundärteil 18 unterhalb eines definierten Motordrehmoments M1 (wird noch ausgeführt) starr ist, also keine Drehschwingungsdämpfung stattfindet.
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Dem Sekundärteil 18 ist ein zweites Sekundärteil 28 trieblich nachgeschaltet, das über eine zweite Federeinheit 30 und ebenfalls eine Dämpfereinheit 32 an das erste Sekundärteil 18 begrenzt drehelastisch angekoppelt ist.
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Die zweite Federeinheit 30 geringerer Federhärte ist so ausgelegt, dass sie bei niedrigeren Motormomenten als M1 schwingungsisolierend wirkt.
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Die unterhalb dem Schwingungsmodell gemäß 2 eingezeichnete Grafik zeigt die Torsionskennlinie 24' des ZMS 10' und die Torsionskennlinie 34a, 34b des nachgeschalteten Torsionsdämpfers 11, die sich wie folgt zusammensetzt:
Im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehmomenten M wirkt die Federeinheit 30 (vergleiche eingezeichnete Pfeile) mit der Dämpfereinheit 32 (Kennlinie 34a, 34b) schwingungsisolierend. Der Bereich 34a der Kennlinie stellt zum Beispiel die für eine Schwingungsentkopplung im Leerlauf und Neutralgang notwendige sehr flache Federstufe dar.
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Der Bereich 34b zeigt die Lage des Anschlagmoments des Torsionsdämpfers 11 knapp oberhalb des Motormoments M1.
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Die erste Federeinheit 26 ist bis zu diesem Moment M1 durch Vorspannung starr gesetzt und lässt keine Relativbewegung zwischen dem Primärteil 12 und dem ersten Sekundärteil 18 zu.
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Mit ansteigendem Moment M wird die erste Federeinheit 26 mit der Dämpfereinheit 16 aktiv und die Drehschwingungsdämpfung findet nunmehr zwischen dem Primärteil 12 und dem Sekundärteil 18 statt. Die Federeinheit 26 hat dabei die gleiche Federrate wie die Federeinheit 14 aus 1.
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Bei einer Brennkraftmaschine mit abschaltbaren Zylindern (zum Beispiel im Zweizylinderbetrieb bei geringer Leistungsanforderung und im Vierzylinderbetrieb bei hoher Leistungsanforderung) ist das Vorspannmoment M1 des ZMS 10' so gewählt, dass das niedrige Moment im Zweizylinderbetrieb gerade nicht zu einer Bewegung des Torsionsdämpfers führt. Durch die von der Gaskraft erzeugten hohen Wechselmomente wird zwar auch der vorgespannte Torsionsdämpfer und das erste Sekundärteil beaufschlagt, durch die Vorspannung wird aber die mögliche Annäherung an die Resonanzfrequenz vergrößert.
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Durch diese Auslegung wird in vorteilhafter Weise der veränderten Anregungsfrequenz des Motors bei abgeschalteten Zylindern bzw. im Zweizylinderbetrieb Rechnung getragen. Die Vorspannung verhindert, dass die Resonanz des ZMS, die dabei sehr nahe am vom Fahrer anwählbaren Drehzahlbereich liegt, angeregt werden kann. Der Triebstrang wird in diesem Betriebszustand durch den zweiten Torsionsdämpfer 11 von störenden Schwingungen entkoppelt. Bei steigenden Lasten durch das Zuschalten der Zylinder steigt auch die Anregungsfrequenz wieder an und die Resonanzstelle liegt wieder weit unterhalb des anfahrbaren Drehzahlbereichs.
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Das zweite Sekundärteil 28 des Torsionsdämpfers 11 kann in nicht dargestellter Weise bei einer Ausführung mit integrierter Reibungskupplung deren Mitnehmerscheibe sein, in der die zweite Federeinheit 30 in an sich bekannter Weise integriert sein kann. Dazu ist lediglich die bekannte Federeinheit zu einer entsprechend abgestimmten Federeinheit 30 zu modifizieren.
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Bei einem Antriebsstrang ohne integrierter Reibungskupplung kann das zweite Sekundärteil 28 und deren Feder- und Dämpfereinheit 30, 32 zum Beispiel in einem Eingangsflansch des nachgeschalteten Wechselgetriebes 20 angeordnet sein.
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Die Federeinheit
26 kann in an sich bekannter Weise durch kreisförmig um das rotationssymmetrische Primärteil
12 und Sekundärteil
18 angeordnete Schraubendruckfedern gebildet sein, die in entsprechende Ausnehmungen des Primärteiles
12 eingesetzt sind und in die spielfrei und unter der definierten Vorspannung Mitnehmer des Sekundärteiles
18 eingreifen, beispielsweise wie in der eingangs genannten
DE 10 2007 044 474 A1 in der
1 dargestellt.
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Die Federeinheit 30 kann wie an sich bei Mitnehmerscheiben von Reibungskupplungen bekannt ebenfalls durch kreisförmig angeordnete Schraubendruckfedern gebildet sein, die in ihrer Federhärte entsprechend auf die Federeinheit 30 abgestimmt sind.
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Die Dämpfereinheiten 16 bzw. 32 können in bekannter Weise Reibungsdämpfer sein, wie sie bei Zweimassenschwungrädern oder bei Mitnehmerscheiben von Reibungskupplungen üblich sind.
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Die Erfindung ist nicht auf das im Schwingungsmodell 2 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Die zweite Federeinheit muss nur an einer Stelle zwischen dem ZMS und der Getriebemasse angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044474 A1 [0005, 0036]
