DE102011101568A1

DE102011101568A1 - Magnetdämpfer

Info

Publication number: DE102011101568A1
Application number: DE201110101568
Authority: DE
Inventors: Markus Kneissler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetdämpfer in einem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer in einer vorgegebenen Schwingungsordnung drehschwingungsbehafteten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine enthaltend zwei gegeneinander relativ verdrehbare Magnetträger mit jeweils zumindest zwei bei Verdrehung wechselwirkenden Magnetpolen. Um die Drehzahlen gering und den Steueraufwand des Magnetdämpfers gering zu halten, ist zumindest ein Magnetträger mit der Kurbelwelle drehschlüssig gekoppelt und zumindest einem Maximum einer Schwingungsordnung eine gleichpolige Anordnung der Magnetpole der beiden Magnetträger zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetdämpfer in einem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer in einer oder mehreren vorgegebenen Schwingungsordnungen drehschwingungsbehafteten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine enthaltend zwei gegeneinander relativ verdrehbare Magnetträger mit jeweils zumindest zwei bei Verdrehung wechselwirkenden Magnetpolen.
Bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip treten an der Kurbelwelle bedingt durch die ungleichen Abgase der Gasmomente des aktuell befeuerten Zylinders Drehungleichförmigkeiten auf. Je nach Anzahl der Zylinder und Arbeitsprinzip treten die Drehschwingungen in bevorzugten Schwingungsordnungen auf. Zur Dämpfung dieser werden mechanische Einrichtungen wie Drehschwingungsdämpfer und Drehschwingungstilger beispielsweise in Form von Zweimassenschwungrädern, Fliehkraftpendeln, Kupplungsscheibendämpfern für sich und in Kombination wirkend seit langem in Serienanwendungen eingesetzt. Dabei verschieben die Drehschwingungsdämpfer die Hauptresonanzen der Schwingungsordnungen zu Frequenzen, beispielsweise unterhalb der Leerlaufdrehzahl. Drehschwingungstilger wie Fliehkraftpendel sind durch die einsetzbaren Massen und deren Schwingwinkel begrenzt.
Aus der DE 197 09 299 A1 ist eine Vorrichtung zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der durch elektrische Kommutation einer Elektromaschine elektromagnetisch und daher kontaktlos Drehschwingungen der Brennkraftmaschine gedämpft werden. Hierbei wird abhängig von der Schwingungsordnung ein Generator- beziehungsweise Motorbetrieb so gesteuert, dass bei Drehmomentspitzen elektrische Energie in einem Energiespeicher gespeichert und Drehmomentminima durch Abruf der gespeicherten Energie und Antrieb der Elektromaschine unterstützt werden und somit insgesamt ein geglätteter Drehmomentverlauf resultiert. Hierzu sind aufwendige Steuerungsvorgänge der Elektromaschine, enorme elektrische Energieflüsse und schnell wechselnde elektrische Speichervorgänge nötig.
Aufgabe der Erfindung ist eine vorteilhafte Weiterbildung einer kontaktlosen Dämpfung von Drehschwingungen einer Brennkraftmaschine insbesondere in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Die Aufgabe wird durch einen Magnetdämpfer in einem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer in einer oder mehreren vorgegebenen Schwingungsordnungen drehschwingungsbehafteten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine enthaltend zwei gegeneinander relativ verdrehbare Magnetträger mit jeweils zumindest zwei bei Verdrehung wechselwirkenden Magnetpolen gelöst, wobei zumindest ein Magnetträger mit der Kurbelwelle drehschlüssig gekoppelt ist. Durch die Zuordnung der Position der Magnetpole der Magnetträger zu der Phasenlage der Schwingungsordnung kann eine Steuerung des Magnetdämpfers von außen entfallen. Vielmehr erfolgt eine wirksame Ausrichtung des magnetisch induzierten Moments zur Kompensation einer Drehmomentspitze entsprechend der Auslegung des Magnetdämpfers zwangsweise. Hierdurch entfällt neben einer aufwendigen Steuerung zudem die Verschiebung und Zwischenspeicherung der Schwingungsenergie der Brennkraftmaschine.
Soll beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine nach dem Viertaktprinzip mit zwei Zylindern eine Schwingungsordnung gleich eins mittels des vorgeschlagenen Magnetdämpfers bedämpft werden, können die Magnetpole so angeordnet werden, dass sich bei der einzigen Drehmomentspitze während einer Kurbelwellenumdrehung eine Abstoßung und eine um 180° versetzte Anziehung der Magnetpole der Magnetträger während eines Drehmomentminimums ergibt. Entsprechend sind abstoßende und anziehende Wirkungen der Magnetpole der Magnetträger bei einer vier Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine über den Umfang in einer Teilung von 90° angeordnet. Die Maxima der abstoßenden und anziehenden Wirkungen des Magnetdämpfers können hierzu phasengleich zu den Drehmomentmaxima und -minima oder mit geringem Vor- oder Nachlauf eingestellt werden. Die Ausrichtung der Phasenlage der Kurbelwelle gegenüber der Phasenlage der magnetischen Momente wird mechanisch vorgegeben, indem beispielsweise zwischen dem von der Kurbelwelle angetriebenen Magnetträger und der Kurbelwelle in den den Drehschluss herstellenden Teilen wie Umfangsprofilierung, Verzahnung, Verstiftung oder dergleichen eine Synchronposition eindeutig vorgegeben wird.
Der Magnetdämpfer kann in einem Nebenkraftschluss oder im Hauptkraftschluss des Antriebsstrangs zwischen der Kurbelwelle und einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes betrieben werden. Es ist in vorteilhafter Weise ausreichend, den Magnetdämpfer nur zur Dämpfung des über einem mittleren Motormoment liegenden Spitzenmoments auszulegen. Im Haupt- oder Nebenkraftschluss kann eine weitere mechanische Dämpfungseinrichtung, beispielsweise ein Zweimassenschwungrad mit oder ohne Fliehkraftpendel vorgesehen sein.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann der Magnetdämpfer achsparallel zur Kurbelwelle angeordnet und mittels eines Kurbeltriebs von dieser angetrieben sein. Alternativ kann der Magnetdämpfer koaxial zur Kurbelwelle angeordnet sein. Hierbei ist ein Magnetträger drehschlüssig mit der Kurbelwelle verbunden. Im einfachsten Fall wird hierbei ein Magnetträger von der Kurbelwelle angetrieben während der andere Magnetträger gehäusefest montiert ist. Hierbei enthält bei einem Zweizylinder-Viertaktmotor jeder der beiden Magnetträger ein Magnetpolpaar, also beispielsweise der rotierende Magnetträger einen Stabmagneten und der gehäusefeste Magnetträger zwei im Abstand von 180° angeordnete, das heißt einander gegenüberliegende Magnete entgegengesetzter Polung. Bei einem Vierzylinder sind jeweils in einer 90°-Teilung in ihrer Polung abwechselnde Magnete vorgesehen.
Insbesondere zur Erhöhung der magnetischen Momente, Kompensation gebrochener Schwingungsordnungen, beispielsweise bei ungeraden Zylinderzahlen wie Ein-, Drei- oder Fünfzylindern, und/oder einer großen Anzahl von Zylindern und damit schwieriger Anordnung einer größeren Anzahl von nötigen Magnetpolpaaren kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen der Kurbelwelle und dem drehschlüssig gekoppelten Magnetträger ein Übersetzungsgetriebe angeordnet ist. Als besonders vorteilhaft haben sich hierzu Planeten-Wendegetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad und dazwischen wälzenden, an einem Steg aufgenommenen Planetenrädern erwiesen. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann dabei ein Magnetträger gehäusefest beispielsweise an dem Gehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet oder aus diesem gebildet sein, während der andere Magnetträger von der Kurbelwelle angetrieben wird. Hierbei kann beispielsweise ein nicht angetriebener Magnetträger gehäusefest angeordnet und der angetriebene Magnetträger mittels eines Planetensatzes bei mit der Kurbelwelle drehfest angekoppeltem Steg mit dem Sonnenrad drehfest verbunden sein. Nach dem erfinderischen Gedanken können beide Magnetträger gegeneinander drehend auf Komponenten des Planeten-Wendegetriebes angeordnet sein, indem beispielsweise der Steg gehäusefest angekoppelt und ein Magnetträger mit dem Hohlrad und der andere Magnetträger mit dem Sonnenrad drehfest gekoppelt ist.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1a und b einen Magnetdämpfer mit einer mittels eines Kurbelgetriebes mit einer Kurbelwelle gekoppelten Magnetträger in unterschiedlichen Betriebsphasen für eine Schwingungsordnung gleich zwei,
2a bis d einen Magnetdämpfer mit direkt an die Kurbelwelle angebrachtem Magnetträger in unterschiedlichen Betriebsphasen für eine Schwingungsordnung gleich eins,
3 eine Ansicht eines Magnetdämpfers analog zu 2a bis d für eine Schwingungsordnung gleich zwei,
4a einen Teilschnitt eines Magnetdämpfers mit Übersetzungsgetriebe,
4b den Magnetdämpfer der 4a in Teilansicht und
5 einen gegenüber den 4a und b geänderten Magnetdämpfer mit einem Übersetzungsgetriebe im Teilschnitt.
Die 1a und 1b zeigen schematisch den von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einer Schwingungsordnung gleich zwei, also beispielsweise einem Vierzylinder-4-Takt-Verbrennungsmotor, angetriebenen Magnetdämpfer 1. Einander diametral gegenüber sind der magnetische Nordpol 3 und der magnetische Südpol 4 gehäusefest aufgenommen oder am durch das Gehäuse der Brennkraftmaschine gebildeten Magnetträger 2 angeordnet. Der Magnetträger 5 bildet mit zwei mittig drehbar gelagerten Koppelstangen 6 ein Kurbelgetriebe. Die Koppelstangen 6 drehen sich gleich schnell wie die hier nicht dargestellte Kurbelwelle, die sich beispielsweise um die Drehachse x drehen kann. Hierbei verdrehen sich pro Umdrehung der Kurbelwelle aufgrund der Kurbelfunktion des Kurbelgetriebes die magnetischen Rotoren 7, 8 auf dem Magnetträger 5 um ihre eigenen Drehachsen y.
Über einen Rotationswinkel von 360° um die Drehachse x ergeben sich dabei diametral ausgebildete Phasen, von denen eine in 1a beim Winkel 0° dargestellt ist, in der durch einen weiten Luftspalt der magnetischen Pole 3, 4 zu den magnetischen Rotoren 7, 8 nur ein sehr kleines Moment auf den Magnetträger 5 wirkt. Vergrößert sich der Winkel bei der in 1a gezeigten Phase um die Drehachse x in Richtung des Pfeils 9, stellt sich bei Erreichen der in 1b gezeigten Position bei 90° ein hohes Moment ein, mit dem die Kompressionsphase eines Zylinders der Brennkraftmaschine unterstützt werden kann. Über 360° entstehen jeweils zwei Winkelbereiche mit negativem beziehungsweise positivem Dämpfermoment, die auf die Drehmomentmaxima bzw. Drehmomentminima der 2. Schwingungsordnung ausgerichtet werden können. Ein Kurbelgetriebe wie im gezeigten Beispiel kann insofern vorteilhaft sein, als durch die Auswahl und Auslegung des Kurbelgetriebes ein nicht sinusförmiger Momentenverlauf erzeugt werden kann. Dieser Freiheitsgrad erlaubt es, durch einen auf die Brennkraftmaschine abgestimmten Momentenverlauf die Dämpfungswirkung zu optimieren.
Die 2a bis 2d zeigen schematisch den koaxial zu der Kurbelwelle 12 der Brennkraftmaschine 11 mit den beiden Zylindern 13, 14 und den darin verlagerbaren, mit der Kurbelwelle 12 verbundenen Kolben 15, 16 angeordneten Magnetdämpfer 1a, dessen Magnetträger 2a gehäusefest und dessen Magnetträger 5a drehfest mit der Kurbelwelle 12 verbunden ist. Die 2a bis d zeigen unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine 11 der beiden nach dem Viertaktprinzip betriebenen, also jeweils bei 720° gezündeten und dadurch einen Drehmomentenstoß mit einer Drehmomentspitze erzeugenden Zylinder 13, 14. Die Zylinder 13, 14 werden dabei um 360° verdreht betrieben, so dass sich über 360° verteilt jeweils eine Drehmomentspitze mit einem durch die Verdichtung eines Zylinders auftretenden Drehmomentminimum einstellt. Dementsprechend ist der Magnetdämpfer an die sich einstellende Schwingungsordnung gleich eins angepasst und verfügt innerhalb einer Drehung um 360° um die Drehachse x über ein Momentenmaximum in Drehrichtung, gezeigt in der 2d, sowie in zweites Momentenmaximum entgegen der Drehrichtung, gezeigt in der 2b.
Im Einzelnen zeigt 2a beide Kolben 15, 16 am oberen Totpunkt, wobei hier beispielsweise der Kolben 15 das Kraftstoffgemisch komprimiert und der Kolben 16 das verbrannte Kraftstoffgemisch ausgestoßen hat. Bis zum Erreichen dieser Position unterstützt im Wesentlichen die anziehende Kraft der magnetischen Pole 3a, 4a auf den Magnetträger 5a den energieverzehrenden Prozess der Kompression des Zylinders 13. 2b zeigt die Brennkraftmaschine 11 nach der Zündung von Zylinder 13 und Ansaugen des Zylinders 14, wobei der Magnetträger 5a gegenüber Magnetträger 2a verdreht wird und ein Bremsmoment der Kolben 15, 16 aufgebaut wird. Dieses Bremsmoment wird, – wie in 2c gezeigt – am unteren Totpunkt der Kolben 15, 16 wiederum zu Null, wobei die Lage der Magneten jetzt im Gegensatz zu 2a ein labiles Gleichgewicht erzeugt. Unmittelbar danach wirkt im Wesentlichen eine abstoßende Wirkung der magnetischen Pole 3a, 4a auf den Magnetträger 5a und unterstützt so das Erreichen des in 2d gezeigten Zustandes, in dem der Zylinder 14 verdichtet und der Kolben 15 das verbrannte Kraftstoffgemisch ausstößt. Der beschriebene Prozess wiederholt sich zur Vollendung des 720°-Prozesses jeweils in umgekehrter Steuerung der Zylinder 13, 14 mit demselben Bewegungsablauf des Magnetdämpfers 1a.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Magnetdämpfers 1b für eine Brennkraftmaschine mit der Schwingungsordnung gleich zwei in Ansicht, beispielsweise für einen Zweizylinder-2-Takt-Motor oder einen Vierzylinder-4-Takt-Motor. Hierbei sind an dem gehäusefest angeordneten Magnetträger 2b vier magnetische Pole 3b, 4b, 17, 18 mit über den Umfang abwechselnder Polarität vorgesehen. Der Magnetträger 5b ist drehschlüssig mit der nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden und weist Magnetpole 7b, 8b, 19, 20 auf, die so zu den Magnetpolen 3b, 4b, 17, 18 angeordnet sind, dass sich im Abstand von 90° Drehwinkel anziehende und abstoßende Wirkung abwechseln. Hierdurch können pro Umdrehung der Kurbelwelle zwei durch Zündvorgänge bzw. Kompressionsvorgänge verursachte Momentenmaxima bzw. Momentenminima durch die Wirkung der magnetischen Kräfte auf die Magnetträger 2b, 5b bedämpft werden.
Die 4a und 4b zeigen den Magnetdämpfer 1c im Teilschnitt um die Drehachse x der Kurbelwelle 12c. Zur Dämpfung von Schwingungen mit gebrochenen Schwingungsordnungen und/oder zur Anpassung der Drehzahlen des magnetischen Rotors 7c ist zwischen der Kurbelwelle 12c und dem verdrehbaren Magnetträger 5c das hier als Planeten-Wendegetriebe 22 ausgebildete Übersetzungsgetriebe 21 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Magnetträger 2c mit den bevorzugt in symmetrischer Teilung angeordneten Magneten – hier ist nur der magnetische Nordpol 3c dargestellt – gehäusefest angeordnet. Das Hohlrad 23 ist mit der Kurbelwelle 12c drehfest verbunden und nimmt mittels des Lagers 24 das den Magnetträger 5c bildende Sonnenrad 26 auf, das sich in diesem Beispiel damit schneller dreht als die Kurbelwelle. Der Steg 25 mit den Planetenrädern 27 ist gehäusefest aufgenommen. Abhängig vom Zahnungsverhältnis zwischen Hohlrad 23 und Sonnenrad 26 können an die üblicherweise vorgesehene Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine entsprechende Momentenverhältnisse zwischen den magnetischen Polen des Magnetträgers 2c und den magnetischen Polen des Magnetträgers 5c eingestellt werden.
5 zeigt den Teilschnitt eines gegenüber dem Magnetdämpfer 1c der 4 abgeänderten Magnetdämpfers 1d, bei dem beide Magnetträger 2d, 5d drehend angeordnet sind. Hierzu ist das Übersetzungsgetriebe 21d in Form des Planeten-Wendegetriebes 22d an der Kurbelwelle 12d mittels des Sonnenrads 26d aufgenommen, das zugleich den Magnetträger 5d mit dem magnetischen Rotor 7d bildet. Auf dem Sonnenrad 26d ist über das Lager 24d das Hohlrad 23d verdrehbar gelagert. Das Hohlrad 23d nimmt den Magnetträger 2d auf, von dessen magnetischem Rotor hier nur der magnetische Nordpol 3c dargestellt ist. Der Steg 25d – hier in Form über den Umfang verteilter, am Gehäuse angeordneter Stifte 28 ist mit den an diesem verdrehbar angeordneten Planetenrädern 27d gehäusefest angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Magnetdämpfer
1a: Magnetdämpfer
1b: Magnetdämpfer
1c: Magnetdämpfer
1d: Magnetdämpfer
2: Magnetträger
2a: Magnetträger
2b: Magnetträger
2c: Magnetträger
2c: Magnetträger
2d: Magnetträger
3: Magnetischer Nordpol
3a: Magnetischer Nordpol
3b: Magnetischer Nordpol
3c: Magnetischer Nordpol
3d: Magnetischer Nordpol
4: Magnetischer Südpol
4a: Magnetischer Südpol
4b: Magnetischer Südpol
5: Magnetträger
5a: Magnetträger
5b: Magnetträger
5c: Magnetträger
5d: Magnetträger
6: Koppelstange
7: Magnetischer Rotor
7a: Magnetischer Rotor
7b: Magnetpol
7c: Magnetischer Rotor
7d: Magnetischer Rotor
8: Magnetischer Rotor
8b: Magnetpol
9: Pfeil
10: Pfeil
11: Brennkraftmaschine
12: Kurbelwelle
12c: Kurbelwelle
12d: Kurbelwelle
13: Zylinder
14: Zylinder
15: Kolben
16: Kolben
17: Magnetischer Nordpol
18: Magnetischer Südpol
19: Magnet
20: Magnet
21: Übersetzungsgetriebe
21d: Übersetzungsgetriebe
22: Planeten-Wendegetriebe
22d: Planeten-Wendegetriebe
23: Hohlrad
23d: Hohlrad
24: Lager
24d: Lager
25: Steg
25d: Steg
26: Sonnenrad
26d: Sonnenrad
27: Planetenrad
27d: Planetenrad
28: Stift
N: Magnetpol
S: Magnetpol
x: Drehachse
y: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19709299 A1 [0003]

Claims

Magnetdämpfer (1, 1a, 1b, 1c, 1d) in einem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer in einer vorgegebenen Schwingungsordnung drehschwingungsbehafteten Kurbelwelle (12, 12c, 12d) einer Brennkraftmaschine (11) enthaltend zwei gegeneinander relativ verdrehbare Magnetträger (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 5, 5a, 5b, 5c, 5d) mit jeweils zumindest zwei bei Verdrehung wechselwirkenden Magnetpolen (N, S), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Magnetträger (5, 5a, 5b, 5c, 5d) mit der Kurbelwelle (12, 12c, 12d) drehschlüssig gekoppelt ist und zumindest einem Maximum oder Minimum einer Schwingungsordnung eine gleich- oder gegenpolige Anordnung der Magnetpole (N, S) der beiden Magnetträger (2, 2a, 2b, 2c, 2d, 5, 5a, 5b, 5c, 5d) zugeordnet ist.
Magnetdämpfer (1, 1a, 1b, 1c, 1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetdämpfer achsparallel zur Kurbelwelle angeordnet angetrieben ist.
Magnetdämpfer (1, 1a, 1b, 1c, 1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetdämpfer koaxial zur Kurbelwelle (12, 12c, 12d) angeordnet ist.
Magnetdämpfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische Rotoren (7, 8) des mit der Kurbelwelle verbundenen Magnetträgers (5) mittels eines Kurbelgetriebes (6) angetrieben sind.
Magnetdämpfer (1c, 1d) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kurbelwelle (12c, 12d) und dem drehschlüssig gekoppelten Magnetträger (5c, 5d) ein Übersetzungsgetriebe (21, 21d) angeordnet ist.
Magnetdämpfer (1c, 1d) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (1c, 1d) ein Planeten-Wendegetriebe mit einem Hohlrad (23, 23d), einem Sonnenrad (26, 26d) und dazwischen wälzenden, an einem Steg (25, 25d) aufgenommenen Planetenrädern (27, 27d) ist.
Magnetdämpfer (1c) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht angetriebener Magnetträger (2c) gehäusefest angeordnet ist und der angetriebene Magnetträger (5c) mittels der Planetenräder (27) bei mit der Kurbelwelle (12c) drehfest angekoppeltem Steg (25) mit dem Sonnenrad (26) drehfest verbunden ist.
Magnetdämpfer (1d) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (25d) gehäusefest angekoppelt ist und ein Magnetträger (2d) mit dem Hohlrad (23d) und der andere Magnetträger (5d) mit dem von der Kurbelwelle (12d) angetriebenen Sonnenrad (26d) drehfest gekoppelt ist.
Magnetdämpfer (1, 1a, 1b, 1c, 1d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetdämpfer (1, 1a, 1b, 1c, 1d) mit zumindest einem weiteren Magnetdämpfer oder mit zumindest einem nicht magnetisch arbeitenden Drehschwingungsdämpfer kombiniert ist.