DE102011102226A1

DE102011102226A1 - Verfahren zur Steuerung eines drehzahladaptiven Drehschwingungstilgers und Drehschwingungstilger

Info

Publication number: DE102011102226A1
Application number: DE201110102226
Authority: DE
Inventors: Eugen Kremer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehschwingungstilger und ein Verfahren zu dessen Steuerung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zugeordneten Hauptmasse, einer an diese mittels einer drehelastischen Koppeleinrichtung gekoppelten Tilgermasse mit einem von einer Steuereinrichtung einstellbaren Trägheitsmoment und einer Einrichtung zur Erfassung der Drehbewegung der Kurbelwelle. Um eine verbesserte Schwingungsisolation des Drehschwingungstilgers insbesondere bei kleinen Drehzahlen der Kurbelwelle zu erzielen, wird das Trägheitsmoment mit zunehmender Drehzahl der Kurbelwelle abnehmend eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehschwingungstilger und ein Verfahren zu dessen Steuerung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zugeordneten Hauptmasse, einer an diese mittels einer drehelastischen Koppeleinrichtung gekoppelten Tilgermasse mit einem von einer Steuereinrichtung einstellbaren Trägheitsmoment und einer Einrichtung zur Erfassung der Drehbewegung der Kurbelwelle.
Drehschwingungstilger, bei denen eine Tilgermasse drehelastisch mittels einer Koppeleinrichtung beispielsweise in Form von in Umfangsrichtung wirksamer Schraubenfedern mit einer Welle zu einem Schwingungssystem gekoppelt wird und bei dem die Eigenfrequenz des Schwingungssystems auf die Anregungsfrequenz einer die Welle antreibenden Antriebseinheit wie Brennkraftmaschine abgestimmt wird, sind seit langem bekannt. Bei einer Brennkraftmaschine hängen die Anregungsfrequenzen von deren Drehzahl ab, so dass entweder breitbandige Schwingungsentkopplungssysteme angewandt oder drehzahladaptive Drehschwingungsdämpfer vorgesehen werden müssen. Als drehzahladaptive Drehschwingungsdämpfer werden beispielsweise Fliehkraftpendel eingesetzt, die – wie aus der DE 103 10 831 A1 hervorgeht – auch mit einem Zweimassenschwungrad kombiniert werden können.
Weiterhin ist aus der DE 10 2008 059 236 A1 ein drehzahladaptiver Drehschwingungstilger bekannt, bei dem die Steifigkeit der Koppeleinrichtung mit zunehmender Drehzahl und damit zunehmendem Fliehkrafteinfluss zunimmt. Bei den aufgeführten Drehschwingungstilgern mit variabler Steifigkeit ebenso wie bei Fliehkraftpendeln ist die Amplitude getilgter Momente das Produkt aus der Steifigkeit und der Winkelamplitude der Drehschwingung. Die Tilgungswirkung ist daher bei kleinen Drehzahlen kleiner als bei größeren Drehzahlen der Kurbelwelle. Es hat sich jedoch gezeigt, dass gerade bei kleinen Drehzahlen, beispielsweise bei hoch verdichteten Dieselmotoren, eine besonders hohe Tilgungswirkung erforderlich sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen drehzahladaptiven Drehschwingungstilger und ein Verfahren zu dessen Steuerung vorzuschlagen, der bereits bei kleinen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine ausreichende Schwingungstilgung aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines drehzahladaptiven Drehschwingungstilgers in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zugeordneten Hauptmasse, einer an diese mittels einer drehelastischen Koppeleinrichtung gekoppelten Tilgermasse mit einem mittels einer Steuervorrichtung einstellbaren Trägheitsmoment und einer Einrichtung zur Erfassung der Drehbewegung der Kurbelwelle gelöst, wobei das Trägheitsmoment mit zunehmender Drehzahl der Kurbelwelle abnehmend eingestellt wird. Dabei wird das Trägheitsmoment entgegen der Fliehkraft bei zunehmenden Drehzahlen vermindert und bei abnehmenden Drehzahlen der Kurbelwelle vergrößert. Die Steifigkeit der drehelastischen Koppeleinrichtung, beispielsweise mechanische Energiespeicher wie Federelemente, Schraubenfedern und dergleichen, magnetische Elemente wie Magneten, elektromagnetische Elemente wie Elektromagneten und dergleichen können dabei im Wesentlichen konstante Steifigkeiten der Koppeleinrichtung zwischen der Hauptmasse und der Tilgermasse bereitstellen. Die Kurbelwelle ist mittels weiterer Antriebselemente, beispielsweise einer Reibungskupplung, eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers und dergleichen mit einem Getriebe axial koppelbar verbunden. Dabei ist systembedingt der Drehschwingungstilger drehelastisch auch mit dem Getriebe gekoppelt.
Das Verfahren zur Steuerung des Drehschwingungstilgers sieht weiterhin vor, das Trägheitsmoment bis zu einer vorgegebenen Grenzdrehzahl der Kurbelwelle zu erniedrigen und bei größeren Drehzahlen konstant zu halten. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, bei größeren Drehzahlen, beispielsweise Drehzahlen größer 4000 1/min keine weiteren Regelungs- oder Steuervorgänge durchzuführen, da in diesem Bereich keine weiteren Zuwächse eines variierten Trägheitsmoments gegenüber einem stationären Trägheitsmoment der Tilgermasse zu erwarten sind.
Die Anpassung wie Einstellung einer Eigenfrequenz der Tilgermasse erfolgt über die Änderung des Trägheitsmoments abhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle und einer Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann die Einstellung der Eigenfrequenz ω des Drehschwingungsdämpfer nach Gleichung (1) ω = kΩ (1) erfolgen, wobei die Drehzahl Ω mit dem Faktor k, der einer vorgegebenen Schwingungsordnung, beispielsweise der dritten Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine entspricht, multipliziert wird.
Alternativ kann die Eigenfrequenz ω des Drehschwingungstilgers aus über einen gleitendes Zeitintervall (t – θ, t) gemittelten Winkelbeschleunigungswerten φ .. und Winkelgeschwindigkeitswerten φ . der Kurbelwelle mit der Hauptmasse nach Gleichung (2) ermittelt werden:
Als besonders vorteilhaft hat sich zur Durchführung des Verfahrens ein Drehschwingungstilger erwiesen, dessen Tilgermasse als Variator mit einem sich infolge einer einstellbaren Übersetzung ändernden Trägheitsmoment ausgebildet ist. Dabei betätigt ein Aktor abhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise abhängig von der aus den Drehkennwerten wie Drehzahl, Winkelbeschleunigung und Winkelgeschwindigkeit ermittelten, zur Tilgung der Schwingungen der Brennkraftmaschine geeigneten Eigenfrequenz einen Variator zur Änderung seiner Übersetzung, wodurch sich das Trägheitsmoment des Variators unabhängig von Fliehkrafteinflüssen hin zu kleinen Drehzahlen erhöhen lässt. Gemäß einer vorteilhaften Durchführung des Verfahrens wird dabei abhängig von der Eigenfrequenz ω des Variators mittels eines dessen Übersetzung i ändernden Aktors abhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle und einer Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine insbesondere nach folgender Gleichung (3) eingestellt:
Hierin geben die Trägheitsmomente J₁, J₂ die Extremwerte über die Spreizung der Übersetzung i des Variators wieder. Die Steifigkeit c des Drehschwingungstilgers wird als konstant angenommen und wird wie die Trägheitsmomente J₁, J₂ und in Abstimmung mit diesen an den jeweiligen Anwendungsfall und die verfügbare Spreizung des Variators angepasst.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine maximale Eigenfrequenz ω_max festzulegen, bis zu der eine Regelung der Übersetzung i nach Gleichung (3) erfolgt. Bei Überschreitung der maximalen Eigenfrequenz ω_max bleibt die Einstellung des Variators auf einer minimalen Übersetzung i_min. Daraus ergibt sich nach Gleichung (4):
Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Drehschwingungstilgers mit einer als Variator ausgebildeten Tilgermasse,
2 ein Diagramm eines Motormoments über die Zeit und
3 ein Diagramm einer Drehzahl einer Brennkraftmaschine über die Zeit.
1 zeigt in schematischer Darstellung den Drehschwingungstilger 1 mit der an der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angeordneten Hauptmasse 2, die drehelastisch über eine systembedingte Steifigkeit 3, beispielsweise einer Reibungskupplung, einer Getriebeeingangswelle, Getriebebauteilen und dergleichen mit der Triebstrangmasse 4 gekoppelt ist. Über die Koppeleinrichtung 5, die hier als mechanischer Energiespeicher 6 dargestellt ist, ist die Tilgermasse 7 mit der Hauptmasse drehgekoppelt. Die Tilgermasse 7 ist als Variator 8 ausgebildet, der zwei Variatormassen 9, 10 mit festen Trägheitsmomenten aufweist, die miteinander beispielsweise mittels eines Umschlingungsmittels gekoppelt sind. Dabei wird die Variatormasse 2 elastisch mit der Hauptmasse 2 drehgekoppelt. Abhängig von der eingestellten Übersetzung zwischen den beiden Variatormassen 9, 10 ändert sich dabei das Trägheitsmoment der Tilgermasse 7. Die Übersetzung zwischen den Variatormassen 9, 10 wird mittels des nur angedeuteten Aktors 11, der die Laufradien des Umschlingungsmittels auf Kegelscheibenpaaren des Variators 8 einstellt, gesteuert beziehungsweise geregelt. Hierzu wird von der Steuervorrichtung 12 ein Steuersignal vorgegeben, das abhängig von der Einrichtung 13 zur Ermittlung der Drehbewegung der Kurbelwelle und damit der Hauptmasse 2 ermittelt wird. Das Steuersignal wird direkt aus der Drehbewegung der Kurbelwelle wie Drehzahl, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und/oder aus einer daraus unter Vorgabe der Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine wie Motorordnung aus der Eigenfrequenz ermittelt. Abhängig von dem Steuersignal wird bei kleinen Drehzahlen ein großes Trägheitsmoment der Tilgermasse 7 mittels einer großen Übersetzung des Variators 8 eingestellt. Bei zunehmender Drehzahl wird die Übersetzung sukzessive bis zu einer vorgegebenen Drehzahl, die einer vorgegebenen Eigenfrequenz entspricht, auf die minimale Übersetzung des Variators 8 gesenkt. Bei weiteren zunehmenden Drehzahlen wird der Drehschwingungstilger 1 bei konstantem Trägheitsmoment der Tilgermasse 7 bei minimaler Übersetzung betrieben.
2 zeigt das Diagramm 14, das das Motormoment M gegen die Zeit t zeigt. Dabei zeigt der Graph 15 das Drehmomentverhalten einer Brennkraftmaschine ohne Drehschwingungstilgung nach einem Start bei der Zeit t = 0 unter Last. Infolge der über den Drehwinkel der Kurbelwelle ungleichmäßig auf diese eingebrachten Momentenstöße entwickeln sich neben dem nutzbaren Mittelwert des Motormoments Von ca. 500 Nm um diese schwankenden Drehmomentstöße von ±500 Nm. Der Graph 16 zeigt die Auswirkung eines Drehschwingungstilgers mit einer konstanten Eigenfrequenz von 8,5 Hz, die bereits einen Beitrag zur Tilgung der Drehmomentstöße leistet. Der Graph 17 zeigt die hervorragende Schwingungsisolation des Drehschwingungstilgers 1 der 1 mit variabel einstellbarer Eigenfrequenz. Durch die von der Eigenfrequenz abhängig einstellbaren Trägheitsmomente des Drehschwingungstilgers können die Drehstöße und Drehschwingungen bei jeder der über die Zeitachse überlagerten Drehzahl in idealer Weise getilgt werden.
3 zeigt hierzu das Diagramm 18 mit den Graphen 19, 20, die Drehzahlen n über die Zeit t des Drehschwingungstilgers 1 gegenüber einem Drehschwingungstilger ohne drehzahladaptive Anpassung der Eigenfrequenz. Der Graph 19 zeigt dabei das Verhalten des Drehschwingungstilgers 1 der 1. Insbesondere bei kleinen Drehzahlen bis zu 1000 bis 2000 1/min zeigt der Drehschwingungstilger 1 gegenüber dem anderen Drehschwingungstilger deutlich geringere Drehzahlschwankungen, also ein verbessertes Schwingungsentkopplungsverhalten. Bei größeren Drehzahlen n nähern sich die Differenzdrehzahlen an, so dass die Übersetzung des Variators so eingestellt wird, dass eine Fokussierung der Änderungen des Trägheitsmoments auf kleine Drehzahlen vorgenommen wird, während bei größeren Drehzahlen das Trägheitsmoment bei kleinster Übersetzung des Variators gering gehalten wird. Beispielsweise kann eine Begrenzung der Übersetzung des Variators bei maximal 4000 1/min, bevorzugt bei Drehzahlen kleiner 2000 1/min erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Drehschwingungstilger
2: Hauptmasse
3: Steifigkeit
4: Triebstrangmasse
5: Koppeleinrichtung
6: Energiespeicher
7: Tilgermasse
8: Variator
9: Variatormasse
10: Variatormasse
11: Aktor
12: Steuervorrichtung
13: Einrichtung
14: Diagramm
15: Graph
16: Graph
17: Graph
18: Diagramm
19: Graph
20: Graph
M: Motormoment
n: Drehzahl
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10310831 A1 [0002]
DE 102008059236 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines drehzahladaptiven Drehschwingungstilgers (1) in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zugeordneten Hauptmasse (2), einer an diese mittels einer drehelastisches Koppeleinrichtung (5) gekoppelten Tilgermasse (7) mit einem mittels einer Steuervorrichtung (12) einstellbaren Trägheitsmoment und einer Einrichtung (13) zur Erfassung der Drehbewegung der Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägheitsmoment mit zunehmender Drehzahl der Kurbelwelle abnehmend eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägheitsmoment bis zu einer vorgegebenen Grenzdrehzahl der Kurbelwelle erniedrigt und bei größeren Drehzahlen konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenfrequenz der Tilgermasse abhängig von der der Drehzahl der Kurbelwelle und einer Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz aus über ein gleitendes Zeitintervall gemittelten Winkelbeschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitswerten der Kurbelwelle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (7) als Variator (8) mit einem sich infolge einer einstellbaren Übersetzung ändernden Trägheitsmoment ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenfrequenz des Variators mittels eines dessen Übersetzung ändernden Aktors (11) abhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle und einer Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
Drehschwingungstilger (1) mit einer mittels einer drehelastischen Koppeleinrichtung (5) mit einer auf einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine aufgenommenen Hauptmasse (2) gekoppelten Tilgermasse (7), dadurch gekennzeichnet, dass ein abhängig von einem von einer Drehzahlerfassungseinrichtung erfassten Drehzahl der Kurbelwelle gesteuerter Variator (8) als Tilgermasse (7) vorgesehen ist.