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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schwungrad mit wählbarer Masse für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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HINTERGRUND
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Herkömmliche Antriebsstränge für Fahrzeuge verwenden regelmäßig ein Schwungrad im Kraftübertragungsstrang zwischen einer Kraftmaschine und einer Kupplung. Wenn die Kupplung eingerückt ist, trägt das Schwungrad dazu bei, eine Ausbreitung von Schwingungen von der Kraftmaschine über den Antriebsstrang zu reduzieren. Bei erhöhten Anforderungen an eine verbesserte Schwingungscharakteristik in Fahrzeugen ist das Einzelmassenschwungrad in bestimmten Situationen wie beispielsweise bei ihrer Verwendung mit kleineren Kraftmaschinen ungeeignet gewesen.
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Als eine Folge verwenden einige Antriebsstrang-Anordnungen ein Doppelmassenschwungrad mit einem Paar rotierender Massen, die über ein Feder- und Dämpfersystem miteinander verbunden sind, um den Grad der Torsionsschwingungen im Antriebsstrang zu reduzieren. Eine erste Masse ist auf der Kraftmaschinenseite des Feder- und Dämpfersystems mit der Kraftmaschinenkurbelwelle verbunden, während eine zweite Masse mit der Kupplungsseite des Feder- und Dämpfersystems verbunden ist. Die erste Masse besitzt jedoch typischerweise eine geringere Trägheit als ein herkömmliches Einzelschwungrad, weshalb sie hinsichtlich der Reduzierung von Kraftmaschinenpulsationen und -schwingungen nicht gleichermaßen effektiv ist, da diese Schwingungen nur durch die Trägheit der ersten Masse verringert werden. Angesichts dessen existiert augenscheinlich ein Bedarf an einer Schwungradanordnung, die Schwingungen von Antriebssträngen weiter verringert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Erfindungsgemäß umfasst eine Schwungradanordnung mit wählbarer Masse für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eine erste Masse und eine zweite Masse. Die erste Masse ist mit einer Kurbelwelle einer Kraftmaschine verbunden, während die zweite Masse mit einer Kupplung in Eingriff ist, um Drehmoment von der Kraftmaschine an ein Getriebe zu übertragen. Die beiden Massen sind mittels einer Feder- und Dämpferanordnung rotatorisch miteinander gekoppelt. Die Schwungradanordnung umfasst ferner einen Verriegelungsmechanismus, der während des Startens der Kraftmaschine in beide Massen eingreift, um die beiden Massen miteinander zu verriegeln, um Schwingungen und Pulsationen im Antriebsstrang während des Startens der Kraftmaschine zu minimieren. Der Verriegelungsmechanismus umfasst einen Stift, der entweder an der ersten Masse oder an der zweiten Masse befestigt ist und mit einem Schlitz in der jeweils anderen Masse in Eingriff ist, wenn der Verriegelungsmechanismus aktiviert ist, um die relative Drehbewegung zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse während des Startens der Kraftmaschine zu reduzieren, nicht jedoch zu beseitigen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsbereiche gehen aus der hier gegebenen Beschreibung hervor.
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Figurenliste
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich Erläuterungszwecken. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Darüber hinaus bezeichnen in allen verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen sind:
- 1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
- 2A ein Graph von Testdaten für eine 2,5-Liter-Vierzylinder-Kraftmaschine während des Startens, die eine instabile Verbrennung zeigt, wenn eine erste Masse und eine zweite Masse einer Schwungradanordnung mit wählbarer Masse nicht miteinander verriegelt sind;
- 2B ein Graph von Testdaten für die 2,5-Liter-Vierzylinder-Kraftmaschine, die eine stabile Verbrennung zeigt, wenn die erste Masse und die zweite Masse der Schwungradanordnung mit wählbarer Masse miteinander verriegelt sind;
- 3 ein Graph von Simulationsdaten einer 1,4-Liter-Vierzylinder-Kraftmaschine, der den Zylinderdruck in jedem Zylinder gegenüber der Zeit veranschaulicht;
- 4A ein Graph von Simulationsdaten, die den Kraftmaschinensimulationsdaten von 3 entsprechen, der die Kraftmaschinendrehzahl gegenüber der Zeit zeigt, wenn eine erste Masse und eine zweite Masse einer Schwungradanordnung mit wählbarer Masse nicht verriegelt sind (durchgezogene Linie) bzw. miteinander verriegelt sind (gestrichelte Linie);
- 4B ein Graph von Simulationsdaten, die den Kraftmaschinensimulationsdaten von 3 entsprechen, der eine relative Winkeldrehung zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse der Schwungradanordnung mit wählbarer Masse zeigt, wenn die beiden Massen nicht verriegelt sind (durchgezogene Linie) bzw. miteinander verriegelt sind (gestrichelte Linie); und
- 4C ein Graph von Simulationsdaten, die den Kraftmaschinensimulationsdaten von 3 entsprechen, der eine Antriebsstrang-Rollbeschleunigung gegenüber der Zeit zeigt, wenn die erste Masse und die zweite Masse der Schwungradanordnung mit wählbarer Masse nicht verriegelt sind (durchgezogene Linie) bzw. miteinander verriegelt sind (gestrichelte Linie).
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GENAUE BESCHREIBUNG
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In den Zeichnungen ist ein Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einem Schwungrad mit wählbarer Masse veranschaulicht und mit 10 bezeichnet. Die Hauptkomponenten des Antriebsstrangs umfassen eine Kraftmaschine 12, einen Startermotor 14 und eine Schwungradanordnung 15 mit wählbarer Masse, die einem Getriebe 17 zugeordnet ist. Das Schwungrad 15 mit wählbarer Masse umfasst eine erste Masse 16, die mit der Kraftmaschine 12 über ein Kurbelwelle 18 verbunden ist, und eine zweite Masse 20, die, wie durch eine Linie 19 angegeben ist, mit einer Kupplung 21, die dem Getriebe 17 des Antriebsstrangs 10 zugeordnet ist, wahlweise in Eingriff gelangt. Die erste Masse 16 und die zweite Masse 20 sind über ein Feder- und Dämpfersystem 26, das eine Feder 28 und einen Dämpfer 30 enthält, miteinander gekoppelt und so angeordnet, dass zwischen der ersten Masse 16 und der zweiten Masse 20 eine begrenzte Winkeldrehung geschaffen wird.
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Wenn die Kupplung 21 mit der zweiten Masse 20 in Eingriff ist, wird das von der Kraftmaschine 12 erzeugte Drehmoment über die Kurbelwelle 18 und das Schwungrad 15 mit wählbarer Masse übertragen. Die Kupplung 21 überträgt ihrerseits das Drehmoment über eine Antriebswelle 22 an eine Gruppe von Zahnrädern 24 im Getriebe 17.
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Die erste Masse 16 und die zweite Masse 20 sind dazu ausgelegt, relativ zueinander über eine begrenzte Winkelstrecke drehbar zu sein. Das heißt, dass die zwei Massen 16 und 18 miteinander über die Feder 28 gekoppelt sind, so dass die Drehbewegung zwischen den zwei Massen 16 und 20 eine rotatorische Auslenkung der Feder 28 erzeugt, was ein Rückstelldrehmoment zwischen den zwei Massen erzeugt. Die Kombination aus der Feder 18 und dem Dämpfer 30 senkt das Ausmaß von Torsionsschwingungen, die durch das Zünden der Kraftmaschine 12 erzeugt werden.
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Die Schwungradanordnung 15 mit wählbarer Masse umfasst ferner einen Verriegelungsmechanismus 32, der durch den Startermotor 14 über eine durch den Starter aktivierte Verbindung 33 aktiviert wird, wenn der Fahrer des Fahrzeugs dies wünscht. Während des Startens der Kraftmaschine 12 gelangt der Verriegelungsmechanismus 32 sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Masse 16 bzw. 20 in Eingriff, um die beiden Schwungradmassen 16 und 18 effektiv zu fixieren oder zu verriegeln.
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In der besonderen Anordnung, die in 1 gezeigt ist, ist der Verriegelungsmechanismus 32 eine Welle mit einem Ritzel 34 an einem Ende der Welle 32 und einem weiteren Ritzel 36 am anderen Ende. Während des Startens der Kraftmaschine 12 gelangen die Ritzel 34 und 36 mit Zähnen 38 und 40 um den Umfang der ersten Masse 16 bzw. der zweiten Masse 20 in Eingriff und kämmen mit diesen, um die beiden Massen miteinander zu verriegeln. Wenn daher der Verriegelungsmechanismus durch den Startermotor 14 aktiviert wird, wird die relative Drehbewegung zwischen der ersten Masse 16 und der zweiten Masse 20 beseitigt oder minimiert.
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Andere Anordnungen für den Verriegelungsmechanismus 32 können ebenfalls in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann der Verriegelungsmechanismus ein Klinkenmechanismus sein, der die beiden Massen miteinander verriegelt. In einer weiteren Anordnung kann der Verriegelungsmechanismus ein Stift sein, der an einer der Massen 16 oder 20 befestigt oder vorgesehen ist und während des Startens mit einem Loch in der jeweils anderen Masse in Eingriff gelangt. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung gelangt ein Stift an einer der Massen in Situationen, in denen gewünscht ist, die relative Winkelbewegung zwischen der ersten Masse 16 und der zweiten Masse 20 während des Startens der Kraftmaschine zu reduzieren, nicht jedoch zu beseitigen, mit einem Schlitz in der jeweils anderen Masse in Eingriff.
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In den 2A und 2B sind experimentelle Ergebnisse für eine 2,5-Liter-Vierzylinder-Kraftmaschine gezeigt, die die Wirkungen der Verwendung eines Schwungrads mit wählbarer Masse wie etwa des Schwungrads 15 mit wählbarer Masse veranschaulichen. Insbesondere zeigt 2A Testdaten für die Kraftmaschine während des Startens, wenn die erste Masse 16 und die zweite Masse 20 nicht miteinander verriegelt sind, während 2B Daten für die Kraftmaschine während des Startens zeigt, wenn die beiden Massen miteinander verriegelt sind. Für jeden Graphen repräsentiert die Abszisse die Zeit von 0 bis 0,6 Sekunden, repräsentiert die linke Ordinate die Kraftmaschinendrehzahl von 0 bis 1200 min-1 und repräsentiert die rechte Ordinate den Zylinderdruck von 0 bis 5.700.000 Pa. Ferner sind die spezifischen Kraftmaschinendrehzahldaten durch das Symbol (a) identifiziert, während die spezifischen Drücke in jedem der vier Zylinder durch die Symbole (b), (c), (d) und (e) identifiziert werden. Im Bereich von 0 bis etwa 0,3 s erzeugt der Starter im Wesentlichen den Verdichtungshub, wobei im Fall von 2B der Startermechanismus 15 die beiden Massen 16 und 20 miteinander verriegelt. Bei etwa 0,3 s zündet der erste Zylinder, wobei kurz darauf (bei etwa 0,4 s) der Starter 14 von der Kraftmaschine 12 ausgerückt wird, wobei insbesondere im Fall von 2B der Verriegelungsmechanismus 15 seinen Eingriff mit der ersten und der zweiten Masse 16 bzw. 20 löst, um dadurch die beiden Massen zu entriegeln.
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In 2A gibt es zwei Bereiche von besonderem Interesse in Bezug auf die Zylinderdrücke, wenn die Verbrennung in den Zylindern nach etwa 0,3 s aufzutreten beginnt. Im ersten Bereich, der mit starker Zündung bezeichnet ist, dreht sich die erste Masse 16 und wickelt das Feder- und Dämpfersystem 26 auf, wodurch in den Zylindern hohe Drücke erzeugt werden. Im zweiten Bereich, der mit schwacher Zündung bezeichnet ist, bewirken die Torsionskräfte, die sich aus dem aufgewickelten Feder- und Dämpfersystem 26 ergeben, eine schnelle Drehung der zweiten Masse 20, um die gespeicherte Energie in dem Feder- und Dämpfersystem 26 freizugeben, was geringere Drücke in den Zylindern zur Folge hat. Daher hat das Aufwickeln und Entlasten des Feder- und Dämpfersystems eine instabile Verbrennung zur Folge, worauf große Schwankungen der Kraftmaschinendrehzahl hindeuten, wie durch das obere gestrichelte Oval angegeben ist.
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Wie im Gegensatz dazu in 2B gezeigt ist, verriegelt der Verriegelungsmechanismus 15 die beiden Massen 16 und 20 im Bereich von 0 s bis etwa 0,4 s. Wie in 2B angegeben ist, hat die erhöhte rotatorische Trägheit, die sich aus der Verriegelung der beiden Massen 16 und 20 ergibt, eine Dämpfung oder Beseitigung der Aufwickel- und Freigabeeffekte wie oben beschrieben zur Folge, wodurch die Verbrennung in den Zylindern stabilisiert wird. Ferner sei erwähnt, dass die Zeitspanne, in der die Kraftmaschinenschwingungen sich in verschiedenen Schwingungsarten im Fahrzeug ergeben, etwa um einen Faktor drei verringert wird, wie durch die kleineren gestrichelten Ovale in den 2A und 2B angegeben ist.
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In 3 ist ein Graph von Simulationsdaten einer 1,4-Liter-Vierzylinder-Kraftmaschine gezeigt, der den Zylinderdruck (BAR) in jedem Zylinder aufgetragen gegen die Zeit (Sekunden) veranschaulicht. Der Druck (0 bis 30 BAR) ist auf der Ordinate aufgetragen und die Zeit (0 bis 1 Sekunden) ist auf der Abszisse aufgetragen. Bei etwa 0,8 s zündet der erste Zylinder, woraufhin bei etwa 0,9 s der Starter von der Kraftmaschine getrennt wird. Vor 0,8 s ergeben sich die Schwankungen im Zylinderdruck durch den Starter, der den Verdichtungshub erzeugt.
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4A ist ein Graph von Simulationsdaten, die den Kraftmaschinendaten von 3 entsprechen, der die Kraftmaschinendrehzahl (min-1) gegenüber der Zeit (Sekunden) zeigt, wenn eine erste Masse und eine zweite Masse einer Schwungradanordnung mit wählbarer Masse nicht verriegelt sind (durchgezogene Linie) bzw. miteinander verriegelt sind (gestrichelte Linie).
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Im verriegelten Fall verriegelt ein Verriegelungsmechanismus wie etwa der Verriegelungsmechanismus 15 die beiden Massen bei 0 s miteinander und löst den Eingriff der beiden Massen, wenn der Starter von der Kraftmaschine bei etwa 0,9 s getrennt wird. Wie leicht ersichtlich ist, treten im Bereich von etwa 0,8 s bis etwa 1,2 s viel größere Kraftmaschinendrehzahlschwankungen im Vergleich zu der verriegelten Anordnung auf, wenn die zwei Massen nicht miteinander verriegelt sind.
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In 4B ist ein Graph von Simulationsdaten gezeigt, der die relative Winkeldrehung zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse der Schwungradanordnung 15 mit wählbarer Masse zeigt, wenn die zwei Massen nicht verriegelt sind (durchgezogene Linie) bzw. miteinander verriegelt sind (gestrichelte Linie). In der nicht verriegelten Anordnung können leicht große Winkelschwankungen zwischen den zwei Massen beobachtet werden, nachdem der erste Zylinder zündet (bei etwa 0,8 s). Im Gegensatz dazu gibt es minimale oder keine Winkelschwankungen, wenn die beiden Massen miteinander verriegelt sind.
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Schließlich ist 4C ein Graph von Simulationsdaten, der eine Antriebsstrang-Rollbeschleunigung (d. h. die Drehbeschleunigung um den Schwerpunkt des Antriebsstrangs) gegenüber der Zeit zeigt, wenn die erste Masse und die zweite Masse der Schwungradanordnung mit wählbarer Masse nicht verriegelt sind (durchgezogene Linie) bzw. miteinander verriegelt sind (gestrichelte Linie). Es ist ersichtlich, dass nach etwa 0,8 s und danach die nicht verriegelte Anordnung viel größere Schwankungen der Antriebsstrang-Rollbeschleunigung als die verriegelte Anordnung zur Folge hat.
