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Die Erfindung betrifft ein Isolationssystem eines Verbrennungsmotors mit einem Motorgehäuse und einer um eine Drehachse verdrehbaren Kurbelwelle enthaltend eine auf der Kurbelwelle zentriert angeordnete Schwungmasse sowie eine gegenüber dieser konzentrisch und gegenüber dieser um einen Relativwinkel relativ verdrehbaren sowie abhängig von Beschleunigungen der Schwungmasse drehangetriebenen Tilgermasse.
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Verbrennungsmotoren sind bezüglich des Betriebswinkels der Kurbelwelle drehschwingungsbehaftet, da die Zylinder mit ihren Hubkolben bei unterschiedlichen Betriebswinkeln gezündet werden und die bei Verbrennung des gezündeten Brennstoffgemisches im Hubraum verlagerten Kolben eine mittels der Pleuel über den Betriebswinkel ungleichmäßige Kraft beziehungsweise ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausüben. Dabei entwickeln sich abhängig von der Anzahl der Zylinder und abhängig vom Arbeitsprinzip des Verbrennungsmotors vorgegebene Schwingungsordnungen. Beispielsweise tritt bei nicht gleichzeitig befeuerten Zylindern eines nach dem Viertaktprinzip betriebenen Zweizylindermotors pro Umdrehung der Kurbelwelle ein Drehmomentimpuls bei Zündung eines der Zylinder aus, so dass Drehungleichförmigkeiten mit dem Schwingungsgrad eins entstehen.
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Zur Schwingungsisolation der Drehschwingungen werden Drehschwingungstilger und/oder Drehschwingungsdämpfer herangezogen, die an der Kurbelwelle selbst beispielsweise als Kurbelwellenwangentilger oder in Form von Einmassenschwungrädern mit hoher Schwungmasse vorgesehen sind. Einmassenschwungräder erfordern dabei vergleichsweise hohe Trägheitsmomente, die zu einem Verlust der Drehfreudigkeit des Verbrennungsmotors führen.
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Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit einer höheren Anzahl von Zylindern und bevorzugt nach dem Dieselprinzip werden geteilte Schwungräder und/oder Fliehkraftpendel zur Schwingungsisolation eingesetzt. Bei kleinen und gewichtsreduzierten Verbrennungsmotoren, beispielsweise für Motorräder oder für kleine Personenkraftwagen beziehungsweise im Zuge von Energieeinsparmaßnahmen auch in größeren Personenkraftwagen dem „Downsizing-Prinzip“ unterworfenen Verbrennungsmotoren ist teilweise für bauraumintensive Schwingungsisolationen der Bauraum nicht vorhanden.
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Aus der
DE 196 49 712 A1 ist eine Einrichtung zur Schwingungsisolation bekannt, bei der die an der Kurbelwelle aufgenommene Schwungmasse mit einem von der Beschleunigung der Kurbelwelle abhängigen Trägheitsmoment versehen ist. Hierbei werden durch Relativverdrehung eines fest auf der Kurbelwelle angeordneten Mitnehmers und einem zu diesem verdrehbar angeordneten Massering Schwungmasseelemente radial verlagert.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verbrennungsmotors mit sich abhängig von der Beschleunigung änderndem Trägheitsmoment mit einer geringen Anzahl radial verlagerter Teile.
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Die Aufgabe wird durch ein Isolationssystem eines Verbrennungsmotors mit einem Motorgehäuse und einer um eine Drehachse verdrehbaren Kurbelwelle, enthaltend eine auf der Kurbelwelle zentriert angeordnete Schwungmasse sowie eine gegenüber dieser konzentrisch und gegenüber dieser um einen Relativwinkel relativ verdrehbaren sowie abhängig von Beschleunigungen der Schwungmasse drehangetriebenen Tilgermasse gelöst, wobei an der Tilgermasse und an der Schwungmasse jeweils ein exzentrisch zur Drehachse angeordneter erster und zweiter Exzenterzapfen mit einem an diesen verdrehbar angeordneten ersten und zweiten Hebel und ein am Motorgehäuse von einem Aktor radial gegenüber der Drehachse verlagerbarer dritter Exzenterzapfen mit einem verdrehbar an diesem aufgenommenen dritten Hebel vorgesehen und die den Exzenterzapfen gegenüberliegenden Hebelenden der Hebel an einem gemeinsamen Stützpunkt verdrehbar aufgenommen sind.
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Durch eine Anpassung des Isolationssystems an eine Ordnung der Schwingungsformen eines Verbrennungsmotors, beispielsweise einen mit zwei Zylindern und mit 360° versetzter Zündfolge versehenen Verbrennungsmotor mit Schwingungen erster Ordnung oder einen Verbrennungsmotor mit vier nacheinander mit um 180° versetzter Zündfolge mit Schwingungen zweiter Ordnung können die Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors direkt mittels des vorgeschlagenen Isolationssystems kompensiert werden. Andere Zündfolgen und/oder Zylinderzahlen mit geänderten Schwingungsordnungen können mittels zwischen der Kurbelwelle und dem Isolationssystem angeordneter Übersetzungen entsprechend kompensiert werden. Ein durch Befeuerung eines Zylinders erzeugter Drehmomentstoß wird mittels des Isolationssystems zumindest teilweise getilgt, indem über deren Verdrehweg Schwungmasse und Tilgermasse um einen vorgegebenen Relativwinkel gegeneinander verdreht werden, so dass die daraus resultierende Änderung des Massenträgheitsmoments mit dem Drehmomentverhalten des Verbrennungsmotors in Übereinstimmung gebracht wird. Beispielsweise tritt bei einem Verbrennungsmotor mit zwei im Abstand von 360° befeuerten Zylindern ein Drehmomentmaximum auf, welches durch entsprechende Winkelanordnung auf der Kurbelwelle und entsprechende Synchronisation des maximalen Relativwinkels auf den Drehmomentverlauf zumindest teilweise getilgt wird.
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Hierbei ist durch radiale Verlagerung des an dem Motorgehäuse des Verbrennungsaktors angeordneten Exzenterzapfens der Relativwinkel von Schwungmasse und Tilgermasse steuerbar und an das Drehmomentverhalten des Verbrennungsmotors anpassbar. Beispielsweise kann beim Start des Verbrennungsmotors der Exzenterzapfen wirksam auf die Drehachse der Kurbelwelle verlagert werden, so dass sich das Isolationssystem wie ein starres Schwungrad verhält. Der den dritten Exzenterzapfen ansteuernde wie radial verlagernde Aktor kann von einem Steuergerät angesteuert sein, welches Daten zum Betrieb des Verbrennungsmotors, beispielsweise ein Kennfeld mit Motormomenten, Drehzahlen, Drosselklappenwinkeln und dergleichen, enthält oder erfasst, so dass der Relativwinkel drehzahl- und/oder momentenabhängig an vorgegebene Drehmomentschwankungen angepasst werden kann.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel eines Isolationssystems können erster und zweiter Hebel gleich lang ausgebildet sein, so dass deren Belastung gleichmäßig ausgelegt und keiner dieser das Gesamtsystem verschlechternde Eigenschaften aufweist. Weiterhin kann der dritte Hebel länger als der erste und der zweite Hebel sein. Hierdurch können die Exzenterzapfen an Schwungmasse und Tilgermasse radial weit außen angeordnet werden, so dass hohe Relativwege zur Verfügung stehen. Weiterhin wird ein hoher Tilgungsgrad verwirklicht, wenn die Schwungmasse zumindest denselben Durchmesser wie die Tilgermasse aufweist.
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Um die Exzenterzapfen ohne Umlenkung mit den Hebeln verbinden zu können und bevorzugt ohne größere als die durch Überschneidungen der Hebel notwendigen Axialversätze anordnen zu können, sind die Hebel auf der dem Verbrennungsmotor zugewandten Seite der Schwungmasse angeordnet. Um weiterhin die Schwungmasse nicht übergreifen zu müssen, kann der Exzenterzapfen der Tilgermassen einen in Höhe eines maximalen Relativwinkels zwischen der Schwungmasse und der Tilgermasse ausgesparten Ausschnitt axial durchgreifen.
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Die Exzenterzapfen sind an der Schwung- und an der Tilgermasse so weit radial außen angeordnet wie konstruktive Grenzen dies beispielsweise aus Festigkeitsgründen, notwendigen Lagerdurchmessern und dergleichen zulassen. Insoweit ist bei größerer Schwungmasse der Exzenterzapfen der Schwungmasse bevorzugt radial außerhalb des Exzenterzapfens der Tilgermasse angeordnet.
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Der maximale Relativwinkel zwischen Schwungmasse und Tilgermasse kann abhängig von den gewählten Hebellängen bei verschiedenen Winkeln der ersten und zweiten Hebel zueinander erzielt werden. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn bei maximalem Relativwinkel die ersten und zweiten Hebel und damit die ersten und zweiten Exzenterzapfen und der Stützpunkt in Linie angeordnet sind. Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn bei einer Verlagerung des dritten Exzenterzapfens auf die Drehachse die ersten und zweiten Exzenterzapfen und der Stützpunkt in Linie angeordnet sind, also der Relativwinkel maximal ist.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Isolationssystems in Ansicht,
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2 bis 4 das Isolationssystem der 1 bei weiteren Verdrehwinkeln und
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5 das Isolationssystem der 1 bis 4 in starrem Betriebszustand.
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1 zeigt in schematischer Darstellung das Isolationssystem 1 in Ansicht mit der um den Verdrehwinkel β um die Drehachse 2 verdrehbaren Schwungmasse 3 und der bezüglich ihres Durchmessers kleineren Tilgermasse 4. Die Schwungmasse 3 ist auf einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zentriert und fest aufgenommen. Die Tilgermasse 4 ist auf der Schwungmasse 3 konzentrisch und um den Relativwinkel α relativ verdrehbar gelagert. Die Einstellung des Relativwinkels α abhängig vom Verdrehwinkel β erfolgt mittels der Hebel 5, 6, 7. Hierbei sind der Hebel 5 verdrehbar an dem Exzenterzapfen 8 der Schwungmasse 3, der Hebel 6 an dem Exzenterzapfen 9 der Tilgermasse 4 und der Hebel 7 an dem Exzenterzapfen 10 verdrehbar befestigt. Die Exzenterzapfen 8, 9 sind jeweils fest auf der Schwungmasse 3 beziehungsweise der Tilgermasse 4 aufgenommen, während der Exzenterzapfen 10 radial gegenüber der Drehachse 2 verlagerbar an dem nicht dargestellten Motorgehäuse des Verbrennungsmotors befestigt ist. Die radiale Verlagerung des Exzenterzapfens 10 erfolgt mittels eines von außen gesteuerten – nicht dargestellten – Aktors abhängig von vorgegebenen Betriebssituationen des Verbrennungsmotors entlang des Doppelpfeils 11. An den den Exzenterzapfen 8, 9, 10 gegenüberliegenden Hebelenden der Hebel 5, 6, 7 sind diese an dem gemeinsamen Stützpunkt 12 aufgenommen.
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Durch die sich durch die Hebel 5, 6, 7 und deren Befestigung einstellende Kinematik werden die Schwungmasse 3 und die Tilgermasse 4 bei einer Verdrehung der Schwungmasse 3 um die Drehachse 2 gegeneinander verdreht, wodurch sich das Massenträgheitsmoment des Isolationssystems 1 ändert, ohne eine radiale Verlagerung dieser vornehmen zu müssen. Das sich ändernde Massenträgheitsmoment wirkt dabei auf in die Kurbelwelle eingetragene Drehmomentänderungen ein, die abhängig von der Befeuerung der Zylinder auftreten. Durch die exzentrische Aufnahme des Hebels 7 gegenüber der Drehachse 2 der Kurbelwelle und der Hebellänge des Hebels 7 lassen sich über eine Umdrehung der Schwungmasse 3 ein oder zwei Zustände mit maximalem Relativwinkel α einstellen, was bedeutet, dass Schwingungsordnungen erster oder zweiter Ordnung beziehungsweise ein Verbrennungsmotor mit zwei oder vier Zylindern bedämpft werden kann.
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Die 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Betriebszustände I, II, II, IV des Isolationssystems bei um die Verdrehwinkel β = 0°, β = 90°, β = 180° und β = 270° verdrehtem Schwungrad. Der in Betriebszustand I ursprünglich eingestellte Verdrehwinkel β = 0° erzeugt durch die Hebelkonstellation der Hebel 5, 6, 7 den zugehörigen Relativwinkel α. Wird die Schwungmasse 3 entgegen den Uhrzeigersinn verdreht, verlagert sich der Stützpunkt 12 gegenüber dem Exzenterzapfen 10, so dass Schwungmasse 3 und Tilgermasse 4 zwangsgesteuert gegeneinander verdreht werden, wobei sich daher der Relativwinkel α vergrößert, bis – wie in 2 dargestellt – die Exzenterzapfen 8, 9 und der Stützpunkt 12 linear zueinander angeordnet sind und der maximale Relativwinkel α erreicht ist. Eine weitere Verdrehung verringert den Relativwinkel α wieder bis – wie in 3 dargestellt – durch lineare Lage von Drehachse 2, Exzenterzapfen 10 und Stützpunkt 12 die Exzenterzapfen 8 und 9 einander maximal angenähert und damit ein minimaler Relativwinkel α eingestellt wird. Bei weiterer Verdrehung der Schwungmasse 3 nimmt der Relativwinkel α wieder zu, bis dieser im Betriebszustand IV wieder infolge der zweiten Linearstellung der Exzenterzapfen 8, 9 und des Stützpunkts 12 maximal ist. Nachfolgend nimmt der Relativwinkel α wieder ab und nähert sich dem minimalen Realwinkel α des Betriebszustands I.
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5 zeigt das Isolationssystem 1 in starrem Betriebszustand, bei dem über den Verdrehwinkel β kein Relativwinkel eingestellt wird. Dies wird erzielt, indem der Exzenterzapfen 10 von dem diesen steuerenden Aktor auf die Drehachse 2 verlagert wird, so dass die Exzenterwirkung des Exzenterzapfens 10 entfällt. Die Schwungmasse 3 und die Tilgermasse 4 sind dabei mittels der Hebel 5, 6 starr miteinander verbunden, wobei die verdrehbare Aufnahme am Stützpunkt 12 durch den Hebel 7 gegenüber dem Exzenterzapfen 10 abgestützt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolationssystem
- 2
- Drehachse
- 3
- Schwungmasse
- 4
- Tilgermasse
- 5
- Hebel
- 6
- Hebel
- 7
- Hebel
- 8
- Exzenterzapfen
- 9
- Exzenterzapfen
- 10
- Exzenterzapfen
- 11
- Doppelpfeil
- 12
- Stützpunkt
- I
- Betriebszustand
- II
- Betriebszustand
- III
- Betriebszustand
- IV
- Betriebszustand
- α
- Relativwinkel
- β
- Verdrehwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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