DE102013100964A1 - Method for actively damping torsional vibrations of a shaft of an engine, in particular a crankshaft of a reciprocating engine, and a corresponding arrangement for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Kurbelwelle (2) einer Hubkolbenmaschine (1), umfasst folgende Verfahrensschritte: (S1) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1); (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und (S3) Aktives Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle (2) in Wirkverbindung stehenden Aktors (8) mit den bestimmten Ansteuerungsdaten. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist auf: a) eine Hubkolbenmaschine (1) mit einer Kurbelwelle (2) und einem Motorsteuergerät (3); und b) eine Dämpfungsvorrichtung (4) mit einem Dämpfungssteuergerät (9) zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung (4), einer Sensoreinrichtung (5) zur Erfassung einer Drehzahl (n) der Kurbelwelle (2) und einem Aktor (8) zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle (2). Die Sensoreinrichtung (5) und der Aktor (8) sind in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle (2) an dieser angebracht.A method for actively damping torsional vibrations of a crankshaft (2) of a reciprocating piston engine (1) comprises the following method steps: (S1) acquiring input data by measuring operating states of the reciprocating piston engine (1); (S2) determining activation data on the basis of the input data recorded; and (S3) active damping of the torsional vibrations of the crankshaft (2) by controlling an actuator (8) that is operatively connected to the crankshaft (2) with the determined control data. An arrangement for carrying out the method has: a) a reciprocating piston engine (1) with a crankshaft (2) and an engine control unit (3); and b) a damping device (4) with a damping control device (9) for controlling the damping device (4), a sensor device (5) for detecting a speed (n) of the crankshaft (2) and an actuator (8) for damping torsional vibrations of the Crankshaft (2). The sensor device (5) and the actuator (8) are attached to the crankshaft (2) in operative connection with the latter.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for actively damping torsional vibrations of a shaft of a machine, in particular a crankshaft of a reciprocating engine. The invention also relates to a corresponding arrangement for carrying out the method.
Drehschwingungen, die auch als Torsionsschwingungen bezeichnet werden, einer Welle einer Maschine sind Drehungleichförmigkeiten, die durch Schwankungen der Drehzahl der Welle erzeugt werden können. Dies kommt bei vielen dynamischen Betrieben von Maschinen vor, wobei z.B. periodisch oder auch aperiodisch auftretende Drehmomente, beispielsweise durch den Antrieb der Welle oder/und durch unterschiedliche Belastungen der Funktionseinheiten, die von der Welle angetrieben werden, entstehen. Drehschwingungen können die Welle, z.B. durch Torsionsspannungen, in ihrer Festigkeit so beanspruchen, dass zum Erreichen einer bestimmten Dauerfestigkeit entsprechende Dimensionierungsmaßnahmen wie auch eine Auswahl höherwertiger Werkstoffe erforderlich ist.Torsional vibrations, also referred to as torsional vibrations, of a shaft of a machine are rotational nonuniformities that can be generated by fluctuations in the rotational speed of the shaft. This occurs in many dynamic operations of machines, e.g. Periodically or aperiodically occurring torques, for example by the drive of the shaft and / or by different loads of the functional units that are driven by the shaft arise. Torsional vibrations may cause the shaft, e.g. By torsional stresses, so stress in their strength that to achieve a certain fatigue strength appropriate dimensioning measures as well as a selection of higher quality materials is required.
Die Wellen sind insbesondere Kurbelwellen von Hubkolbenmaschinen, welche z.B. Diesel-, Benzin-, oder Gasmotoren sind. Auch Hydraulik-, Pneumatik- und Dampfmotoren können Hubkolbenmaschinen sein. Eine Hubkolbenmaschine kann z.B. als Antrieb für ein Fahrzeug, eine Baumaschine o.dgl. oder als ortsfester oder ortsveränderlicher Antrieb für mannigfaltige Antriebswecke eingesetzt werden.The shafts are in particular crankshafts of reciprocating engines, which are e.g. Diesel, gasoline, or gas engines are. Hydraulic, pneumatic and steam engines can also be reciprocating engines. A reciprocating engine may e.g. as a drive for a vehicle, a construction machine or the like. or used as a stationary or portable drive for a variety of drive purposes.
Zurzeit werden zur Reduktion von Spannungen in Kurbelwellen passive Drehschwingungsdämpfer verwendet. Dies sind z.B. Schwungräder und spezielle passive Dämpfer, wie sie als Beispiele zur Illustration beispielsweise in den Dokumenten
Im Zuge von immer höheren Anforderungen an kleine Bauweise bei gleicher Effizienz, geringem Gewicht und niedrigen Kosten, insbesondere im Fahrzeugbereich, besteht ein ansteigender Bedarf an effektiven Dämpfungsvorrichtungen.In the wake of ever-increasing requirements for small construction with the same efficiency, low weight and low cost, especially in the vehicle sector, there is an increasing demand for effective damping devices.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to provide an improved method for damping torsional vibrations of a shaft of a machine.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.Another object is to provide an improved arrangement for carrying out such a method.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit Anordnungen mit den Merkmalen des Anspruchs 21 und 25 gelöst.The object is achieved by a method having the features of
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein aktives Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Aktors mit bestimmten Ansteuerungsdaten vorgenommen wird.A basic idea of the invention is that active damping of the torsional vibrations of the crankshaft is carried out by activating an actuator which is operatively connected to the crankshaft with specific activation data.
Demgemäß weist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine folgende Verfahrensschritte auf: (S1) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine; (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und (S3) Aktives Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Aktors mit den bestimmten Ansteuerungsdaten.Accordingly, a method according to the invention for actively damping torsional vibrations of a shaft of an engine, in particular a crankshaft of a reciprocating engine, comprises the following method steps: (S1) detecting input data by measuring operating states of the reciprocating engine; (S2) determining driving data based on the detected input data; and (S3) actively dampening the torsional vibrations of the crankshaft by driving an actuator operatively connected to the crankshaft with the determined drive data.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Dämpfung der Drehschwingungen der Welle, insbesondere Kurbelwelle, nicht durch ein passives System, sondern durch einen Aktor vorgenommen wird. Der Aktor wird mit Ansteuerungsdaten versorgt, die aus Eingangsdaten bestimmt werden, durch Messungen des Betriebszustands der Kurbelwelle bzw. der der Kurbelwelle zugeordneten Maschine erhalten werden.This advantageously ensures that the damping of the torsional vibrations of the shaft, in particular crankshaft, is not performed by a passive system, but by an actuator. The actuator is supplied with drive data determined from input data obtained by measurements of the operating state of the crankshaft and the engine associated with the crankshaft, respectively.
Der Betriebszustand der Kurbelwelle mit der dazugehörigen Maschine bzw. Hubkolbenmaschine kann anhand von Daten der Drehzahl und Winkellage der Kurbelwelle sowie der aktuellen Belastung der Maschine erfasst werden.The operating state of the crankshaft with the associated machine or reciprocating piston engine can be detected on the basis of data of the rotational speed and angular position of the crankshaft and the current load of the machine.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit beliebigen Aktoren umgesetzt werden, solange diese das Aufbringen eines wechselnden Drehmoments mit einer anwendungsabhängigen Amplitude und Bandbreite ermöglichen.The inventive method can be implemented with any actuators, as long as they allow the application of an alternating torque with an application-dependent amplitude and bandwidth.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist Folgendes auf: a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle, und einem Motorsteuergerät; und b) eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Dämpfungssteuergerät zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung, einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Drehzahl der Kurbelwelle und einem Aktor zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle. Die Sensoreinrichtung und der Aktor sind in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle an dieser angebracht.An arrangement according to the invention for carrying out the method comprises: a) a machine having a shaft, in particular a reciprocating piston engine with a crankshaft, and an engine control unit; and b) a damping device with a damping control device for controlling the damping device, a sensor device for detecting a rotational speed of the crankshaft and an actuator for damping torsional vibrations of the crankshaft. The sensor device and the actuator are in Operative connection with the crankshaft attached to this.
Die aktive Dämpfung der Drehschwingungen bietet den Vorteil einer maximalen Reduktion der Amplituden der Drehschwingung und damit der Spannungen in der zugehörigen Welle.The active damping of the torsional vibrations offers the advantage of a maximum reduction in the amplitudes of the torsional vibration and thus the voltages in the associated shaft.
Außerdem ist eine Reduktion der Amplituden der Drehschwingungen über den gesamten Frequenzbereich im Gegensatz zu einem passiven Drehschwingungsdämpfer möglich. Der passive Drehschwingungsdämpfer bedämpft ausschließlich Resonanzfrequenzen der Kurbelwelle. Das erfindungsgemäße aktive System kann Schwingungen bei beliebigen Frequenzen, d.h. auch außerhalb der Resonanz, bedämpfen. Diese Eigenschaft ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn z.B. durch den Verlauf des Gasdrucks über der Drehzahl bei einer Hubkolbenmaschine nicht nur die erste, sondern weitere Eigenfrequenzen angeregt werden. Dann ist eine Bedämpfung mit einem konventionellen Dämpfer nicht mehr möglich, es müssten dann mindestens zwei unterschiedliche konventionelle Dämpfer eingesetzt werden.In addition, a reduction in the amplitudes of the torsional vibrations over the entire frequency range in contrast to a passive torsional vibration damper is possible. The passive torsional vibration damper only dampens resonance frequencies of the crankshaft. The active system according to the invention can detect vibrations at any frequencies, i. also outside the resonance, dampen. This property is especially advantageous when e.g. not only the first, but other natural frequencies are excited by the course of the gas pressure above the speed in a reciprocating engine. Then a damping with a conventional damper is no longer possible, it would then be used at least two different conventional damper.
Ein noch weiterer Vorteil ergibt sich durch eine Reduktion des Bauraums und/oder durch eine Verwendung bereits vorhandener Aktorik. In Abhängigkeit des verwendeten Aktors kann eine Reduktion des benötigten Bauraums erreicht werden. Sind bereits aktive Elemente im Antriebsstrang vorhanden (z.B. bei Hybrid-Antrieben), kann es möglich sein, diese Elemente zur Schwingungsdämpfung mit zu verwenden und somit die Notwendigkeit für den Einsatz eines konventionellen Dämpfers zu umgehen.Yet another advantage results from a reduction in the installation space and / or by using already existing actuators. Depending on the actuator used, a reduction of the required installation space can be achieved. If there are already active elements in the powertrain (e.g., in hybrid drives), it may be possible to use these elements to dampen vibration, thereby circumventing the need for a conventional damper.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, die Drehschwingungen in der Kurbelwelle in zwei laufende Wellen auseinanderzurechnen und dem System (Kurbelwelle und Hubkolbenmaschine) Energie zu entziehen, indem die in Richtung des Aktors laufende Welle im Aktor kompensiert wird. Durch die Kompensation der zum Aktor hinlaufenden Welle im Aktor wird eine Reflektion der Welle in das System verhindert und hierdurch dem System Energie entzogen, das System folglich bedämpft. Die Theorie zur Berechnung von laufenden Wellen anhand von zwei Messpunkten wird z.B. in dem Dokument
Dazu weist in einer Ausführung das Bestimmen von Ansteuerungsdaten des Verfahrens die folgenden Teilschritte auf: (S2.1) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle; (S2.2) Bestimmen einer aktuellen Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine; und (S2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Auslesen zugehöriger, vorher gespeicherter Ansteuerungsdaten anhand der bestimmten Drehzahl der Kurbelwelle, Winkellage der Kurbelwelle und Motorlast.For this purpose, in one embodiment, determining drive data of the method comprises the following substeps: (S2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft; (S2.2) determining a current engine load of the current operating state of the reciprocating engine; and (S2.3) determining the drive data by reading associated previously stored drive data based on the determined rotational speed of the crankshaft, angular position of the crankshaft, and engine load.
Die Ansteuerungsdaten für den Aktor müssen wie oben schon beschrieben vorteilhaft nicht in Echtzeit berechnet werden. Sie sind vorher in einer Speichereinrichtung gespeichert worden und brauchen nur noch anhand der bestimmten aktuellen Eingangsdaten Drehzahl, Winkellage und Motorlast aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden. Die Ansteuerungsdaten werden vorher, z.B. auf einem Prüfstand oder/und durch ein Simulationsprogramm, generiert und abgespeichert. Dies ist möglich, da das System Maschine/Welle aufgrund bekannter Anregung und erhöhter Dämpfung in jedem Betriebszustand, d.h. bei jeder möglichen Kombination aus Drehzahl und Motorlast, als quasi-stationär angenommen werden kann. Es ist daher möglich, die benötigten Ansteuerungsdaten einmalig aufzuzeichnen.Advantageously, the activation data for the actuator need not be calculated in real time as described above. They have previously been stored in a memory device and only need to be read from the memory device on the basis of the specific current input data speed, angular position and engine load. The drive data is pre-set, e.g. on a test bench and / or by a simulation program, generated and stored. This is possible because the machine / shaft system, due to known excitation and increased damping in any operating condition, i. at any possible combination of engine speed and engine load, can be considered as quasi-stationary. It is therefore possible to record the required control data once.
In dem Teilschritt (S2.1) erfolgt das Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle anhand von Messdaten einer Sensoreinrichtung. Weiterhin wird in dem Teilschritt (S2.2) das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine durchgeführt. Diese Erfassung von Messdaten ist einfach.In the sub-step (S2.1), the determination of the current rotational speed and the current angular position of the crankshaft takes place on the basis of measured data of a sensor device. Furthermore, in sub-step (S2.2), the determination of a current engine load is carried out on the basis of data from an engine control unit of the reciprocating piston engine. This acquisition of measurement data is easy.
In einer weiteren Ausführung erfolgt in dem Teilschritt (S2.3) das Auslesen der vorher gespeicherten Ansteuerungsdaten aus einem dreidimensionalen Look-Up-Table. Ein Vorteil dabei ist, dass anstatt zwei hochgenauer Sensoren nur noch ein Sensor mit deutlich geringerer Genauigkeit benötigt wird. Anhand dieses Sensors bzw. dieser Sensoreinrichtung können die Drehzahl sowie die momentane Winkellage der Kurbelwelle bestimmt werden. Die Winkellage (etwa gegenüber OT) wird benötigt, um die Ansteuerung zur Bedämpfung der Drehschwingungen phasenrichtig aufzubringen. Die ebenfalls benötigte Motorlast kann in einfacher Weise aus den Daten des Motor- bzw. Maschinenmanagements entnommen werden.In a further embodiment, in the sub-step (S2.3), the previously stored control data are read from a three-dimensional look-up table. An advantage is that instead of two high-precision sensors, only one sensor with significantly lower accuracy is required. Based on this sensor or this sensor device, the rotational speed and the instantaneous angular position of the crankshaft can be determined. The angular position (approximately opposite TDC) is required in order to apply the control in the correct phase for damping the torsional vibrations. The engine load also required can be easily taken from the data of the engine or engine management.
In einer noch weiteren Ausführung wird im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle eine Energierückgewinnung mittels des Aktors durchgeführt. Somit kann die dem System durch Dämpfung entzogene Energie z.B. als elektrische Energie in einer wiederaufladbaren Batterie, z.B. in einer Fahrzeugbatterie, gespeichert und wieder verwendet werden.In a still further embodiment, energy recovery by means of the actuator is carried out in method step (S3) during active damping of the torsional vibrations of the crankshaft. Thus, the energy extracted from the system by damping, for example, as electrical energy in a rechargeable battery, eg in a vehicle battery, stored and reused.
Damit wird eine Reduktion einer Wärmeabgabe und eine Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur erzielt. Ein konventioneller Dämpfer wandelt die Energie der Drehschwingung in Wärme um und gibt diese an die Umgebung ab, d.h. die Energie wird über die Systemgrenzen dissipiert. In Abhängigkeit des verwendeten Aktors ist bei der erfindungsgemäßen aktiven Dämpfungsvorrichtung die Rückgewinnung der Schwingungsenergie z.B. in Form von elektrischer Energie möglich. Entsprechend wird in einem solchen Fall keine Wärme dissipiert. Weiterhin kann es sein, dass aufgrund der Einbausituation Temperaturen auftreten, die zu einer sehr schnellen Beeinträchtigung des Silikonöls in Viskositäts-Drehschwingungsdämpfern führen können und deren Funktion mindern. Ein Aktor, der weniger temperaturempfindlich ist, kann hingegen verwendet werden.This achieves a reduction of heat emission and independence from the ambient temperature. A conventional damper converts the energy of the torsional vibration into heat and releases it to the environment, i. the energy is dissipated across the system boundaries. Depending on the actuator used, in the active damping device according to the invention, the recovery of the vibration energy is e.g. possible in the form of electrical energy. Accordingly, no heat is dissipated in such a case. Furthermore, it may be that temperatures occur due to the installation situation, which can lead to a very rapid deterioration of the silicone oil in viscosity torsional vibration dampers and reduce their function. An actuator that is less sensitive to temperature, however, can be used.
In einer weiteren Ausführung umfasst das Verfahren für das Erzeugen der vorher gespeicherten Ansteuerungsdaten folgende Verfahrensschritte: (S’1) Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine; (S’2) Generieren von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und (S’3) Speichern der so generierten Ansteuerungsdaten in einem Speichermedium. Das Speichern bzw. Aufzeichnen kann einmalig erfolgen. Es können Kopien für die jeweiligen Speichereinrichtungen der Dämpfungsvorrichtungen für den praktischen Einsatz erfolgen.In a further embodiment, the method for generating the previously stored drive data comprises the following method steps: (S'1) detecting input data of operating states of the reciprocating engine; (S'2) generating drive data based on the detected input data; and (S'3) storing the thus generated drive data in a storage medium. The saving or recording can be done once. Copies may be made for the respective storage devices of the damping devices for practical use.
Das Generieren von Ansteuerungsdaten umfasst folgende Teilschritte: (S’2.1) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle, sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine; (S’2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten Messdaten als Eingangsdaten; und (S’2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition.Generating control data comprises the following sub-steps: (S'2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft, and determining an engine load of the current operating state of the reciprocating engine; (S'2.2) calculating a wave decomposition with the thus determined measurement data as input data; and (S'2.3) determining the drive data based on the calculated results of the wave decomposition.
Die benötigten Ansteuerungsdaten können aus einem Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine auf einem Prüfstand einmalig erfolgen. Dabei erfolgt in dem Teilschritt (S’2.1) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle anhand von Messdaten von zwei Sensoreinrichtungen, wobei das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine durchgeführt wird. The required control data can be done once from a detection of input data of operating states of the reciprocating engine on a test bench. In this case, in the partial step (S'2.1), the determination of the current rotational speed and the current angular position of the crankshaft is carried out on the basis of measured data from two sensor devices, whereby the determination of a current engine load is carried out on the basis of data of an engine control device of the reciprocating piston engine.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine ein Erfassen von Daten aus einem Simulationsverfahren von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine aufweist.Alternatively or additionally, it is also possible for the detection of input data of operating states of the reciprocating piston engine to comprise acquisition of data from a simulation method of operating states of the reciprocating piston engine.
In einer Ausführung umfasst das Generieren von Ansteuerungsdaten folgende Teilschritte: (S’2.1) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle, sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine aus den Daten des Simulationsverfahrens; (S’2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten Daten als Eingangsdaten; und (S’2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition.In one embodiment, the generation of drive data comprises the following substeps: (S'2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft, and determining an engine load of the current operating state of the reciprocating engine from the data of the simulation method; (S'2.2) calculating a wave decomposition with the thus determined data as input data; and (S'2.3) determining the drive data based on the calculated results of the wave decomposition.
Dabei erfolgt in dem Teilschritt (S’2.2) das Berechnen der Wellendekomposition in zwei laufende Wellen in Echtzeit.In this case, in the sub-step (S'2.2), the calculation of the wave decomposition into two running waves takes place in real time.
Weiterhin wird in dem Teilschritt (S’2.3) das Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Verwenden der in einer Längsrichtung der Kurbelwelle auf den Aktor zulaufende Welle der zwei laufenden Wellen der Wellendekompositionsberechnung durchgeführt.Further, in the substep (S'2.3), the determination of the drive data is performed by using the shaft of the two traveling waves of the shaft decomposition calculation, which is incident on the actuator in a longitudinal direction of the crankshaft.
Es ist auch in einer Variante möglich, dass die erfassten Eingangsdaten zunächst zwischengespeichert werden und aus diesen zwischengespeicherten Eingangsdaten die einmalig zu speichernden Ansteuerungsdaten nachträglich berechnet werden.It is also possible in a variant that the detected input data are initially stored temporarily and the drive data to be stored once are subsequently calculated from these temporarily stored input data.
In einer weiteren Ausführung erfolgt das Speichern der generierten Ansteuerungsdaten in dem Speichermedium als ein dreidimensionaler Look-Up-Table. Natürlich kann auch eine andere Art, z.B. eine drei- oder n-dimensionale Matrix generiert werden.In a further embodiment, the storage of the generated drive data in the storage medium takes place as a three-dimensional look-up table. Of course, another type, e.g. a three- or n-dimensional matrix are generated.
Somit können die Ansteuerungsdaten, die zur Ansteuerung des Aktors erforderlich sind, für jede mögliche Kombination aus Drehzahl und Motorlast vorher generiert und für eine jederzeitige, spätere Verwendung aufgezeichnet werden. Damit ist es möglich, dass für jeden Typ von Maschine bzw. Hubkolbenmaschine die Ansteuerungsdaten vorher aufgezeichnet werden können.Thus, the drive data required to drive the actuator may be pre-generated for each possible combination of speed and engine load and recorded for future use at any time. Thus, it is possible that for each type of engine or reciprocating engine, the driving data can be previously recorded.
Dieses Verfahren mit dem Auslesen vorher gespeicherter Ansteuerungsdaten wurde anhand eines Simulationsmodells untersucht. Die Ergebnisse bei Verwendung der in dem Look-Up-Table gespeicherten Ansteuerungsdaten sind vergleichbar mit den Ergebnissen einer Echtzeit-Regelung.This method of reading previously stored drive data was examined using a simulation model. The results using the drive data stored in the look-up table are comparable to the results of real-time control.
In einer Ausführung der Anordnung für dieses Verfahren ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung als Inkrementalgeber ausgebildet ist. Dieser Inkrementalgeber kann z.B. einen Hall-Sensor aufweisen. Natürlich ist auch eine andere Ausführung, wie z.B. ein optischer Sensor möglich. Ein besonderer Vorteil hierbei ist, dass die Genauigkeit der Sensoreinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik nur eine geringe Genauigkeit aufweist, nämlich eine Auflösung von 360 Inkrementen pro Umdrehung der Kurbelwelle.In one embodiment of the arrangement for this method, it is provided that the sensor device is designed as an incremental encoder. This incremental encoder may have, for example, a Hall sensor. Of course, another design, such as an optical sensor is possible. One The particular advantage here is that the accuracy of the sensor device compared to the prior art has only a low accuracy, namely a resolution of 360 increments per revolution of the crankshaft.
Außerdem weist das Dämpfungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung in dieser Ausführung der Anordnung mindestens eine Speichereinrichtung mit den vorher gespeicherten Ansteuerdaten für den Aktor auf. Die vorher gespeicherten Ansteuerdaten sind wie oben beschrieben vorher erfasst, berechnet und einmalig abgespeichert worden. Die Steuereinrichtung kann so eine Kopie der einmalig generierten Ansteuerdaten beinhalten. In addition, in this embodiment of the arrangement, the damping control device of the damping device has at least one memory device with the previously stored control data for the actuator. The previously stored control data are previously recorded, calculated and stored once as described above. The control device can thus contain a copy of the once generated drive data.
In einer Ausführung ist der Aktor als Elektromotor, Torque-Motor oder Piezoaktuator ausgebildet. Es können zwar beliebige Ausführungen von Aktoren verwendet werden, jedoch muss der Aktor das Aufbringen eines wechselnden Drehmomentes mit einer anwendungsabhängigen Amplitude und Bandbreite ermöglichen.In one embodiment, the actuator is designed as an electric motor, torque motor or piezoelectric actuator. While any actuator designs may be used, the actuator must enable the application of alternating torque with application-dependent amplitude and bandwidth.
In einer alternativen Ausführung des Verfahrens weist das Bestimmen von Ansteuerungsdaten die folgenden Teilschritte auf: (S’2.1) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle, sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine; (S’2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten Messdaten als Eingangsdaten; und (S’2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition.In an alternative embodiment of the method, the determination of drive data comprises the following sub-steps: (S'2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft, and determining an engine load of the current operating state of the reciprocating engine; (S'2.2) calculating a wave decomposition with the thus determined measurement data as input data; and (S'2.3) determining the drive data based on the calculated results of the wave decomposition.
So kann auch eine aktive Dämpfung der Drehschwingungen mit zwei Sensoreinrichtungen und Echtzeitberechnung der Ansteuerungsdaten aus den Eingangsdaten erfolgen. Jedoch wird dazu im Vergleich zum Stand der Technik bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Drehschwingungen nicht der Antrieb der Welle, also die Maschine bzw. Hubkolbenmaschine, mit den Ansteuerungsdaten beaufschlagt, sondern es wird dazu ein gesonderter Aktor verwendet, der Bestandteil einer Dämpfungsvorrichtung ist.Thus, an active damping of the torsional vibrations with two sensor devices and real-time calculation of the control data from the input data can be done. However, in comparison with the prior art in the method according to the invention for controlling the torsional vibrations, the drive of the shaft, ie the machine or reciprocating piston engine, is not supplied with the drive data, but instead a separate actuator is used which is part of a damping device.
So ist vorgesehen, dass in dem Teilschritt (S’2.1) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle anhand von Messdaten von zwei Sensoreinrichtungen erfolgt, wobei das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine durchgeführt wird. Weiterhin erfolgt in dem Teilschritt (S’2.2) das Berechnen der Wellendekomposition in zwei laufende Wellen in Echtzeit. In dem Teilschritt (S’2.3) wird das Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Verwenden der in einer Längsrichtung der Kurbelwelle auf den Aktor zulaufenden Welle der zwei laufenden Wellen der Wellendekompositionsberechnung durchgeführt.Thus, it is provided that in the partial step (S'2.1) the determination of the current rotational speed and the current angular position of the crankshaft takes place on the basis of measured data from two sensor devices, wherein the determination of a current engine load is carried out on the basis of data of an engine control device of the reciprocating piston engine. Furthermore, in the partial step (S'.2.2), the calculation of the wave decomposition into two running waves takes place in real time. In the sub-step (S'2.3), the determination of the driving data is performed by using the wave of the two traveling waves of the shaft decomposition calculation converging on the actuator in a longitudinal direction of the crankshaft.
Auch in dieser Variante ist es vorgesehen, dass im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle eine Energierückgewinnung mittels des Aktors durchgeführt wird, deren Vorteile bereits oben beschrieben wurden.Also in this variant, it is provided that in the process step (S3) in the active damping of torsional vibrations of the crankshaft energy recovery by means of the actuator is performed, the advantages of which have already been described above.
Demgemäß weist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der oben beschriebenen alternativen Ausführung Folgendes auf: a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle, und einem Motorsteuergerät; und b) eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Dämpfungssteuergerät zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung, zwei Sensoreinrichtungen zur Erfassung einer Drehzahl der Kurbelwelle und einem Aktor zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle. Die zwei Sensoreinrichtungen und der Aktor sind in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle an dieser angebracht, und die zwei Sensoreinrichtungen sind untereinander in einem axialen Abstand zueinander angeordnet. Der Aktor ist Bestandteil der Dämpfungsvorrichtung und dient zur Bedämpfung der Drehschwingungen der Welle bzw. Kurbelwelle.Accordingly, an arrangement for carrying out the method according to the alternative embodiment described above comprises: a) a machine having a shaft, in particular a reciprocating piston engine with a crankshaft, and an engine control unit; and b) a damping device with a damping control device for controlling the damping device, two sensor devices for detecting a rotational speed of the crankshaft and an actuator for damping torsional vibrations of the crankshaft. The two sensor devices and the actuator are mounted in operative connection with the crankshaft, and the two sensor devices are arranged at an axial distance from each other. The actuator is part of the damping device and serves to dampen the torsional vibrations of the shaft or crankshaft.
In einer Ausführung sind die Sensoreinrichtungen als Inkrementalgeber ausgebildet. Hierbei weisen die Sensoreinrichtungen jeweils eine hohe Auflösung auf.In one embodiment, the sensor devices are designed as incremental encoders. In this case, the sensor devices each have a high resolution.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Dämpfungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung mindestens eine Steuereinrichtung zur Echtzeitberechnung von Wellendekompositionen aufweist.It is further provided that the damping control device of the damping device has at least one control device for real-time calculation of Wellenendekompositionen.
Auch hierbei ist in einer Ausführung der Aktor als Elektromotor, Torque-Motor oder Piezoaktuator, wobei er das Aufbringen eines wechselnden Drehmomentes mit einer anwendungsabhängigen Amplitude und Bandbreite ermöglicht.Again, in one embodiment, the actuator as an electric motor, torque motor or piezoelectric actuator, where it allows the application of an alternating torque with an application-dependent amplitude and bandwidth.
Bei beiden Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnungen weist das Dämpfungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung mindestens eine Ansteuereinrichtung für den Aktor auf.In both embodiments of the arrangements according to the invention, the damping control device of the damping device has at least one drive device for the actuator.
Außerdem ist bei beiden Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnungen vorgesehen, dass die Dämpfungsvorrichtung eine Einrichtung zur Energierückgewinnung aufweist, die mit dem Aktuator zusammenwirkt.In addition, it is provided in both embodiments of the arrangements according to the invention that the damping device has a device for energy recovery, which cooperates with the actuator.
Das Verfahren zur aktiven Dämpfung von Drehschwingungen einer Welle sowie die Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens und seiner Varianten bieten gegenüber dem Stand der Technik einen reduzierten Bauraum, eine stärkere Reduktion der Schwingungsamplituden der Drehschwingungen der Welle nicht nur bei bestimmten Drehzahlen, sondern über den gesamten Frequenzbereich. Außerdem ist eine Energierückgewinnung ermöglicht.The method for the active damping of torsional vibrations of a shaft and the arrangements for carrying out this method and its variants offer over the prior art a reduced space, a greater reduction of the vibration amplitudes of the torsional vibrations of the shaft not only at certain speeds, but over the entire frequency range. In addition, energy recovery is possible.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:The invention will now be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. Hereby shows:
Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren angegeben.Identical components or functional units with the same function are indicated by the same reference numerals in the figures.
Die Anordnung umfasst die Hubkolbenmaschine
Die Hubkolbenmaschine
Ein Motorgehäuse
Das Motorsteuergerät
Die Dämpfungsvorrichtung
Die Sensoreinrichtung
Der Aktor
Das Dämpfungssteuergerät
Außerdem ist die Steuereinrichtung
Die Dämpfungsvorrichtung
Dazu wird unten weiter noch das zugehörige Verfahren näher erläutert, welches darauf basiert, die Drehschwingungen der Kurbelwelle
Die Eingangsdaten beinhalten die Drehzahl der Kurbelwelle
Der in der Speichereinrichtung
Der Vorteil des Look-Up-Tables in diesem ersten Ausführungsbeispiel der Dämpfungsvorrichtung
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel nach
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel enthält die Speichereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Außerdem dient
In diesem Fall ist die Hubkolbenmaschine
Die Ansteuerungsdaten werden in diesem Aufbau durch einmalige Messung an der Hubkolbenmaschine
Die Ansteuerungsdaten können abweichend von
Die auf die oben beschriebenen zwei Weisen generierten Ansteuerungsdaten werden dann in Abhängigkeit von Motorlast, Drehzahl der Kurbelwelle
In einem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Erfassen von Eingangsdaten der Hubkolbenmaschine
Ein Bestimmen von Ansteuerungsdaten wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 anhand der erfassten Eingangsdaten vorgenommen. Dies kann z.B. die Steuereinrichtung
Schließlich wird der Aktor
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt
In dem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt das Erfassen von Eingangsdaten der Hubkolbenmaschine
Der Verfahrensschritt S2 Bestimmen von Ansteuerungsdaten ist in drei Teilschritte aufgeteilt. In einem ersten Teilschritt S2.1 wird anhand der Eingangsdaten der Sensoreinrichtung
In dem dritten Verfahrensschritt S3 wird der Aktor
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in einem schematischen Flussdiagramm der
In einem ersten Verfahrensschritt S’1 erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel nach
Der Verfahrensschritt S’2 Bestimmen von Ansteuerungsdaten ist auch hier in drei Teilschritte aufgeteilt, jedoch unterscheiden diese sich von denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.The method step S'2 determining drive data is here also divided into three sub-steps, but these differ from those of the first embodiment.
In einem ersten Teilschritt S'2.1 wird anhand der Eingangsdaten der Sensoreinrichtungen
In dem dritten Verfahrensschritt S’3 wird der Aktor
In einem ersten Verfahrensschritt S’1 erfolgt ein Erfassen von Eingangsdaten. Dabei werden in einer Ausführung die Eingangsdaten einer Hubkolbenmaschine
In einem Verfahrensschritt S’2 werden Ansteuerungsdaten generiert. Hierzu sind drei Teilschritte vorgesehen.In a method step S'2 activation data are generated. For this purpose, three sub-steps are provided.
In einem ersten Teilschritt S'2.1 wird anhand der Eingangsdaten, z.B. der Sensoreinrichtungen
In dem dritten Verfahrensschritt S’4 werden die so generierten Ansteuerungsdaten in einem Speichermedium gespeichert. Dabei kann das Speichern z.B. als ein dreidimensionaler Look-Up-Table erfolgen. Dieser Look-Up-Table kann dann für Anwendungen in Dämpfungsvorrichtungen
Es sind Messwerte relativer Winkelamplituden als Auslenkung A über der Drehzahl n (U/min) des Motors aufgetragen. Eine Vielzahl von Messkurven ist zu einer Summenkurve
Mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung
Dazu zeigt
In beiden
Außerdem ist zu erkennen, dass alle lokalen Maxima, die ohne die Anwendung der Dämpfungsvorrichtung
Es hat sich bei diesem Simulationsmodell gezeigt, dass die Ergebnisse mit der eingeschalteten Dämpfungsvorrichtung
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.The invention is not limited to the embodiments described above. It is modifiable within the scope of the appended claims.
So ist es denkbar, dass der Aktor
Zur Erfassung der Winkellage α der Kurbelwelle
Bei einer Ausführung können bereits aktive Elemente in einem Antriebstrang, welcher mit der Kurbelwelle
Der Aktor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Hubkolbenmaschine reciprocating engine
- 1a1a
- Motor engine
- 22
- Kurbelwelle crankshaft
- 2a2a
- Vorderende front end
- 2b2 B
- Kurbelwellenachse crankshaft axis
- 2c2c
- Drehrichtung direction of rotation
- 2d, 2e2d, 2e
- Längsrichtung longitudinal direction
- 33
- Motorsteuergerät Engine control unit
- 3a, 3b3a, 3b
- Motorsteuergeräteverbindung Engine control units connection
- 44
- Dämpfungsvorrichtung damping device
- 5, 5‘5, 5 '
- Sensoreinrichtung sensor device
- 6, 6‘6, 6 '
- Sensorrad sensor wheel
- 6a6a
- Abstand distance
- 7, 7‘7, 7 '
- Aufnehmer pickup
- 7a, 7‘a7a, 7'a
- Aufnehmerleitung Transducer line
- 88th
- Aktor actuator
- 99
- Dämpfungssteuergerät Damping control unit
- 1010
- Steuereinrichtung control device
- 1111
- Speichereinrichtung memory device
- 1212
- Ansteuereinrichtung driving
- 12a12a
- Ansteuerleitung drive line
- 1313
- Summenkurve cumulative curve
- 13a–d13a-d
- Lokales Maximum Local maximum
- 14, 1514, 15
- Hüllkurve envelope
- AA
- Auslenkung deflection
- nn
- Motordrehzahl Engine speed
- S...S ...
- Verfahrensschritt step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENT- UND RECHTSANWAELTE LOESENBECK, SPECHT,, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
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R082 | Change of representative |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |