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Drehschwingungsisolationssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer drehschwingungsbelasteten Kurbelwelle.
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Verbrennungsmotoren mit einem oder mehreren Hubkolben sind aufgrund der über den Drehwinkel der Kurbelwelle ungleichförmigen Gaskräfte der Verbrennungsmotoren per se drehschwingungsbehaftet. Derartige Drehungleichförmigkeiten besitzen je nach Anzahl der Hubkolben unterschiedliche Schwingungsordnungen und führen zu Schwingungsanregungen in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen. Unter anderem zur Verminderung dieser Drehungleichförmigkeiten werden einzeln oder in Kombination hinreichend bekannte unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, beispielsweise in Form von aus der
DE 37 05 346 A1 bekannten Ausgleichswellen, Schwungrädern wie Einmassenschwungrädern, Dämpfungseinrichtungen wie beispielsweise aus der
DE 42 39 770 A1 bekannten Zweimassenschwungrädern, beispielsweise aus der
DE-OS 24 36 288 bekannten Drehschwingungsdämpfern in Kupplungsscheiben nachgeschalteter Reibungskupplungen, in der Riemenscheibenebene der Kurbelwelle angeordneten, aus der
DE 10 2011 104 135 A1 bekannten Riemenscheibendämpfern, beispielsweise aus der
DE 195 15 302 A1 bekannten Drehschwingungsdämpfern in hydrodynamischen Drehmomentwandlern, beispielsweise aus der
DE 2009 042 836 A1 bekannten Drehschwingungstilgern wie Fliehkraftpendeln. Weiterhin ist aus der
DE 10 2007 025 549 A1 eine Vorrichtung zum Vermindern von Drehungleichförmigkeiten bekannt, bei der ein um eine Drehachse angeordnetes Ausgleichsmassebauteil abhängig vom Drehwinkel der Kurbelwelle verlagert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Vorrichtung zur Isolierung von Drehungleichförmigkeiten insbesondere vor dem Hintergrund einer drehwinkelexakten Isolierung von Drehschwingungen mit geringem Bauraumbedarf an der Antriebsseite des Verbrennungsmotors.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
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Das vorgeschlagene Drehschwingungsisolationssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer drehschwingungsbelasteten Kurbelwelle enthält an einem Hubzapfen der Kurbelwelle zumindest einen gehäusefest angelenkten Energiespeicher. Dies bedeutet, dass der Energiespeicher einseitig gehäusefest, beispielsweise an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors oder an einem mit diesem verbundenen Bauteil und an der anderen Seite an dem Hubzapfen aufgenommen ist. Die Aufnahme des zumindest einen Energiespeichers erfolgt hierbei in Wirkrichtung des Energiespeichers steif und zur Kompensation der Verdrehwinkel am Gehäuse beziehungsweise an dem Hubzapfen gelenkig, beispielsweise um eine Aufnahme am Gehäuse und um die Hubzapfenachse verdrehbar.
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Die Anordnung des Hubzapfens kann über die gesamte Länge der Kurbelwelle erfolgen. Beispielsweise können ein oder mehrere Hubzapfen vorgesehen sein beziehungsweise Hubzapfen, an denen zudem ein Pleuel für einen Hubkolben aufgenommen ist, zur Aufnahme jeweils zumindest eines Energiespeichers dienen. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Hubzapfen an einer, einer Antriebsseite abgewandten Stirnseite der Kurbelwelle angeordnet ist. Unter Antriebsseite ist hierbei die Seite der Kurbelwelle zu verstehen, an der Aggregate zur Entnahme der Leistung des Verbrennungsmotors angeordnet sind, beispielsweise ein Schwungrad mit angeordneter Reibungskupplung, ein Antriebsflansch für einen Drehschwingungsdämpfer, eine Doppelkupplung, einen hydrodynamischen Drehmomentwandler und/oder dergleichen. An der der Antriebsseite abgewandten Seite, der sogenannten Riemenscheibenebene kann ein Riemenantrieb zum Antrieb von Zusatzaggregaten, Anbindung eines Startergenerators vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ ist an dieser Seite das vorgeschlagene Drehschwingungsisolationssystem aufgenommen. Der Hubzapfen kann dabei bei vorhandenem Riementrieb axial zwischen Kurbelwellenende und Riementrieb oder bevorzugt endseitig am Riementrieb vorgesehen sein. Der Hubzapfen kann einteilig an der Kurbelwelle oder drehwinkelselektiv mit diesem verbunden sein.
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Der zumindest eine Energiespeicher wird durch dessen Aufnahme am Hubzapfen drehwinkelselektiv komprimiert, wobei die sich über eine Umdrehung auf die Kurbelwelle bei einer Komprimierung des zumindest einen Energiespeichers bremsend wirkende Federkraft mit der Kraftentwicklung der einzelnen Zylinder synchronisiert wird. Beispielsweise kann ein Energiespeicher während einer auf die Kurbelwelle wirksamen Gaskraft eines Zylinders komprimiert werden und die hierfür notwendige Energie speichern und bei Kompressions- und Reibkräften dieses Zylinders nach der Verbrennung wieder an die Kurbelwelle abgeben. Hierdurch kann eine gleichmäßigere Verteilung des zur Verfügung stehenden Drehmoments mit einer geringen Anzahl bewegter Bauteile und bewegter Massen erzielt werden. Die zur Verfügung stehenden Kompensationskräfte hängen dabei von dem Hub des Hubzapfens und der Steifigkeit des Energiespeichers in Wirkrichtung ab, so dass mittels dieser Größen absolute Kompensationskräfte einstellbar sind. Im einfachsten Fall, beispielsweise bei einem Zweizylinder-Viertakt-Motor mit einer Schwingungsordnung eins kann ein einziger Energiespeicher ausreichend sein. Je nach Anzahl und Zündfolge und Hubzapfenversatz mehrerer Zylinder können mehrere Energiespeicher an dem Hubzapfen wirksam eingelenkt sein, wobei die zu kompensierende Schwingungsordnung durch die Verteilung der Aufnahmepunkte dieser Energiespeicher über den Umfang einstellbar ist. Auf diese Weise können auch komplizierte Schwingungsordnungen und Unterordnungen, beispielsweise Oberschwingungen mittels des vorgeschlagenen Drehschwingungsisolationssystems kompensiert werden. Im Weiteren kann die Steifigkeit mehrerer Energiespeicher in Wirkrichtung unterschiedlich ausgebildet sein, um mit unterschiedlich großer Intensität auftretenden Kraftmaxima von Zylindern kompensieren zu können. Des Weiteren können mehrere Energiespeicher mit sich über den Drehwinkel der Kurbelwelle überlappenden Kompensationseigenschaften wie Kompensationskräften vorgesehen sein, indem diese in einem entsprechend kleinen Umfangswinkel um die Kurbelwelle gehäuseseitig aufgenommen sind.
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Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit teilabschaltbaren Zylindern, variabler Ventilsteuerung und dergleichen sowie zur Anpassung der Kompensationskräfte an leistungsdrehzahlabhängige oder von anderen Größen abhängige Drehungleichförmigkeiten kann die Steifigkeit des zumindest einen Energiespeichers, beispielsweise eines, mehrerer oder aller Energiespeicher variabel ausgebildet werden, indem die Steifigkeit mittels eines Aktuators verändert wird. Beispielsweise kann bei Federn als Energiespeicher die Vorspannung der Federn zwischen Hubzapfen und gehäuseseitiger Aufnahme mittels eines Aktuators verändert werden. Der Aktuator kann beispielsweise von einer oder mehreren Größen automatisiert oder anhand von Algorithmen, Kennfeldern und dergleichen mittels eines Steuergeräts, beispielsweise mittels des Motorsteuergeräts gesteuert werden.
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Der zumindest eine Energiespeicher kann aus Federeinrichtungen gebildet sein, die die erwünschte Steifigkeit auf Zug und/oder Druck bereitstellen. Die Federeinrichtungen können aus Schrauben-, Teller-, Membran- oder spiralförmig gewickelten Bandfedern und dergleichen sowie deren Kombination gebildet sein und eine lineare, progressive oder degressive, ein- oder mehrstufige Kennlinie entlang ihrer Wirkrichtung aufweisen. Als besonders vorteilhaft haben sich sogenannte Teleskopfedern erwiesen, bei denen Schraubenfedern und/oder Tellerfederpakete bei Längung der Teleskopfeder auf Druck belastet werden, indem eine Teleskopstange die Federn durchgreift und ein an dieser angeordneter Teller die Federn gegen ein die Federn aufnehmendes Gehäuse komprimiert, wobei Teleskopstange und Gehäuse jeweils gehäuseseitig beziehungsweise am Hubzapfen aufgenommen sind.
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Die Erfindung wird anhand des in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung ein stirnseitig an einer Kurbelwelle aufgenommenes Drehschwingungsisolationssystem in Ansicht.
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Das in 1 dargestellte Drehschwingungsisolationssystem 1 ist stirnseitig auf der sich in Richtung des Pfeils 4 um die Drehachse x um den Drehwinkel φ drehenden Kurbelwelle 2 beispielsweise mittels der Nutverbindung 3 winkelselektiv aufgenommen. Das auf der Kurbelwelle 2 drehfest aufgenommene Flanschteil 5 enthält in einem vorgegebenen radialen Abstand zur Drehachse x den Hubzapfen 6. Auf dem Hubzapfen 6 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei mit vorgegebenen Winkeln α, β, γ gegeneinander in Umfangsrichtung angeordnete Energiespeicher 7, 7a, 7b angelenkt und aufgenommen, die an ihrem anderen Ende an den Aufnahmepunkten 8, 8a, 8b des Gehäuses 9, beispielsweise des Motorgehäuses aufgenommen sind. Die Energiespeicher 7, 7a, 7b sind als Teleskopfedern 10, 10a, 10b ausgebildet, die in diesem Ausführungsbeispiel mittels ihrer Teleskopstange 11, 11a, 11b an den Aufnahmepunkten 8, 8a, 8b und mittels ihrer Gehäuse 12, 12a, 12b an dem Hubzapfen 6 aufgenommen sind. Zwischen dem mit der Teleskopstange 11, 11a, 11b verbundenen Teller 13, 13a, 13b und dem Gehäuse 12, 12a, 12b ist jeweils eine Schraubenfeder 14, 14a, 14b angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicher 7, 7a, 7b Gleichteile, in weiteren Ausführungsbeispielen können diese unterschiedlich sein, beispielsweise können deren Steifigkeit und Federwege unterschiedlich sein. Im Weiteren sind die Steifigkeiten der Energiespeicher 7, 7a, 7b in dem gezeigten Ausführungsbeispiel konstant ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann zumindest eine Schraubenfeder 14, 14a, 14b mittels eines Aktuators vorgespannt werden, indem beispielsweise eine Anschlagfläche des Gehäuses 12, 12a, 12b oder des Tellers 13, 13a, 13b axial entlang der Wirkrichtung der Schraubenfedern 14, 14a, 14b verändert oder einer, mehrere oder alle Aufnahmepunkte 8, 8a, 8b der Energiespeicher 7, 7a, 7b radial und/oder in Umfangsrichtung verlagert werden.
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Durch die exzentrische Anlenkung der Energiespeicher 7, 7a, 7b mittels des Hubzapfens 6 abhängig vom Drehwinkel φ wird die Kurbelwelle 2 über den Drehwinkel φ winkelselektiv belastet, so dass Momentenspitzen der die Kurbelwelle 2 antreibenden Gaskräfte einzelner Zylinder durch eine entsprechende Anzahl und über die Winkel α, β, γ verteilt angeordnete Energiespeicher 7, 7a, 7b kompensiert werden und dadurch eine effiziente Beruhigung der Kurbelwelle 2 erfolgen kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher 7 vollständig komprimiert, der Energiespeicher 7b ist aufgrund des gegenüber dem Winkel α kleineren Winkels γ noch nicht komprimiert, während die Komprimierung des Energiespeichers 7b gerade beginnt. Abgesehen von einer kleinen Phasenverschiebung aufgrund der unterschiedlichen Winkel α, β stellen sich durch den größeren Winkel β stellen sich über eine Vollumdrehung der Kurbelwelle 2 mit φ = 360° zwei Kraftmaxima ein, mittels denen eine Schwingungsordnung zwei, wie sie beispielsweise bei Vierzylinder-Viertakt-Motoren auftritt, kompensiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehschwingungsisolationssystem
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Nutverbindung
- 4
- Pfeil
- 5
- Flanschteil
- 6
- Hubzapfen
- 7
- Energiespeicher
- 7a
- Energiespeicher
- 7b
- Energiespeicher
- 8
- Aufnahmepunkt
- 8a
- Aufnahmepunkt
- 8b
- Aufnahmepunkt
- 9
- Gehäuse
- 10
- Teleskopfeder
- 10a
- Teleskopfeder
- 10b
- Teleskopfeder
- 11
- Teleskopstange
- 11a
- Teleskopstange
- 11b
- Teleskopstange
- 12
- Gehäuse
- 12a
- Gehäuse
- 12b
- Gehäuse
- 13
- Teller
- 13a
- Teller
- 13b
- Teller
- 14
- Schraubenfeder
- 14a
- Schraubenfeder
- 14b
- Schraubenfeder
- x
- Drehachse
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- γ
- Winkel
- φ
- Drehwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3705346 A1 [0002]
- DE 4239770 A1 [0002]
- DE 2436288 A [0002]
- DE 102011104135 A1 [0002]
- DE 19515302 A1 [0002]
- DE 2009042836 A1 [0002]
- DE 102007025549 A1 [0002]
