DE102013224446A1

DE102013224446A1 - Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102013224446A1
Application number: DE102013224446.0A
Authority: DE
Inventors: Toros Güllük; Stephan Maienschein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-06-26
Also published as: US9709125B2; CN104870859B; CN104870859A; US20150323039A1; EP2935940A1; DE112013006162A5; WO2014094762A1

Abstract

Ein Schwingungsdämpfer umfasst eine Eingangsseite, eine Ausgangsseite, eines oder mehrere elastische Elemente zur Kraftübertragung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite und ein Fliehkraftpendel mit einem Pendelflansch und einer oder mehreren Pendelmassen, die in der Drehebene des Pendelflanschs verschiebbar am Pendelflansch angebracht sind. Es wird vorgeschlagen, bestimmte Verhältnisse von Massen und Volumina der elastischen Elemente und der Pendelmassen zu bilden. Liegen eines oder mehrere der Verhältnisse in angegebenen Bereichen, so ist von einer guten Dämpfung bzw. Tilgung von Torsionsschwingungen durch den Schwingungsdämpfer auszugehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Schwingungsdämpfer mit einem elastischen Element und einem Fliehkraftpendel.
Zur Übertragung eines Drehmoments in einem Antriebsstrang, beispielsweise an einem Kraftfahrzeug, kann ein Schwingungsdämpfer verwendet werden. Der Schwingungsdämpfer kann beispielsweise zwischen einem Antriebsmotor und einem Getriebe platziert sein. Insbesondere dann, wenn der Antriebsmotor einen Hubkolben-Verbrennungsmotor umfasst, sind dem bereitgestellten Drehmoment Schwankungen überlagert, die durch den Schwingungsdämpfer abgebaut und vom Getriebe fern gehalten werden sollen. Der Schwingungsdämpfer ist üblicherweise so aufgebaut, dass auch Drehmomentschwankungen, die einem Drehmomentfluss in umgekehrter Richtung aufgeprägt sein können, abgebaut bzw. isoliert werden.
Ein bekannter Schwingungsdämpfer umfasst ein elastisches Element und ein Fliehkraftpendel. Das elastische Element ist üblicherweise durch eine zylinderförmige oder bogenförmige Spiralfeder gebildet, die auf einem Umfang um eine Drehachse Kräfte zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Schwingungsdämpfers übermittelt. Das Fliehkraftpendel umfasst eine oder mehrere Pendelmassen, die an einem Pendelflansch in der Drehebene des Pendelflanschs verschiebbar angeordnet sind. Dabei ist der Pendelflansch starr oder mittels eines elastischen Elements mit der Eingangsseite oder der Ausgangsseite verbunden.
Es hat sich gezeigt, dass nicht jede Kombination von elastischen Elementen und Pendelmassen zu einer ausreichenden Isolation bzw. Tilgung von Schwingungen führt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kriterien anzugeben, die die Dimensionierung eines elastischen Elements und eines Fliehkraftpendels in einem Schwingungsdämpfer erleichtern. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Schwingungsdämpfers mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Die Erfindung geht aus von einem Schwingungsdämpfer mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite, einem oder mehreren elastischen Elementen zur Kraftübertragung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite sowie einem Fliehkraftpendel mit einem Pendelflansch und einer oder mehreren Pendelmassen, die in der Drehebene des Pendelflanschs verschiebbar am Pendelflansch angebracht sind.
Versuche haben gezeigt, dass eine gute Isolation von Schwingungen gelingen kann, wenn die Summe der Massen der Pendelmassen und die Summe der Massen der elastischen Elemente in einem Verhältnis im Bereich zwischen 0,5 und 4 stehen.
Durch die Abstimmung der Massen der Pendelmassen bezüglich der Massen der elastischen Elemente kann eine besonders effiziente in Kombination aus Isolation der Drehschwingungen mittels der elastischen Elemente und Tilgung der Drehschwingungen mittels des Fliehkraftpendels erreicht werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das genannte Verhältnis im Bereich zwischen 0,95 und 1,60.
Ausgehend von dem oben beschriebenen Schwingungsdämpfer können auch andere Parameter als die Massen der elastischen Elemente und der Pendelmassen betrachtet werden. Umfasst eines der elastischen Elemente beispielsweise eine Zylinderfeder, so kann ein Vollzylinder angegeben werden, innerhalb dessen sich die Zylinderfeder erstreckt. Umfasst eines der elastischen Elemente eine Bogenfeder, so kann in analoger Weise ein Volltorusabschnitt angegeben werden, innerhalb dessen sich die Bogenfeder erstreckt. Es hat sich gezeigt, dass besonders gute schwingungsdämpfende bzw. –tilgende Eigenschaften des Schwingungsdämpfers dann erreicht werden können, wenn die Summe der Volumina der Pendelmassen und die Summe der Volumina der Vollzylinder und Volltorusabschnitte ein Verhältnis im Bereich zwischen 0,3 und 1,3 aufweisen. Bevorzugterweise liegt das genannte Verhältnis in einem Bereich zwischen 0,44 und 0,63.
Durch die Betrachtung der Volumina geometrischer Körper, die die elastischen Elemente umhüllen bzw. engstmöglich einschließen, können insbesondere Konstruktionen berücksichtigt werden, in denen der Raum des geometrischen Körpers im Wesentlichen voll durch das elastische Element ausgefüllt wird. Diese Betrachtungsweise bietet sich insbesondere in Ausführungsformen an, bei denen innerhalb der geraden oder gebogenen Schraubenfeder eine weitere gerade bzw. gebogene Schraubenfeder angeordnet ist.
Kann davon ausgegangen werden, dass die elastischen Elemente durch Schraubenfedern gebildet sind, auf deren radial innerer Seite kein weiteres elastisches Element verbaut ist, so können anstelle der oben beschriebenen Vollzylinder Hohlzylinder und anstelle der beschriebenen Volltorusabschnitte Hohltorusabschnitte betrachtet werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Summe der Volumina der Pendelmassen und die Summe der Volumina der Hohlzylinder und Hohltorusabschnitte ein Verhältnis im Bereich zwischen 0,5 und 4 einnehmen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform nimmt das genannte Verhältnis einen Bereich zwischen 0,97 und 1,94 ein.
Ein weiterer Ansatz, um einen qualitativ hochwertigen Schwingungsdämpfer der beschriebenen Art zu charakterisieren, besteht darin, das eingangs erwähnte Massenverhältnis mit dem zuletzt genannten Verhältnis der Volumina der Pendelmassen und Hohlzylinder und Hohltorusabschnitte in ein weiteres Verhältnis zu setzen. Dabei nimmt dieses Verhältnis einen Bereich zwischen 0,35 und 2 ein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis in einem Bereich zwischen 0,72 und 1,05.
Durch die erfindungsgemäßen Bereiche für vorbestimmte Verhältnisse ist es möglich, die Qualität der Schwingungsdämpfung eines bestehenden Schwingungsdämpfers rechnerisch abzuschätzen. Alternativ ist es auch möglich, beim Entwurf eines Schwingungsdämpfers so vorzugehen, dass wenigstens eines der genannten Verhältnisse in dem jeweils zugeordneten Bereich liegt, um einen hochwertigen Schwingungsdämpfer bereitzustellen. In beiden Fällen können eines oder mehrere der angegebenen Kriterien angewandt werden, um den erfindungsgemäßen, qualitativ hochwertigen Schwingungsdämpfer zu identifizieren.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 schematische Darstellungen eines Schwingungsdämpfers;
2 eine Bogenfeder zum Einsatz am Schwingungsdämpfer von 1;
3 eine Zylinderfeder zum Einsatz am Schwingungsdämpfer von 1; und
4 ein Fliehkraftpendel zum Einsatz am Schwingungsdämpfer von 1 darstellt.
1 zeigt schematische Darstellungen zweier Ausführungsformen eines Schwingungsdämpfers 100. Der Schwingungsdämpfer ist beispielsweise zum Einsatz in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingerichtet. In besonderer Weise ist der Schwingungsdämpfer 100 zum Einsatz an einer nassen oder trockenen Kupplung, etwa einer Anfahrkupplung, an einem hydrodynamischen Wandler, einer Föttinger-Kupplung, einer Doppelkupplung oder einem Automatikgetriebe eingerichtet.
Der Schwingungsdämpfer 100 in der oberen Darstellung umfasst eine Eingangsseite 105, die exemplarisch mit einem Eingangsflansch 110 verbunden ist, eine Ausgangsseite 115, die exemplarisch mit einem Ausgangsflansch 120 verbunden ist, ein Fliehkraftpendel 125 sowie ein erstes elastisches Element 130 und ein zweites elastisches Element 135. Das Fliehkraftpendel 125 umfasst einen Pendelflansch 140, an dem eine Pendelmasse 145 verschiebbar angeordnet ist. Dabei ist der Pendelflansch 140 drehbar gelagert, vorzugsweise um die gleiche Drehachse, um die auch die Eingangsseite 105 mit dem Eingangsflansch 110 bzw. die Ausgangsseite 115 mit dem Ausgangsflansch 120 drehbar gelagert sind. Das erste elastische Element 130 koppelt den Eingangsflansch 110 mit dem Pendelflansch 140 und das zweite elastische Element 135 den Pendelflansch 140 mit dem Ausgangsflansch 120.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst das erste elastische Element 130 eine Bogenfeder und das zweite elastische Element 135 eine Zylinderfeder. In anderen Ausführungsformen kann das erste elastische Element 130 auch eine Zylinderfeder oder das zweite elastische Element 135 eine Bogenfeder umfassen. Beide elastische Elemente 130, 135 sind auf einem Umfang um die Drehachse des Pendelflanschs angeordnet. Bevorzugterweise werden für die elastischen Elemente 130, 135 Druckfedern verwendet, die derart an den Flanschen 110 und 140 bzw. 120 und 140 angeordnet sind, dass sowohl eine positive als auch eine negative Verdrehung der in das jeweilige elastische Element 130, 135 eingreifenden Flansche 110, 120, 140 zu einer Kompression des elastischen Elements 130, 135 führt. Üblicherweise tragen die Flansche 110, 120, 140 hierfür kongruente Ausschnitte, in denen die elastischen Elemente 130, 135 angeordnet sind.
Die elastischen Elemente 130 und 135 können einander axial überlappen, wobei eines der elastischen Elemente 130, 135 radial weiter innen als das andere elastische Element 130, 135 angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der radial außen eine Bogenfeder und radial innen eine Zylinderfeder verwendet werden.
Im unteren Bereich von 1 ist eine Variante dargestellt, bei der der Pendelflansch 140 an die Stelle des oben dargestellten Ausgangsflanschs 120 tritt. Der in der oberen Ausführungsform verwendete Pendelflansch 140 wird dabei durch einen Zwischenflansch 150 ersetzt. Ansonsten gelten die oben bezüglich der anderen Ausführungsform gemachten Aussagen. In einer analogen Ausführungsform kann der Pendelflansch 140 auch anstelle des Eingangsflanschs 110 angeordnet werden, wobei das erste elastische Element 130 den Pendelflansch 140 mit dem Zwischenflansch 150 und das zweite elastische Element 135 den Zwischenflansch 150 mit dem Ausgangsflansch 120 koppelt.
2 zeigt das erste elastische Element 130, das als Bogenfeder ausgeführt ist. In einem oberen Bereich ist nur das elastische Element 130, in einem mittleren Bereich das elastische Element 130 zusammen mit einer einhüllenden geometrischen Figur und in einem unteren Bereich nur die geometrische Figur dargestellt.
Das erste elastische Element 130 ist gebildet durch einen Stahldraht, der schraubenförmig um eine Kreislinie 205 gewunden ist. Dabei erstreckt sich das erste elastische Element 130 innerhalb eines Volltorusabschnitts VTA. Das Volumen VT eines Volltorus ist auf folgende Weise gegeben: VT = 2π²Rr_a ² (Gleichung 1) mit:

VT: Volumen des Volltorus
R: Radius der Mittellinie
r_a: Radius des Querschnitts des Volltorus.

Das Volumen des Volltorusabschnitts bestimmt sich als Bruchteil des Volumens des Volltorus.
mit:

VTA: Volumen des Volltorusabschnitts
VT: Volumen des Volltorus.

Insbesondere dann, wenn das erste elastische Element 130 mehrere konzentrische Schraubenfedern umfasst, kann das Volumen des ersten elastischen Elements 130 als Volumen des beschriebenen Volltorusabschnitts angenähert werden. Umläuft der Draht des ersten elastischen Elements 130 ein nennenswertes Volumen, das nicht durch einen weiteren Abschnitt des ersten elastischen Elements 130 ausgefüllt wird, so kann das Volumen des ersten elastischen Elements auch als Volumen eines Hohltorusabschnitts angenähert werden. Das Volumen eines Hohltorus bestimmt sich folgendermaßen: VHT = 2π²R(r_a ² – r_i ²) (Gleichung 3) mit:

VHT: Volumen des Hohltorus
R: Radius der Mittellinie
r_a: äußerer Radius des Querschnitts des Volltorus
r_i: innerer Radius des Querschnitts des Volltorus.

Das Volumen eines Hohltorusabschnitts ist wiederum gebildet als Bruchteil des Volumens des gesamten Hohltorus.
mit:

VHTA: Volumen des Hohltorusabschnitts
VHT: Volumen des Hohltorus
φ: Öffnungswinkel des Torusabschnitts.

3 zeigt das zweite elastische Element 135 aus 1 als gerade Zylinderfeder. Ähnlich wie oben bezüglich des ersten elastischen Elements 130 beschrieben wurde, kann das Volumen des zweiten elastischen Elements 135 durch einen einhüllenden geometrischen Körper angenähert werden. Beim zweiten elastischen Element 135 ist dieser geometrische Körper ein gerader Kreiszylinder. Diese Herangehensweise bietet sich insbesondere dann an, wenn das zweite elastische Element 135 zwei zueinander koaxiale Schraubenfedern umfasst, so dass auf einer radialen Innenseite des zweiten elastischen Elements 135 kein nennenswerter Raum verbleibt. Das Volumen des Vollzylinders bestimmt sich wie folgt: VZ = π·l·r_a ² (Gleichung 5) mit:

VZ: Volumen des Vollzylinders
l: Länge des Vollzylinders
r_a: Radius des Vollzylinders.

Soll ein koaxialer, zylindrischer Hohlraum berücksichtigt werden, der nicht durch ein Element bzw. durch einen Abschnitt des zweiten elastischen Elements 135 ausgefüllt ist, so kann das Volumen des zweiten elastischen Elements 135 auch durch einen Hohlzylinder angenähert werden. Das Volumen des Hohlzylinders bestimmt sich wie folgt: VHZ = π·l·(r_a ² – r_i ²) (Gleichung 6) mit:

VHZ: Volumen des Hohlzylinders
r: _a Außendurchmesser des Hohlzylinders
r_i: Innendurchmesser des Hohlzylinders.

4 zeigt eine Ausführungsform des Fliehkraftpendels 125 aus 1. Aus Darstellungsgründen ist nur eine Pendelmasse 145 am Pendelflansch 140 dargestellt. Üblicherweise umfasst jede Pendelmasse 145, anders als dargestellt, zwei Einzelmassen, die auf gegenüber liegenden axialen Seiten des Pendelflanschs 140 angebracht und starr miteinander verbunden sind. Außerdem sind üblicherweise auf einem Umfang um die Drehachse des Pendelflanschs 140 zwei, drei, vier oder mehrere Pendelmassen 145 verteilt. Die Volumina der Pendelmassen 145 können auf der Basis ihrer Gesamtmasse und ihres spezifischen Gewichts bestimmt werden. Die Gesamtmasse kann von einem Hersteller des Fliehkraftpendels 125 angegeben sein. Alternativ bieten sich eine geometrische Näherung oder eine hydraulische Verdrängungsmessung der vom Pendelflansch 140 abgetrennten Pendelmassen 145 an. Bei der Verdrängungsmessung wird das Volumen der Pendelmassen 145 als das Volumen bestimmt, das sie beim vollständigen Eintauchen in eine hydraulische Flüssigkeit verdrängen.
Auf der Basis der oben beschriebenen Volumina und der Massen der Pendelmassen 145 und der Federelemente 130, 135 können nun bestimmte rechnerische Verhältnisse gebildet werden, die zur Beurteilung des Schwingungsdämpfers 100 aus 1 nützlich sind. In umfangreichen Versuchsreihen mit unterschiedlich großen und unterschiedlich schweren elastischen Elementen 130, 135 sowie unterschiedlich großen und unterschiedlich schweren Pendelmassen 145 hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften der Schwingungsdämpfung bzw. der Schwingungstilgung des Schwingungsdämpfers 100 dann besonders gut sind, wenn wenigstens eines der Verhältnisse, die in der folgenden Tabelle in Spalten angegeben sind, in einem Bereich liegt, der in den jeweils darunter liegenden Zeilen als Minimum und Maximum angegeben ist.

Q1 = MPM/MEL Q2 = VPM/VZT Q3 = VPM/VHZT Q4 = Q1/Q3

Maximum 4 1,3 4 2

Minimum 0,5 0,3 0.5 0,35
Die folgende, zweite Tabelle gibt noch strengere Minimal- bzw. Maximalwerte für die Verhältnisse Q1 bis Q4 an. In diesen Bereichen ist mit einer weiteren Verbesserung der Qualität des Schwingungsdämpfers 100 zu rechnen.

Q1 = MPM/MEL Q2 = VPM/VZT Q3 = VPM/VHZT Q4 = Q1/Q3

Maximum 1,60 0,63 1,94 1,05

Minimum 0,95 0,44 0,97 0,72
Die Qualität des Schwingungsdämpfers 100 kann dann gegeben sein, wenn eines der Verhältnisse Q1 bis Q4 in einem ihm durch eine der Tabellen zugeordneten Bereich liegt oder wenn mehrere der Verhältnisse Q1 bis Q4 in den ihnen zugeordneten Bereichen liegen. Anhand dieser Angaben kann eine einfache und rasche Qualitätsbestimmung eines existierenden oder konzipierten Schwingungsdämpfers 100 durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: Schwingungsdämpfer
105: Eingangsseite
110: Eingangsflansch
115: Ausgangsseite
120: Ausgangsflansch
125: Fliehkraftpendel
130: erstes elastisches Element
135: zweites elastisches Element
140: Pendelflansch
145: Pendelmasse
150: Zwischenflansch
205: Kreislinie

Claims

Schwingungsdämpfer (100), umfassend: – eine Eingangsseite (105); – eine Ausgangsseite (115); – eines oder mehrere elastische Elemente (130, 135) zur Kraftübertragung zwischen der Eingangsseite (105) und der Ausgangsseite (115); – ein Fliehkraftpendel (125) mit einem Pendelflansch (140) und einer oder mehreren Pendelmassen (145), die in der Drehebene des Pendelflanschs (140) verschiebbar am Pendelflansch (140) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgendes gilt: – Q1 = MPM/MEL = [0,5 ... 4], – mit MEL = Summe der Massen der elastischen Elemente (130, 135) – und MPM = Summe der Massen der Pendelmassen (145).
Schwingungsdämpfer (100) nach Anspruch 1, wobei gilt: Q1 = [0,95 ... 1,60].
Schwingungsdämpfer (100), umfassend: – eine Eingangsseite (105); – eine Ausgangsseite (115); – eines oder mehrere elastische Elemente (130, 135) zur Kraftübertragung zwischen der Eingangsseite (105) und der Ausgangsseite (115); – wobei sich die elastischen Elemente (130, 135) jeweils innerhalb eines Vollzylinders oder eines Volltorusabschnitts erstrecken; – ein Fliehkraftpendel (125) mit einem Pendelflansch (140) und einer oder mehreren Pendelmassen (145), die in der Drehebene des Pendelflanschs (140) verschiebbar am Pendelflansch (140) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgendes gilt: – Q2 = VPM/VZT = [0,3 ... 1,3], – mit VPM = Summe der Volumina der Pendelmassen (145) – und VZT = Summe der Volumina der Vollzylinder und Volltorusabschnitte.
Schwingungsdämpfer (100) nach Anspruch 3, wobei gilt: Q2 = [0,44 ... 0,63].
Schwingungsdämpfer (100), umfassend: – eine Eingangsseite (105); – eine Ausgangsseite (115); – eines oder mehrere elastische Elemente (130, 135) zur Kraftübertragung zwischen der Eingangsseite (105) und der Ausgangsseite (115); – wobei sich die elastischen Elemente (130, 135) jeweils entlang eines Hohlzylinders oder eines Hohltorusabschnitts erstrecken; – ein Fliehkraftpendel (125) mit einem Pendelflansch (140) und einer oder mehreren Pendelmassen (145), die in der Drehebene des Pendelflanschs (140) verschiebbar am Pendelflansch (140) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgendes gilt: – Q3 = VPM/VHZT = [0,5 ... 4], – mit VPM = Summe der Volumina der Pendelmassen (145) – und VHZT = Summe der Volumina der Hohlzylinder und Hohltorusabschnitte.
Schwingungsdämpfer (100) nach Anspruch 5, wobei gilt: Q3 = [0,97 ... 1,94].
Schwingungsdämpfer (100), umfassend – eine Eingangsseite (105) – eine Ausgangsseite (115); – eines oder mehrere elastische Elemente (130, 135) zur Kraftübertragung zwischen der Eingangsseite (105) und der Ausgangsseite (115); – wobei sich die elastischen Elemente (130, 135) jeweils entlang eines Hohlzylinders oder eines Hohltorusabschnitts erstrecken; – ein Fliehkraftpendel (125) mit einem Pendelflansch (140) und einer oder mehreren Pendelmassen (145), die in der Drehebene des Pendelflanschs (140) verschiebbar am Pendelflansch (140) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgendes gilt: – Q4 = Q1/Q3 = [0,35 ... 2], – mit Q1 = MEL/MPM, – MEL = Summe der Massen der elastischen Elemente (135, 135), – MPM = Summe der Massen der Pendelmassen (145), – Q3 = VPM/VHZT, – VPM = Summe der Volumina der Pendelmassen (145) – und VHZT = Summe der Volumina der Hohlzylinder und Hohltorusabschnitte.
Schwingungsdämpfer (100) nach Anspruch 7, wobei gilt: Q4 = [0,72 ... 1,05].