DE102014111404B4 - Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, und eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle (2) einer Hubkolbenmaschine (1), mit folgenden Verfahrensschritten:
(S1) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von schwingungsrelevanten Parametern der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), mit einer Messeinrichtung (6), welche mindestens einen Dehnungsmessstreifen als Fühlerelement (6a), das mit der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), verbunden ist, aufweist, und von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1);
(S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und
(S3) Aktives Dämpfen der Schwingungen der Kurbelwelle (2) durch Ansteuern eines mit der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), in Wirkverbindung stehenden Aktors (8) mit den bestimmten Ansteuerungsdaten,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten für Drehschwingungen die für Drehschwingungen zugehörige Kontinuumsdifferentialgleichung und für translatorischen Schwingungen die für translatorischen Schwingungen zugehörigen Kontinuumsdifferentialgleichungen verwendet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
• Bei einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, treten im Betrieb der Maschine Schwingungen auf, die in verschiedenen Schwingungsformen in Erscheinung treten. Diese Schwingungsformen sind z.B. Drehschwingungen wie auch translatorische Schwingungen, wie beispielsweise Biege- oder Normalschwingungen.
• 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 sind.
• Bei den Wellen handelt es sich insbesondere um Kurbelwellen von Hubkolbenmaschinen, z.B. Diesel-, Benzin-, oder Gasmotoren. Auch Hydraulik-, Pneumatik- und Dampfmotoren können Hubkolbenmaschinen sein. Eine Hubkolbenmaschine kann z.B. als Antrieb für ein Fahrzeug, eine Baumaschine o.dgl., als ortsfester oder ortsveränderlicher Antrieb für mannigfaltige Antriebswecke eingesetzt werden.
• Zurzeit werden zur Reduktion von Spannungen in Kurbelwellen passive Schwingungsdämpfer verwendet. Dies sind z.B. Schwungräder zum Dämpfen von Drehschwingungen und spezielle passive Dämpfer, wie sie als Beispiele zur Illustration beispielsweise in den Dokumenten EP 1266152 B1 , US 6,026,709 A , US 5,637,041 A beschrieben sind.
• DE 102010046849 B4 beschreibt eine sensorbasierte Regelung von Schwingungen in schlanken Kontinua, speziell Torsionsschwingungen in Tiefbohrsträngen. Es wird eine Theorie zur Berechnung von laufenden Wellen anhand von zwei Messpunkten angegeben. In diesem Fall wird ein Verfahren beschrieben, bei dem zur aktiven Schwingungsreduktion die Drehschwingung an den zwei Messpunkten kurz von dem Aktor gemessen wird.
• DE 199 42 144 A1 beschreibt ein Verfahren zur adaptiven Identifikation und adaptiven Dämpfung von Schwingungen oder Drehungleichförmigkeiten. Der Verlauf von Schwingungen wird durch ein intelligentes Verfahren zur nichtlinearen Funktions-Approximation, wie z.B. ein Harmonisch Aktiviertes Neuronales Netz, im Spektralbereich für variable Betriebspunkte indentifiziert und zum Zweck der Kompensation reproduziert.
• DE 103 59 259 A1 betrifft ein Verfahren und eine Dämpfungsvorrichtung zur Dämpfung einer Torsionsschwingung in einem rotierenden Antriebsstrang. An dem Antriebsstrang ist eine elektrische Maschine angeordnet, die an einem elektrischen Mehrpol angeschlossen ist. Mit einem an die elektrische Maschine angeschlossenen elektrischen Dämpfungsglied wird ein Dämpfungs-Drehmoment in der elektrischen Maschine erzeugt. Das Dämpfungs-Drehmoment weist eine vorgegebene Dämpfungsfrequenz auf und liegt in Gegenphase zu der Winkelgeschwindigkeit der Torsionsschwingung.
• DE 10 2006 041 417 B3 beschreibt einen Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer angetriebenen Welle, einem Antriebsrad, das mit der angetriebenen Welle gekoppelt ist, einem Antriebsmittel, mindestens eine im Zugmittelbetrieb relativ bewegbare Ausgleichsmasse, wobei die mindestens eine Ausgleichsmasse in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegbar ist, und mindestens einen Stellmechanismus zum Bewegen der mindestens einen Ausgleichsmasse. Der mindestens eine Stellmechanismus ist als sich tangential bewegender, aktiv mittels einer Steuerung angesteuerter Aktuator ausgebildet, um die mindestens eine Ausgleichsmasse zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle zu bewegen.
• Druckschrift Taschenbuch für den Maschinenbau Dubbel. Bd. 1. 14. Vollst. Neubearb. u. erw. Aufl. Berlin : Springer, 1981. Titelseite + Inhaltsverzeichnis + S. 44-84 + S. 155-156. - ISBN 3-540-09422-9 gibt in dem Kapitel „Schwingungen der Kontinua“ (S. 155-156) Gleichungen im Bereich Dreh-, Biege- und Längsschwingungen von Stäben an. Entsprechende partielle Differentialgleichungen mit Lösungsansätzen werden auf S. 83-84 aufgezeigt.
• Druckschrift Taschenbuch für den Maschinenbau Dubbel. Bd. 1. 13. Aufl. ber. Neudruck. Berlin : Springer, 1974. Titelseite + Inhaltsverzeichnis + S. 75-116 + S. 287-289. - ISBN 3-540-06389-7 macht in dem Kapitel „Schwingungen der Kontinua“ (S. 288-289) Angaben zu Gleichungen im Bereich Dreh-, Biege- und Längsschwingungen von Stäben. Weiterhin wird auf die entsprechenden partiellen Differentialgleichungen mit Lösungsansätzen (S. 111-113) hingewiesen, z.B. Methode der Partikularlösungen nach Bernoulli.
• 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.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen einer Welle einer Maschine zu schaffen.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
• Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein aktives Dämpfen der Schwingungen der Kurbelwelle durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Aktors mit bestimmten Ansteuerungsdaten vorgenommen wird. Dabei wird zugrunde gelegt, dass die Welle als ein unendlich langes Bauteil ausgebildet ist.
• Demgemäß weist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, folgende Verfahrensschritte auf: (S1) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von schwingungsrelevanten Parametern der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, und von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine; (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und (S3) Aktives Dämpfen der Schwingungen der Kurbelwelle durch Ansteuern eines mit der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, in Wirkverbindung stehenden Aktors mit den bestimmten Ansteuerungsdaten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, die Welle als ein unendlich langes Bauteil aufzufassen. Der Aktor wird mit Ansteuerdaten beaufschlagt, wobei er die für die jeweilige Schwingungsform zugehörige Kontinuumsdifferentialgleichung erfüllt. Auf diese Weise wird dem System (Kurbelwelle und Hubkolbenmaschine) Energie entzogen, das System folglich bedämpft.
• Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Dämpfung der Schwingungen 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.
• 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.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit beliebigen Aktoren umgesetzt werden.
• Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist Folgendes auf a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere eine Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle, und ein Motorsteuergerät; und b) eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Dämpfungssteuergerät zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung, einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von mindestens einem schwingungsrelevanten Parameter der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, und einem Aktor zur Dämpfung von Schwingungen der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, wobei c) die Sensoreinrichtung und der Aktor in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle angeordnet sind.
• Die aktive Dämpfung der Schwingungen bietet den Vorteil einer maximalen Reduktion der Amplituden der Schwingung und damit der Spannungen in der zugehörigen Welle.
• Außerdem ist eine Reduktion der Amplituden der Schwingungen über den gesamten Frequenzbereich im Gegensatz zu einem passiven Schwingungsdämpfer möglich. Z.B. bedämpft ein passiver Drehschwingungsdämpfer 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.
• 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.
• Zudem ist nur eine Messstelle im Gegensatz zum Stand der Technik erforderlich, so dass ein kompakter Aufbau ermöglicht ist.
• In einer Ausführung wird das Messen von schwingungsrelevanten Parametern der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, mit einer Messeinrichtung durchgeführt, welche mindestens ein Fühlerelement aufweist, das mit der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, verbunden ist. Das Fühlerelement kann z.B. ein Dehnungsmessstreifen sein. Damit ist nur eine Messstelle zum Einsparen von Bauraum möglich.
• Solche schwingungsrelevanten Parameter sind messbare Parameter, welche durch Schwingungen der Kurbelwelle verändert werden. Bei Drehschwingungen, welche um die Wellenachse bzw. Kurbelwellenachse auftreten, ist z.B. eine Drillung ϑ' ein messbarer Parameter, der z.B. durch Dehnungsmessstreifen bei einer Torsions- bzw. Drillungsmessung einfach erfassbar ist. Auch bei den anderen Schwingungsformen, z.B. auch in kombinierter Form, gibt es Parameter, welche durch diese Schwingungsformen beeinflusst werden.
• In einer Ausführung wird im Fall von Drehschwingungen das Messen von schwingungsrelevanten Parametern als Messung einer Torsion bzw. Drillung der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, mit der Messeinrichtung durchgeführt. Dies ist bei Verwendung der zugehörigen Kontinuumsdifferentialgleichung vorteilhaft einfach möglich.
• In einer weiteren Ausführung weist das Bestimmen von Ansteuerungsdaten die folgenden Teilschritte auf: (S2.1) Bestimmen der Drillung der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, anhand von Messsignalen der Messeinrichtung; (S2.2) Berechnen eines Schnittmomentes aus der so bestimmten Drillung, einem Schubmodul der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, und einem Torsionswiderstandsmoment der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine; und (S2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten für den Aktor anhand des so berechneten Schnittmomentes. Auf diese Weise können die Ansteuerungsdaten z.B. vorteilhaft durch einen Algorithmus berechnet werden.
• In einer noch weiteren Ausführung wird in dem Teilschritt (S2.2) Berechnen das Schnittmomentes anhand der bestimmten Drillung, des Schubmoduls der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, und des Torsionswiderstandsmoment der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, nach der zugehörigen Kontinuumsdifferentialgleichung M = G l_T ϑ' berechnet. Dies ist eine einfache Multiplikation, die z.B. mit einem Mikroprozessor in einer Steuereinrichtung einfach durchzuführen ist.
• Es ist weiterhin in einer anderen Ausführung vorgesehen, dass in dem Teilsschritt (S2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten eine aktuelle Drehzahl, eine aktuelle Winkellage der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, und/oder eine aktuelle Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine berücksichtigt wird. So kann eine hohe Genauigkeit der Ansteuerungsdaten erreicht werden.
• In einer noch weiteren Ausführung wird im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Schwingungen 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.
• 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.
• Dabei ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Schwingungen der Welle, insbesondere der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, eine Energierückgewinnung mittels des Aktors durchgeführt wird. Dies ist somit besonders einfach, da kein zusätzliches Gerät erforderlich ist.
• In einer anderen Ausführung weist das Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine ein Erfassen von gespeicherten Daten, die anhand eines Simulationsverfahren von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine bestimmt worden sind, und/oder von aktuellen Daten eines Motorsteuergerätes auf.
• In einer noch weiteren Ausführung der Anordnung umfasst die Sensoreinrichtung eine Messeinrichtung mit mindestens einem Fühlerelement und einen Aufnehmer. Das Fühlerelement kann ein Dehnungsmessstreifen sein. Diese Elemente sind kostengünstig in hoher Qualität für vielfältige Einsatzzwecke erhältlich.
• Weiterhin ist vorgesehen, dass das Dämpfungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung mindestens eine Speichereinrichtung aufweist. Hiermit können vorher gespeicherte Daten zum Abruf bereitgehalten werden. Außerdem können diese aktualisiert abgespeichert werden.
• In eine weiteren Ausführung ist der Aktor als Elektromotor, Torque-Motor oder Piezoaktuator ausgebildet. Damit ist ein einfacher, kompakter Aufbau möglich. Es können natürlich auch Kombinationen möglich sein.
• Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Dämpfungsvorrichtung eine Einrichtung zur Energierückgewinnung aufweist, die mit dem Aktuator zusammenwirkt. Damit ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anordnung.
• Das Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen 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 Schwingungen der Welle, nicht nur bei bestimmten Drehzahlen, sondern über den gesamten Frequenzbereich. Außerdem ist eine Energierückgewinnung ermöglicht.
• Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung einer Hubkolbenmaschine mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
• 2 bis 3 schematische Flussdiagramme eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer Welle;
• Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren angegeben.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Hubkolbenmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 4 nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
• Die Anordnung umfasst die Hubkolbenmaschine 1 mit einem Motorsteuergerät 3 und mit der Dämpfungsvorrichtung 4.
• Die Hubkolbenmaschine 1 ist z.B. ein Diesel-, Benzin-, oder Gasmotor. Beispielsweise können auch Hydraulik-, Pneumatik- und Dampfmotoren als Hubkolbenmaschine 1 ausgebildet sein. Die Hubkolbenmaschine 1 kann z.B. als Antrieb für ein Fahrzeug, eine Baumaschine o.dgl., als ortsfester oder ortsveränderlicher Antrieb für mannigfaltige Antriebswecke eingesetzt werden.
• Ein Motorgehäuse 1a der Hubkolbenmaschine 1 ist mit einer Kurbelwelle 2 schematisch gezeigt. Die Kurbelwelle 2 wird von der Hubkolbenmaschine 1 angetrieben, ist mit einem Vorderende 2a aus dem Motorgehäuse 1a herausgeführt und weist eine Kurbelwellenachse 2b auf, um welche sich die Kurbelwelle 2 in einer Drehrichtung 2c bei Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 dreht. Die Kurbelwelle 2 erstreckt sich in einer Längsrichtung 2d zu ihrem Vorderende 2a und in einer dazu entgegengesetzten Längsrichtung 2e zu ihrem nicht gezeigten Hinterende.
• Das Motorsteuergerät 3 steht über eine Motorsteuergeräteverbindung 3a, die stellvertretend für unterschiedliche Verbindungen angegeben ist, mit der Hubkolbenmaschine 1 in Verbindung.
• Die Dämpfungsvorrichtung 4 ist zur aktiven Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 vorgesehen. Die Dämpfungsvorrichtung 4 umfasst ein Dämpfungssteuergerät 9, eine Sensoreinrichtung 5 und einen Aktor 8. Das Dämpfungssteuergerät 9 steht mit dem Motorsteuergerät 3, der Sensoreinrichtung 5 und dem Aktor 8 in Wirkverbindung. Die Dämpfungsvorrichtung 4 und ihre Funktionsweise werden unten noch im Detail beschrieben.
• Die Sensoreinrichtung 5 umfasst in diesem Beispiel eine Messeinrichtung 6 mit mindestens einem Fühlerelement 6a und einen Aufnehmer 7. Das Fühlerelement 6a ist hier z.B. ein Dehnungsmessstreifen. Es ist zwischen Motor 1a und dem Aktor 8 nahe an diesem in einem Bereich des Vorderendes 2a der Kurbelwelle 2 auf dieser in geeigneter Weise zur Erfassung von schwingungsrelevanten Parametern der Kurbelwelle 2 angebracht. Solche schwingungsrelevanten Parameter sind messbare Parameter, welche durch Schwingungen der Kurbelwelle 2 verändert werden. Schwingungen der Kurbelwelle 2 sind beispielsweise Drehschwingungen, Biegeschwingungen, Normalschwingungen. Bei Drehschwingungen, welche um die Wellenachse bzw. Kurbelwellenachse 2b auftreten, ist z.B. eine Drillung ϑ' ein messbarer Parameter, der z.B. durch Dehnungsmessstreifen bei einer Torsions- bzw. Drillungsmessung erfassbar ist. Auch bei den anderen Schwingungsformen, z.B. auch in kombinierter Form, gibt es Parameter, welche durch diese Schwingungsformen beeinflusst werden.
• Die Messeinrichtung 6 weist weiterhin nicht dargestellte aber vorstellbare Mittel zur elektrischen Versorgung des mindestens einen Fühlerelementes 6a auf, z.B. induktive oder/und Schleifringübertrager. Der Aufnehmer 7 umfasst Mittel zur Übertragung (auch bidirektionale Übertragung) von Messsignalen und evtl. Steuersignalen von und zu dem mindestens einen Fühlerelement 6a. Dazu kann z.B. eine übliche Telemetrieeinrichtung verwendet werden. Der Aufnehmer 7 kann auch eine drahtlose elektrische Versorgungsübertragung aufweisen.
• Im Weiteren wird der Fall von Drehschwingungen behandelt, bei den anderen Schwingungsformen ist es in entsprechender Weise ähnlich.
• Die Messeinrichtung 6 dient hier zur Messung von Dehnungen aufgrund von Torsion der Kurbelwelle 2, woraus eine Drillung ϑ' direkt oder indirekt ermittelbar ist.
• Selbstverständlich kann die Sensoreinrichtung 5 auch anders aufgebaut sein.
• Der Aktor 8 ist an dem Vorderende 2a der Kurbelwelle 2 angebracht und drehfest mit dieser verbunden. In einer anderen, nicht gezeigten Ausführung kann der Aktor 8 mit der Kurbelwelle 2 und einem, ebenfalls nicht gezeigten Fahrzeugchassis verbunden sein. Der Aktor 8 kann ein elektrischer Motor, z.B. ein so genannter Torque-Motor, mit hohem Drehmoment (im Bereich eines Zylinderdrehmoments der Hubkolbenmaschine 1) mit hoher Bandbreite sein. Alternativ kann auch ein Piezoaktuator mit entsprechendem Drehmoment verwendet werden.
• Das Dämpfungssteuergerät 9 weist hier eine Steuereinrichtung 10, eine Speichereinrichtung 11 und eine Ansteuereinrichtung 12 auf. Die Steuereinrichtung 10 ist mit dem Motorsteuergerät 3 über eine Motorsteuergeräteverbindung 3b verbunden. Außerdem ist die Steuereinrichtung 10 an die Speichereinrichtung 11 angeschlossen und steht mit der Sensoreinrichtung 5 über eine Aufnehmerleitung 7a mit dem Aufnehmer 7 der Sensoreinrichtung 5 in Verbindung. Zudem ist die Steuereinrichtung 10 mit der Ansteuereinrichtung 12 verbunden, an welcher der Aktor 8 mit einer Ansteuerleitung 12a angeschlossen ist.
• Die Dämpfungsvorrichtung 4 erhält Eingangsdaten über den Betriebszustand der Hubkolbenmaschine 1 und der Kurbelwelle 2 sowohl von dem Motorsteuergerät 3 als auch von der Sensoreinrichtung 5. Diese Eingangsdaten werden an die Steuereinrichtung 10 des Dämpfungssteuergerätes 9 geliefert. Anhand dieser Eingangsdaten bestimmt die Steuereinrichtung 10 Ansteuerungsdaten für die Ansteuereinrichtung 12. Die Steuereinrichtung 10 bestimmt in diesem Ausführungsbeispiel die Ansteuerungsdaten, indem sie mittels der Eingangsdaten jeweils diesen Eingangsdaten entsprechende, vorher in der Speichereinrichtung 11 gespeicherte Ansteuerungsdaten aus der Speichereinrichtung 11 ausliest und an die Ansteuereinrichtung 12 weiterleitet. Die Steuereinrichtung 10 kann auch die Ansteuerungsdaten aus den Eingangsdaten mittels geeigneter Algorithmen berechnen. Hierzu können weitere Daten in der Speichereinrichtung 11 vorab gespeichert sein, welche auch nachträglich aktualisierbar sind. Die Ansteuereinrichtung 12 versorgt anhand dieser Ansteuerungsdaten den Aktor 8 mit Ansteuersignalen. Der Aktor 8 wirkt daraufhin derart auf die Kurbelwelle 2 ein, dass deren Drehschwingungen aktiv gedämpft werden.
• Dazu wird unten weiter noch das zugehörige Verfahren näher erläutert, welches darauf basiert, dass hier die Kurbelwelle 2 als ein in den Längsrichtungen 2d, 2e unendlich lang fortgesetztes Bauteil angenommen wird. Hierzu muss der Aktor die zugehörige Kontinuumsdifferentialgleichung erfüllen.
• Im Falle einer Torsionswelle lautet die zugehörige Kontinuumsdifferentialgleichung $$\text{M}={\text{G I}}_{\mathrm{\tau }}\mathrm{\vartheta }\text{'}$$

  
• Dabei ist M das Schnittmoment, G der Schubmodul des Kurbelwellenwerkstoffs, l_T das Torsionswiderstandsmoment und ϑ' die Drillung.
• Die Drillung ϑ' wird mittels des mindestens einen als Dehnungsmessstreifen ausgebildeten Fühlerelementes 6a vor dem Aktor 8 auf dem Vorderende 2a der Kurbelwelle 2 erfasst. Die Dämpfungsvorrichtung 4 erzeugt daraus die zugehörigen Ansteuerdaten für den Aktor 8, welcher ein Moment gemäß der Formel (1) der Kontinuumsdifferentialgleichung auf die Kurbelwelle 2 aufbringt. Dann verhält sich das System aus Kurbelwelle 2 und Aktor 8 wie ein in Richtung des Aktors 8, also in der Längsrichtung 2d, unendlich lang fortgesetzte Welle.
• Hiermit durchgeführte Simulationen zeigen Ergebnisse eines Schwingungsverhaltens, welches identisch zu dem Schwingungsverhalten bei einem Verfahren zur Wellendekomposition mit zwei Messstellen ist. Ein solches Verfahren einschließlich der Theorie zur Berechnung von laufenden Wellen anhand von zwei Messpunkten wird z.B. in dem Dokument DE 102010046849 B4 ausführlich beschrieben.
• Die Eingangsdaten beinhalten die Messdaten der Sensoreinrichtung 5 als Drillung ϑ' der Kurbelwelle 2. Außerdem werden auch noch die Drehzahl der Kurbelwelle 2, die Winkellage der Kurbelwelle 2, etwa in Bezug auf den OT (oberer Totpunkt), sowie die momentane Motorlast der Hubkolbenmaschine 1 als Eingangsdaten oder/und als Zusatzdaten verwendet.
• Der in der Speichereinrichtung 11 gespeicherte Algorithmus mit weiteren Daten, z.B. Schubmodul G und Torsionswiderstandsmoment l_T, dient zur Berechnung für jede mögliche Kombination aus Drehzahl und Motorlast sowie Drillung ϑ' die jeweiligen Ansteuerungsdaten für den Aktor 8 zur Dämpfung der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 zu berechnen. Dazu können bestimmte Ansteuerungsdaten auch schon vorher erfasst und gespeichert sein.
• 2 zeigt ein allgemeines, schematische Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum aktiven Dämpfen von Schwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1.
• Dieses Verfahren kommt mit nur einer Messstelle aus. Diese nur eine Messstelle ist in 1 gezeigt.
• In einem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Erfassen von Eingangsdaten der Welle, insbesondere der Kurbelwelle 2, der Hubkolbenmaschine 1 und von der Hubkolbenmaschine 1 selbst.
• Ein Bestimmen von Ansteuerungsdaten wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 anhand der erfassten Eingangsdaten vorgenommen. Dies kann z.B. die Steuereinrichtung 10 des Dämpfungssteuergerätes 9 durchführen.
• Schließlich wird der Aktor 8 in einem dritten Verfahrensschritt S3 anhand der so bestimmten Ansteuerungsdaten zum Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 angesteuert.
• Ein mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt 3 in einem schematischen Flussdiagramm dar.
• In dem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt das Erfassen von Eingangsdaten. Dabei werden die Messsignale der Sensoreinrichtung 5 in Bezug auf die Torsion bzw. ϑ' der Kurbelwelle 2 erfasst. Außerdem wird eine aktuelle Drehzahl n der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 von dem Motorsteuergerät 3 geliefert. Eine Motorlast der Hubkolbenmaschine 1 wird auch durch von dem Motorsteuergerät 3 bereitgestellt.
• Der Verfahrensschritt S2 Bestimmen von Ansteuerungsdaten ist in drei Teilschritte aufgeteilt. In einem ersten Teilschritt S2.1 wird anhand der Eingangsdaten der Sensoreinrichtung 5 die Drillung ϑ' bestimmt. Dann wird mithilfe des Algorithmus oder auch mehrerer und der gespeicherten bzw. aktualisierten gespeicherten Daten für Schubmodul G und Torsionswiderstandsmoment l_T das Schnittmoment M in einem zweiten Teilschritt S2.2 nach obiger Formel (1) berechnet. Damit werden in einem dritten Teilschritt S2.3 die zugehörigen Ansteuerungsdaten bestimmt. Es können auch zusätzlich Anpassungen vorgenommen werden, z.B. in Bezug auf Temperatur, Motorlast, Drehzahl usw., deren Daten aus dem Motorsteuergerät 3 abgerufen werden.
• In dem dritten Verfahrensschritt S3 wird der Aktor 8 mit den so bestimmten bzw. errechneten Ansteuerungsdaten zum Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 angesteuert.
• Dieses Verfahren ist nicht auf Drehschwingungen beschränkt. Es kann auch für translatorische Schwingungen, wie z.B. Biege- oder Normalschwingungen eines Stabes, verwendet werden. Der Aktor 8 muss dabei dann der jeweiligen, zugehörigen Kontinuumsdifferentialgleichung entsprechende Momente oder Kräfte aufbringen.
• Bei diskreten Systemen ist in dem Fall der Drehschwingungen ein Moment aufzubringen, welches gleich der Winkeldifferenz der beiden letzten Massen vor dem Aktor 8 multipliziert mit der Drehfedersteifigkeit der verbindenden Drehfeder ist.
• Auch bei diskreten Systemen können selbstverständlich auch translatorisch schwingende Systeme mittels dieses Verfahrens bedämpft werden.
• Die Erfindung wird durch die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
• So ist es z.B. denkbar, dass der Aktor 8 für eine Energierückgewinnung verwendet werden kann. In Abhängigkeit von der Bauart des Aktors 8, z.B. als Piezoaktuator, kann die dem System entzogene Schwingungsenergie z.B. in Form von elektrischer Energie rückgewonnen werden. Dazu ist der Aktor 8 mit einer (nicht gezeigten) entsprechenden Schaltung verbunden, welche die von dem Aktor 8 erzeugte elektrische Energie z.B. in einem Akkumulator speichert.
• Bei einer Ausführung können bereits aktive Elemente in einem Antriebstrang, welcher mit der Kurbelwelle 2 in Verbindung steht, vorhanden sein (z.B. Elektromotor bei einem Hybrid-Antrieb, Lichtmaschine, Anlasser). Dabei kann es evtl. möglich sein, diese Elemente zur Schwingungsdämpfung mit zu verwenden.
• Der Aktor 8 kann auch an einer anderen Stelle der Kurbelwelle 2 angebracht sein.
• Es ist außerdem denkbar, dass die Dämpfungsvorrichtung 4 auch zum Dämpfen von Drehschwingungen bei Wellen anderer Maschinen als Hubkolbenmaschinen einsetzbar ist. Z.B. bei Maschinen, deren Betriebszustände als quasi-stationär angenommen werden können, kann die Dämpfungsvorrichtung 4 nach dem ersten Ausführungsbeispiel benutzt werden.
• Es kann auch möglich sein, weitere (Dreh-)Schwingungen im Antriebsstrang (z.B. durch Kupplung verursachte Drehschwingungen) mit der Dämpfungsvorrichtung 4 zu dämpfen.
• Bezugszeichenliste

1

Hubkolbenmaschine

1a

Motor

2

Kurbelwelle

2a

Vorderende

2b

Kurbelwellenachse

2c

Drehrichtung

2d, 2e

Längsrichtung

3

Motorsteuergerät

3a, 3b

Motorsteuergeräteverbindung

4

Dämpfungsvorrichtung

5

Sensoreinrichtung

6

Messeinrichtung

6a

Fühlerelement

7

Aufnehmer

7a

Aufnehmerleitung

8

Aktor

9

Dämpfungssteuergerät

10

Steuereinrichtung

11

Speichereinrichtung

12

Ansteuereinrichtung

12a

Ansteuerleitung

S...

Verfahrensschritt

Claims (7)

1. Verfahren zum aktiven Dämpfen von Schwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle (2) einer Hubkolbenmaschine (1), mit folgenden Verfahrensschritten: (S1) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von schwingungsrelevanten Parametern der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), mit einer Messeinrichtung (6), welche mindestens einen Dehnungsmessstreifen als Fühlerelement (6a), das mit der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), verbunden ist, aufweist, und von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1); (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und (S3) Aktives Dämpfen der Schwingungen der Kurbelwelle (2) durch Ansteuern eines mit der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), in Wirkverbindung stehenden Aktors (8) mit den bestimmten Ansteuerungsdaten, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten für Drehschwingungen die für Drehschwingungen zugehörige Kontinuumsdifferentialgleichung und für translatorischen Schwingungen die für translatorischen Schwingungen zugehörigen Kontinuumsdifferentialgleichungen verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall von Drehschwingungen das Messen von schwingungsrelevanten Parametern eine Torsion bzw. Drillung (ϑ') der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), mit der Messeinrichtung (6) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen von Ansteuerungsdaten die folgenden Teilschritte aufweist: (S2.1) Bestimmen der Drillung (ϑ') der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), anhand von Messsignalen der Messeinrichtung (6); (S2.2) Berechnen eines Schnittmomentes (M) aus der so bestimmten Drillung (ϑ'), eines Schubmoduls (G) der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), und eines Torsionswiderstandsmoment (l_T) der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1); und (S2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten für den Aktor (8) anhand des so berechneten Schnittmomentes (M).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S2.2) Berechnen das Schnittmomentes (M) anhand der bestimmten Drillung (ϑ'), des Schubmoduls (G) der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), und des Torsionswiderstandsmoment (l_T) der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), nach der zugehörigen Kontinuumsdifferentialgleichung M = G l_T ϑ' berechnet wird. :
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilsschritt (S2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten eine aktuelle Drehzahl, eine aktuelle Winkellage der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), und/oder eine aktuelle Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes (3) der Hubkolbenmaschine (1) berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Welle, insbesondere der Kurbelwelle (2) der Hubkolbenmaschine (1), eine Energierückgewinnung mittels des Aktors (8) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1) ein Erfassen von gespeicherten Daten, die anhand eines Simulationsverfahren von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1) bestimmt worden sind, und/oder von aktuellen Daten eines Motorsteuergerätes aufweist.

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