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Die Erfindung betrifft einen Drehschwingungsdämpfer, wie insbesondere ein Zweimassenschwungrad, zur Dämpfung von Drehschwingungen insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Bei Drehschwingungsdämpfern für den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen ist das so genannte Zweimassenschwungrad bekannt geworden, bei welchem zwei relativ zu einander verdrehbar angeordnete Schwungmassen vorgesehen, die entgegen der Rückstellkraft von Kraftspeichern relativ zueinander um einen gewissen Verdrehwinkel verdrehbar sind. Dabei ist die Dämpfung der Drehschwingungen von der Federsteifigkeit der eingesetzten Kraftspeicher und dem zulässigen Verdrehwinkel sowie den eingesetzten Reibungsdämpfungselementen abhängig.
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Dabei zeigen sich insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit besonders hohen Anforderungen an die Schwingungsdämpfung, wie bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung oder mit sehr niedrigen Leerlaufdrehzahlen oder bei hohen Drehmomenten bei bereits geringen Drehzahlen, bei herkömmlichen Zweimassenschwungrädern Grenzen der Schwingungsdämpfung.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehschwingungsdämpfer zu schaffen, welcher insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor mit Zylinderabschaltung oder mit sehr niedrigen Leerlaufdrehzahlen oder bei hohen Drehmomenten bei bereits geringen Drehzahlen eine verbesserte Schwingungsisolation im Vergleich zu Drehschwingungsdämpfern nach dem Stand der Technik zeigt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Drehschwingungsdämpfer mit einer Primärschwungmasse und einer Sekundärschwungmasse, wobei die Primärschwungmasse relativ zur Sekundärschwungmasse entgegen der Rückstellkraft zumindest eines Kraftspeichers verdrehbar ist, wobei eine elektrische Maschine vorgesehen ist, welche derart steuerbar ist, dass ein Drehmoment zwischen der Primärschwungmasse und der Sekundärschwungmasse aufbringbar ist. Dadurch kann zusätzlich zu dem von dem Kraftspeicher oder den Kraftspeichern aufgebrachten Drehmoment ein zusätzliches Drehmoment durch die elektrische Maschine angesteuert werden, um die Dämpfung von Drehschwingungen zu verbessern.
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Dabei ist es gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn das von der elektrischen Maschine aufbringbare Drehmoment in Überlagerung zu dem von dem zumindest einen Kraftspeicher bewirkten Drehmoment wirkt. Somit wird das von der elektrischen Maschine erbrachte Drehmoment so zu sagen parallel zum Drehmoment der Kraftspeicher.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator ausgebildet ist, wobei der Rotor mit einer von Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse verbunden ist und der Stator mit der anderen von Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse verbunden ist. Dabei ist der Rotor ein Element, das relativ zum Stator verlagerbar ist und relativ zu einer der Schwungmassen feststehend und zur anderen Schwungmasse verlagerbar ist. Gleiches gilt für den Stator in umgekehrtem Bezug zu den beiden Schwungmassen. Durch die unmittelbare Anordnung von Stator und Rotor an der jeweiligen Schwungmasse kann eine bauraumsparende Gestaltung erzielt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Primärschwungmasse und/oder die Sekundärschwungmasse einen Ring-flansch mit sich in axialer Richtung erstreckender Ringfläche aufweist, an welchem der Rotor oder der Stator angeordnet ist. Dadurch wird eine in axialer Richtung bauraumsparende Ausgestaltung erreicht.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Primärschwungmasse und die Sekundärschwungmasse jeweils einen Ringflansch mit sich in axialer Richtung erstreckender Ringfläche aufweist, wobei der Ringflansch der Primärschwungmasse den Ringflansch der Sekundärschwungmasse radial außen übergreift und dass der Rotor oder Stator radial innen am Ringflansch der Primärschwungmasse platziert ist und dass der Stator oder Rotor radial außen an dem Ringflansch der Sekundärschwungmasse angeordnet ist. Dadurch wird eine hohe Integration des Drehschwingungsdämpfers erzielt.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass der oder die Kraftspeicher radial innerhalb des Ringflanschs von Primärschwungmasse oder Sekundärschwungmasse angeordnet ist bzw. sind. Dadurch wird eine axial schmale Bauweise erreicht.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die elektrische Maschine über ein von der Ausgangswelle antreibbares Antriebsrad verfügt, welches ein angetriebenes Rad antreibt, welches wiederrum ein Hohlrad antreibt, welches mit einem Flansch drehmomentfest verbunden ist, welcher zumindest einen Kraftspeicher beaufschlagt. Dadurch wird eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erzielt, bei der eine zentral angeordnete elektrische Maschine einsetzbar ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das antreibbare Antriebsrad als Sonnenrad ausgebildet ist und zumindest ein Planetenrad als angetriebenes Rad kämmt, wobei das angetriebene Rad an der Sekundärschwungmasse drehbar gelagert ist. So kann mit einem Planetengetriebe eine Übersetzung zwischen den Schwungmassen vorgesehen werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Primärschwungmasse relativ zur Sekundärschwungmasse mittels eines Lagers verdrehbar gelagert ist. Dadurch kann eine langlebige Gestaltung vorgesehen werden.
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Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Lager radial innen an Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse angeordnet ist. Alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Lager radial außen an Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, wenn eine Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Maschine und/oder Sensoren vorgesehen sind, welche Betriebsgrößen des Drehschwingungsdämpfers, wie Drehzahlen oder Drehmomente, erfassen, wobei die Steuereinheit und/oder die Sensoren in den Drehschwingungsdämpfer integriert ist. Dadurch kann eine autarke Ausgestaltung erreicht werden, die ohne äußeren Einfluss funktionstüchtig ausgestaltet werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit eine Leistungselektronik und/oder einen Energiespeicher aufweist. So kann die Ansteuerung autark ausgestaltet werden, weil die Leistungselektronik mit dem Energiespeicher betrieben werden kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Steuereinheit in einer Aufnahme an der Primärschwungmasse oder an der Sekundärschwungmasse oder zwischen der Primärschwungmasse und der Sekundärschwungmasse angeordnet ist. So kann auch eine bauraumsparende Ausgestaltung erreicht werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Rotor eine Anordnung von Magneten, wie insbesondere Permanentmagneten, aufweist. Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn der Stator eine Anordnung von zumindest einer magnetisierbaren Spule aufweist.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert:
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Drehschwingungsdämpfers mit elektrischer Maschine,
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2 eine alternative Gestaltung eines Drehschwingungsdämpfers mit elektrischer Maschine in einer schematischen Darstellung, und
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3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Drehschwingungsdämpfers mit elektrischer Maschine.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehschwingungsdämpfer 1 als Zweimassenschwungrad 2 mit Primärschwungmasse 3 und Sekundärschwungmasse 4, die entgegen der Rückstellkraft zumindest eines Kraftspeichers 5 relativ zueinander in einem vorgebbaren Drehwinkel zueinander verdrehbar sind. Der Drehschwingungsdämpfer 1 ist im Antriebsstrang zwischen einem Antriebsmotor 6 und einem Getriebe 7 angeordnet.
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Der Drehschwingungsdämpfer umfasst weiterhin auch eine elektrische Maschine 8, die derart vorgesehen und steuerbar ist, dass ein Drehmoment zwischen der Primärschwungmasse 3 und der Sekundärschwungmasse 4 aufbringbar ist.
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Die elektrische Maschine 8 ist somit zwischen Primärschwungmasse 3 und Sekundärschwungmasse 4 parallel zu den Kraftspeichern, welche als Torsionsfederelemente ausgebildet sein können, angeordnet. Vorteilhaft ist dabei weiterhin wenn zusätzlich zu der elektrischen Maschine 8 auch eine Steuereinheit ggf. mit Leistungselektronik und/oder einem Energiespeicher in den Drehschwingungsdämpfer integriert ist, so dass sich eine autarke Vorrichtung ohne benötigte elektrische Verbindung nach außen geschaffen wird.
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Dadurch wird erreicht, dass gesteuert ein zusätzliches Drehmoment zwischen Primärschwungmasse 3 und Sekundärschwungmasse 4 erzeugt werden kann, welches überlagert zum Drehmoment der Kraftspeicher übertragen wird.
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Neben der Steuereinheit mit Leistungselektronik und Energiespeicher, wie Batterie oder Akkumulator, können auch Sensoren 9 in den Drehschwingungsdämpfer integriert werden. Diese Sensoren können beispielswiese den Drehwinkel zwischen Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse erfassen, so dass dieses Signal zur Ansteuerung der elektrischen Maschine von der Steuereinheit verwendet werden kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Erkennen der aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors mittels Messung des Zeitintervalls zwischen zwei Arbeitshüben erfolgt. Die einzelnen Arbeitshübe sind dabei anhand der Maxima des Drehwinkels bzw. der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung des Drehwinkel-Signals erkennbar.
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Auch ist es aus diesem Signal möglich anhand des Verlaufes des Drehwinkels zwischen Primärschwungmasse 3 und Sekundärschwungmasse 4 zu erkennen, ob Zylinder des Verbrennungsmotors abgeschaltet wurden. Je nach Art der Zylinderabschaltung ist am Drehwinkelverlauf ein Kompressionshub ohne Arbeitshub erkennbar. Dies ist beispielsweise als Buckel in der Beschleunigung mit kleinerer Spitzenamplitude erkennbar. Auch ist es möglich abgeschaltete Zylinder ohne Kompressionshub zu erkennen, beispielswiese aufgrund eines längeren annähernd linearen Verlaufs zwischen zwei Arbeitshüben.
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Auch ist es möglich, den aktuellen Betriebspunkt, wie das mittlere Drehmoment des Verbrennungsmotors zu erkennen. Dies kann mittels des Drehwinkelsensors zwischen Primärschwungmasse 3 und Sekundärschwungmasse 4 erfolgen, indem der Mittelwert des Drehwinkels über das Zeitintervall zwischen zwei Arbeitshüben ermittelt wird.
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Die Sensoren 9 können vorteilhaft auch Sensoren umfassen, welche Sensoren zur Drehzahlerfassung von Primärschwungmasse und/oder Sekundärschwungmasse sein.
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Vorteilhaft ist auch ein Datenaustausch der Steuereinheit im Drehschwingungsdämpfer mit einer Motor- und/oder Getriebesteuerung.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn Informationen und/oder Daten und/oder Signale von der Motor- bzw. Getriebesteuerung verwendet werden, um die Ansteuerung der elektrischen Maschine 8 zu optimieren. So können beispielsweise Lastsprünge vorweggenommen werden oder die Dämpfung der Drehungleichförmigkeiten können im Leerlaufbetrieb schneller aktiviert werden.
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Vorteilhaft kann ein Energieaustausch mit einer externen, sich außerhalb des Drehschwingungsdämpfers befindlichen Energieversorgung erfolgen, wie insbesondere mittels Schleifkontakten oder mittels einer kontaktfreien Übertragung.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Speichern der elektrischen Energie erfolgt, welche während des Betriebes der elektrischen Maschine 8 als Generator gewonnen wird, wobei das Speichern vorteilhaft in einem im Drehschwingungsdämpfer integrierten Energiespeicher erfolgt, welcher vorteilhaft insbesondere als Kondensator, Superkondensator etc. ausgebildet ist. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn diese gespeicherte Energie verwendet wird, um die elektrische Maschine 8 zu anderen Zeitpunkten als Motor zu betreiben.
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Bei einem Verfahren zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 8 ist es vorteilhaft, wenn das Drehmoment der elektrischen Maschine 8 annähernd proportional zur Abweichung des Drehwinkels zwischen Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse um einen Betriebspunkt herum gesteuert wird. So wirkt das Drehmoment der elektrischen Maschine 8 gegen das Drehmoment der Kraftspeicher 5, so dass sich eine geringere effektive Federsteifigkeit um einen Betriebspunkt herum ergibt oder umgekehrt, so dass eine höhere effektive Federsteifigkeit resultiert.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Verfahren zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 8 derart erfolgt, dass die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingsystems, bestehend aus Kraftspeicher und Sekundärschwungmasse, angehoben bzw. abgesenkt wird. Dies erfolgt derart, indem das Drehmoment der elektrischen Maschine 8 so angesteuert wird, dass eine höhere effektive bzw. niedrigere effektive Federsteifigkeit entsteht, so dass die Resonanzfrequenzen nicht mit der Erregungsfrequenz durch die Arbeitshübe des Verbrennungsmotors zusammenfallen.
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Das Dämpfen von Schwingungen erfolgt dabei vorteilhaft derart, dass jeweils ein maximales Drehmoment entgegen der aktuellen Relativdrehbewegung oder Relativbeschleunigung zwischen Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse mittels der elektrischen Maschine 8 erzeugt wird.
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Auch ist ein Erkennen des Leerlaufbetriebes dadurch möglich, dass der Drehwinkel zwischen Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse im Mittel in der Nähe der Neutralstellung der Kraftspeicher verbleibt.
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Auch ist ein Beruhigen der Drehungleichförmigkeit des Verbrennungsmotors im Leerlauf dadurch möglich, dass mittels der Ansteuerung der elektrischen Maschine 8 der Drehwinkel zwischen Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse möglichst konstant gehalten wird, so dass während der Arbeitshübe des Verbrennungsmotors die Sekundärschwungmasse mit einem zusätzlichen Drehmoment von der elektrischen Maschine beschleunigt wird und während der Kompressionshübe die Sekundärschwungmasse die Primärschwungmasse zusätzlich antreibt, indem die elektrische Maschine ein möglichst großes umgekehrtes Drehmoment erzeugt.
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Die Anordnung der Steuereinheit kann dabei derart erfolgen, dass sie an Stahlelementen des Drehschwingungsdämpfers angeordnet ist, so dass die Stahlflächen des Schwungrads bzw. von Primärschwungmasse und/oder von Sekundärschwungmasse als Kühlkörper für die Leistungselektronik verwendet werden kann. Ergänzend können auch Kühlrippen am Schwungrad oder an zumindest einer der Schwungmassen vorgesehen sein, um die Wärme besser abzuführen und um die Betriebstemperatur der Leistungselektronik abzusenken.
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Die elektrische Maschine 8 wird vorteilhaft proportional zur Abweichung des Verdrehwinkels und der verfügbaren Energie im Energiespeicher angesteuert. Wird der Kraftspeicher als beispielsweise Bogenfeder stärker zusammengedrückt, so wird das Drehmoment der elektrischen Maschine gegen die Bogenfederkraft gesteigert und umgekehrt. Ein neuer Betriebspunkt, beispielsweise nach einem Lastsprung oder nach Leistungsänderungen des Verbrennungsmotors, wird erkannt, indem die Gesamtleistung je Periode als Zeit zwischen zwei Arbeitshüben in der Summe gleich null sein muss.
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Die Steuereinheit kann entweder über eine Batterie mit Energie versorgt werden oder die Energie resultiert ebenfalls aus der elektrischen Maschine, die in deren Generatorbetrieb erzeugt wird.
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Beim Startfall wird bei der ersten Beschleunigung durch den Starter bereits Energie erzeugt und so startet die Steuerungselektronik der Steuereinheit. Während des ersten Arbeitshubes steht sowohl eine hohe relative Drehzahl zwischen Primärschwungmasse und Sekundärschwungmasse als auch ein hohes Drehmoment zur Verfügung, so dass der Energiespeicher ausreichend aufgeladen werden kann. Gleichzeitig erhöht die elektrische Maschine 8 die Federsteifigkeit der Kraftspeicher als Torsionsfedern, so dass die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Pendels angehoben wird und oberhalb der Anregung durch den Verbrennungsmotor liegt. Ab einer gewissen Drehzahl des Verbrennungsmotors wird die Ansteuerung der elektrischen Maschine umgekehrt, so dass nun eine geringere Federsteifigkeit erzeugt wird und somit nun die Anregung durch den Verbrennungsmotor oberhalb der Resonanzfrequenz liegt.
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Die 2 zeigt in einem schematischen Halbschnitt einen Drehschwingungsdämpfer 10 mit Primärschwungmasse 11 und Sekundärschwungmasse 12, die jeweils um die Achse 13 drehbar sind und die relativ zueinander entgegen der Rückstellkraft der Kraftspeicher 14 verdrehbar sind. Dazu sind die beiden Schwungmassen 11, 12 mittels des Lagers 15 relativzueinander gelagert, wobei das Lager 15 jeweils zwischen einem radial innen angeordneten Ringflanschs 16, 17 der Schwungmassen 11, 12 angeordnet ist.
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Weiterhin ist eine elektrische Maschine 18 vorgesehen mit einem Rotor 19 und mit einem Stator 20, wobei der Rotor 19 mit einer von Primärschwungmasse 11 und Sekundärschwungmasse 12 verbunden ist und der Stator 20 mit der anderen von Primärschwungmasse 11 und Sekundärschwungmasse 12 verbunden ist. Dazu weist die Primärschwungmasse 11 und/oder die Sekundärschwungmasse 12 einen Ringflansch 21, 22 mit sich in axialer Richtung erstreckender Ringfläche auf, an welchem der Rotor 19 oder der Stator 20 angeordnet sind.
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Die Primärschwungmasse 11 und die Sekundärschwungmasse 12 weisen jeweils einen Ringflansch 21, 22 mit sich in axialer Richtung erstreckender Ringfläche auf, wobei der Ringflansch 21 der Primärschwungmasse 11 den Ringflansch 22 der Sekundärschwungmasse 12 radial außen übergreift und dass der Rotor 19 oder Stator 20 radial innen am Ringflansch 21 der Primärschwungmasse 11 platziert ist und dass der Stator 20 oder Rotor 19 radial außen an dem Ringflansch 22 der Sekundärschwungmasse 12 angeordnet ist. Der oder die Kraftspeicher 14 ist bzw. sind radial innerhalb des Ringflanschs 21, 22 von Primärschwungmasse 11 oder Sekundärschwungmasse 12 angeordnet.
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Zwischen der Primärschwungmasse 11 und der Sekundärschwungmasse 12 ist die Steuereinheit 23 angeordnet.
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Die 3 zeigt in einem schematischen Halbschnitt einen Drehschwingungsdämpfer 50 mit Primärschwungmasse 51 und Sekundärschwungmasse 52, die jeweils um die Achse 53 drehbar sind und die relativ zueinander entgegen der Rückstellkraft der Kraftspeicher 54 verdrehbar sind. Dazu sind die beiden Schwungmassen 51, 52 mittels des Lagers 55 relativzueinander gelagert, wobei das Lager 55 radial außen angeordnet ist.
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Weiterhin ist eine elektrische Maschine 56 vorgesehen, welche auf einer Ausgangswelle 57 ein antreibbares Antriebsrad 58 trägt, welches ein angetriebenes Rad 59 antreibt, welches ein Hohlrad 60 antreibt, welches einen Flansch 62 aufweist, welcher zumindest einen Kraftspeicher 54 beaufschlagt.
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Dabei ist das antreibbare Antriebsrad 58 als Sonnenrad ausgebildet, welches zumindest ein Planetenrad als angetriebenes Rad 59 kämmt, wobei das angetriebene Rad 59 an der Sekundärschwungmasse 52 über ein Lager 61 drehbar gelagert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehschwingungsdämpfer
- 2
- Zweimassenschwungrad
- 3
- Primärschwungmasse
- 4
- Sekundärschwungmasse
- 5
- Kraftspeicher
- 6
- Antriebsmotor
- 7
- Getriebe
- 8
- elektrische Maschine
- 9
- Sensor
- 10
- Drehschwingungsdämpfer
- 11
- Primärschwungmasse
- 12
- Sekundärschwungmasse
- 13
- Achse
- 14
- Kraftspeicher
- 15
- Lager
- 16
- Ringflansch
- 17
- Ringflansch
- 18
- elektrische Maschine
- 19
- Rotor
- 20
- Stator
- 21
- Ringflansch
- 22
- Ringflansch
- 23
- Steuereinheit
- 50
- Drehschwingungsdämpfer
- 51
- Primärschwungmasse
- 52
- Sekundärschwungmasse
- 53
- Achse
- 54
- Kraftspeicher
- 55
- Lager
- 56
- elektrische Maschine
- 57
- Ausgangswelle
- 58
- Antriebsrad
- 59
- angetriebenes Rad
- 60
- Hohlrad
- 61
- Lager
- 62
- Flansch
