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Die Erfindung betrifft einen Tilger zum Dämpfen eines Drehschwingens eines rotierenden Systems, insbesondere eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
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Jedes rotierende System kann durch ein Antriebsaggregat zu einem Drehschwingen angeregt werden, wenn während des Betriebs ein von dem Antriebsaggregat erzeugtes und auf das rotierende System übertragenes Drehmoment zeitlich nicht konstant ist, sondern sich periodisch ändert. Dies ist bei auf einem Verbrennen eines Kraftstoffs beruhenden Antriebsaggregaten, d. h. Verbrennungsmotoren, infolge von zeitlich diskreten Zündzeitpunkten prinzipiell unvermeidbar.
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Unter einer Drehschwingung wird demnach eine Schwingung eines rotierenden Systems um seine Drehachse verstanden, welche die gleichmäßige Rotation des Systems überlagert. Antriebsstränge von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Rotoren von Gasturbinen oder Schraubenwellen von Schiffen können von den jeweils zugeordneten Antriebsaggregaten in eine Drehschwingung versetzt werden.
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Drehschwingungen können aber für das rotierende System selbst sowie für eine Maschine, welche das rotierende System umfasst und durch die Drehschwingungen ebenfalls in eine Schwingung versetzt wird, eine Belastung darstellen und infolgedessen zu einer stärkeren Abnutzung, einem früheren Verschleiß und schließlich zu einer verkürzten Lebensdauer führen.
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Abgesehen davon können Schwingungen der Maschine für Personen in der Maschine, beispielsweise Insassen eines Kraftfahrzeugs, unangenehm sein.
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Deshalb ist es nützlich, Drehschwingungen rotierender Systeme durch Dämpfen zu vermeiden oder zumindest auf ein weniger schädliches Maß zu reduzieren. Dazu geeignete Vorrichtungen werden gewöhnlich Drehschwingungstilger, kürzer Drehtilger oder einfach Tilger genannt.
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So offenbart die
US 4 679 464 A eine Vorrichtung zum Dämpfen eines Drehschwingens eines Planetengetriebes, welche einen Stator, ein Planetengetriebe und zwei hydraulische Zylinder umfasst, welche das Planetengetriebe an gegenüberliegenden Seiten mit dem Stator jeweils gelenkig verbinden. Die hydraulischen Zylinder sind derart angeordnet, dass sie zueinander parallele und entgegengesetzte Wirkungsrichtungen aufweisen, um das Planetengetriebe mit einer in dessen Umfangsrichtung wirkenden elastischen Kraft zu beaufschlagen.
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Bei dieser Lösung wird eine bestimmte Frequenz eines Drehschwingens gedämpft, welche durch die Dämpfungskonstanten der beiden hydraulischen Zylinder konstruktiv festgelegt ist. Üblicherweise erfolgt ein Drehschwingen aber nicht in einer einzigen Frequenz, d. h. Grundfrequenz, sondern weist analog einer Obertonreihe eines Klangs, auch Frequenzen höherer Ordnungen auf. Zudem ist die Grundfrequenz des Drehschwingens auch von einer Drehgeschwindigkeit des rotierenden Systems abhängig. Infolgedessen kann der vorstehend beschriebene Tilger in vielen Anwendungsfällen und Betriebszuständen des rotierenden Systems keine zufriedenstellende Dämpfung bereitstellen.
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Die
DE 1 222 757 B offenbart dagegen eine Vorrichtung mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Planetengetriebe und zwei druckluftgedämpften länglichen Zylinderkolben, welche beabstandet und parallel zueinander verschiebbar an gegenüberliegenden Seiten des Planetengetriebes in dem Gehäuse angeordnet sind. Die beiden Zylinderkolben weisen an einander zugewandten Seiten jeweils eine mittige Aufnahme auf. In den gegenüberliegenden Aufnahmen sind entsprechende Vorsprünge verschwenkbar aufgenommen, welche an einer Außenseite eines Hohlrads des Planetengetriebes vorgesehen sind. Während des Betriebs der Vorrichtung schaffen die Zylinderkolben eine mittels Druckluft verstellbare elastische Dämpfung einer unerwünschten Drehschwingung des Planetengetriebes.
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Eine ähnliche aufgebaute Vorrichtung zum Erzeugen einer Drehschwingung ist in der
DE 36 41 338 A1 offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen Stator und eine an dem Stator gelenkig befestigte hydraulische Steuereinrichtung. Die hydraulische Steuereinrichtung umfasst eine in einer Betätigungsrichtung der Steuereinrichtung linear verschiebbare Kolbenstange, deren freies Ende gelenkig an einem rotierenden System, wie beispielsweise einem Hohlrad eines Planetengetriebes eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, befestigt werden kann. Wenn sich die Betätigungsrichtung parallel zu einer Umfangsrichtung des Planetengetriebes erstreckt, kann mittels der Vorrichtung eine unerwünschte Drehschwingung des rotierenden Systems gedämpft werden. Dazu erzeugt die Steuereinrichtung eine zu der unerwünschten Drehschwingung gegenphasige Linearschwingung möglichst gleicher Amplitude.
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Beide Vorrichtungen ermöglichen ein Verstellen einer Dämpfungsfrequenz und können folglich für viele Anwendungsfälle und Betriebszustände eines rotierenden Systems eine zufriedenstellende Dämpfung bereitstellen. Allerdings sind die Dämpfungselemente relativ aufwändig und komplex und entsprechend kostspielig und wartungsbedürftig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Tilger zum Dämpfen eines Drehschwingens eines rotierenden Systems zu schaffen, welcher die beschriebenen Nachteile vermeidet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung mit einem Tilger und ein Kraftfahrzeug mit einem Tilger zur Verfügung zu stellen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Tilger zum Dämpfen eines Drehschwingens eines rotierenden Systems, insbesondere eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Antriebsstränge verbrennungsmotorisch angetriebener Kraftfahrzeuge sind anfällig für ein unerwünschtes Drehschwingen während des Betriebs. Deshalb ist für den erfindungsgemäßen Tilger eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten gegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst der Tilger einen Stator, ein Planetengetriebe, ein passives Dämpfungselement und einen das Planetengetriebe mit dem Dämpfungselement gelenkig verbindenden Hebel. Das Planetengetriebe ist hierbei ausdrücklich eine Komponente des Tilgers und keine (Getriebe-) Komponente des rotierenden Systems. Entsprechend stellt das Hohlrad des Planetengetriebes ähnlich einem herkömmlichen Zweimassenschwungrad ein Massenträgheitsmoment bereit.
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Passive Dämpfungselemente sind kostengünstig in der Herstellung sowie einfach in der Handhabung und Montage. Zudem weisen sie eine geringe Komplexität und damit Fehleranfälligkeit auf. Dasselbe trifft auf mechanische Hebel und Gelenkverbindungen zu.
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In gewohnter Weise kann der Hebel stabförmig, d. h. als ein Stab mit zwei freien Enden, ausgebildet sein und weist einen Hebelpunkt auf, welcher zwischen beiden freien Enden angeordnet ist und den Hebel in zwei Abschnitte, sogenannte Hebelarme, unterteilt. Der Hebelpunkt ist um seinen Hebelpunkt verschwenkbar gelagert und transformiert eine an einem Hebelarm angreifende Kraft entsprechend einem Längenverhältnis der Hebelarme.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Hohlrad des Planetengetriebes relativ zu dem Stator drehbar gelagert und/oder das Dämpfungselement an dem Stator gelenkig befestigt. Der Stator kann beispielsweise als ein Gehäuse des Tilgers ausgeführt sein und bildet für alle beweglichen Komponenten des Tilgers einen stationären Bezugspunkt. Bei einem Kraftfahrzeug kann der Stator des Tilgers beispielsweise an einem Fahrgestell des Fahrzeugs befestigt sein. Über den Hebel und das Dämpfungselement ist demnach das Hohlrad des Planetengetriebes an einem freien Drehen gehindert, stützt sich also gedämpft an dem Stator ab. Ein Drehen des Hohlrads erfolgt ausschließlich in engen durch das Dämpfungselement und den Hebel bestimmten Grenzen, d. h. innerhalb eines kleinen Winkelbereichs.
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In weiteren Ausführungsformen ist ein erstes freies Ende des Hebels an dem Dämpfungselement gelenkig befestigt und ein zweites freies Ende des Hebels an einem Hohlrad des Planetengetriebes gelenkig gehalten. Anders gesagt bildet der Hebel eine Gelenkverbindung zwischen dem Dämpfungselement und dem Hohlrad.
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Vorteilhaft erstreckt sich eine Wirkungsrichtung des Dämpfungselements senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Hebels und/oder eine Erstreckungsrichtung des Hebels in einer radialen Richtung des Planetengetriebes. Wenn sich der Hebel sowohl senkrecht zu der Wirkungsrichtung des Dämpfungselements als auch in der radialen Richtung des Planetengetriebes erstreckt, wirkt eine von dem Dämpfungselement erzeugte Dämpfungskraft in der Umfangsrichtung des Planetengetriebes, und kann daher ein Drehschwingen des Planetengetriebes, insbesondere des Hohlrads, effektiv dämpfen.
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Bevorzugt ist als das Dämpfungselement eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, vorgesehen, deren erstes freies Ende an dem Stator und deren zweites freies Ende mit dem zweiten freien Ende des Hebels gelenkig verbunden ist. Federn und in besonderem Maße Spiralfedern sind bewährte und weit verbreitete passive Dämpfungsmittel. Verfügbare Federn können eine Vielzahl unterschiedlicher Dämpfungskonstanten aufweisen und erlauben eine hohe Flexibilität beim Dimensionieren des Tilgers.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Tilger ein Verstellglied, welches an dem Stator linear verschiebbar gelagert ist, insbesondere in einer zu einer Erstreckungsrichtung des Hebels parallelen Verschieberichtung. Das Verstellglied dient dazu, den Hebelpunkt des Hebels während des Betriebs des Tilgers jederzeit frei einstellbar vorzusehen, d. h. das Verhältnis der Längen der beiden Hebelarme kann durch Verschieben des Hebelpunkts dynamisch beliebig gewählt werden.
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Bei dieser Ausführungsform kann eine Spitze des Verstellglieds mit dem Hebel in Anlage sein und einen Hebelpunkt des Hebels definieren. Die Spitze des Verstellglieds bietet eine sehr kleine Anlagefläche für den Hebel, wodurch der Hebelpunkt präzise einstellbar ist und überdies ein Schwenken des Hebels um den Hebelpunkt erleichtert ist.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anordnung mit einem rotierenden System, insbesondere einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, und einem Tilger. Die Anordnung wird überall dort verwendet, wo ein Drehschwingen des rotierenden Systems durch Dämpfen vermieden oder verringert werden soll.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen erfindungsgemäßen Tilger, bei dem das rotierende System mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest verbunden ist und insbesondere ein Planetenträger und jedes an dem Planetenträger drehbar gelagerte Planetenrad des Planetengetriebes von einem äußeren Drehmoment freigestellt sind. Damit bilden das Dämpfungselement, der Hebel und das Sonnenrad des Planetengetriebes mit seinem Massenträgheitsmoment den eigentlichen Tilgungsmechanismus, dessen effektive Dämpfungsfrequenz durch den Hebelpunkt des Hebels bestimmt und einstellbar ist. Damit kann die durch den Tilger bereitgestellte Dämpfung ein relativ großes Frequenzspektrum von unerwünschten Drehschwingungen abdecken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das rotierende System eine Antriebswelle und der Tilger an einer axialen Position der Antriebswelle angeordnet, welche von einem Knoten eines Schwingens der Antriebswelle beabstandet und insbesondere an einer Position einer maximalen Amplitude des Schwingens angeordnet ist. Die Drehschwingung einer Antriebswelle bildet in der axialen Richtung Schwingungsknoten, d. h. axiale Positionen der Antriebswelle ohne Drehschwingung, und jeweils zwischen den Schwingungsknoten einen Schwingungsbauch aus. Mit anderen Worten ist der Tilger wirkungslos, wenn er in einem Schwingungsknoten positioniert ist, und am wirkungsvollsten, wenn er in einem Maximum eines Schwingungsbauchs positioniert ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang und einem Tilger. Solche Kraftfahrzeuge bilden bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen die Mehrheit.
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Erfindungsgemäß umfasst das Kraftfahrzeug einen erfindungsgemäßen Tilger, wobei der Antriebsstrang und der Tilger eine erfindungsgemäße Anordnung bilden. Damit ist das Kraftfahrzeug mit sämtlichen Komponenten, insbesondere auch einer Fahrgastzelle, effektiv vor unerwünschten Schwingungen geschützt, was mit einem erhöhten Komfort und einer verlängerten Lebensdauer der Komponenten des Fahrzeugs einhergeht.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine axiale Ansicht eines Tilgers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 in einem Schaltbild ein Simulationsmodell zum Simulieren der Wirkung einer Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem in 1 gezeigten Tilger;
- 3 in einem Funktionsgraph eine mittels des in 2 gezeigten Simulationsmodells erzeugte Kennlinie.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine axiale Ansicht eines Tilgers 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der zum Dämpfen eines Schwingens eines rotierenden Systems, hier eines Antriebsstrangs, genauer gesagt einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
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Der Tilger 1 umfasst einen in der Figur lediglich symbolisch angedeuteten Stator 10, welcher beispielsweise als ein Gehäuse des Tilgers 1 ausgebildet ist, wobei das Gehäuse an einem Fahrgestell des Kraftfahrzeugs festgelegt und relativ zu diesem stationär ist.
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Ferner umfasst der Tilger 1 ein Planetengetriebe 20 mit einem um eine Drehachse 25 zentrierten innen verzahnten Hohlrad 21, einem in dem Hohlrad 21 zentral angeordneten außen verzahnten Sonnenrad 22, einem Planetenträger 24 und drei an dem Planetenträger 24 drehbar gelagerten außen verzahnten Planetenrädern 23, welche zwischen dem Hohlrad 21 und dem Sonnenrad 22 mit diesen in Eingriff stehend angeordnet sind und bei einer relativen Drehung des Hohlrads 21 und des Sonnenrads 22 an deren Innenverzahnung bzw. Außenverzahnung abrollen.
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Das Hohlrad 21 ist als eine träge Drehmasse ausgebildet und an dem Stator 10 drehbar gelagert, d. h. es besitzt prinzipiell einen Rotationsfreiheitsgrad bezogen auf die Drehachse 25, jedoch keinen Translationsfreiheitsgrad in einer radialen Richtung.
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Der Tilger 1 umfasst weiterhin ein Dämpfungselement 30, welches als eine Spiralfeder ausgebildet ist. Ein erstes freies Ende 31 des Dämpfungselements 30 ist an dem Stator 10 gelenkig befestigt.
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Zudem umfasst der Tilger 1 einen Hebel 40, welcher das Planetengetriebe 20 mit dem Dämpfungselement 30 verbindet. Dazu ist ein erstes freies Ende 41 des Hebels 40 an dem Hohlrad 21 des Planetengetriebes 20 gelenkig gehalten und ein zweites freies Ende 42 des Hebels 40 an einem zweiten Ende 32 des Dämpfungselements 30 gelenkig befestigt. Der Hebel 40 ist derart ausgerichtet, dass sich eine Wirkungsrichtung des Dämpfungselements 30 senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung 43 des Hebels 40 und sich die Erstreckungsrichtung 43 des Hebels 40 in einer radialen Richtung des Planetengetriebes 20 erstreckt. Im Zusammenwirken mit dem Dämpfungsglied 30 schränkt der Hebel 40 ein Drehen des Hohlrads 21 um die Drehachse auf einen kleinen Winkelbereich ein, d. h. das Hohlrad 21 stützt sich gedämpft an dem Stator 10 ab.
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Weiterhin umfasst der Tilger 1 ein Verstellglied 50, welches an dem Stator 10 in einer zu einer Erstreckungsrichtung 43 des Hebels 40 parallelen Verschieberichtung 51 linear verschiebbar gelagert ist. Eine Spitze 51 des Verstellglieds 50 ist mit dem Hebel 40 in Anlage und definiert einen Hebelpunkt 44 des Hebels 40.
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Zum Betreiben des Tilgers 1 wird eine Anordnung gebildet, welche beispielsweise eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs und den Tilger 1 umfasst. Die Antriebswelle erstreckt sich entlang der Drehachse 25 und ist mit dem Sonnenrad 22 drehfest verbunden. Dabei kann die Antriebswelle das Sonnenrad 22 durchsetzen. Der Planetenträger 23 und jedes Planetenrad 24 sind von jedem äußeren Drehmoment freigestellt und bewegen sich daher allein aufgrund einer Differenz der Drehmomente des trägen Hohlrads 21 und der Antriebswelle, d. h. quasi in einem Leerlauf. Relativ zu der Antriebswelle ist der Tilger 1 an einer axialen Position der Antriebswelle angeordnet, welche von einem Knoten eines Schwingens der Antriebswelle beabstandet und insbesondere an einer Position einer maximalen Amplitude des Schwingens angeordnet ist.
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Während des Betriebs des Tilgers 1 wird eine Dämpfungsfrequenz des Tilgers 1 durch Verstellen des Hebelpunkts 44 kontinuierlich auf eine unerwünschte Schwingungsfrequenz der Antriebswelle abgestimmt, indem das Verstellglied 50 in der Verschieberichtung 52 entsprechend linear verschoben wird. Auf diese Weise lässt sich ein Dämpfungsverhalten des Tilgers 1 frequenzabhängig optimieren.
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2 zeigt in einem Schaltbild ein Simulationsmodell 200 zum Simulieren der Wirkung einer Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs 100 und dem in 1 gezeigten Tilger 1.
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Der in dem Simulationsmodell 200 repräsentierte Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs 100 umfasst einen Motor 101, ein Getriebe 102, ein Wellenlager 104 und eine in dem Wellenlager 104 gelagerte Abtriebswelle 103.
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Der Tilger 1 ist in dem Simulationsmodell 200 einerseits durch das mit der Abtriebswelle 103 verbundene Sonnenrad 22, das Hohlrad 21, den Planetenträger 23 und die Planetenräder 24 und andererseits durch eine das Hohlrad 21 mit dem Stator 10 verbindende Dämpfungsgruppe aus Dämpfungselement 30, Hebel 40 und Verstellglied 50 repräsentiert.
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Ferner umfasst das Simulationsmodell 200 eine einstellbare Drehzahl 201 des Motors 101 sowie eine motorseitig hinzufügbare Anregung 202 des Motors 101 zu einem unerwünschten Schwingen, eine einstellbare Drehzahl 203 der Abtriebswelle 103 sowie ein Simulationsergebnis 204 in Form einer Kennlinie einer Drehschwingung der Abtriebswelle 103, welche zu Momentanwerten einer Steifigkeit des wie eine Drehfeder wirkenden Tilgers 1 korrespondiert.
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3 zeigt in einem Funktionsgraph 300 drei mittels des in 2 gezeigten Simulationsmodells 200 erzeugte Kennlinien 303, 304 und 305.
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An der Ordinate 301 des Funktionsgraphs 300 ist die Drehzahl der Abtriebswelle 103 in der Einheit Umdrehungen pro Minute (U/min) sowie eine Drehschwingungsstärke der Abtriebswelle 103 abgetragen und an der Abszisse 302 des Funktionsgraphs 300 ist die Zeit in der Einheit Sekunde (s) abgetragen. Bei der Simulation wird die Drehzahl der Abtriebswelle 103 zwischen dem Zeitpunkt 5 s und dem Zeitpunkt 80 s linear von 250 U/min auf 1000 U/min erhöht.
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Die Kennlinie 303 zeigt einen Drehschwingungsverlauf der Abtriebswelle 103 ohne Tilger, der bei knapp 40 s bzw. etwa 600 U/min ein ausgeprägtes Maximum aufweist, die Kennlinie 304 einen Drehschwingungsverlauf der Abtriebswelle 103 mit einem feststehenden Tilger, bei dem zwar das zentrale Maximum unterdrückt ist, aber zwei benachbarte Nebenmaxima bestehen bleiben, und die Kennlinie 305 einen Drehschwingungsverlauf der Abtriebswelle 103 mit dem verstellbaren Tilger 1, der ein deutlich schwächeres Maximum ohne Nebenmaxima aufweist.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Tilgers besteht darin, dass eine Dämpfungsfrequenz des Tilgers während des Betriebs an eine Frequenz einer Drehschwingung eines rotierenden Systems anpassbar ist. Auf diese Weise kann ein großes Frequenzspektrum unerwünschter Drehschwingungen abgedeckt werden.
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Ferner ist vorteilhaft, dass das zum Tilgen erforderliche Massenträgheitsmoment von einer nicht rotierenden Komponente, nämlich dem Hohlrad des Planetengetriebes bereitgestellt wird, was mit einer einfachen Struktur und Handhabung des Tilgers einhergeht.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Tilger vollständig feststehend ausgebildet ist. Gegenüber bewegten Tilgern, wie Fliehkraftpendeln an Massenschwungrädern, sind auch durch den Tilger verursachte Drehschwingungen ausgeschlossen. Zudem ist der erfindungsgemäße Tilger auch bei niedrigen Umdrehungszahlen des rotierenden Systems gleichermaßen effektiv, wo beispielsweise Fliehkraftpendel wegen zu geringer Fliehkraft weitgehend wirkungslos bleiben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tilger
- 10
- Stator
- 20
- Planetengetriebe
- 21
- Hohlrad
- 22
- Sonnenrad
- 23
- Planetenträger
- 24
- Planetenrad
- 25
- Rotationsachse
- 30
- Dämpfungselement
- 31
- erstes freies Ende
- 32
- zweites freies Ende
- 40
- Hebel
- 41
- erstes freies Ende
- 42
- zweites freies Ende
- 43
- Erstreckungsrichtung
- 44
- Hebelpunkt
- 50
- Verstellglied
- 51
- Spitze
- 52
- Verschieberichtung
- 100
- Kraftfahrzeug
- 101
- Motor
- 102
- Getriebe
- 103
- Antriebswelle
- 104
- Wellenlager
- 200
- Simulationsmodell
- 201
- Schwingungsfrequenz
- 202
- Schwingungsform
- 203
- Drehzahl
- 204
- Simulationsergebnis
- 300
- Funktionsgraph
- 301
- Ordinate
- 302
- Abszisse
- 303
- Kennlinie ohne Tilger
- 304
- Kennlinie mit einem feststehenden Tilger
- 305
- Kennlinie mit einem verstellbaren Tilger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4679464 A [0007]
- DE 1222757 B [0009]
- DE 3641338 A1 [0010]
