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Die Erfindung betrifft ein Schwungrad mit variablem Trägheitsmoment für eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, welches eine erste rotierende Masse und eine Zusatzmasse aufweist.
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Schwungräder sind mindestens so alt wie pedalgetriebene Nähmaschinen oder wie Dampfmaschinen. Bei Kraftfahrzeugmotoren mit innerer Verbrennung (Internal Combustion Engine, ICE) dienen sie dazu, soviel Energie zu speichern, dass eine Kurbelwelle sich so lange weiterdreht, bis wieder ein arbeitsleistender Takt einsetzt. Ebenso erhöhen sie das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle dämpfen die Drehschwingungen.
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Motorräder, Mopeds und andere Zwei- oder Dreiradfahrzeuge, die von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, sind in Indien, China und anderen asiatischen Märkten weit verbreitet, weil sie preiswert sind, einfach zu bedienen und leicht zu parken. Neue Emissionsnormen für ICEs, die fossile Brennstoffe verwenden, erzwingen einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch (höhere Kraftstoffeffizienz) und niedrigere CO2-Emissionen. Hier kann auch bei den Motoren angesetzt werden, um die Beanspruchungen und die Verluste zu verringern.
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Damit das Schwungrad genug Energie speichert und das Ausgangsdrehmoment genug glättet, kann zum Beispiel die Masse des Schwungrads erhöht werden. Ebenso können auf der anderen Seite der Kurbelwelle schwerere Massenringe eingesetzt werden, die dort zum Glätten der Drehbewegung dienen. Beide Lösungen führen aber zu Mehrgewicht und vor allem bei höheren Drehzahlen zu einem höheren Trägheitsmoment, was beides unerwünscht ist.
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Aus der
DE 10 2011 017 397 A1 ist ein Schwungrad für eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bekannt mit einem radial außen vorgesehenen Außenring und einer radial innen vorgesehenen Befestigung an der Kurbelwelle oder einer Kupplung.
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Aus der
DE 20 2005 019 523 U1 ist ein Schwungrad mit variablem Trägheitsmoment für Verbrennungsmotoren bekannt, in welchem Massenelemente in Bohrungen von innen nach außen verschoben werden können. Diese Vorrichtung bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schwungrad für Verbrennungsmotoren dahingehend zu verbessern, dass bei gleichbleibender Stabilisierungswirkung für die Drehbewegung der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Schwungrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß wird also ein Schwungrad mit variablem Trägheitsmoment für eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welches eine erste rotierende Masse und eine Zusatzmasse aufweist, wobei die Zusatzmasse über einen Mechanismus an der ersten rotierenden Masse ankoppelbar und von ihr abkoppelbar ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Schwungrad kann dessen Trägheitsmoment verändert und den unterschiedlichen Gegebenheiten angepasst werden: Bei niedrigen Drehzahlen oder im Leerlauf kann das höhere Trägheitsmoment für einen stabilen Rundlauf sorgen, bei höheren Drehzahlen kann das niedrigere Trägheitsmoment ein leichteres Beschleunigen erlauben. Der Motor kommt deutlich schneller auf hohe Drehzahlen, die Verluste beim Drehen größerer Massen sind reduziert, der Kraftstoffverbrauch kann gesenkt werden.
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Das An- und Abkoppeln der Zusatzmasse kann vom Fahrer aus veranlasst werden. Über einen Hebel oder einen Knopf kann er die Erhöhung oder die Erniedrigung des Trägheitsmoments willentlich steuern. Mechanische, elektrische, oder per Funk steuerbare Mechanismen für das An- und Abkoppeln sind an sich bekannt und einsetzbar. Bevorzugt ist allerdings eine Ausführung, bei der die An- und/oder Abkoppelung automatisch erfolgt. Dann erfolgt das An- und Abkoppeln selbsttätig. Der Fahrer muss nicht eingreifen, externe Auslösemechanismen oder Hilfsantriebe sind nicht notwendig.
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Bevorzugt erfolgt die automatische An- und/oder Abkoppelung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Wenn im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen die Zusatzmasse angekoppelt ist, hat das Schwungrad ein größeres Trägheitsmoment und unterstützt den stabilen Rundlauf des Motors. Hier kann sogar die Leerlaufdrehzahl abgesenkt werden, um nochmals Kraftstoff zu sparen, da das Schwungrad mit dem hohen Trägheitsmoment den Motor zuverlässig am Laufen hält. Wird bei höheren Drehzahlen die Zusatzmasse abgekoppelt, dreht der Motor leichter hoch, beschleunigt leichter und schneller. Die Gefahr des Absterbens des Motors wegen zu kleiner Schwungradmasse besteht bei höheren Drehzahlen ja nicht. Da weniger Masse beschleunigt werden muss, sinkt auch in diesem Betriebszustand der Kraftstoffverbrauch des Motors.
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Bevorzugt erfolgt die automatische, drehzahlabhängige An- und/oder Abkoppelung der Zusatzmasse unter Ausnutzung der Fliehkraft. Da diese quadratisch mit der Drehzahl ansteigt, liegt eine zuverlässig auslösende, drehzahlabhängige Kraft vor, die im Maschinenbau auch schon seit Dampfmaschinenzeiten für Steuer- und Regelzwecke eingesetzt wird.
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Die Zusatzmasse kann irgendwo in der Nähe der ersten rotierenden Masse angeordnet sein. Zum Beispiel vor, hinter oder neben ihr. Ebenso kann sie radial weiter außen angeordnet sein. Bevorzugt ist die Zusatzmasse aber radial innerhalb der ersten rotierenden Masse angeordnet. Dies führt zu einer besonders kompakten Lösung, die die Gesamtbaugröße des Schwungrads nicht erhöht, gleichzeitig aber die im abgekoppelten Zustand wirksame erste rotierende Masse an den radial außen liegenden Stellen belässt, wo ihr Trägheitsmoment besonders wirksam ist. Zudem eignet sich eine radiale Aneinanderordnung der beiden Massen besonders, um fliehkraftabhängige Elemente radial zwischen beiden Massen vorzusehen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die erste rotierende Masse einen radial außen vorgesehenen Außenring und eine radial innen vorgesehene, Drehungen erlaubende Befestigung an der Kurbelwelle oder einer Kupplung umfasst, wobei dann die Zusatzmasse als Innenring oder als Innenscheibe ausgebildet ist. Diese Ausführung vereint den Vorteil, dass die radiale Größe des Schwungrads nicht anwächst, es also keine neuen Einbauprobleme gibt, mit dem Vorteil, dass die ständig wirkenden Massen (erste rotierende Masse) möglichst weit außen sitzt und damit ein relativ hohes Trägheitsmoment aufweist.
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Zum An- und Abkoppeln der beiden Massen können Kupplungen aller Art oder andere Mechanismen eingesetzt werden, die für eine gewisse Zeit die beiden Massen miteinander drehfest koppeln oder wieder abkoppeln, also Drehbewegungen unabhängig voneinander erlauben. Hier sind mechanische oder magnetische Kupplungen einsetzbar, die per Reibschluss oder anderweitig (Magnetkraft) ein Aneinanderhaften bewirken. In einer bevorzugten Ausführung werden zum An- oder Abkoppeln bewegliche Elemente eingesetzt, die die beiden Massen mittels Formschluss lösbar miteinander verbinden oder wieder freigeben.
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Bei Verwendung der Fliehkraft als Auslöser für das an- oder Abkoppeln sind in einer bevorzugten Ausführung in der ersten rotierenden Masse oder in der Zusatzmasse schwenkbare, federbelastete Elemente und in der anderen Masse entsprechend ausgeführte Ausnehmungen oder Kerben vorgesehen, in welche die schwenkbaren Elemente eintauchen oder eingreifen können, und so einen Formschluss erzeugen oder freigeben.
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Die schwenkbaren Elemente, die für die formschlüssige Verbindung der beiden Massen sorgen, können Zacken oder Zähne haben, die mit dem Gegenstück zu einer drehfesten Verbindung führen. In einer bevorzugten Ausführung sind die schwenkbaren Elemente allerdings knochenförmig ausgebildet und verbinden so eine für die Fliehkraftauslösung günstige Massenverteilung mit einem sanften, nicht ruckartigen Eingreifen. Bevorzugt haben sie eine zweibäuchige oder zweinockige Form mit einer schlanken Mitte und zwei breiter ausgebildeten Enden, von denen eines dicker oder schwerer ist als das andere. Am dünneren Ende befindet sich eine Schwenkachse und eine oder zwei Federn, das dickere, schwenkende, freie Ende hat eine größere Masse, damit die Fliehkraft besser zum An- und Abkoppeln genutzt werden kann.
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Die erste rotierende Masse kann als Scheibe oder als Rad oder Ring ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführung ist sie ringförmig und bildet zugleich ein Gehäuse für den auf der Kurbelwelle sitzenden Generator oder den Läufer, der mit einem Stator elektrisch oder magnetisch zusammenwirkt, um die Spannung für den Betrieb der Zündung des Motors zu erzeugen.
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Die vorgeschlagene Lösung erhöht einerseits die Stabilität des Motorlaufes im Leerlauf und erniedrigt den Kraftstoffverbrauch beim Beschleunigen oder bei hohen Drehzahlen.
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Das Gesamtsystem ist kompakt und relativ einfach aufgebaut. Es besteht aus relativ wenigen Komponenten. Es ist funktionssicher, modular und nachrüstbar. So kann zum Beispiel durch Auswechseln der Federn oder der Federsteifigkeiten eine beliebig andere Abhebegeschwindigkeit für die verbindenden Elemente eingestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: ein erfindungsgemäßes Schwungrad an einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors,
- 2: eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Schwungrades,
- 3: das Schwungrad der 1 oder 2 bei niedriger Geschwindigkeit,
- 4: das Schwungrad der 1 oder 2 bei hoher Geschwindigkeit und
- 5: das Schwungrad der 1 oder 2 an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schwungrad 10 an einer Kurbelwelle 12 eines Verbrennungsmotors. Vom Verbrennungsmotor sind hier die mit der Kurbelwelle 12 verbundenen Bauteile Kolben 28, Pleuel 30, Gegengewichte 32 sowie das Gehäuse 34 und der Stator 36 der Lichtmaschine oder des Generators gezeigt. Das Schwungrad 10 enthält als erste rotierende Masse 14 den Außenring 18, der hier in das Gehäuse 34 eingepresst ist. Die erste rotierende Masse 14 besteht hier also aus dem Gehäuse 34 und dem Außenring 18. Das Schwungrad 10 enthält als Zusatzmasse 16 den hier scheibenförmig ausgebildeten Innenring 20, der radial an der Kurbelwelle oder am Kurbelgehäuse abgestützt ist und dessen Massen unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle dreh- oder bewegbar sind. Im Außenring 18 befinden sich mehrere bewegliche schwenkbare Elemente 22, die in Ausnehmungen 24 des Außenrings 18 angeordnet sind, die beim Verschwenken nach radial innen aber auch in radial außen liegende Ausnehmungen 38 des Innenrings 20 greifen können. Diese schwenkbaren Elemente 22 bewirken nun das erfindungsgemäße An- und Abkoppeln der beiden Massen 14 und 16.
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Abkoppeln: Die schwenkbaren Elemente 22 sind vollständig in den ihnen zugeordneten Ausnehmungen 24 des Außenrings 18 eingetaucht oder eingebettet, sie ragen nicht radial nach innen vor und berühren nicht die radiale Außenseite des Innenrings 20. Der Außenring 18 ist dann vom Innenring 20 mechanisch getrennt, das heißt, die Zusatzmasse 16 rotiert nicht mit der ersten rotierenden Masse 14. Das Schwungrad 10 hat ohne die Zusatzmasse 16 des Innenrings 20 ein niedrigeres Trägheitsmoment.
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Ankoppeln: Die schwenkbaren Elemente 22 sind nun nicht vollständig in den ihnen zugeordneten Ausnehmungen 24 des Außenrings 18 eingebettet, sondern sie ragen radial nach innen vor und berühren die radiale Außenseite des Innenrings 20 und greifen dort in die Ausnehmungen 38 des Innenrings 20. Der Außenring 18 ist jetzt nicht mehr vom Innenring 20 mechanisch getrennt, sondern mit ihm mechanisch drehfest verbunden, das heißt, die Zusatzmasse 16 rotiert mit der ersten rotierenden Masse 14. Das Schwungrad 10 hat mit der Zusatzmasse 16 des Innenrings 20 ein höheres Trägheitsmoment.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Schwungrades 10 mit den Bestandteilen Außenring 18, Innenring 20 und mehrere schwenkbare Elemente 22. Hier sind sechs schwenkbare Elemente 22 verwendet, möglich ist aber auch der Einsatz von mehr, zum Beispiel 7 oder 8, oder weniger solcher Elemente, zum Beispiel 2, 3, 4 oder 5 solcher schwenkbarer Elemente 22. Die schwenkbaren Elemente 22 sind hier zweibäuchig oder zweinockig und ähnlich einem Knochen geformt, wobei sich die größere Masse oder das dickere Ende am freien Ende befindet und die kleinere Masse am schmaleren, festen Ende, an dem die Schwenkachse angeordnet ist. An den Schwenkachsen sind Torsionsfedern 26 (hier je zwei pro Element 22) angebracht, die jeweils die freien Enden der schwenkbaren Elemente 22 nach radial innen drücken, so dass sie im zusammengebauten Zustand den radialen Außenrand des Innenrings 20 berühren oder, wenn es passt, in die Ausnehmungen 38 des Innenrings 20 greifen und so einen Formschluss zwischen Außenring 18 und Innenring 20 bewirken und die Massen 14 und 16 drehfest miteinander verbinden.
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Bei niedrigen Drehzahlen sind die beiden rotierenden Massen 14 und 16 miteinander verbunden. Bei höheren Drehzahlen schwenkt die Fliehkraft die dickeren Enden der Elemente 22 radial nach außen, die Elemente 22 verschwenken gegen die Kraft der Federn 26 radial nach außen und sie verschwinden in den Ausnehmungen 24 des Außenrings 18. Die mechanische Verbindung zwischen Außenring 18 und Innenring 20 wird so automatisch sanft gelöst, die Zusatzmasse 16 wird von der ersten rotierenden Masse 14 abgekoppelt, das Trägheitsmoment des Schwungrades 10 verringert sich automatisch. Fällt die Drehzahl wieder unter einen bestimmten Grenzwert, wird die Fliehkraft kleiner, die Federn 26 drücken die schwenkbaren Elemente wieder gegen die Ausnehmungen 38 des Innenrings 20, die beiden Massen 14 und 16 koppeln sich wieder sanft zusammen und das Trägheitsmoment des Schwungrads 10 steigt wieder automatisch mit der abnehmender Drehzahl.
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3 zeigt das Schwungrad 10 der 1 oder 2 bei niedriger Drehgeschwindigkeit. Da bei niedrigeren Drehzahlen eher ein massenreicheres Schwungrad 10 mit höherem Trägheitsmoment gewünscht ist, um gerade im Leerlauf ein Absterben des Motors zu vermeiden, ist hier die Zusatzmasse16 des Innenrings 20 mit der ersten rotierenden Masse 14 des Außenrings 18 über die nach radial innen verschwenkten schwenkbaren Elemente 22 gekoppelt. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Fliehkräfte der dicken Enden der schwenkbaren Elemente 22 kleiner als die Federkräfte der zwei Reihen von Torsionsfedern 26, wodurch die schwenkbaren Elemente 22 sich nach radial innen bewegen (weißer Pfeil in 3). Dadurch ist der Innenring 20 am Außenring 18 gekoppelt (Schlosssymbol) und beide Massen 14 und 16 drehen sich gemeinsam (zwei schwarze Pfeile) als massereicheres Schwungrad 10.
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4 zeigt das Schwungrad 10 der 1 oder 2 bei hoher Drehgeschwindigkeit oder höheren Drehzahlen. Da bei höheren Drehzahlen eher ein massenärmeres Schwungrad 10 mit niedrigerem Trägheitsmoment gewünscht ist, um Kraftstoff zu sparen oder um schneller beschleunigen zu können, ist hier die Zusatzmasse 16 des Innenrings 20 der ersten rotierenden Masse 14 des Außenrings 18 über die nach radial außen verschwenkten schwenkbaren Elemente 22 entkoppelt. Bei hohen Drehzahlen sind die Fliehkräfte der dicken Enden der schwenkbaren Elemente 22 größer als die Federkräfte der zwei Reihen von Torsionsfedern 26, wodurch die schwenkbaren Elemente 22 sich nach radial außen bewegen (weißer Pfeil in 4) und in den Ausnehmungen 24 des Außenrings 18 vollständig eintauchen und den Innenring 20 nicht mehr berühren. Dadurch ist der Innenring 20 vom Außenring 18 entkoppelt (offenes Schlosssymbol) und der Außenring 18 dreht sich allein (ein schwarzer Pfeil) als masseärmeres Schwungrad 10.
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5 zeigt das automatisch wirkende Schwungrad 10 der 1 oder 2 an der Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors mit den hier gezeichneten Komponenten Kolben 28, Pleuel 30 und Gegengewichte 32. Von der Lichtmaschine ist der Stator 36 und das rotierende magnetisch und/oder elektrisch damit kommunizierende Gehäuse 34 gezeigt. Die erste rotierende Masse 14 des Schwungrads 10 besteht hier aus dem Außenring 18 und dem Gehäuse 34, die Zusatzmasse 16 des Schwungrads 10 aus dem Innenring 20. Die Masse des rotierenden Gehäuses kann massiv sein, um zusätzlich mehr Trägheitsmoment zu bringen, sie kann aber auch leicht sein und nur den elektrischen oder magnetischen Anforderungen entsprechend, wenn Außenring 18 und Innenring 20 genug Masse aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schwungrad
- 12
- Kurbelwelle
- 14
- erste rotierende Masse
- 16
- Zusatzmasse
- 18
- Außenring
- 20
- Innenring
- 22
- schwenkbares Element
- 24
- Ausnehmung
- 26
- Torsionsfeder
- 28
- Kolben
- 30
- Pleuel
- 32
- Gegengewicht
- 34
- Gehäuse
- 36
- Stator
- 38
- Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011017397 A1 [0005]
- DE 202005019523 U1 [0006]
