DE10254725A1

DE10254725A1 - Schwungrad mit integrierter Tilgerwirkung

Info

Publication number: DE10254725A1
Application number: DE2002154725
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Thiel; Bogdan Dipl.-Ing. Mika
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2002-11-23
Filing date: 2002-11-23
Publication date: 2004-06-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft zur Verringerung von Drehunförmigkeiten von Antriebswellen ein Schwungrad (1) mit integrierter, drehzahlabhängiger Tilgerwirkung, dessen Tilgerwirkung mittels gleichmäßig am Umfang des Schwungrads (1) angeordneter, flüssigkeitsbefüllter Kammern (4) erzielt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungrad mit integrierten Mitteln zur drehzahlabhängigen Verringerung von Drehungleichförmigkeiten von Antriebswellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Drehungleichförmigkeiten sind bei Antriebssträngen generell als Problem bekannt. Die Beseitigung bzw. Vermeidung dieser Drehungleichförmigkeiten ist bspw. in der Automobilindustrie ein aktuelles Thema.
Bei der Vermeidung von Drehungleichförmigkeiten wird bspw. zur Aufspaltung einer Resonanzfrequenz in zwei Eigenformen ein Feder-Masse-System an der Kurbelwelle oder auch an der Nockenwelle befestigt, dessen Masse durch Stahl- oder Gummifedern mit und ohne hydraulischer Dämpfung angekoppelt ist. Der Schwingungstilger ist ein Resonanzschwinger und besteht aus einer wellenseitig befestigten Nabe, einem als Trägheitsmasse wirkenden Schwungring und einer die Reaktionskräfte übertragenden Werkstoffschicht.

Entsprechende Vorrichtungen werden bspw. in der DE 35 29 816 C2 und der US 4,468,207 vorgeschlagen, sie be sitzen als Dämfungsmittel in der Regel zwischen den Schwungmassen in Umfangsrichtung wirksame Kraftspeicher, die etwa als Schraubenfedern elastische Energie speichern. Zudem können sie aber auch, wie in der DE 34 11 221 C2 beschrieben, in Achsrichtung wirksame Kraftspeicher aufweisen, die zur Vermeidung von Drehungleichförmigkeiten der Achse beitragen.

Diese Einrichtungen tragen in einzelnen Fällen zwar zur Verbesserung der beanstandeten Situation bei, stellen jedoch keine allgemeinen Lösungen dar, da sie nicht das gesamte Spektrum der Anforderungen abdecken.

In der Praxis werden zur Problemlösung ferner Zwei-Massen-Schwungrädern (ZMS) eingesetzt. Diese weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie die Drehungleichförmigkeiten zwar getriebeseitig dämpfen, motorseitig aber stark erhöhen, was zusätzliche Korrektur-Maßnahmen erfordert.

Aus der Praxis sind weiterhin Schwungräder mit integrierter Tilgerwirkung, wie bspw. sogenannte drehzahladaptive Tilger (DAT) bekannt. Diese Tilger zeichnen sich durch Massen aus, die zwar am Schwungrad befestigt sind, sich aber relativ zu diesem bewegen können und Schwingungen des Schwungrads dadurch dämpfen können, daß sie sich „entgegen der Ursache" bewegen. Nachteilig ist an diesem System jedoch, daß vergleichsweise viel Bauraum benötigt wird, und daß derlei Tilger teuer herzustellen sind.

Allen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätzen ist gemein, daß sie aufgrund ihrer hohen Komplexität eine große Teilvielfalt aufweisen, einen größeren Bauraum, als das herkömmliche Schwungrad benötigen, aufgrund ihrer Gestaltung auch beachtlich teurer herzustel len sind als das herkömmliche Schwungrad, und ein wesentlich höheres Gewicht aufweisen. Darüber hinaus haben sich diese Einrichtungen als verschleiß- und störanfällig erwiesen. Die Einsatzmöglichkeit solcher Schwungräder mit integrierter Tilgerwirkung ist bei kleinen Motoren und/oder Getrieben mit geringem Bauraum daher nicht gegeben.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile, ein Schwungrad mit integrierter Tilgerwirkung zur drehzahlabhängigen Verringerung von Drehungleichheiten von Antriebswellen vorzuschlagen, das keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Hierfür wird erstmals ein Schwungrad mit integrierten Mitteln zur drehzahlabhängigen Verringerung von Drehungleichförmigkeiten von Antriebswellen vorgeschlagen, bei dem die integrierten Mittel als wenigstens teilweise mit Flüssigkeit befüllte, gleichmäßig über das Schwungrad verteilte Kammern ausgebildet sind.

Das erfindungsgemäße Schwungrad mit integrierter Tilgerwirkung kann in vorteilhafter Weise auf einem bereits bestehenden Serienschwungrad basieren, das mit wenigen Arbeitsschritten und einer geringen Anzahl von Zusatzkomponenten angepaßt wird. Weiter vorteilhaft kann möglichst nahe dem Außenumfang des Schwungrads eine Zahl von abgeschlossenen Kammern ausgestaltet werden, die mit einer definierten Menge an Flüssigkeit und ggf. mit Gas befüllt werden. Die Flüssigkeit kann vorteilhaft eine ho he Masse aufweisen. Als Gas kann vorteilhaft Luft als ein besonders kostengünstiges Gas eingesetzt werden. Dieses Gas ermöglicht eine Volumenveränderung der Flüssigkeit innerhalb der abgeschlossenen Kammern bspw. bei Temperaturveränderung der Flüssigkeit aufgrund veränderter Umgebungs- oder Betriebszustände. Die Kammern können derart gleichmäßig über das Schwungrad verteilt sein, daß die durch jede einzelne Kammer bedingte Gewichtveränderung des Schwungrads bezogen auf dessen Drehachse exakt ausgeglichen bzw. aufgehoben wird und die Kammern am Schwungrad keine Unwuchten verursachen.

Beginnt die Welle mit dem erfindungsgemäßen Tilger sich zu drehen, so legt sich die Flüssigkeit aufgrund der auftretenden zentrifugalen Kräfte an die achsfernen Wände der Kammern an und trägt in vorteilhafter Weise aufgrund ihrer Massenträgheit zur Gleichförmigkeit der Rotation bei.

Bei Drehzahländerungen oder -schwankungen wirkt die Flüssigkeit in vorteilhafter Weise ähnlich einem Taylorpendel der Ursache entgegen und erzeugt somit die erwünschte Tilgerwirkung. Ungleichförmigkeiten, wie sie bspw. bei Drehzahlschwankungen auftreten, können durch das „antizykliche Verhalten", der in den Kammern eingeschlossene Flüssigkeit und ihrer drehzahlabhängigen räumlichen Orientierung somit vorteilhaft verringert oder gar vermieden werden.

Ein weitere Vorteil des erfindungsgemäßen Schwungrads mit integrierter Tilgerwirkung besteht in seinem vergleichsweise einfachen Aufbau. So entspricht das Schwungrad in einer Ausführungsform einem heute bereits verwendeten Serienbauteil, das mit einfachen Mittel um gestaltet wird. Die zur Herstellung dieses Serienschwungrads verwendeten Werkzeuge können somit weiterhin zur Herstellung desselben dienen, so daß keine zusätzlichen Produktions- bzw. Umrüstkosten entstehen. Werden die Kammern des Schwungrads so angeordnet, daß sie keinen außerhalb der äußeren Form des Schwungrads liegenden Bauraum benötigen, das Schwungrad also nicht vergrößern, so kann das erfindungsgemäße Schwungrad mit Tilgerwirkung auch nachträglich gegen schon in Serie gegangene Schwungräder ausgetauscht werden. Eine problemlose und kostengünstige Nach- oder Umrüstung ist somit möglich.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß – anders als bei den Zwei-Massen-Schwungrädern des Standes der Technik – nicht nur getriebseitige, sondern auch motorseitige Drehungleichförmigkeiten getilgt werden. Dies aber senkt den Verschleiß von Bauteilen wie bspw. des Riementriebs und somit die Kosten für Wartung und Instandhaltung.

Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Schwungrad mit integrierter Tilgerwirkung die Absenkung der besonders dämpfungsbedürftigen Leerlaufdrehzahl, da es aufgrund der im Vergleich zum Originalmaterial schwereren Flüssigkeitsbefüllung eine höhere Trägheit aufweist. Aus denselben Gründen ermöglicht es aber auch den Zweizylinderbetrieb eines Vierzylindermotors und ist beim 3-Zylinder Dieselmotor von Vorteil. Dies wiederum führt zu niedrigerem Kraftstoffverbrauch und damit zu Kosteneinsparungen.

Ein weiterer Vorteil des Schwungrads mit integrierter Tilgerwirkung besteht darin, daß der erfindungsgemäße Tilger ohne stör- und verschleißanfällige, insbesondere ohne mechanisch aufwändige, Bauteile auskommt. Der erfindungsgemäße Tilger arbeitet somit verschleißfrei und trägt dazu bei, Folgekosten für Reparatur oder Wartung zu senken bzw. zu vermeiden. Zudem benötigt das erfindungsgemäße Schwungrad mit integrierter Tilgerwirkung keinen zusätzlichen Bauraum, wirft keine Packagingprobleme auf und ist äußerst kostengünstige herzustellen.

Dabei kann weiterhin in vorteilhafter Weise die Flüssigkeitsmenge als auch deren Masse auf die Frequenz 2. Ordnung angepaßt werden, so daß Resonanzfrequenzen gezielt gedämpft werden können.

Bei entsprechend schwerer Flüssigkeit bzw. Flüssigkeit hoher Dichte und mit zum äußeren Rand des Schwungrads hin plazierten Flüssigkeitskammern können besonders große Trägheitsmomente erzielt werden, so daß vorteilhaft an anderer Stelle des Schwungrads Masse und damit Material eingespart werden kann.

Bei hoher Drehzahl fallen Drehungleichförmigkeiten geringer aus als bei niedrigeren. Deren Vermeidung spielt daher bei hoher Drehzahl eine geringere Rolle, als bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere beim Leerlauf. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schwungrads mit integrierter Tilgerwirkung ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Leerlaufdrehzahl bei noch immer rundem Lauf der Welle bzw. des zugehörigen Motors abzusenken, ohne die sonst übliche Zunahme an Drehungleichförmigkeiten in Kauf nehmen zu müssen. Das Absenken vor allem der Leerlaufdrehzahl aber führt zu geringerem Kraftstoffverbrauch und damit zu Kosteneinsparungen.

Vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

So ist es bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, die am Schwungrad vorgesehenen Kammern als besonders einfach und kostengünstig herzustellende, eingefräste Nuten auszugestalten. Eine Ausführungsform, bei der die Kammern durch befüllbare Nuten hergestellt sind, bietet darüber hinaus den Vorteil, daß das Schwungrad, in welches sie hineingefräst werden, durch das Integrieren der Tilgerfunktion in das Schwungrad nicht größer ausgestaltet werden muß, so daß kein zusätzlicher Bauraum beansprucht wird. Da die Außenmaße des Schwungrads unverändert bleiben, kann das erfindungsgemäße Schwungrad mit Tilgerwirkung ohne konstruktive Anpassung benachbarter Bauteile zum Einsatz kommen, was auch eine Nachrüstung erleichtert. Durch die Gewichtszunahme des Schwungrads, die darauf beruht, daß durch das Fräsen der Nuten Stahl bzw. Gußeisen eingespart wird, andererseits diese durch das Fräsen entstanden Räume bzw. durch Quecksilber, welches eine höhere Dichte als die vorgenannten Materialien aufweist, befüllt werden, ist es nunmehr möglich, an anderer Stelle Gewicht und somit Material und infolge dessen Kraftstoff einzusparen.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform sind die beim erfindungsgemäßen Schwungrad vorgesehenen Kammern auf wenigstens einem Kreis konzentrisch um den Drehmittelpunkt des Schwungrads herum vorgesehen. Sind zwei oder mehr Kreise vorgesehen, so sind diese konzentrisch zueinander um den Mittelpunkt des Schwungrads herum angeordnet. Sie erlauben zur Erhöhung der Tilgerwirkung des erfindungsgemäßen Schwungrads vorteilhaft, auch näher zum Drehmittelpunkt des Schwungrads hin flüssigkeitsbefüllte Kammern anzuordnen, die aus Platzgründen vielleicht nicht mehr auf nur einen Kreis gepaßt hätten, und so die Fläche des Schwungrads optimal zur Erhöhung der Tilgerwirkung zu nutzen. Darüber hinaus bieten auch diese zusätzliche Kammern die Möglichkeit, die Gesamtträgheit des Schwungrads vorteilhaft zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil der auf konzentrische Kreise verteilten Kammern liegt in einer verbesserten Feinabstimmungen, insbesondere einer Dämpfung unterschiedlicher Frequenzordnungen. Hierzu können sich die verwendeten Kammern in ihrer Größe, Befüllung und Lage zum Drehmittelpunkt unterscheiden.

Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens ein Teil der Kammern möglichst nahe am äußeren Umfang des Schwungrads angeordnet ist. Diese Anordnung stellt ein möglichst hohes Massenträgheitsmoment des Schwungrads vorteilhaft sicher.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weisen die flüssigkeitsbefüllten Kammern in ihrem Inneren wenigstens einen Strömungskörper auf. Diese Strömungskörper unterteilen den jeweiligen Kammerraum derart, daß sie einen Spalt von definierter Lage, Länge Form und insbesondere Breite zwischen zwei Kammerabschnitten erzeugen. Durch diesen Spalt strömt die Flüssigkeit, wobei ihr Strom verzögert wird, was zu weiterer Tilgung und somit vorteilhaft zur Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen Schwungrads beiträgt.

Die Strömungskörper weisen in einer weiter bevorzugten Ausführungsform Stellspindeln auf, mittels derer die Spaltbreite zur Erzielung der optimalen Wirkung des Spalts eingestellt werden kann. Ebenfalls von Vorteil ist, daß derselbe Strömungskörper aufgrund seiner Einstellbarkeit mittels der Spindel in verschiedenen Kammern eingesetzt werden kann, was dazu führt, daß der gleiche Strömungskörper vorteilhaft für verschiedene Verwendungen in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt werden kann.

Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Stellspindeln derart ansteuerbar, daß die Spaltbreite regelbar ist. Dies erlaubt vorteilhaft, die Spaltbreite und hierüber die Dämpfungswirkung der Kammern in Abhängigkeit von Konditionen wie bspw. der Drehzahl zu verändern. Mittels dieser Lösung lassen sich u. a. NVH-Probleme wie der sog. Low-Speed-Boom wirksam lösen.

Die flüssigkeitsbefüllten Kammern können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wenigstens zum Teil zusätzlich zur Flüssigkeit auch mit Gas befüllt sein. Beim Gas handelt es sich vorzugsweise um Luft. Es kann vorteilhaft verwendet werden, um eine Volumenveränderung der Flüssigkeit innerhalb der abgeschlossenen Kammern bspw. bei Temperaturveränderung der Flüssigkeit aufgrund von Umgebungs- oder Betriebszuständen zu ermöglichen, und somit das Strömungsverhalten im optimalen Bereich konstant zu halten.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist zum Verschließen und Abdichten der Kammern ein Deckel vorgesehen. Dieser Deckel kann als einfaches, gestanztes Bauteil ausgebildet sein, das bereits integrierte Strömungskörper und ggf. auch bereits die Flüssigkeit aufweist. Der Deckel erlaubt somit eine besonders einfache Ausstattung oder Nachrüstung eines Schwungrads bspw. mit eingefrästen Nuten mit allen wesentlichen erfindungsgemäßen Funktionen. Der luftdicht verschlossene Deckel ist bspw. laserverschweißt, gelötet oder geklebt und verhindert ein Austreten von giftigem Quecksilber bzw. dessen Dampfs.

Die flüssigkeitsbefüllten Kammern können in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform vorteilhaft auch mit flüssigen bis zähflüssigen Medien wie beispielsweise Salzlösungen höherer Dichte, Öl mit Metallspänen, Öl mit Stahlkugeln oder dgl. verwendet werden. Der Vorteil dieser Gemische besteht darin, daß eine exakt gewünschte Dichte sowie optimale Fließeigenschaften auch unter Berücksichtigung extremer Einsatzbedingungen für das jeweilige Fahrzeug (Temperaturbereiche von –40°C – 200°C oder von –20°C – 100°C) mit ihnen erzielt werden können. Ferner ist es bspw. mit den vorgenannten Flüssigkeiten in vorteilhafter Weise möglich, eine Flüssigkeit mit einer Dichte wie jener des Quecksilbers zu geringeren Kosten zu schaffen, und zugleich auf den Einsatz des giftigen Quecksilbers zu verzichten.

Die vorstehend diskutierte Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine vereinfachte Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Schwungrad mit integrierter Tilgerwirkung;
2 eine vereinfachte Schnittansicht des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Schwungrads entlang der dortigen Schnittlinie B-B.
1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Schwungrads 1 mit integrierter Tilgerwirkung. Das Schwungrad 1, bei dem es sich um ein Serientopfschwungrad handelt, weist einen aufge schrumpften Anlasserzahnkranz 2 auf. Nahe seinem Außenumfang weist das Schwungrad 1 dieser Ausführungsform drei gleichmäßig entlang dem Umfang auf einem Kreis um einen Drehmittelpunkt D der Schwungradwelle verteilt gelegene, als radiale Nuten ausgebildete Kammern 4 auf. Die Nuten 4 sind in dieser Ausführungsform in das Schwungrad 1 eingefräst und jeweils mit einer definierten Menge einer Flüssigkeit 6 von hoher Masse sowie einem Gas 8 gefüllt. 1 gibt die räumliche Ausrichtung der Flüssigkeit 6 innerhalb der Nuten 4 bei der Drehung wieder. Ferner weisen die Nuten 4 je einen Strömungskörper 10 auf, welcher den Raum der jeweiligen Nut 4 in Umfangsrichtung in zwei Abschnitte unterteilt, die durch je zwei Spalte 12, 14 miteinander verbunden sind. 1 zeigt, wie der weiter radial gelegene Spalt 12 mit Flüssigkeit 6 gefüllt ist. Im näher zum Drehmittelpunkt D gelegenen Spalt 14 steht Gas (8). Die dargestellten Strömungskörper 10 weisen in 1 Stellspindeln 16 auf, mittels deren die Breite der Spalte 12, 14 einstellbar sind.
2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 1 durch das nicht geschnittene Schwungrad 1 aus 1. Dargestellt ist neben den in 1 bereits diskutierten Komponenten, die in 2 mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, ein Deckel 18. Der Deckel 18 dient als einfach anzufügende Abdeckung der Nuten 4, welche diese sicher nach außen hin abdichtet.
Mit der vorliegenden Erfindung wird zur Verringerung von Drehungleichheiten von Antriebswellen erstmals ein Schwungrad mit integrierter, drehzahlabhängiger Tilgerwirkung vorgestellt, dessen Tilgerwirkung mittels gleich mäßig am Umfang des Schwungrads angeordneter, flüssigkeitsbefüllter Kammern erzielt wird.

1: Schwungrad
2: Anlasserzahnkranz
4: Nut; Kammer
6: Flüssigkeit
8: Gas
10: Strömungskörper
12: Spalt
14: Spalt
16: Stellspindel
18: Deckel

Claims

Schwungrad (1) mit integrierten Mitteln zur drehzahlabhängigen Verringerung von Drehungleichförmigkeiten von Antriebswellen, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Mitteln als wenigstens teilweise mit Flüssigkeit (6) befüllte, gleichmäßig über das Schwungrad (1) verteilte Kammern (4) ausgebildet sind.
Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (4) als in das Schwungrad (1) eingefräste Nuten ausgebildet sind.
Schwungrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern im Schwungrad (1) auf wenigstens einem Kreis um den Mittelpunkt D des Schwungsrades angeordnet sind, vorzugsweise mehrere Kreise zueinander konzentrisch sind.
Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Kammern (4) möglichst nahe am äußeren. Umfang des Schwungrads (1) angeordnet sind.
Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (4) Strömungskörper (10) aufweisen, welche die Kammern (4) jeweils in verschiedene Abschnitte unterteilen und wenigstens einen definierten Spalt (12, 14) zwischen den Abschnitten erzeugen, der zur Dämpfung der Flüssigkeitsbewegung dient.
Schwungrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskörper (10) jeweils eine Stellspindel (16) aufweisen, durch welche der Spalt (12, 14) einstellbar ist.
Schwungrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellspindeln (16) über eine Steuerung derart ansteuerbar sind, dass die Spaltbreite regelbar ist.
Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (4) wenigstens zum Teil zusätzlich mit einem gasförmigen Stoff (8) befüllt sind.
Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckel (18) zum Verschließen und Abdichten der Kammern (4) vorgesehen ist.
Schwungrad nach einem der Ansprüche der 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit flüssige bis zähflüssige Medien, wie beispielsweise Salzlösungen höherer Dichte, Quecksilber, Öl mit Metallspänen, Öl mit Stahlkugeln oder dergleichen verwendet wird.