-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kompensieren von
Schwingungen einer eine Kurbelwelle aufweisenden Brennkraftmaschine mit
einer ersten und zweiten Schwungmasse, wobei die Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine mit der ersten Schwungmasse ständig und
wahlweise mit der über
einen zusätzlichen
externen Antrieb antreibbaren zweiten Schwungmasse über eine
steuerbare Kupplung und ein Übersetzungsgetriebe
in Abhängigkeit
einer Störgröße automatisch
in Antriebsverbindung bringbar ist.
-
Aus
den japanischen Druckschriften JP 5-157139 (A), JP 5-157140 (A)
und JP 5-157142 (A) sind Vorrichtungen zum Kompensieren von Schwingungen
einer eine Kurbelwelle aufweisenden Brennkraftmaschine bekannt.
Es ist eine erste und eine zweite Schwungmasse vorgesehen, wobei
die Kurbelwelle der Bennkraftmaschine mit der ersten Schwungmasse
ständig
und wahlweise mit der über einen
zusätzlichen
externen Antrieb antreibbaren zweiten Schwungmasse über eine
steuerbare Kupplung und ein Übersetzungsgetriebe
in Abhängigkeit einer
Störgröße automatisch
in Antriebsverbindungen bringbar ist. Die zweite Schwungmasse ist
zwischen dem externen Antrieb und der Kupplung angeordnet. Eine
hohlförmige
Ausbildung und Anordnung der zweiten Schwungmasse nachdem externen
Antrieb wird nicht gezeigt. Außerdem
wird kein Hinweis auf eine Dimensionierung der einzelnen Schwungräder gegeben.
-
Es
ist bereits eine Vorrichtung bekannt (
DE 19610141 A1 ), die eine
an der Kurbelwelle befestigte Primärmasse sowie eine Sekundärmasse aufweist, die über eine
Kupplung mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbindbar sind. Die
Sekundärmasse
ist jedoch drehmomentensteif – bezogen
auf die Schwungradachse – gelenkig
bzw. biegeweich an der Primärmasse
angebunden. Taumelbewegungen der mit geringer Masse ausgebildeten
Primärmasse werden
somit nicht auf die im Wesentlichen die Schwungmasse tragende Sekundärmasse übertragen.
-
Ferner
ist eine Einrichtung zum Ausgleich von Wechselmomenten und Schwingungen
im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten Schwungmasse
(
DE 19704786 C1 )
bekannt, die mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbindbar
ist. Diese Vorrichtung weist eine zweite Schwungmasse auf, die über eine
Kupplung mit der Eingangswelle eines Getriebes verbindbar ist.
-
Eine
Feder-Dämpfungs-Einrichtung
verbindet die beiden Schwungmassen derart miteinander, dass eine
Relativverdrehung zwischen ihnen möglich ist. Einer dritten Schwungmasse
wird von der ersten Schwungmasse über ein Planetengetriebe angetrieben.
Zwischen dem Planetengetriebe und der ersten Schwungmasse ist eine
Kupplung zur Verbindung der ersten Schwungmasse mit der Kurbelwelle
angeordnet, wobei die dritte Schwungmasse an ihrem radial äußeren Umfang
als Rotor einer Elektromaschine ausgebildet ist. Diese Vorrichtung
ist aufwändig und
teuer.
-
Die
DE 4305306 A1 zeigt
bereits einen Hubkolbenmotor mit einer an der Kurbelwelle angeordneten
Schwungscheibe und zwei zur Milderung der Ungleichförmigkeit
des Drehmoments auf einer welle angeordnete Schwungscheiben, wobei
die zweite Schwungscheibe auf der Kurbelwelle drehbar gelagert ist
und mittels einer reibschlüssigen
Kupplung mit der Schwungscheibe kuppelbar ist. Wie die einzelnen
Schwungräder
dimensioniert sind oder welche Größe sie im Einzelnen aufweisen,
geht aus dem Dokument nicht hervor. Die erste Schwungscheibe und
das Schwungrad sind auf der Kurbelwelle koaxial zueinander ausgerichtet.
Mittels einer reibschlüssigen
Kupplung kann das Schwungrad mit der Schwungscheibe gekuppelt werden.
Die Kupplung wird hierzu über
einen Aktuator betätigt,
der durch eine Regeleinrichtung angesteuert wird, wobei die Signale
von Sensoren verarbeitet werden. Beim stationären Betrieb des Motors im niedrigen
Drehzahlbereich, soll das zweite Schwungrad zugeschaltet sein können. Beim
Beschleunigen sowie im Bereich hoher Drehzahlen kann das zweite
Schwungrad abgekoppelt werden, so dass der Motor mit einer geringeren Drehzahl
gleichmäßig rund
laufen kann.
-
Dem
gemäß besteht
die Erfindungsaufgabe darin, mit einfachen baulichen Mitteln die
einzelnen Schwungmassen derart anzuordnen und anzutreiben, dass
der Anfahrmoment der Brennkraftmaschine kleingehalten wird.
-
Gelöst wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass die zweite Schwungmasse hohlförmig ausgebildet und nach dem
externen Antrieb angeordnet ist, wobei das Massenverhältnis zwischen
der ersten Schwungmasse und der zweiten Schwungmasse einen Wert
größer als
eins aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass das Betriebsverhalten
der Brennkraftmaschine jederzeit über das Zu- bzw. Abschalten der zweiten Schwungmasse
so beeinflusst werden kann, dass störende Schwingungen auf ein Minimum
gedämpft
und die aufzubringenden Beschleunigungsmomente bzw. Leistungsverluste
reduziert werden.
-
Ferner
ist es ohne weiteres möglich,
die zweite Schwungmasse wahlweise zuzuschalten, um sie in den erforderlichen
Betriebspunkten zu nutzen. Durch eine erhöhte Drehzahl der Schwungmasse kann
die eigentliche Masse der Schwungmasse und damit ihr Trägheitsmoment
reduziert werden, wobei der Drehimpuls, als Produkt aus Drehzahl
und Trägheitsmoment,
nicht verringert wird. Dadurch kann jedoch das Anfahrmoment der
Brennkraftmaschine kleingehalten werden. Eine kleinere Schwungmasse hat
neben dem geringeren Gesamtgewicht der Brennkraftmaschine den Vorteil,
das Anfahrmoment günstig
zu beeinflussen.
-
Durch
Einsatz eines Getriebes wird nicht nur der Antrieb der zweiten Schwungmasse
realisiert, sondern auch das Drehzahlverhältnis zwischen der Kurbelwelle
und der auf der zweiten welle angeordneten Schwungmasse bestimmt.
Wird beispielsweise die Drehzahl der zweiten Schwungmasse größer als die
in der Kurbelwelle, hat das den wesentlichen Vorteil, dass die zweite
Schwungmasse bei gleichem Drehimpuls entsprechend kleiner und somit
auch kostengünstiger
ausgebildet sein kann als eine synchron zur Kurbelwelle laufende
Schwungmasse.
-
Ferner
kann durch Änderung
des Drehzahlverhältnisses
bei konstanter Masse der Drehimpuls beliebig variiert werden, so
dass dadurch auch das Dämpfungsverhalten
günstig
beeinflusst wird. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können, wie
bei einem Motor, auftretende Schwingungen reduziert und ein gleichmäßig ruhiges
Betriebsverhalten des Motors gewährleistet
werden.
-
Eine
zusätzliche
Möglichkeit
ist gemäß einer Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass
die zwischen dem Getriebe und der zweiten Schwungmasse vorgesehene
Kupplung drehmomentensteif ausgebildet ist und somit auch Drehimpulsspitzen übertragen
werden. Um dies zu gewährleisten,
sollte die Kupplung formschlüssig
ausgeführt sein,
da nicht bei allen kraftschlüssigen
Kupplungen eine ausreichende Drehmomentsteifigkeit erreicht wird.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass die Kupplung über
einen Regelkreis mit einem Schwingungsaufnehmer zur Erfassung der Störgröße in Wirkverbindung
steht. Die Störgrößen können hierbei
unbekannt oder bekannt sein. Wenn sie unbekannt sind, werden sie über den
Aufnehmer bzw. den Regelkreis unmittelbar erfasst und bewertet.
Wenn die Störgrößen bekannt
sind, d. h. wenn sie in bekannten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine
auftreten, so werden sie z. B. in Verbindung mit der Drehzahl bewertet.
-
Vorteilhaft
ist es ferner, dass die zweite Schwungmasse über einen externen Antrieb
zumindest zeitweise antreibbar ist und somit beim Zuschalten der
zweiten Schwungmasse ein abruptes Verzögern der Brennkraftmaschine
verhindert wird.
-
Außerdem ist
es vorteilhaft, dass der externe Antrieb zwischen der Kupplung und
der zweiten Schwungmasse vorgesehen ist.
-
Hierzu
ist es vorteilhaft, dass neben der ersten Vorrichtung zum Ausgleich
der Schwingungen zumindest eine weitere Vorrichtung zum Ausgleich der
Schwingungen vorgesehen ist.
-
Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und
in der Beschreibung erläutert
und in den Figuren dargestellt.
-
Es
zeigt:
-
1 eine
perspektivische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer ersten
und zweiten Schwungmasse,
-
2 eine
vereinfachte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäss 1 zur
Darstellung des Kraftflusses,
-
3 einen
Regelkreis zur Steuerung der zuschaltbaren Schwungmasse
-
4 eine
schematische Darstellung einer anders ausgestalteten Schwungmasse.
-
In
der Fig. ist eine als Sechszylinder ausgebildete Brennkraftmaschine 1 mit
einer Kurbelwelle 2 dargestellt, die an ihrem einen Ende
eine erste Schwungmasse 6 aufweist, die ständig mit
der Kurbelwelle 2 umläuft.
Die Kurbelwelle 2 steht ferner über ein Getriebe 3 mit
einer zweiten Schwungmasse 7 in Antriebsverbindung.
-
Das
Getriebe 3 kann als Zahnradgetriebe oder als Zugmittelgetriebe
ausgeführt
sein.
-
Die
Brennkraftmaschine 1 steht ferner über die Kurbelwelle 2 und
die erste Schwungmasse 6 sowie einen Wandler 13 mit
einem Fahrzeuggetriebe 14 in Antriebsverbindung.
-
Am
vorderen Ende der Brennkraftmaschine 1 tritt die Kurbelwelle 2 aus
einem Gehäuse 10 der Brennkraftmaschine 1 aus
und treibt über
das Getriebe 3 die weiteren Aggregate, wie ein Lüfterrad 11,
einen nicht dargestellten Generator an.
-
Nach
diesem Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
dass der Antrieb der zweiten Schwungmasse 7 ebenfalls über das
Getriebe 3 erfolgt. Das Getriebe 3 steht über eine
Kupplung 5 mit der zweiten Schwungmasse 7 in Antriebsverbindung.
Hierdurch wird der Kraftfluss zwischen dem Getriebe 3 und
der zweiten Schwungmasse 7 gewährleistet.
-
Bei
jedem Motor treten in bestimmten Betriebszuständen Schwingungen auf, die
reduziert werden sollen, um ein gleichmässiges, ruhiges Betriebsverhalten
des Motors zu gewährleisten.
-
Bei
Bedarf kann hierzu die zweite Schwungmasse 7 über die
Kupplung 5 der Brennkraftmaschine 1 zugeschaltet
und somit die zweite Schwungmasse 7 beschleunigt werden.
Soll das Anlaufmoment der Brennkraftmaschine 1 klein gehalten
werden oder wird die zweite Schwungmasse 7 aus anderen
Gründen
nicht benötigt,
so kann über
die Kupplung 5 der Kraftfluss zwischen der Schwungmasse 7 und
dem Getriebe 3 getrennt werden.
-
Durch
das Getriebe 3 wird nicht nur der Antrieb der zweiten Schwungmasse 7 realisiert,
sondern auch das Drehzahlverhältnis
zwischen der Kurbelwelle 2 und der zweiten Schwungmasse 7 bestimmt.
-
Wenn
die Drehzahl der zweiten Schwungmasse 7 grösser ist
als die der Kurbelwelle 2, so hat dies den Vorteil, dass
die zweite Schwungmasse 7 bei gleichem Drehimpuls entsprechend
kleiner ausgebildet sein kann als eine synchron zur Kurbelwelle laufende
Schwungmasse. Der Drehimpuls ist ein Produkt aus Massenträgheitsmoment
und Drehzahl und bleibt somit konstant.
-
Mit
der Änderung
des Drehzahlverhältnisses kann
bei konstanter Masse der Drehimpuls beliebig variiert werden, dadurch
wird das Dämpfungsverhalten
günstig
beeinflusst.
-
Neben
dem Drehzahlverhältnis
gibt es noch eine weitere, nicht dargestellte Möglichkeit, die zweite Schwungmasse 7 bei
konstantem Drehimpuls zu reduzieren.
-
Hierbei
(4) muss die zweite Schwungmasse 7 ring-
bzw. rohrförmig
ausgebildet sein, um den Abstand R der rotierenden Masse von der
Rotationsachse zu vergrössern.
Das Massenträgheitsmoment
wächst
mit R2.
-
Ferner
ist es (in 2 schematisch angedeutet) möglich, die
zweite Schwungmasse 7 entweder von der Brennkraftmaschine 1 über die
Kupplung 5 oder aber über
einen externen Antrieb 4 zu beschleunigen. Dieser externe
Antrieb 4 ist als Elektromotor ausgebildet. Der externe
Antrieb 4 befindet sich zwischen der Kupplung 5 und
der zweiten Schwungmasse 7.
-
Hierbei
wird die Leistungsaufnahme zum Beschleunigen der zweiten Schwungmasse 7 von
einer Batterie auf den Generator und die Brennkraftmaschine 1 umgelenkt
und somit ein abruptes Verzögern
der Brennkraftmaschine 1 verhindert, wenn die zweite Schwungmasse 7 zugeschaltet
wird.
-
Nach
einem anderen Ausführungsbeispiel (2)
ist es auch möglich,
den gesamten Kraftfluss der Brennkraftmaschine 1 an einer
Seite der Kurbelwelle 2 abzuleiten. Hierbei wird der Hauptteil
des Kraftflusses über
die erste Schwungmasse 6 und den Wandler 13 zum
Fahrzeuggetriebe 14 geführt.
-
Der
andere Teil des Kraftflusses wird über das Getriebe 3 und
die Kupplung 5 zur zweiten Schwungmasse 7 geführt.
-
In 3 ist
ein Regelkreis zum Steuern der zweiten Schwungmasse 7 dargestellt.
Der Regelkreis besteht im wesentlichen aus einem Regler 8,
einem Stellglied (Kupplung 5), der zweiten Schwungmasse 7,
der Brennkraftmaschine 1 und einem Schwingungsaufnehmer 9.
-
Zwischen
der "Ist"-Grösse der
im Moment herrschenden Schwingungen und der "Soll"-Grösse erfolgt
ein Abgleich. Die durch den Abgleich und den Regler 8 erhaltene
Stellgösse
(Kraft) wird über
die Kupplung 5 umgesetzt und beeinflusst über die
Drehzahl den Drehimpuls der zweiten Schwungmasse 7 und
somit das Schwingungsverhalten der Brennkraftmaschine 1.