DE19919458A1

DE19919458A1 - Zweimassenschwungrad

Info

Publication number: DE19919458A1
Application number: DE19919458A
Authority: DE
Inventors: Graf Von Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: INGELHEIM, PETER, GRAF VON, 81679 MUENCHEN, DE
Priority date: 1998-05-02
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2000-03-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweimassenschwungrad zur Dämpfung von Torsionsschwingungen. Dabei wird eine zweite Schwungmasse 3 mit einer Zwangssteuerung 4 so geführt, daß bei Verdrehung der Antriebswelle 1 zur Abtriebswelle 2 um den Winkel alpha die zweite Masse 3 um den Winkel beta = k*alpha mit k > 1 zur Abtriebswelle verdreht wird. Damit erreicht die Kurve der Drehzahldifferenzen dieser Masse 3 höhere Amplituden als die Kurve der Drehzahldifferenzen der Antriebswelle und ermöglicht so das Gewicht des Schwungrades zu reduzieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweimassenschwungrad für Fahrzeugantriebe.

Schwungräder mit zwei federnd zueinander arbeitenden Massen zur besseren Dämpfung der Torsionsschwingungen eines Hubkolbenmotors sind wohlbekannt.

Bei bisherigen Zweimassenschwungrädern wird eine zusätzliche Masse mit Federn zwischen An- und Abtriebswelle aufgehängt und hilft die Schwingungen der Abtriebswelle zu dämpfen.

Ein wesentlicher Nachteil der bisherigen Zweimassenschwungräder ist, daß sie mit einer zusätzlichen Masse ausgestattet sein müssen, welche das Trägheitsmoment des Motors erhöht und somit zu Lasten von Verbrauch und Dynamik verändert.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, senkt bei gleichbleibendem Dämpfungsvermögen eines bisherigen Schwungrades das Trägheitsmoment des Motors deutlich und verbessert dadurch seine Dynamik und senkt seinen Verbrauch.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Drehzahldifferenz Δn einer zusätzliche Schwungmasse gegenüber der Drehzahldifferenz der Motorwelle deutlich vergrößert wird und somit bei gleichbleibender aufgenommener Energie des Schwungrades sein Trägheitsmoment verringert werden kann.

Es sind Zweimassenschwungräder bekannt bei denen mit Hilfe eines Planetengetriebes ähnliche Effekte erreichbar sind. In der deutschen Patentschrift DE 44 22 732 C2 wird das Antriebsdrehmoment mit Hilfe eines dreirädrigen Planetengetriebes auf Abtriebswelle und Zweitmasse verteilt. Ebenso in der deutschen Patentanmeldung DE 196 27 764 A1. Ein derartiges Zweimassenschwungrad ist aber aufwendig und für eine Großserienherstellung teuer.

In der Patentschrift DE 44 22 732 C2 (Spalte 2; Zeile 58-63) wird eine Änderung der Übersetzung bei Zug- und Schubbetrieb als günstig erklärt. Eine Änderung ist hierbei aber nicht angeführt und nach den Ausführungen erfordert sie sogar ein zweites, paralleles Planetengetriebe.

Auch hierfür will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung vermag mit einem einfachen Hebelsystem das Antriebsdrehmoment auf Abtrieb und Zweitmasse zu verteilen. Auch ist das Hebelsystem und seine Wirkung mit einfachen Mitteln so zu gestalten (Fig. 6 und 7), daß sich in Zug- und Schubbetrieb unterschiedliche Übersetzungen ergeben.

Die Erfindung und ihre Funktion und Berechnung wird anhand der Fig. 1-7 erläutert.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen das einfachste Prinzip des Schwungrades in der Perspektive, von vorne und im Seitenschnitt. Schwungmasse J1 der Antriebswelle 1, Schwungmasse J2 der Abtriebswelle 2 und Schwungmasse J3 der Zusatzmasse 3 sind konzentrisch zueinander angeordnet und stehen über ein Riegelelement 4 in Verbindung, welches an der Antriebswelle drehbar gelagert ist und mit dem ersten Zapfen 6 in einem Lager der Antriebswelle steckt.

Mit dem zweiten Zapfen 7 gleitet es in einem radialen Schlitz der Abtriebswelle und mit dem dritten Zapfen 8 gleitet es in einem radialen Schlitz der Zusatzmasse 3.

Ein Federelement 5 stützt Antriebswelle und Zusatzmasse 3 gegeneinander ab.

Die Funktion und ihre Vorteile kann man sich derartig klar machen.

Fig. 2a zeigt ein Beispiel für Abmessungen, die nachfolgend zur Berechnung verwendet werden.

Der erste Zapfen 6 hat von der Drehachse des Schwungrades den Abstand 4*r1. Der zweite Zapfen 7 bewegt sich auf einem Kreisbogen mit Radius r1 um den ersten Zapfen 6, der dritte Zapfen 8 auf einem Kreisbogen mit Radius 2*r1 um den ersten Zapfen 6.

Dann ist die Funktion durch die Erkenntnisse an Planetengetrieben erläuterbar. Das Schwungrad ist in seinem Aufbau einem vierrädrigen Planetengetriebe mit einem Außen- und einem Innengetriebe vergleichbar, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Das Stegrad 11 entspricht dem Antrieb, das Außenzahnrad 12 dem Abtrieb, das Innenzahnrad 13 der Schwungmasse und die Planetenräder 14 dem Riegelelement.

Damit gelten die Formeln für Planetengetriebe.

Es sei
r1 = Abstand erster Zapfen 6 zu zweitem Zapfen 7
r2 = Abstand erster Zapfen 6 zu drittem Zapfen 8
r3 = Abstand erster Zapfen 6 zur Drehachse des Schwungrades - r1
r4 = Abstand erster Zapfen 6 zur Drehachse des Schwungrades + r2

Das Bauverhältnis z ist für diese Bauform ist

Kontrollrechnung für das Funktionieren der Anordnung

Für Planetengetriebe mit diesem Bauverhältnis gilt: M13/M12 = -z = 1 und M11 = M12 + M13
Analog gilt M2/M3 = 1 und
M1 = M2 + M3 = Abtriebsdrehmoment + M3.

Die Zusatzmasse 3 stützt sich über das Federelement 5 am Antrieb ab. Somit gilt bei gespannter Feder
M1 = Antriebsdrehmoment + M3.

Daher wäre bei gleichbleibend gespannter Feder stets Antriebsdrehmoment gleich Abtriebsdrehmoment #.

Anmerkung

Man könnte auch die Zusatzmasse mit der Feder am Abtrieb abstützen. Dann würde Abtriebsdrehmoment = M2+M3 = M1 = Antriebsdrehmoment #.

Nun betrachte man die Kurven der Drehzahlschwankungen von Antrieb und Abtrieb, wie sie in den Berechnungsprogrammen für Zweimassenschwungräder gezeigt werden.

In Fig. 5 ist aus einem derartigen Berechnungsdiagramm für ein Zweimassenschwungrad die Kurve J1 der Antriebsmasse und die Kurve J2 der Abtriebsmasse gezeigt.

Nicht gezeigt ist die Kurve der zweiten Masse am Schwungrad, die zwischen der Kurve J1 und J2 verlaufen müßte. Ihre Amplitude ist größer als die der Kurve J2 und kleiner als die der Kurve J1.

Die erfindungsgemäße Zusatzmasse hat aber größere Amplituden als die Kurve J1, wie man sich an ihrer Konstruktion klar machen kann.

Nach Fig. 2a gilt:
Wenn Antriebswelle und Abtriebswelle um den Winkel α (in unserem Falle 7°) verdreht sind, ist die Zusatzmasse zur Abtriebswelle um den Winkel 2α (in unserem Falle 14°) verdreht. Dem Verdrehwinkel α entspricht die Länge d1 des senkrechten Abstandes der Kurven J2 und J1. Die Verdoppelung dieses Abstandes d1 ergibt einen Kurvenpunkt der Kurve J3. Die gezeigte Kurve J3 ist nach diesem Prinzip für viel Kurvenpunkte konstruiert worden. Die Amplituden der Kurve J3 sind um 34% größer als die Amplituden der Kurven J1.

Die zugrundegelegten Kurven J1 und J2 haben: J1 ein (Δn = 74 U/min) und J2 ein (Δn = 60 U/min). Damit errechnet sich für die Drehzahl 1000 U/min δ(J1) = 74/500 = 0.148.

Für sich J3 ist Δn ≈ 100 U/min und damit bei Drehzahl 1000 U/min δ(J3) = 100/500 = 0.2.

Wenn für die speicherbare Energie des normalen Einmassenschwungrades mit J1 = 0.15 kgm² und δ(J1) = 0.148 gilt:

W = J1.δ(J1).(1000.2.π/60)² = 243.5J

dann muß bei gleicher speicherbarer Leistung des erfindungsgemäßen Zweimassenschwungrades sein:

W = 243.5 = (J1_neu.δ(J1) + J3.δ(J3)).(1000.2.π/60)² = (J1_neu.0.148 + J3.0.2).(1000.2*π/60)²

Für J1_neu = 0.02 und J3 = 0.095 wird obige Formel zu W = 240,8.

Das heißt (J1_neu + J3)/J1 = 0.115/0.15 = 0.76666. Bei einem mittleren Massenradius von r = 0.1 m bei beiden Schwungrädern kann man beim erfindungsgemäßen Zweimassenschwungrad das Gewicht um 3.5 Kg gegenüber dem Einmassenschwungrad verringern.

Dies hat einen starken Einfluß auf Dynamik und Verbrauch des Motors, wie an einer kurzen Kontrollrechnung gezeigt werden soll.

Ein Fahrzeug werde in 4.5 sec von 50 km/h auf 100 km/h von der Motordrehzahl 2500 U/min auf 5000 U/min beschleunigt.

Eine Verringerung von ΔJ = 0.035 beim neuen Zweimassenschwungrad bedeutet eine Arbeitseinsparung ΔW = 3598 J.

Ebenso wird das Fahrzeuggewicht um 3.5 kg verringert, was einem ΔW = 1012 J entspricht.

Damit wird insgesamt eine Beschleunigungsleistung von ca. 1 kW eingespart. Die Verringerung des Schwungradgewichtes um 3.5 kg entspricht in diesem Falle einer Verringerung des Fahrzeuggewichtes um 16 kg.

In Fig. 6 ist gezeigt, wie in den Betriebsarten Motor zieht und Motor wird geschleppt unterschiedliche Übersetzungen des Hebelwerks ergeben.

In Fig. 6a zieht die Abtriebswelle 20 die Antriebswelle 21, die sich über einen kurzen Hebel 24, 25, 26 an der Flanke 28 der Zweitmasse 22 abstützt und die Feder 30 spannt.

In Fig. 6b ist das Schwungrad abgekuppelt und die Feder 30 entspannt.

In Fig. 6c zieht die Antriebswelle die Abtriebswelle die sich über den langen Hebel 23, 27 an der anderen Flanke 29 der Zweitmasse abstützt und die Feder 30 in die andere Richtung spannt.

In Fig. 7 sind Alternativen gezeigt.

Fig. 7a zeigt eine Möglichkeit, wie bei geschlepptem Motor eine zusätzliche Feder 36, die am Hebel 35 wirkt, verhärtend wirken kann.

Fig. 7b und 7c ist die Möglichkeit gezeigt, wie in der einen Richtung (Motor wird geschleppt) das Schwungrad als Einmassenschwungrad wirkt. Die Zweitmasse ist in 7b über den Hebel 38 und die Flanke 39 an der Zweitmasse an der Antriebswelle festgeklemmt und es wirkt nur die Feder 40 zwischen Ab- und Antriebswelle.

In 7c wirkt das lange Hebelsystem 42, 43 wie oben beschrieben.

Claims

1. Zweimassenschwungrad zur Dämpfung oder Tilgung von Torsionsschwingungen mit einer ersten Masse, die drehfest an der Antriebswelle 1 angeordnet ist und einer zweiten Masse 3, die relativ verdrehbar zur Antriebswelle 1 und zur Abtriebswelle 2 ist, aber mit diesen kraftschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwangssteuerung in Form eines Hebelsystems 4, 6, 7, 8; 23, 24, 25, 26, 27; 35; 38, 42; vorhanden ist, die mindestens in einer Betriebsstufe (Zug- oder Schubbetrieb des Motors) so arbeitet, daß, wenn die Antriebswelle 1; 21 zur Abtriebswelle 2; 20 um den Winkel α verdreht wird, die zweite Masse 3; 22 um den Winkel β = k.a mit k < 1 zur Abtriebswelle verdreht wird.

2. Zweimassenschwungrad unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsteuerung 4, 6, 7, 8 ein Element 4 enthält, welches an der Antriebswelle 1, der Abtriebswelle 2 oder der zweiten Masse 3 drehbar gelagert ist und mit den beiden anderen im Kraft- oder Formschluß verbunden ist.

3. Zweimassenschwungrad unter Patentanspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Federelemente 5 vorhanden sind, welche bei Drehmomentbelastung von An- und Abtriebswelle mit Kräften belastet werden und welche bei völliger Momentenentlastung von An- und Abtriebswelle An- und Abtriebswelle 1, 2 und zweite Masse 3 in eine Ruhestellung zueinander bringen (Nullstellung).

4. Zweimassenschwungrad unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangssteuerung 4, 6, 7, 8 so aufgebaut ist, daß sie ohne Zahnräder arbeitet, aber analog zu einem Planetengetriebe berechnet werden kann.

5. Zweimassenschwungrad unter Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß nach den Formeln für Planetengetriebe das Drehmoment an der Antriebswelle aus Antriebsdrehmoment und Stützmoment besteht und damit größer als das Drehmoment an der Abtriebswelle ist und daß das Stützmoment an der Antriebswelle durch ein Federelement 5 bewirkt wird, welches zwischen Antriebswelle 1 und zweiter Masse 3 oder zwischen Antriebswelle 1 und Abtriebswelle wirkt.

6. Zweimassenschwungrad unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element 4 an der Abtriebswelle 2 drehbar gelagert ist und das Federelement zwischen An- und Abtriebswelle 1, 2 oder zwischen Antriebswelle 1 und zweiter Masse 3 wirkt.

7. Zweimassenschwungrad unter Patentanspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelsysteme und ihre Anlenkflächen oder -federn 23, 26, 27, 28, 29; 35, 36; 38, 39, 40, 42, 43; so ausgebildet sind, daß in der Zugstufe eine andere Übersetzung gegeben ist als in der Druckstufe.