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Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen im
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Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges (Ausscheidung aus P 31 34 310.4-10)
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Dämpfung von Schwingungen im Antriebsstrang
eines Kraftfahrzeuges mittels eines Schwingungstilgers und den weiteren im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten gattungsbestimmenden Merkmalen.
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Einrichtungen dieser Art haben den Zweck, Torsions-und Biegeschwingungen,
die insbesondere an einer den Getriebeblock eines Kraftfahrzeuges mit dessen Antriebsachse
verbindenden Gelenkwelle auftreten, so weit wie möglich zu unterdrücken, um durch
solche Schwingungen bedingte Geräuschentwicklung und Verschleiß im Antriebsstrang
wirksam zu bekämpfen.
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Die Anregung von Torsionsschwingungen kommt dadurch zustande, daß
das Ausgangsdrehmoment einer Brennkraft maschine üblicher Bauart periodischen Schwankunqen
unterworfen ist, deren Frequenz bei einem als Fallbei spiel angenommenen 4-Zylinder-Hubkolbenmotor
gleich der doppelten Rotationsfrequenz seiner Kurbelwelle ist, während Biegeschwingungen
im wesentlichen durch die radial zur Längsachse der Kurbelwelle wirkenden 'lassenkräfte
des
Antriebsaggregats angeregt werden; im Falle des 4-Zylinder-Antriebsaggregats entspricht
die Anregungsfrequenz für Torsions- und Biegeschwingungen jeweils der doppelten
Rotationsfrequenz der Kurbelwelle.
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Typische Schwingungen imFahrwerksbereich, die durch Torsionsschwingungen
der Kurbelwelle resonant angeregt werden können, z.B. Auf- und Abbewegungen der
Hinterachskonstruktion relativ zum Fahrzeugboden, haben im 60 Hz-Bereich liegende
Eigenfrequenzen und müssen daher durch eine bei etwa dieser Frequenz liegende Torsions-Schwingungsresonanz
des Schwingungstilgers bekämpft werden. Andere, insbesondere durch Biegeschwingungen
der Gelenkwelle anregbare und mit Biegeverformungen von Teilen der Achsbefestigung,
z.B. des Hinterachssattels einhergehende Schwingungen haben typische Eigenfrequenzen
von beispielsweise 150 Hz und erfordern daher zu ihrer Bekämpfung eine bei etwa
diesem Frequenzwert liegende Biegeschwingungsresonanz des Schwingungstilgers.
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Dies bedeutet, daß bei einem zum vorstehend genannten Zweck geeigneten
Schwingungstilger das Verhältnis r fr/ft seiner Transversal- bzw. Radialschwingungs-Resonanzfrequenz
zur zu seiner Torsionsschwingungs-Resonanzfrequenz ft in praxi etwa 2,5 : 1 betragen
sollte.
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Bei einer aus der DE-OS 29 33 586 bekannten Einrichtung der eingangs
genannten Art hat der mit der Gelenkwelle verbundene Schwingungstilger einen am
Kopplungsflansch der Gelenkwelle des Kraftfahrzeuges festlegbaren, in der Art eines
kurzen Dreikantprismas gestalteten Tragflansch, dessen - abgerundete - Prismenkanten
parallel zur Längsachse der Gelenkwelle verlaufen, die diesen Tragflansch durchsetzt.
Die Schwingmasse
ist kreisringförmig ausgebildet und koaxial zur
Gelenke welle bzw. dem Tragflansch angeordnet, wobei in der Ruhelage der Schwingmasse
zwischen dieser und den Prismenkanten des Tragflansches ein lichter Abstand verbleibt.
Die Schwingmasse ist über je zwei gummielastische, etwa säulenförmige Federungskörper
mit den jeweils gegenüberliegenden Prismenflächen des Tragflansches verbunden. Diese
Federungskörper sind so gestaltet und angeordnet, daß im Bereich der Längskanten
des Tragflansches zwischen diesem und der Schwingmasse sich in Umfangsrichtung erstreckende
Schlitze verbleiben, die an ihren durch die Federungskörper begrenzten Enden etwas
erweitert sind. Zwischen die je eine der Prismenflächen mit der Schwingmasse verbindenden
Federungskörper sind als U-Profile oder auch als Profilstücke mit in sich geschlossenem
Profilquerschnitt ausgebildete -versteifungselemente eingesetzt, wobei, in radialer
Richtung gesehen, zwischen diesen und der Schwingmasse bzw. dem Tragflansch in Umfangsrichtung
bzw. entlang der Tragflanschflächen verlaufende Schlitze freigelassen sind, die
an ihren Enden ebenfalls etwas erweitert sind.
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Bei einer solchen Gestaltung des Schwingungstilgers kann zwar, bei
Verwendung eines geeigneten Federungskörpermaterials und geeigneter Gestaltung und
Demensionierung der Versteifungselemente die für Torsionsschwingungen maßgebliche
Kraftkonstante und damit die Ru so nanzfrequenz des Torsions-Schwingungstyps in
einen erwünschten Frequenzbereich gelegt werden, nachteilig ist jedoch, daß - wegen
der durch die Anordnung der Versteifungselemente bedingten Verringerung des Federungskörpervolumens
- die für Radialschwingungen der Schwingmasse
maßgebliche Kraftkonstante
vermindert und damit die Resonanzfrequenz des Radialschwingungstyps verringert wird.
Mit dem bekannten Schwingungstilger ist es daher nicht möglich, die eingangs hinsichtlich
des Verhältnisses der Biege- und Torsionschwingungs-Resonanzfrequenzen genannte
Forderung in praxi zu erfüllen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, deren Schwingungstilger mit einem günstig großen Verhältnis
seiner Biegeschwingungs- und Torsionsschwingungs-Resonanzfrequenzen realisierbar
ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 genannten Merkmale der Erfindung auf einfache Weise gelöst.
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Durch die hiernach zusätzlich in dem Federungskörper vorgesehenen
Versteifungselemente, mit denen die radiale Steifigkeit des Federungskörpers im
Sinne einer Erhöhung gezielt beeinflußbar ist, kann das Resonanzfrequenzverhältnis
r fr/ft auf einen erwünschten hohen Wert eingestellt werden. Die Anordnung der zusätzlichen
Versteifungselemente, die die radiale Versteifung des Federungskörpers vermitteln,
ist wegen der erfindungsgemäß vorgesehenen rohrförmigen Gestaltung des Tragflansches
und der ringsegmentförmigen Gestaltung der Federungselemente des Schwingungstilgers
möglich, wodurch zwischen dessen Schwingmasse und Tragflansch innerhalb dieser Federungselemente
genügend Raum für die Anordnung der zusätzlichen Versteifungselemente vorhanden
ist.
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Grundsätzlich können die Versteifungselemente in den aus einem geeigneten
Elastomer bestehenden Federungskörper schon bei dessen Herstellung mit eingegossen
oder einvulkanisiert werden. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn die Versteifungselemente
gemäß Anspruch 2 in Aussparungen des elastomeren Federungskörpers derart eingepreßt
sind, daß dieser mit einer für die lagerichtige Fixierung der Versteifungselemente
hinreichenden Vorspannung an deren Mantel anliegt.
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Eine für diesen Fall erforderliche Sicherung der Versteifungselemente
gegen axiale Verrückungen innerhalb des Federungskörpers ist dann auf einfache Weise
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 erzielbar.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Schwingungsdämpfung mit einem an der
Gelenkwelle eines Kraftfahrzeuges angeordneten Schwi.ngungstilger, in abgebrochener
Darstellung, teilweise im Schnitt längs der Achse der Gelenkwelle, im Maßstab 1
: 1,5 und Fig. 2 eine Stirnansicht des Schwingungstilgers der Einrichtung gemäß
Fig. 1.
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In der Fig. 1, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei,
ist der mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung
10 zur Schwingungsdämpfung
versehene Teil des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges dargestellt, der hier
durch das getriebeseitige Ende der Gelenkwelle 11, die Abtriebswelle 12 des Getriebes
13 und eine anstelle eines Kardangelenks vorgesehene Gelenkscheibe 14 repräsentiert
ist, an der einerseits die Abtriebswelle 12 des Getriebes 13 mit ihrem gleichschenklig-dreieckigen
Kopplungsflansch 16 und andererseits die Gelenkwelle mit ihrem ebenfalls gleichschenklig-dreieckförmigen
Kopplungsflansch 17 mittels je dreier in den Eckbereichen dieser Kopplungsflansche
16 bzw. 17 angeordneter Schrauben 18 bzw. 19 befestigt sind, wobei die Kopplungsflansche
16 und 17 und die Gelenkscheibe 14 bezüglich der Längsachse 21 der Gelenkwelle 11
axialsymmetrisch ausgebildet und angeordnet sind.
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Funktionswesentlicher Bestandteil der Schwingungsdämpfungseinrichtung
10 ist ein insgesamt mit 54 bezeichneter Schwingungstilger, der eine dynamische
Bekämpfung sowohl der im Antriebsstrang auftretenden Torsionsschwingungen als auch
der zur Längsachse 21 transversalen Biegeschwingungen vermittelt.
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Der Schwingungstilger 54 hat einen am Kopplungsflansch 17 der Gelenkwelle
11 festlegbaren Tragflansch mit einem kreiszylindrisch-rohrförmigen Tragkörper 57,
eine den Tragkörper 57 koaxial umgebende, kreisringförmige Schwingmasse 26 und einen
sowohl mit dem Tragkörper 57 wie auch mit der Schwingmasse 26 verbundenen, insgesamt
mit 58 bezeichneten Federungskörper mit der Grundform eines Kreisringes. Ober diesen
Federungskörper 58 ist die Schwingmasse 26 zu Torsions- undXoder
rechtwinklig
zur Längsachse verlaufenden Transversa1-schwingungen anregbart durch die die dynamische
Dämpfung solcher Schwingungen im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges vermittelt wird.
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Im Idealfall der vollständigen Schwingungskompensation.
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ist dabei nur die Schwingmasse 26 und der mit dieser und dem Tragflansch
56 verbundene Federungskörper 58 zu Schwingungen angeregt, während die Gelenkwelle
schwingungsfrei rotiert. Es ist dann wirksam ausgeschlossen, daß durch Schwingungen
der Gelenkwelle 21 z.B. der die angetriebene Hinterachse des Kraftfahrb zeuges tragende
- nicht dargestellte - Hinterachsschemel, der über Gummilager am Fahrzeugboden ahgescützt
ist, zu resonanten Eigenschwingungen angeregt wird, die als Körperschall auf den
Fahrzeugboden übertragen werden, aus dessen Schwingungen im Fahrzeuginneren als
störend empfundender Luftschall entsteht. Typische Eigenschwingungen eines solchen,
in üblicher Bauart V-förmigen Hinterachsschemels, deren resonante Anregung weitestgehend
vermieden werden sollte, ist zum einen eine bezüglich des Fahrzeugbodens translatorische
Schwingung, in der der Hinterachsschemel als Ganzes gegen den Fahrzeugboden schwingt,
und zum anderen eine Biegeschwingung des Hinterachsschemels, bei der dieser selbst
einer Schwingungsdeformation unterwofen ist.
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Typische Werte der Eigenfrequenz der Translationsschwingung des Hinterachsschemels,
die insbesondere durch Torsionsschwingungen der Gelenkwelle 21 anregbar ist, liegen
zwischen 30 und 60 Hz, während typische Werte der Eigenfrequenz der Biegeschwingung
des Hinterachsschemels,
die insbesondere durch Biegeschwingungen
der Gelenkwelle 21 anregbar ist, bei ca. 150 Hz liegen.
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Da ein Schwingungstilger seine optimale Dämpfungswirkung dann entfaltet,
wenn seine Eigenschwingung nach Typ und Frequenz mit der zu bekämpfenden Schwingung
übereinstimmt, sollte daher der Schwingungstilger 54 in dem zur Erläuterung gewählten,
in praxi häufig gegebenen Fallbeispiel eine Torsionsschwingungs-Resonanzfrequenz
ft von etwa 60 Hz und eine Biege- bzw. Radialschwingungs-Resonanzfrequenz fr von
ca. 150 Hz haben.
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Um dieses extreme Resonanzfrequenzverhältnis rfr/ft von mindestens
2,5 zu realisieren, hat der Schwingungstilger 54 speziell den aus der Stirnansicht
der Fig. 2 ersichtlichen Aufbau: Der Federungskörper 58 umfaßt in axial-symmetrischer
Anordnung drei Ringsegmente 58a, 58b und 58c, die je-0 weils in einem 90 -Sektorbereich
den Raum zwischen der Schwingmasse 26 und dem Tragkörper 57 ausfüllen und an diesen
Teilen fest haften. In Umfangsrichtung gesehen sind diese Ringsegmente 58a, 58b
und 58c durch in sich steife Zwischenstücke 59 miteinander verbunden, die beim dargestellten
speziellen Ausführungsbeispiel als Iiohlprofilstücke mit trapezförmigem Profilquerschnitt
ausgebildet sind, aber auch, wie an sich bekannt, -als in radialer Richtung einseitig
offene U-Profile ausgebildet sein könnten. Durch diese Zwischenstücke 59, die zwischen
schwingmassenseitigen Schlitzen 61 und tragkörperseitigen Schlitzen 62 angeordnet
sind, ist die Torsionssteifigkeit des Federungskörpers 58 und damit
die
Tosionsschwingungs-Resonanzfrequenz ft des Schwingungstilgers 54 gezielt beeinflußbar.
Die Ringsegmente 58a, 58b und 58c haben je eine kreisrunde Durchgangsbohrung 63,
in die als Versteifungselemente kreiszylindrische Blechhülsen 64 eingesetzt sind,
mit denen die radiale Steifigkeit des Federungskörpers 58 und damit die Radialschwingungs-Resonanzfrequenz
f, r des Schwingungstilgers 54 definiert beeinflußbar ist.
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Um die Versteifungshülsen 64 gegen axiale-Verrückungen im Federungskörper
58 zu sichern, können, was nicht gesondert dargestellt ist, an den Mündungsöffnungen
der Durchgangsbohrungen 63 nach innen ragende, schmale Ringrippen des Federungskörpers
58 vorgesehen sein, oder es können an den Stirnseiten der Versteifungshülsen 64
Haltebunde angeformt sein, die verhindern, daß sich die Versteifungshülsen 64 aus
den Durchgangsbohw rungen 63 herausarbeiten können. Dabei ist es ausreichend, wenn
sich solche Haltebunde nur über einen Teil des Hülsenumfanges, z.B. einen äußeren
1800-Sektorbereich erstrecken.
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Um den Schwingungstilger 54 in der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung
an der Gelenkwelle 11 bzw. der Gelenkscheibe 14 funktionsgerecht befestigen zu können,
muß die axiale Länge seines Traggkörpers 57 um etwa die Schraubenkopfdicke der Befestigungsschraube
19 größer sein als bei einem Schwingungstilger üblicher Bauart mit dreieckförmigem
Kopplungsflansch.
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Es versteht sich, daß ein im Rahmen einer erfindungsgemäßen Einrichtung
10 verwendbarer Schwingungstilger mit kreiszylindrischem Tragkörper auch in der
Weise realisiert sein könnte, daß an seiner kreisringförmigen Schwingmasse innenseitig
Vorsprünge vorgesehen sind, zwischen denen die elastischen, ringsegmentförmig ausgebildeten
Teile des Federungskörpers angeordnet sind. Auch bei dieser Gestaltung müßte der
Tragkörper, wie vorstehend erläutert, etwas verlängert sein. Dafür könnte aber wegen
der für die Vorsprünge bedingten Vergrößerung der Schwingmasse deren Außendurchmesser
bei vorgegebenem Trägheitsmoment etwas verringert werden, was aus Platzgründen von
Vorteil sein könnte.