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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung für Antriebswellen
und dergleichen.
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Genauer
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung
für die
Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs mit Brennkraftmaschine, auf die
sich die folgende Beschreibung rein beispielhaft bezieht.
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Wie
bekannt ist, sind Kraftfahrzeuggetriebe durch einen hohen Betriebsgeräuschpegel
gekennzeichnet, der hauptsächlich
auf ein so genanntes Getriebe"Rattern" sowie auf die Struktursteifigkeit
des Getriebes, die die tatsächlichen
Schwingungsfrequenzen und daher die am Kraftfahrzeug wahrnehmbaren
Schwingungen bestimmt, zurückzuführen ist.
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Das
Getrieberattern ist hauptsächlich
auf die Tatsache zurückzuführen, dass
das Antriebsdrehmoment einer Brennkraftmaschine, statt konstant
zu sein, hochfrequenten Schwankungen unterliegt, die durch das Schwungrad
lediglich zum Teil gedämpft werden.
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Dahingegen
ist der durch eine Strukturschwingung des Getriebes erzeugte Geräuschpegel unvermeidbar,
wobei das Getrieberattern bei gegenwärtig verwendeten Getrieben
unter Verwendung eines Dämpfungselements
abgeschwächt
wird, das konstruiert ist, um zu verhindern, dass die hochfrequenten
Schwingungen des Antriebsdrehmoments die Getriebe erreichen, und
das normalerweise in die Kupplungsscheibe integriert und allgemein
als flexible Kupplung bekannt ist.
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Da
es leider passiv ist, eliminiert das Dämpfungselement eine Schwankung
des Antriebsdrehmoments nicht vollständig, so dass der durch das Getrieberattern
erzeugte Geräuschpegel
immer noch besteht. Ein weiterer Nachteil der derzeit verwendeten
flexiblen Kupplungen besteht darin, dass die Wirksamkeit mit der
Zeit sowie mit einer Rate, die mit der Leistung der Brennkraftmaschine
zunimmt, an der die Kupplung montiert ist, abnimmt.
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US-A-6012333 offenbart
eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung
für Antriebswellen
und dergleichen zu schaffen, die konstruiert ist, um eine Schwankung
des Antriebsdrehmoments vollständig
zu eliminieren, und die eine Lebensdauer besitzt, die mit der des
Kraftfahrzeugs vergleichbar ist, in dem sie eingebaut ist.
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Die
oben erwähnte
Aufgabe wird durch die speziellen technischen Merkmale von Anspruch
1 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung
für Antriebswellen
und dergleichen geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
sie zwei aneinander grenzende Abschnitte einer Antriebswelle und
eine aktive Kompensationsverbindung, die die zwei Abschnitte mechanisch
verbindet, umfasst; wobei die aktive Kompensationsverbindung aus
einem Verbundwerkstoff hergestellt ist, der piezoelektrische Eigenschaften
besitzt und auf Befehl durch Anlegen einer Spannung verformbar ist.
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Es
wird eine nicht einschränkende
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 schematisch
eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung
in Übereinstimmung mit
den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei Teile zur Klarheit
entfernt sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Einzelheit der Dämpfungsvorrichtung von 1 zeigt;
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3 eine
beispielhafte zeitliche graphische Darstellung einer an die Antriebswelle übertragenen Torsionsschwingung
sowie der entsprechenden Kompensationstorsionsverformung, mit der
die Antriebswelle durch die Dämpfungsvorrichtung
der 1 beaufschlagt wird, zeigt.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, gibt das Bezugszeichen 1 eine
Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung
für Antriebswellen oder
dergleichen als Ganzes an, die vorteilhaft verwendet werden kann,
um die Torsionsschwingung zu eliminieren, die normalerweise bei
bestimmten Arten von Kraftfahrzeug-Antriebswellen wie etwa die Welle, die
die Kupplung mit dem Getriebe verbindet, das Getriebe mit dem Differential
verbindet, das Lenkrad mit dem Lenkgetriebe verbindet usw., auftreten.
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In
der folgenden Beschreibung wird rein beispielhaft spezifisch auf
eine Torsionsschwingungs-Dämpfungsvorrichtung 1 Bezug
genommen, die auf eine Antriebswelle 2 angewendet wird,
die das Getriebe mit dem Differential verbindet.
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Die
Dämpfungsvorrichtung 1 umfasst
zwei aneinander grenzende Abschnitte 2a und 2b der
Antriebswelle 2; eine aktive Kompensationsverbindung 3,
die die Abschnitte 2a und 2b der Antriebswelle 2 verbindet;
und einen Wellendrehzahlsensor 4, der an der Antriebswelle 2 stromaufseitig
von der aktiven Kompen sationsverbindung 3 in der Antriebsdrehmoment-Übertragungsrichtung
angebracht ist.
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Die
aktive Kompensationsverbindung 3 ist aus einem Verbundwerkstoff
hergestellt, der auf Befehl durch Anlegen einer Spannung verformbar
ist; wobei die Dämpfungsvorrichtung 1 außerdem eine elektronische
zentrale Steuereinheit 5 zum Steuern der aktiven Kompensationsverbindung 3 auf
der Grundlage von Signalen von dem Drehzahlsensor 4 umfasst,
damit sie auf Befehl eine gesteuerte Verformung der Verbindung und
Torsionsverformungen gegenphasig zu den Torsionsschwingungen, die
durch das an die Antriebswelle 2 übertragene Drehmoment verursacht
werden, erzeugt.
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Genauer,
und wie später
ausführlicher
erläutert
wird, ist die aktive Kompensationsverbindung 3 durch ein
Element definiert, das aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist,
der aktive Fasern aus einem Werkstoff mit piezoelektrischen Eigenschaften
enthält.
Wenn an sie ein elektrisches Feld angelegt wird, werden die Fasern
verformt und in der Länge
geändert,
um den umschlossenen Körper
zu verformen. Die Art der erzeugten Verformung hängt offensichtlich davon ab,
wie die aktiven Fasern aus dem piezoelektrischen Werkstoff im Körper verteilt
sind.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, ist in dem gezeigten
Beispiel die aktive Kompensationsverbindung 3, die die
zwei aneinander grenzenden Abschnitte 2a und 2b der
Antriebswelle 2 verbindet, durch eine Hülse 3 definiert, die
auf die Antriebswelle 2 aufgesteckt ist, so dass sie beide
Abschnitte 2a und 2b der Antriebswelle 2 umschließt. Die
Hülse 3 ist durch
zwei Lagen 6 und 7 aus einem aktiven Verbundwerkstoff
definiert, wovon jede definiert ist durch einen oder mehrere (zwei
im Beispiel der 2) flache Riemen 8 aus
aktiven Monofilament-Fasern 9, die aus einem Werkstoff
mit piezoelektrischen Eigenschaften hergestellt und in einem Grundstoff 10 aus einem
Polymerwerkstoff eingebettet sind; sowie zwei Oberflächenelektroden 11,
die aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt sind und
sich auf gegenüberliegenden
Seiten der flachen Riemen 8 jeder Lage 6, 7 aus
Verbundwerkstoff befinden.
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Auf
diese Weise angeordnet definieren die Elektroden jeder Lage 6, 7 aus
aktivem Verbundwerkstoff einen Parallelplattenkondensator, der je nach
der an die Platten angelegten Spannung zwischen seinen Platten,
d. h. in dem Raum, in dem aktive Monofilament-Fasern 9 verteilt
sind, ein elektrisches Feld erzeugen kann.
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Die
aktiven Monofilamentfasern 9 in jedem flachen Riemen 8 sind,
wie angegeben ist, aus einem Werkstoff mit piezoelektrischen Eigenschaften
hergestellt, so dass sie sich in der Länge ändern, wenn ein elektrisches
Feld an sie angelegt wird, wobei sie sich zueinander parallel und
längs der
gesamten axialen Länge
der Hülse 3 erstrecken.
Genauer erstrecken sich in dem gezeigten Beispiel die aktiven Monofilamentfasern 9 jedes
flachen Riemens 8 zueinander parallel längs eines im Wesentlichen schraubenlinienförmigen Weges,
so dass jede Längenänderung
der Fasern den Körper
der Hülse 3 verdreht.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass in dem gezeigten Beispiel der schraubenlinienförmige Weg
der aktiven Monofilamentfasern 9 in der Lage 6 sich
in entgegengesetzter Weise zu dem der aktiven Monofilamentfasern 9 in
der Lage 7 windet, um eine Torsionsverformung des Körpers der
Hülse 3 in
der Drehrichtung der Antriebswelle 2 sowie außerdem in
der entgegengesetzten Richtung zu ermöglichen.
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Es
wird außerdem
darauf hingewiesen, dass die zwei aneinander grenzenden Abschnitte 2a und 2b der
Antriebswelle 2 entweder einteilig in einem Stück miteinander
oder getrennt ausgebildet sein können.
Im ersten Fall (1) erzeugt die aktive Kompensationsverbindung 3 elastische
Verformungen im Körper
der Antriebswelle 2; wohingegen sie im zweiten Fall einfach
Drehbewegungen zwischen den zwei aneinander grenzenden Abschnitten 2a und 2b oder
vielmehr den zwei Teilstücken
der Antriebswelle 2 erzeugt.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist jede Oberflächenelektrode 11 in
dem gezeigten Beispiel durch ein Kupfermaschengitter definiert,
das gleichmäßig auf der
Oberfläche
der Lage 6, 7 aus Verbundwerkstoff oder in deren
Nähe angeordnet
ist, wobei die aktiven Monofilamentfasern 9 aus einem piezoelektrischen Werkstoff
hergestellt sind wie etwa Bleizirkonat-Titanat (bekannt als PZT),
das gegenwärtig
von der Cerallova Corporation in Amerika produziert wird.
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Der
Drehzahlsensor 4 ermöglicht
Zeitpunkt für
Zeitpunkt eine Erfassung der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 2,
wobei die elektronische zentrale Steuereinheit 5 die Signale
von dem Drehzahlsensor 4 analysiert, um das Vorhandensein
von Schwankungen im Antriebsdrehmoment an der Welle zu erfassen,
und die aktive Kompensationsverbindung 3 so steuert, dass
im Körper
der aktiven Kompensationsverbindung 3 Torsionsverformungen
erzeugt werden, die die Torsionsschwingungen von der Antriebswelle
eliminieren können.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass der Drehzahlsensor 4 durch
einen bekannten Drehmomentsensor, der der Einfachheit halber auch
mit 4 angegeben wird, ersetzt werden kann, um Zeitpunkt
für Zeitpunkt
das an die Antriebswelle 2 übertragene Drehmoment zu erfassen.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist die elektronische zentrale
Steuereinheit 5 in dem gezeigten Beispiel durch bekannte
Gleitkontakte 12 elektrisch mit der aktiven Kompensationsverbindung 3 verbunden.
In dem gezeigten Beispiel ist jede Elektrode 11 der Hülse 3 mit
der elektronischen zentralen Steuereinheit 5 durch einen
Gleitkontakt 12 verbunden, der einen leitenden Ring 12a,
der auf die Hülse 3 oder
einen der aneinander grenzenden Abschnitte 2a, 2b der
Antriebswelle 2 aufgesteckt ist, und eine feste leitende Bürste 12b,
die auf dem leitenden Ring 12a aufliegt, so dass sie auf
der äußeren Oberfläche des
Rings gleitet, umfasst. Der leitende Ring 12a ist mit der Elektrode 11 elektrisch
verbunden; während
die Bürste 12b mit
der elektronischen zentralen Steuereinheit 5 elektrisch
verbunden ist.
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Nun
wird die Funktionsweise der Dämpfungsvorrichtung 1 unter
der Annahme beschrieben, dass sich die Antriebswelle 2 mit
einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit ohne Schwankungen im übertragenen
Drehmoment dreht und dass der Sensor 4 ein Drehzahlsensor
ist.
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Wenn
eine Schwankung in dem an die Welle übertragenen Drehmoment auftritt,
erhöht
oder verringert sich die Drehzahl der Antriebswelle 2 oder
genauer gesagt die Drehzahl des Abschnitts der Antriebswelle 2 stromaufseitig
von der aktiven Kompensationsverbindung 3 in der Drehmoment-Übertragungsrichtung
je nach der Stärke
der Schwankung leicht. Vorausgesetzt, dass der Abschnitt der Antriebswelle 2 stromabseitig
von der aktiven Kompensationsverbindung 3 in der Drehmoment-Übertragungsrichtung
die Anfangsdrehzahl durch die Trägheitskraft
beibehält,
erzeugt die Schwankung im Drehmoment an der Antriebswelle 2 eine
Torsionsverformung, die in gedämpfter
schwingender Weise eliminiert wird, wenn die ganze Antriebswelle 2 auf dieselbe
Drehzahl gebracht wird.
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Durch
ein Analysieren der Signale von dem stromaufseitig von der aktiven
Kompensationsverbindung 3 in der Drehmoment-Übertragungsrichtung
befindlichen Drehzahlsensor 4 in Echtzeit, bestimmt die elektronische
zentrale Steuereinheit 5 bei Erfassung einer plötzlichen
Erhöhung
oder Verringerung der Drehzahl der Welle, d. h. einer Schwankung
im übertragenen
Drehmoment, auf der Grundlage eines mathematischen Modells in dem
System die Stärke
der Torsionsverformung, die die Schwankung an der Antriebswelle 2 erzeugen
wird.
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Nachdem
sich das zeitliche Muster der durch die Schwankung im Drehmo ment
an der Antriebswelle 2 erzeugten Torsionsverformung gebildet
hat (Kurve mit durchgezogener Linie), legt die elektronische zentrale
Steuereinheit 5, wie in 3 gezeigt
ist, Spannungen eines gegebenen Werts und Musters an die Elektroden 11 der
Verbundwerkstofflagen 6, 7 der aktiven Kompensationsverbindung 3 an,
um Zeitpunkt für
Zeitpunkt Torsionsverformungen (Kurve mit gestrichelter Linie) eines
Musters komplementär
zu jenen, die durch die Schwankung im Drehmoment an der Antriebwelle 2 erzeugt
werden, zu erzeugen, und eliminiert auf diese Weise die Ausgangstorsionsschwingung
der Antriebswelle 2.
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Der
Hauptvorteil von Dämpfungsvorrichtungen,
wie sie hier beschrieben und veranschaulicht sind, besteht in der
vollständigen
Eliminierung der Ausgangstorsionsschwingungen der Antriebswelle 2. Die
Dämpfungsvorrichtung 1 ist
außerdem
leicht herzustellen und umfasst keine für Verschleiß besonders anfälligen Komponenten.
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Ohne
Frage können Änderungen
an der Dämpfungsvorrichtung 1,
wie sie hier beschrieben und veranschaulicht ist, vorgenommen werden,
allerdings ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Insbesondere
kann bei einer Abwandlung, die nicht gezeigt ist, im Gegensatz zu
der Verbindung der zwei aneinander grenzenden Abschnitte 2a, 2b der
Antriebswelle 2, die aktive Kompensationsverbindung 3 durch
einen Abschnitt der Antriebswelle 2 definiert sein, der
zwischen die aneinander grenzenden Abschnitte 2a und 2b eingefügt ist.
Die aktive Kompensationsverbindung 3 kann sogar durch die
ganze Antriebswelle 2 definiert sein, wobei in diesem Fall die
zwei aneinander grenzenden Abschnitte 2a und 2b der
Antriebswelle 2 auch einen Teil der aktiven Verbindung
bilden.