WO2014118245A1 - Verfahren zum aktiven dämpfen von drehschwingungen einer welle einer maschine, insbesondere einer kurbelwelle einer hubkolbenmaschine, und eine entsprechende anordnung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum aktiven dämpfen von drehschwingungen einer welle einer maschine, insbesondere einer kurbelwelle einer hubkolbenmaschine, und eine entsprechende anordnung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2014118245A1
WO2014118245A1 PCT/EP2014/051737 EP2014051737W WO2014118245A1 WO 2014118245 A1 WO2014118245 A1 WO 2014118245A1 EP 2014051737 W EP2014051737 W EP 2014051737W WO 2014118245 A1 WO2014118245 A1 WO 2014118245A1
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crankshaft
engine
data
damping
actuator
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Florian Knopf
Michael Steidl
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Hasse & Wrede Gmbh
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/002—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion characterised by the control method or circuitry
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
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    • B60W30/18—Propelling the vehicle
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for actively damping torsional vibrations of a shaft of a machine, in particular a crankshaft of a reciprocating engine.
  • the invention also relates to a corresponding arrangement for carrying out the method.
  • Torsional vibrations also referred to as torsional vibrations, of a shaft of a machine are rotational irregularities, i. Fluctuations in the speed of the shaft. These occur in many dynamic operations of machines, e.g. Periodically or aperiodically occurring torques, for example, by the drive of the shaft and / or by different loads of the functional units that are driven by the shaft arise.
  • Torsional vibrations may cause the shaft, e.g. torsional stresses, so that their strength requires that appropriate dimensioning measures or / and also a selection of higher-grade materials be required to achieve a certain fatigue strength.
  • Such shafts may in particular be crankshafts of reciprocating engines, e.g. Diesel, gasoline, or gas engines are. Hydraulic, pneumatic and steam engines can also be reciprocating engines.
  • a reciprocating engine may e.g. as a drive for a vehicle, a construction machine or the like. or used as a stationary or portable drive for a variety of drive purposes.
  • passive torsional vibration dampers are used to reduce stresses in crankshafts. These are e.g. special passive dampers, as illustrated as examples for illustration in documents EP1266152B1,
  • DE102010046849B4 describes a sensor-based control of vibrations in slender continuums, especially torsional vibrations in deep drill strings.
  • a theory for the calculation of running waves based on two measuring points is given.
  • Another object is to provide an improved arrangement for carrying out such a method.
  • a basic idea of the invention is that an active damping of the rotational vibrations of the crankshaft is effected by activating an actuator which is operatively connected to the crankshaft with specific activation data.
  • a method for actively damping torsional vibrations of a shaft of an engine, in particular a crankshaft of a reciprocating engine comprises the following method steps: (S1) detecting input data by measuring operating states of the reciprocating engine; (S2) determining driving data based on the detected input data; and (S3) actively dampening the torsional vibrations of the crankshaft by driving an actuator operatively connected to the crankshaft with the determined drive data.
  • the actuator is supplied with drive data determined from input data obtained by measurements of the operating state of the crankshaft and the engine associated with the crankshaft, respectively.
  • the operating state of the crankshaft with the associated machine or reciprocating piston engine can be detected on the basis of data of the rotational speed and angular position of the crankshaft and the current load of the machine.
  • the inventive method can be implemented with any actuators, as long as they allow the application of an alternating, dynamic torque with an application-dependent amplitude and bandwidth.
  • An arrangement according to the invention for carrying out the method comprises: a) a machine having a shaft, in particular a reciprocating piston engine with a crankshaft, and an engine control unit; and b) a damping device with a damping control device for controlling the damping device, a sensor device for detecting a rotational speed of the crankshaft and an actuator for damping torsional vibrations of the crankshaft.
  • the sensor device and the actuator are mounted in operative connection with the crankshaft.
  • the active damping of the torsional vibrations offers the advantage of a significant reduction of the amplitudes of the torsional vibration and thus the voltages in the associated shaft.
  • the active system according to the invention can be any active system according to the invention.
  • the method according to the invention is based on calculating the torsional vibrations in the crankshaft into two running shafts and extracting energy from the system (crankshaft and reciprocating piston engine) by compensating for the shaft in the actuator running in the direction of the actuator. By the compensation of the Actuator running wave in the actuator prevents reflection of the wave in the system and thus deprives the system of energy, the system thus damped.
  • determining drive data of the method comprises the following substeps: (S2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft; (S2.2) determining a current engine load of the current operating state of the reciprocating engine; and (S2.3) determining the drive data by reading associated previously stored drive data based on the determined speed of the crankshaft, angular position of the crankshaft, and engine load.
  • the activation data for the actuator need not be calculated in real time as described above. They have previously been stored in a memory device and only need to be read from the memory device on the basis of the specific current input data speed, angular position and engine load.
  • the drive data is pre-set, e.g. on a test bench or / and by a simulation program, generated and stored. This is possible because the machine / shaft system, due to known excitation and damping in any operating condition, i. at any possible combination of engine speed and engine load, can be considered as quasi-stationary. It is therefore possible to record the required control data once.
  • sub-step (S2.1) the current speed and the current angular position of the crankshaft are determined on the basis of measured data of a sensor device. Furthermore, in sub-step (S2.2), the determination of a current engine load is carried out on the basis of data from an engine control unit of the reciprocating piston engine. This acquisition of measurement data is relatively easy. In a further embodiment, in the sub-step (S2.3), the previously stored control data are read from a three-dimensional look-up table. An advantage is that instead of two high-precision sensors, only one sensor with significantly lower accuracy is required. Based on this sensor or the This sensor device, the speed and the instantaneous angular position of the crankshaft can be determined. The angular position (approximately opposite TDC) is required in order to apply the control in the correct phase for damping the torsional vibrations. The engine load also required can be easily taken from the data of the engine or engine management.
  • energy recovery by means of the actuator is carried out in method step (S3) during active damping of the torsional vibrations of the crankshaft.
  • the energy removed from the system by damping can be e.g. as electrical energy in a rechargeable battery, e.g. in a vehicle battery, stored and reused.
  • a conventional damper converts the energy of the torsional vibration into heat and releases it to the environment, i. the energy is dissipated across the system boundaries.
  • the recovery of the vibration energy is e.g. possible in the form of electrical energy. Accordingly, no heat is dissipated in such a case.
  • temperatures can occur which can lead to a very rapid deterioration of the silicone oil in viscosity torsional vibration dampers and reduce their function.
  • An actuator that is less sensitive to temperature, however, can be used.
  • the method for generating the previously stored drive data comprises the following method steps: (S'1) detecting input data of operating states of the reciprocating engine; (S'2) generating drive data based on the detected input data; and (S'3) storing the thus generated drive data in a storage medium.
  • the saving or recording can be done once. Copies may be made for the respective storage devices of the damping devices for practical use.
  • Generating control data comprises the following sub-steps: (S'2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft, and determining an engine load of the current operating state of the reciprocating engine; (S'2.2) calculating a wave decomposition with the thus determined measurement data as input data; and (S'2.3) determining the drive data based on the calculated results of the wave decomposition.
  • the required control data can be done once from a detection of input data of operating states of the reciprocating engine on a test bench.
  • the determination of the current rotational speed and the current angular position of the crankshaft is based on measurement data from two sensor devices, whereby the determination of a current engine load is carried out on the basis of data from an engine control device of the reciprocating piston engine.
  • the detection of input data of operating states of the reciprocating piston engine comprises acquisition of data from a simulation method of operating states of the reciprocating piston engine.
  • the generation of drive data comprises the following substeps: (S'2.1) determining the current speed and the current angular position of the crankshaft, and determining an engine load of the current operating state of the reciprocating engine from the data of the simulation method; (S'2.2) calculating a wave decomposition with the thus determined data as input data; and (S'2.3) determining the drive data based on the calculated results of the wave decomposition.
  • the sub-step (S'2.2) the calculation of the wave decomposition into two running waves takes place in real time.
  • the determination of the drive data is performed by using the shaft of the two traveling waves of the shaft decomposition calculation, which is incident on the actuator in a longitudinal direction of the crankshaft.
  • the detected input data are initially stored temporarily and the drive data to be stored once are subsequently calculated from these temporarily stored input data.
  • the storage of the generated drive data in the storage medium takes place as a three-dimensional look-up table.
  • a three-dimensional look-up table e.g. a three- or n-dimensional matrix are generated.
  • the drive data required to drive the actuator may be pre-generated for each possible combination of speed and engine load and recorded for future use at any time. This is possible lent that for each type of machine or reciprocating engine the drive data can be pre-recorded.
  • the sensor device is designed as an incremental encoder.
  • This incremental encoder may e.g. have a Hall sensor.
  • another embodiment, such as an optical sensor possible.
  • a particular advantage here is that the accuracy of the sensor device compared to the prior art has only a low accuracy, namely a resolution of e.g. 360 increments per revolution of the crankshaft.
  • the damping control device of the damping device has at least one memory device with the previously stored control data for the actuator.
  • the previously stored control data are recorded, calculated and stored once as described above.
  • the control device can thus contain a copy of the once generated drive data.
  • the actuator is designed as a conventional electric motor, torque motor or piezoelectric actuator. While any actuator designs may be used, the actuator must enable the application of alternating torque with application-dependent amplitude and bandwidth.
  • the determination of actuation data comprises the following sub-steps: (S'2.1) determining the current rotational speed and the current angular position of the crankshaft, and determining an engine load of the current operating state of the reciprocating engine; (S'2.2) calculating a wave decomposition with the thus determined measurement data as input data; and (S'2.3) determining the drive data based on the calculated results of the wel- ding composition.
  • active damping of the torsional vibrations can also be achieved with two sensor devices and real-time calculation of the activation data from the input data. consequences.
  • the drive of the shaft ie the machine or reciprocating piston engine, is not supplied with the drive data, but instead a separate actuator is used which is part of a damping device.
  • the determination of the current rotational speed and the current angular position of the crankshaft takes place on the basis of measured data from two sensor devices, whereby the determination of a current engine load can be carried out on the basis of data of an engine control device of the reciprocating piston engine.
  • the calculation of the wave decomposition into two running waves takes place in real time.
  • the determination of the driving data is performed by using the wave of the two running waves of the harmonic composition calculation, which converges on the actuator in a longitudinal direction of the crankshaft.
  • an arrangement for carrying out the method according to the alternative embodiment described above comprises: a) a machine having a shaft, in particular a reciprocating piston engine with a crankshaft, and an engine control unit; and b) a damping device with a damping control device for controlling the damping device, two sensor devices for detecting a rotational speed of the crankshaft and an actuator for damping torsional vibrations of the crankshaft.
  • the two sensor devices and the actuator are mounted in operative connection with the crankshaft, and the two sensor devices are arranged at an axial distance from each other.
  • the actuator is part of the damping device and serves to dampen the torsional vibrations of the shaft or crankshaft.
  • the sensor devices are designed as incremental encoders.
  • the sensor devices each have a high resolution.
  • the damping control device of the damping device has at least one control device for real-time calculation of Wellenendekompositionen.
  • the actuator as an electric motor, To rque- engine or piezoelectric actuator, where it allows the application of an alternating torque with an application-dependent amplitude and bandwidth.
  • the damping control device of the damping device has at least one drive device for the actuator.
  • the damping device has a device for energy recovery, which interacts with the actuator.
  • the method for the active damping of torsional vibrations of a shaft and the arrangements for carrying out this method and its variants offer over the prior art, a reduced space, a greater reduction of the vibration amplitudes of the torsional vibrations of the shaft not only at certain speeds, but over the entire frequency range. For putting in an energy recovery is possible.
  • Figure 1 is a schematic representation of an arrangement of a reciprocating engine with a damping device according to the invention according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic representation of the arrangement of a reciprocating engine with the damping device according to the invention according to a second embodiment.
  • 3 to 5 are schematic flow diagrams of embodiments of inventive method for actively damping torsional vibrations; 6 shows a schematic flow chart of a method according to the invention for generating drive data;
  • Fig. 7 is a schematic diagram of torsional vibrations
  • Fig. 8 - 9 are schematic diagrams of undamped and damped torsional vibrations. Identical components or functional units with the same function are indicated by the same reference numerals in the figures.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an arrangement of a reciprocating engine 1 with a damping device 4 according to the invention according to a first embodiment.
  • the arrangement comprises the reciprocating piston engine 1 with an engine control unit 3 and with the damping device 4.
  • the reciprocating engine 1 is e.g. a diesel, petrol or gas engine.
  • hydraulic, pneumatic and steam engines can be designed as a reciprocating engine 1.
  • the reciprocating engine 1 may e.g. as a drive for a vehicle, a construction machine or the like. or used as a stationary or portable drive for a variety of drive purposes.
  • a motor housing 1 a of the reciprocating engine 1 is shown schematically with a crankshaft 2.
  • the crankshaft 2 is driven by the reciprocating engine 1 and is led out with a front end 2a of the motor housing 1 a and has a crankshaft axis 2b, about which the crankshaft 2 rotates in a rotational direction 2c during operation of the reciprocating engine 1.
  • the crankshaft 2 extends in a longitudinal direction 2d to its front end 2a and in a longitudinal direction 2e opposite thereto to its rear end (not shown).
  • the engine control unit 3 is connected to the reciprocating piston engine 1 via an engine control unit connection 3a, which is indicated as representative of different connections.
  • the damping device 4 is provided for the active damping of torsional vibrations of the crankshaft 2 of the reciprocating piston engine 1.
  • the damping device 4 comprises a damping control device 9, a sensor device 5 and an actuator 8.
  • the damping control device 9 is connected to the engine control unit 3, the sensor device 5 and the actuator 8 in operative connection. The damping device 4 and its operation will be described below in detail.
  • the sensor device 5 forms an incremental encoder and comprises a sensor wheel 6 and a pickup 7.
  • the sensor wheel 6 is rotatably mounted in the region of the front end 2a of the crankshaft 2 on this.
  • the sensor wheel 6 is a type of gear whose teeth interact with the pickup 7 in such a contactless manner that the rotation of the crankshaft 2 around its crankshaft axis 2b is detected digitally here by counting the pulses generated by the teeth in the pickup per unit of time as the number of revolutions.
  • an angular position of the crankshaft 2 can thus be detected, the resolution depending on the number of teeth of the sensor wheel 6.
  • the pickup 7 may e.g. be a Hall sensor.
  • the sensor device 5 may also be constructed differently, e.g. with an optical pickup 7.
  • the actuator 8 is attached to the front end 2a of the crankshaft 2 and rotatably connected thereto.
  • the actuator 8 may be connected to the crankshaft 2 and a vehicle chassis, also not shown.
  • the actuator 8 may be an electric motor, e.g. a so-called torque motor with high torque (in the range of a cylinder torque of the reciprocating piston engine 1) with high bandwidth.
  • a piezoelectric actuator with a corresponding torque can also be used.
  • the damping control unit 9 here has a control device 10, a memory device 11 and a control device 12.
  • the control device 10 is connected to the engine control unit 3 via an engine control unit connection 3b.
  • the control device 10 is connected to the memory device 1 1 and communicates with the sensor device 5 via a pickup line 7a with the pickup 7 of the sensor device 5 in connection.
  • the control device 10 is connected to the control device 12, to which the actuator 8 is connected to a control line 12a.
  • the damping device 4 receives input data on the operating state of the reciprocating piston engine 1 and the crankshaft 2 both from the engine control unit 3 and from the sensor device 5. These input data are supplied to the control device 1 0 of the damping control unit 9.
  • the control device 10 determines control data for the control device 1 2.
  • the control device 10 determines the control data in this exemplary embodiment by reading out the control data stored in the memory device 11 from the memory device 11 by means of the input data and to the control device 1 2 on.
  • the control device 1 2 supplies the actuator 8 with control signals on the basis of this control data.
  • the actuator 8 then acts on the crankshaft 2 in such a way that its torsional vibrations are damped by compensation of the corona active that flows onto the actuator.
  • the associated method is further explained below, which is based on calculating the torsional vibrations of the crankshaft 2 into two running waves and to extract energy from the system by compensating for the shaft in the actuator 8 in the longitudinal direction 2d in the direction of the actuator 8 becomes.
  • a reflection of the shaft in the system ie in the crankshaft 2 in the longitudinal direction 2e in the reciprocating engine 1, in prevented.
  • the system is thereby deprived of energy, thus the system is attenuated.
  • the theory for the calculation of running waves based on two measuring points is described in detail eg in document DE 1 0201 0046849 B4.
  • the input data include the rotational speed of the crankshaft 2, the angular position of the crankshaft 2, approximately in relation to the TDC (top dead center), and the instantaneous engine load of the reciprocating piston engine 1.
  • the sensor device 5 supplies the rotational speed of the crankshaft 2.
  • the instantaneous angular position of the crankshaft 2 is determined by the control device 10 from the input data of the rotational speed.
  • the data of the current engine load receives the control device 1 0 from the engine control unit 3 (engine management). These three data are now used by the control device 10 to select and read out the associated control data in a three-dimensional look-up table in the memory device 11.
  • the three-dimensional look-up table stored in the memory device 1 1 has, for each possible combination of speed and motor load and angular position, the respective control data for the actuator 8 for damping the torsional momentum. conditions of the crankshaft 2. This driving data is previously acquired and stored.
  • the advantage of the look-up table in this first exemplary embodiment of the damping device 4 is that only the one sensor device 5 is required with significantly lower accuracy.
  • the data generated on the basis of the Wellendekomposition to control the actuator 8 for damping the crankshaft 2 need not be calculated in real time.
  • the angular position of the crankshaft 2, approximately opposite TDC, is required to apply the control of the actuator 8 to damp the torsional vibrations of the crankshaft 2 in the correct phase.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an arrangement of the reciprocating piston engine 1 with the damping device 4 according to the invention according to a second embodiment.
  • the first sensor device 5 is constructed as in the first embodiment, but provided with a higher accuracy.
  • the second sensor device 5 ' has a very high accuracy.
  • the sensor wheel 6 'of the second sensor device 5' is arranged at an axial distance 6a in the longitudinal direction 2e of the sensor wheel 6 of the first sensor device 5.
  • the sensor 7 'of the second sensor device 5' is connected to the control device 10 of the damping control device 9 via a second sensor line 7'a.
  • the memory device 11 does not contain previously calculated drive data, but serves for general storage purposes, e.g. Caching of calculation results.
  • the controller 10 carries out a real-time calculation of the drive data for the actuator 8 from the input data.
  • a real-time calculation of the wave decomposition is taken as input data, the measurement data of the sensor devices 5, 5 'and the engine control unit 3 (and / or other existing sensors) used (continuous control).
  • Fig. 2 is used to explain the detection of the input data and generation of the control data to be stored for the actuator. 8
  • the reciprocating engine 1 is on a test bench.
  • the actuator 8 is not connected to the damping control unit 9.
  • the damping control unit 9 is now used with the control device 1 0 as a recording device.
  • the drive data are generated in this setup by a single measurement on the reciprocating engine 1 on the engine test bench using the high-precision sensor devices 5 and 5 'and a real-time or subsequent calculation of the Wellenendekomposition used as input data, the measurement data. For the subsequent calculations, intermediate storage of the input data can be made. After the calculation, the activation data thus generated are stored in the memory device 11 or in a suitable removable storage medium (not shown).
  • the activation data can also be generated by a simulation of the torsional vibrations of the reciprocating piston engine 1 and a performed calculation of the shaft decomposition.
  • the calculation of the wave decomposition uses simulation data, e.g. from a computer program, as input data.
  • the drive data generated in the two manners described above are then stored in a three-dimensional look-up table as a function of engine load, rotational speed of the crankshaft 2 and angular position of the crankshaft 2.
  • FIG. 3 shows a general, schematic flowchart of a method according to the invention for actively damping torsional vibrations of the crankshaft 2 of the reciprocating piston engine 1.
  • a first method step S1 acquisition of input data of the reciprocating piston engine 1 takes place.
  • a determination of activation data is undertaken in a second method step S2 on the basis of the acquired input data. This can e.g. perform the control device 10 of the damping control unit 9.
  • step S3 the actuator 8 is actuated on the basis of the thus determined activation data for damping the torsional vibrations of the crankshaft 2 of the reciprocating piston engine 1.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of the method according to the invention in a schematic flowchart.
  • the input data of the reciprocating piston engine 1 are acquired.
  • a current rotational speed n of the crankshaft 2 of the reciprocating piston engine 1 is detected by the sensor device 5.
  • An engine load of the reciprocating engine 1 is supplied by the engine controller 3.
  • the method step S2 determining drive data is divided into three sub-steps.
  • the rotational speed n is determined on the basis of the input data of the sensor device 5, and the current angular position of the crankshaft 2 is determined.
  • the engine load of the current operating state is retrieved from the engine control unit 3 in a second sub-step S2.2.
  • the associated control data are read from the look-up table previously stored in the memory device 11 in a third sub-step S2.3.
  • the actuator 8 is actuated with the control data for damping the torsional vibrations of the crankshaft 2 of the reciprocating piston engine 1 read from the look-up table previously stored in the memory device 11.
  • a second exemplary embodiment of the method according to the invention is shown in a schematic flow diagram of FIG. 5.
  • a first method step S'1 as in the first exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4, the acquisition of the input data of the reciprocating piston engine 1 takes place as the actual rotational speed n of the crankshaft 2 and the engine load from the engine control unit 3.
  • the method step S'2 also determines activation data here divided into three sub-steps, but these differ from those of the first embodiment.
  • a first sub-step S'2.1 the speed n and the current angular position of the crankshaft 2 are determined on the basis of the input data of the sensor devices 5 and 5 '.
  • the engine load of the current operating state is retrieved from the engine control unit 3.
  • These input data are used as measurement data for a wave decomposition computation in a second sub-step S'2.2, the rotational oscillations being split up into two running waves in real time.
  • the shaft running in the longitudinal direction 2d onto the actuator 8 is used to determine the drive data for the actuator 8.
  • the actuator 8 is actuated with the control data calculated in real time for damping the torsional vibrations of the crankshaft 2 of the reciprocating piston engine 1.
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram of a method according to the invention for generating and storing the activation data.
  • a first method step S'1 input data is acquired.
  • the input data of a reciprocating engine 1 are measured on a test bench as the actual speed n of the crankshaft 2 and the engine load of the engine control unit 3 in real time.
  • the input data is output data of a simulation, e.g. a computer simulation program of the torsional vibrations of a crankshaft 2 of a reciprocating engine 1.
  • step S'2 activation data are generated. For this purpose, three sub-steps are provided.
  • a first sub-step S'2.1 the speed n and the current angular position of the crankshaft 2 are determined on the basis of the input data, for example the sensor devices 5 and 5 '.
  • the engine load of the current operating state of the Engine control unit 3 retrieved or read in as simulation data.
  • These input data are used as measurement data for a wave decomposition computation in a second sub-step S'2.2, the rotational oscillations being split up into two running waves in real time.
  • the shaft running in the longitudinal direction 2d onto the actuator 8 is used to determine the activation data.
  • the activation data thus generated are stored in a storage medium.
  • the storage may be e.g. as a three-dimensional look-up table. This look-up table can then be stored for applications in attenuation devices 4 as a copy in the respective memory device 1 1 of the attenuation control device 9.
  • Fig. 7 shows a schematic diagram of torsional vibrations of a crankshaft 2 of a reciprocating engine 1, which is a diesel engine with eight cylinders in V-shape with turbocharging in this example shown.
  • Measured values of relative angular amplitudes are plotted as deflection A over the speed n (rpm) of the motor.
  • a large number of measuring curves is combined into a sum curve 1 3, which lies above the individual measuring curves.
  • the local maximum 1 3a is approximately at the speed 2500 rpm.
  • the local maxima 1 3b and 1 3c occur approximately at the speeds of 3900 rpm and 4300 rpm.
  • the largest local maximum 13d is approximately at the speed of 4850 rpm.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of undamped torsional vibrations.
  • Fig. 9 shows the result when using the damping device 4 as a schematic representation of the damped torsional vibrations.
  • the deflection A is plotted against the rotational speed n.
  • FIG. 8 shows a plurality of torsional oscillations in the form of envelopes 14 with the respective local maxima, similar to FIG. 7.
  • Envelope 15 clearly shows that all local maxima above the speed of 2100 rpm are no longer present. Only in the low speed range at about 1200 rpm, a maximum can be seen, but which appears relatively flattened.
  • the actuator 8 can be used for energy recovery.
  • the vibrational energy extracted from the system may e.g. be recovered in the form of electrical energy.
  • the actuator 8 is connected to a corresponding circuit (not shown) which detects the electrical energy generated by the actuator 8, e.g. stored in an accumulator.
  • a separate sensor may also be provided for detecting the angular position of the crankshaft 2. It is also possible that these data are already present in the engine control unit 3, so that it can be used.
  • already active elements in a drive train which is more in communication with the crankshaft 2 may be present (eg in the case of a hybrid drive). It may possibly be possible to use these elements for vibration damping with.
  • the actuator 8 may also be attached to another location of the crankshaft 2.
  • the damping device 4 can also be used for damping torsional vibrations in shafts of other machines than reciprocating piston machines.
  • the damping device 4 can be used according to the first embodiment.

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Abstract

Ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Kurbelwelle (2) einer Hubkolbenmaschine (1), umfasst folgende Verfahrensschritte: (S1) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1); (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und (S3) Aktives Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle (2) in Wirkverbindung stehenden Aktors (8) mit den bestimmten Ansteuerungsdaten. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist auf: a) eine Hubkolbenmaschine (1) mit einer Kurbelwelle (2) und einem Motorsteuergerät (3); und b) eine Dämpfungsvorrichtung (4) mit einem Dämpfungssteuergerät (9) zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung (4), einer Sensoreinrichtung (5) zur Erfassung einer Drehzahl (n) der Kurbelwelle (2) und einem Aktor (8) zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle (2). Die Sensoreinrichtung (5) und der Aktor (8) sind in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle (2) an dieser angebracht.

Description

Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, und eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine entsprechende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Drehschwingungen, die auch als Torsionsschwingungen bezeichnet werden, einer Welle einer Maschine sind Drehungleichförmigkeiten, d.h. Schwankungen der Drehzahl der Welle. Diese kommen bei vielen dynamischen Betrieben von Maschinen vor, wobei z.B. periodisch oder auch aperiodisch auftretende Drehmomente, bei- spielsweise durch den Antrieb der Welle oder/und durch unterschiedliche Belastungen der Funktionseinheiten, die von der Welle angetrieben werden, entstehen.
Drehschwingungen können die Welle, z.B. durch Torsionsspannungen, in ihrer Festigkeit so beanspruchen, dass zum Erreichen einer bestimmten Dauerfestigkeit entsprechende Dimensionierungsmaßnahmen oder/und auch eine Auswahl höherwerti- ger Werkstoffe erforderlich ist.
Derartige Wellen können insbesondere Kurbelwellen von Hubkolbenmaschinen, welche z.B. Diesel-, Benzin-, oder Gasmotoren sind. Auch Hydraulik-, Pneumatik- und Dampfmotoren können Hubkolbenmaschinen sein. Eine Hubkolbenmaschine kann z.B. als Antrieb für ein Fahrzeug, eine Baumaschine o.dgl. oder als ortsfester oder ortsveränderlicher Antrieb für mannigfaltige Antriebswecke eingesetzt werden.
Zurzeit werden zur Reduktion von Spannungen in Kurbelwellen passive Drehschwingungsdämpfer verwendet. Dies sind z.B. spezielle passive Dämpfer, wie sie als Bei- spiele zur Illustration beispielsweise in den Dokumenten EP1266152B1 ,
US6,026,709A, US5, 637,041 A beschrieben sind.
DE102010046849B4 beschreibt eine sensorbasierte Regelung von Schwingungen in schlanken Kontinua, speziell Torsionsschwingungen in Tiefbohrsträngen. Es wird eine Theorie zur Berechnung von laufenden Wellen anhand von zwei Messpunkten angegeben. Im Zuge von immer höheren Anforderungen an kleine Bauweise bei gleicher Effizienz, geringem Gewicht und niedrigen Kosten, insbesondere im Fahrzeugbereich, besteht ein ansteigender Bedarf an effektiven Dämpfungsvorrichtungen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit Anordnungen mit den Merkmalen des Anspruchs 21 und 25 gelöst.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein aktives Dämpfen der Dreh- Schwingungen der Kurbelwelle durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Aktors mit bestimmten Ansteuerungsdaten vorgenommen wird.
Demgemäß weist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine folgende Verfahrensschritte auf : (S1 ) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine; (S2) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten ; und (S3) Aktives Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Aktors mit den bestimmten Ansteuerungsdaten.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Dämpfung der Drehschwingungen der Welle, insbesondere Kurbelwelle, nicht durch ein passives System, sondern durch einen Aktor vorgenommen wird. Der Aktor wird mit Ansteuerungsdaten versorgt, die aus Eingangsdaten bestimmt werden, die durch Messungen des Betriebszustands der Kurbelwelle bzw. der der Kurbelwelle zugeordneten Maschine erhalten werden.
Der Betriebszustand der Kurbelwelle mit der dazugehörigen Maschine bzw. Hubkolbenmaschine kann anhand von Daten der Drehzahl und Winkellage der Kurbelwelle sowie der aktuellen Belastung der Maschine erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit beliebigen Aktoren umgesetzt werden, solange diese das Aufbringen eines wechselnden, dynamischen Drehmoments mit einer anwendungsabhängigen Amplitude und Bandbreite ermöglichen. Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist Folgendes auf: a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle, und einem Motorsteuergerät; und b) eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Dämpfungssteuergerät zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung, einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Drehzahl der Kurbelwelle und einem Aktor zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle. Die Sensoreinrichtung und der Aktor sind in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle an dieser angebracht.
Die aktive Dämpfung der Drehschwingungen bietet den Vorteil einer erheblichen Reduktion der Amplituden der Drehschwingung und damit der Spannungen in der zugehörigen Welle.
Außerdem ist eine Reduktion der Amplituden der Drehschwingungen über den gesamten Frequenzbereich im Gegensatz zu einem passiven Drehschwingungsdämpfer möglich. Der passive Drehschwingungsdämpfer bedämpft ausschließlich Reso- nanzfrequenzen der Kurbelwelle. Das erfindungsgemäße aktive System kann
Schwingungen bei beliebigen Frequenzen, d.h. auch außerhalb der Resonanz, be- dämpfen. Diese Eigenschaft ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn z.B.
durch den Verlauf des Gasdrucks über der Drehzahl bei einer Hubkolbenmaschine nicht nur die erste, sondern weitere Eigenfrequenzen angeregt werden. Dann ist eine Bedämpfung mit einem konventionellen Dämpfer nicht mehr möglich, es müssten dann mindestens zwei unterschiedliche konventionelle Dämpfer eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch eine Reduktion des Bauraums und/oder durch eine Verwendung bereits vorhandener Aktorik. In Abhängigkeit des verwendeten Ak- tors kann eine Reduktion des benötigten Bauraums erreicht werden. Sind bereits aktive Elemente im Antriebsstrang vorhanden (z.B. bei Hybrid-Antrieben), kann es möglich sein, diese Elemente zur Schwingungsdämpfung mit zu verwenden und somit die Notwendigkeit für den Einsatz eines konventionellen Dämpfers zu umgehen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, die Drehschwingungen in der Kurbelwelle in zwei laufende Wellen auseinanderzurechnen und dem System (Kurbelwelle und Hubkolbenmaschine) Energie zu entziehen, indem die in Richtung des Aktors laufende Welle im Aktor kompensiert wird. Durch die Kompensation der zum Aktor hinlaufenden Welle im Aktor wird eine Reflektion der Welle in das System verhindert und hierdurch dem System Energie entzogen, das System folglich bedämpft. Die Theorie zur Berechnung von laufenden Wellen anhand von zwei Messpunkten wird z.B. in dem Dokument DE102010046849B4 beschrieben. Im Gegensatz dazu werden jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die auf Basis der Wellendekomposition generierten Daten zur Ansteuerung des Aktors bei Betrieb der Dämpfungsvorrichtung zur Bedämpfung der Kurbelwelle jedoch nicht in Echtzeit berechnet. Es wird auf vorher gespeicherte Ansteuerungsdaten zurückgegriffen. Dazu weist in einer Ausführung das Bestimmen von Ansteuerungsdaten des Verfahrens die folgenden Teilschritte auf: (S2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle; (S2.2) Bestimmen einer aktuellen Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine; und (S2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Auslesen zugehöriger, vorher gespeicherter Ansteue- rungsdaten anhand der bestimmten Drehzahl der Kurbelwelle, Winkellage der Kurbelwelle und Motorlast.
Die Ansteuerungsdaten für den Aktor müssen wie oben schon beschrieben vorteilhaft nicht in Echtzeit berechnet werden. Sie sind vorher in einer Speichereinrichtung gespeichert worden und brauchen nur noch anhand der bestimmten aktuellen Eingangsdaten Drehzahl, Winkellage und Motorlast aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden. Die Ansteuerungsdaten werden vorher, z.B. auf einem Prüfstand o- der/und durch ein Simulationsprogramm, generiert und abgespeichert. Dies ist möglich, da das System Maschine/Welle aufgrund bekannter Anregung und Dämpfung in jedem Betriebszustand, d.h. bei jeder möglichen Kombination aus Drehzahl und Motorlast, als quasi-stationär angenommen werden kann. Es ist daher möglich, die benötigten Ansteuerungsdaten einmalig aufzuzeichnen.
In dem Teilschritt (S2.1 ) erfolgt das Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktu- eilen Winkellage der Kurbelwelle anhand von Messdaten einer Sensoreinrichtung. Weiterhin wird in dem Teilschritt (S2.2) das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine durchgeführt. Diese Erfassung von Messdaten ist relativ einfach möglich. In einer weiteren Ausführung erfolgt in dem Teilschritt (S2.3) das Auslesen der vorher gespeicherten Ansteuerungsdaten aus einem dreidimensionalen Look-Up-Table. Ein Vorteil dabei ist, dass anstatt zwei hochgenauer Sensoren nur noch ein Sensor mit deutlich geringerer Genauigkeit benötigt wird. Anhand dieses Sensors bzw. die- ser Sensoreinrichtung können die Drehzahl sowie die momentane Winkellage der Kurbelwelle bestimmt werden. Die Winkellage (etwa gegenüber OT) wird benötigt, um die Ansteuerung zur Bedämpfung der Drehschwingungen phasenrichtig aufzubringen. Die ebenfalls benötigte Motorlast kann in einfacher Weise aus den Daten des Motor- bzw. Maschinenmanagements entnommen werden.
In einer noch weiteren Ausführung wird im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle eine Energierückgewinnung mittels des Aktors durchgeführt. Somit kann die dem System durch Dämpfung entzogene Energie z.B. als elektrische Energie in einer wiederaufladbaren Batterie, z.B. in einer Fahrzeugbatterie, gespeichert und wieder verwendet werden.
Damit wird eine Reduktion einer Wärmeabgabe und eine Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur erzielt. Ein konventioneller Dämpfer wandelt die Energie der Drehschwingung in Wärme um und gibt diese an die Umgebung ab, d.h. die Energie wird über die Systemgrenzen dissipiert. In Abhängigkeit des verwendeten Aktors ist bei der erfindungsgemäßen aktiven Dämpfungsvorrichtung die Rückgewinnung der Schwingungsenergie z.B. in Form von elektrischer Energie möglich. Entsprechend wird in einem solchen Fall keine Wärme dissipiert. Weiterhin kann es sein, dass auf- grund der Einbausituation Temperaturen auftreten, die zu einer sehr schnellen Beeinträchtigung des Silikonöls in Viskositäts-Drehschwingungsdämpfern führen können und deren Funktion mindern. Ein Aktor, der weniger temperaturempfindlich ist, kann hingegen verwendet werden. In einer weiteren Ausführung umfasst das Verfahren für das Erzeugen der vorher gespeicherten Ansteuerungsdaten folgende Verfahrensschritte: (S'1 ) Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine; (S'2) Generieren von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten ; und (S'3) Speichern der so generierten Ansteuerungsdaten in einem Speichermedium. Das Speichern bzw. Aufzeichnen kann einmalig erfolgen. Es können Kopien für die jeweiligen Speichereinrichtungen der Dämpfungsvorrichtungen für den praktischen Einsatz erfolgen.
Das Generieren von Ansteuerungsdaten umfasst folgende Teilschritte: (S'2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle, sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine; (S'2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten Messdaten als Eingangsdaten ; und (S'2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition. Die benötigten Ansteuerungsdaten können aus einem Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine auf einem Prüfstand einmalig erfolgen. Dabei erfolgt in dem Teilschritt (S'2.1 ) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle anhand von Messdaten von zwei Sen- soreinrichtungen, wobei das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine durchgeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine ein Erfassen von Daten aus einem Simulationsverfahren von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine aufweist.
In einer Ausführung umfasst das Generieren von Ansteuerungsdaten folgende Teilschritte: (S'2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle, sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine aus den Daten des Simulationsverfahrens; (S'2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten Daten als Eingangsdaten ; und (S'2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition. Dabei erfolgt in dem Teilschritt (S'2.2) das Berechnen der Wellendekomposition in zwei laufende Wellen in Echtzeit.
Weiterhin wird in dem Teilschritt (S'2.3) das Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Verwenden der in einer Längsrichtung der Kurbelwelle auf den Aktor zulau- fende Welle der zwei laufenden Wellen der Wellendekompositionsberechnung durchgeführt.
Es ist auch in einer Variante möglich, dass die erfassten Eingangsdaten zunächst zwischengespeichert werden und aus diesen zwischengespeicherten Eingangsdaten die einmalig zu speichernden Ansteuerungsdaten nachträglich berechnet werden.
In einer weiteren Ausführung erfolgt das Speichern der generierten Ansteuerungsdaten in dem Speichermedium als ein dreidimensionaler Look-Up-Table. Natürlich kann auch eine andere Art, z.B. eine drei- oder n-dimensionale Matrix generiert werden.
Somit können die Ansteuerungsdaten, die zur Ansteuerung des Aktors erforderlich sind, für jede mögliche Kombination aus Drehzahl und Motorlast vorher generiert und für eine jederzeitige, spätere Verwendung aufgezeichnet werden. Damit ist es mög- lieh, dass für jeden Typ von Maschine bzw. Hubkolbenmaschine die Ansteuerungs- daten vorher aufgezeichnet werden können.
Dieses Verfahren mit dem Auslesen vorher gespeicherter Ansteuerungsdaten wurde anhand eines Simulationsmodells untersucht. Die Ergebnisse bei Verwendung der in dem Look-Up-Table gespeicherten Ansteuerungsdaten sind vergleichbar mit den Ergebnissen einer Echtzeit-Regelung.
In einer Ausführung der Anordnung für dieses Verfahren ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung als Inkrementalgeber ausgebildet ist. Dieser Inkrementalgeber kann z.B. einen Hall-Sensor aufweisen. Natürlich ist auch eine andere Ausführung, wie z.B. ein optischer Sensor möglich. Ein besonderer Vorteil hierbei ist, dass die Genauigkeit der Sensoreinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik nur eine geringe Genauigkeit aufweist, nämlich eine Auflösung von z.B. 360 Inkrementen pro Umdrehung der Kurbelwelle.
Außerdem weist das Dämpfungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung in dieser Ausführung der Anordnung mindestens eine Speichereinrichtung mit den vorher gespeicherten Ansteuerdaten für den Aktor auf. Die vorher gespeicherten Ansteuerda- ten sind wie oben beschrieben vorher erfasst, berechnet und einmalig abgespeichert worden. Die Steuereinrichtung kann so eine Kopie der einmalig generierten Ansteuerdaten beinhalten.
In einer Ausführung ist der Aktor als üblicher Elektromotor, Torque-Motor oder Pie- zoaktor ausgebildet. Es können zwar beliebige Ausführungen von Aktoren verwendet werden, jedoch muss der Aktor das Aufbringen eines wechselnden Drehmomentes mit einer anwendungsabhängigen Amplitude und Bandbreite ermöglichen.
In einer alternativen Ausführung des Verfahrens weist das Bestimmen von Ansteue- rungsdaten die folgenden Teilschritte auf: (S'2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle, sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine; (S'2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten Messdaten als Eingangsdaten; und (S'2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wel- lendekomposition.
So kann auch eine aktive Dämpfung der Drehschwingungen mit zwei Sensoreinrichtungen und Echtzeitberechnung der Ansteuerungsdaten aus den Eingangsdaten er- folgen. Jedoch wird dazu im Vergleich zum Stand der Technik bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Drehschwingungen nicht der Antrieb der Welle, also die Maschine bzw. Hubkolbenmaschine, mit den Ansteuerungsdaten beaufschlagt, sondern es wird dazu ein gesonderter Aktor verwendet, der Bestandteil einer Dämpfungsvorrichtung ist.
So ist vorgesehen, dass in dem Teilschritt (S'2.1 ) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Winkellage der Kurbelwelle anhand von Messdaten von zwei Sensoreinrichtungen erfolgt, wobei das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes der Hubkolbenmaschine durchgeführt werden kann. Weiterhin erfolgt in dem Teilschritt (S'2.2) das Berechnen der Wellendekomposition in zwei laufende Wellen in Echtzeit. In dem Teilschritt (S'2.3) wird das Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Verwenden der in einer Längsrichtung der Kurbelwelle auf den Aktor zulaufenden Welle der zwei laufenden Wellen der Wel- lendekompositionsberechnung durchgeführt.
Auch in dieser Variante ist es vorgesehen, dass im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle eine Energierückgewinnung mittels des Aktors durchgeführt wird, deren Vorteile bereits oben beschrieben wur- den.
Demgemäß weist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der oben beschriebenen alternativen Ausführung Folgendes auf: a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle, und einem Motorsteuergerät; und b) eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Dämpfungssteuergerät zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung, zwei Sensoreinrichtungen zur Erfassung einer Drehzahl der Kurbelwelle und einem Aktor zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle. Die zwei Sensoreinrichtungen und der Aktor sind in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle an dieser angebracht, und die zwei Sensorein- richtungen sind untereinander in einem axialen Abstand zueinander angeordnet. Der Aktor ist Bestandteil der Dämpfungsvorrichtung und dient zur Bedämpfung der Drehschwingungen der Welle bzw. Kurbelwelle.
In einer Ausführung sind die Sensoreinrichtungen als Inkrementalgeber ausgebildet. Hierbei weisen die Sensoreinrichtungen jeweils eine hohe Auflösung auf. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Dämpfungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung mindestens eine Steuereinrichtung zur Echtzeitberechnung von Wellendekompositionen aufweist. Auch hierbei ist in einer Ausführung der Aktor als Elektromotor, To rque- Motor oder Piezoaktor, wobei er das Aufbringen eines wechselnden Drehmomentes mit einer anwendungsabhängigen Amplitude und Bandbreite ermöglicht.
Bei beiden Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnungen weist das Dämp- fungssteuergerät der Dämpfungsvorrichtung mindestens eine Ansteuereinrichtung für den Aktor auf.
Au ßerdem ist bei beiden Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnungen vorgesehen, dass die Dämpfungsvorrichtung eine Einrichtung zur Energierückgewin- nung aufweist, die mit dem Aktuator zusammenwirkt.
Das Verfahren zur aktiven Dämpfung von Drehschwingungen einer Welle sowie die Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens und seiner Varianten bieten gegenüber dem Stand der Technik einen reduzierten Bauraum, eine stärkere Redukti- on der Schwingungsamplituden der Drehschwingungen der Welle nicht nur bei bestimmten Drehzahlen, sondern über den gesamten Frequenzbereich. Au ßerdem ist eine Energierückgewinnung ermöglicht.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beige- fügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Hubkolbenmaschine mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel ;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Hubkolbenmaschine mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel ; Fig. 3 bis 5 schematische Flussdiagramme von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen ; Fig. 6 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen von Ansteuerungsdaten;
Fig. 7 eine schematische grafische Darstellung von Drehschwingungen;
und
Fig. 8 - 9 schematische grafische Darstellungen von ungedämpften und gedämpften Drehschwingungen. Gleiche Bauelemente bzw. Funktionseinheiten mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen in den Figuren angegeben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Hubkolbenmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 4 nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Anordnung umfasst die Hubkolbenmaschine 1 mit einem Motorsteuergerät 3 und mit der Dämpfungsvorrichtung 4.
Die Hubkolbenmaschine 1 ist z.B. ein Diesel-, Benzin-, oder Gasmotor. Beispielsweise können auch Hydraulik-, Pneumatik- und Dampfmotoren als Hubkolbenmaschine 1 ausgebildet sein. Die Hubkolbenmaschine 1 kann z.B. als Antrieb für ein Fahrzeug, eine Baumaschine o.dgl. oder als ortsfester oder ortsveränderlicher Antrieb für mannigfaltige Antriebswecke eingesetzt werden.
Ein Motorgehäuse 1 a der Hubkolbenmaschine 1 ist mit einer Kurbelwelle 2 schematisch gezeigt. Die Kurbelwelle 2 wird von der Hubkolbenmaschine 1 angetrieben und ist mit einem Vorderende 2a aus dem Motorgehäuse 1 a herausgeführt und weist eine Kurbelwellenachse 2b auf, um welche sich die Kurbelwelle 2 in einer Drehrichtung 2c bei Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 dreht. Die Kurbelwelle 2 erstreckt sich in einer Längsrichtung 2d zu ihrem Vorderende 2a und in einer dazu entgegengesetzten Längsrichtung 2e zu ihrem nicht gezeigten Hinterende.
Das Motorsteuergerät 3 steht über eine Motorsteuergeräteverbindung 3a, die stellvertretend für unterschiedliche Verbindungen angegeben ist, mit der Hubkolbenmaschine 1 in Verbindung. Die Dämpfungsvorrichtung 4 ist zur aktiven Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 vorgesehen. Die Dämpfungsvorrichtung 4 umfasst ein Dämpfungssteuergerät 9, eine Sensoreinrichtung 5 und einen Aktor 8. Das Dämpfungssteuergerät 9 steht mit dem Motorsteuergerät 3, der Sensoreinrich- tung 5 und dem Aktor 8 in Wirkverbindung. Die Dämpfungsvorrichtung 4 und ihre Funktionsweise werden unten noch im Detail beschrieben.
Die Sensoreinrichtung 5 bildet einen Inkrementalgeber und umfasst ein Sensorrad 6 und einen Aufnehmer 7. Das Sensorrad 6 ist im Bereich des Vorderendes 2a der Kurbelwelle 2 auf dieser drehfest aufgebracht. Das Sensorrad 6 ist eine Art Zahnrad, dessen Zähne mit dem Aufnehmer 7 derart berührungslos zusammenwirken, dass die Drehung der Kurbelwelle 2 um ihre Kurbelwellenachse 2b hier digital durch Zählen der durch die Zähne im Aufnehmer erzeugten Impulse pro Zeiteineinheit als Drehzahl erfasst wird. Außerdem ist eine Winkelstellung der Kurbelwelle 2 damit er- fassbar, wobei die Auflösung von der Zähnezahl des Sensorrads 6 abhängt. Dabei kann eine relativ geringe Genauigkeit von z.B. 360 Inkremente/Umdrehung der Kurbelwelle 2 ausreichen. Damit ist eine Auflösung auf 1 ° erzielbar. Der Aufnehmer 7 kann z.B. ein Hall-Sensor sein. Selbstverständlich kann die Sensoreinrichtung 5 auch anders aufgebaut sein, z.B. mit einem optischen Aufnehmer 7.
Der Aktor 8 ist an dem Vorderende 2a der Kurbelwelle 2 angebracht und drehfest mit dieser verbunden. In einer anderen, nicht gezeigten Ausführung kann der Aktor 8 mit der Kurbelwelle 2 und einem, ebenfalls nicht gezeigten Fahrzeugchassis verbunden sein. Der Aktor 8 kann ein elektrischer Motor, z.B. ein so genannter Torque-Motor, mit hohem Drehmoment (im Bereich eines Zylinderdrehmoments der Hubkolbenmaschine 1 ) mit hoher Bandbreite sein. Alternativ kann auch ein Piezoaktor mit entsprechendem Drehmoment verwendet werden.
Das Dämpfungssteuergerät 9 weist hier eine Steuereinrichtung 10, eine Speicherein- richtung 1 1 und eine Ansteuereinrichtung 12 auf. Die Steuereinrichtung 10 ist mit dem Motorsteuergerät 3 über eine Motorsteuergeräteverbindung 3b verbunden. Außerdem ist die Steuereinrichtung 10 an die Speichereinrichtung 1 1 angeschlossen und steht mit der Sensoreinrichtung 5 über eine Aufnehmerleitung 7a mit dem Aufnehmer 7 der Sensoreinrichtung 5 in Verbindung. Zudem ist die Steuereinrichtung 10 mit der Ansteuereinrichtung 12 verbunden, an welcher der Aktor 8 mit einer Ansteuerleitung 12a angeschlossen ist. Die Dämpfungsvorrichtung 4 erhält Eingangsdaten über den Betriebszustand der Hubkolbenmaschine 1 und der Kurbelwelle 2 sowohl von dem Motorsteuergerät 3 als auch von der Sensoreinrichtung 5. Diese Eingangsdaten werden an die Steuereinrichtung 1 0 des Dämpfungssteuergerätes 9 geliefert. Anhand dieser Eingangsdaten bestimmt die Steuereinrichtung 1 0 Ansteuerungsdaten für die Ansteuereinrichtung 1 2. Die Steuereinrichtung 1 0 bestimmt in diesem Ausführungsbeispiel die Ansteuerungsdaten, indem sie mittels der Eingangsdaten jeweils diesen Eingangsdaten entsprechende, vorher in der Speichereinrichtung 1 1 gespeicherte Ansteuerungsdaten aus der Speichereinrichtung 1 1 ausliest und an die Ansteuereinrichtung 1 2 weiterlei- tet. Die Ansteuereinrichtung 1 2 versorgt anhand dieser Ansteuerungsdaten den Aktor 8 mit Ansteuersignalen. Der Aktor 8 wirkt daraufhin so auf die Kurbelwelle 2 ein, dass deren Drehschwingungen durch Kompensation der auf den Aktor zulaufenden Welleaktiv gedämpft werden. Dazu wird unten weiter noch das zugehörige Verfahren näher erläutert, welches darauf basiert, die Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 in zwei laufende Wellen auseinanderzurechnen und dem System Energie zu entziehen, indem die in Längsrichtung 2d in Richtung auf den Aktor 8 laufende Welle in dem Aktor 8 kompensiert wird. Durch die Kompensation dieser Welle im Aktor 8 wird eine Reflektion der Welle in das System, d.h. in die Kurbelwelle 2 in Längsrichtung 2e in die Hubkolbenmaschine 1 , hinein verhindert. Dem System wird dadurch Energie entzogen, wodurch das System folglich bedämpft wird. Die Theorie zur Berechnung von laufenden Wellen anhand von zwei Messpunkten wird z.B. in dem Dokument DE 1 0201 0046849 B4 ausführlich beschrieben.
Die Eingangsdaten beinhalten die Drehzahl der Kurbelwelle 2, die Winkellage der Kurbelwelle 2, etwa in Bezug auf den OT (oberer Totpunkt), sowie die momentane Motorlast der Hubkolbenmaschine 1 . Die Sensoreinrichtung 5 liefert die Drehzahl der Kurbelwelle 2. Die momentane Winkellage der Kurbelwelle 2 wird von der Steuerein- richtung 1 0 aus den Eingangsdaten der Drehzahl bestimmt. Die Daten der momentanen Motorlast erhält die Steuereinrichtung 1 0 von dem Motorsteuergerät 3 (Motormanagement). Diese drei Daten werden von der Steuereinrichtung 1 0 nun benutzt, um in einem dreidimensionalen Look-Up-Table in der Speichereinrichtung 1 1 die zugehörigen Ansteuerungsdaten auszuwählen und auszulesen.
Der in der Speichereinrichtung 1 1 gespeicherte dreidimensionale Look-Up-Table weist für jede mögliche Kombination aus Drehzahl und Motorlast sowie Winkellage die jeweiligen Ansteuerungsdaten für den Aktor 8 zur Dämpfung der Drehschwin- gungen der Kurbelwelle 2 auf. Diese Ansteuerungsdaten werden vorher erfasst und gespeichert.
Dies ist z.B. auf einem Prüfstand oder mit einer Simulation möglich, da das System der Hubkolbenmaschine 1 mit der Kurbelwelle 2 aufgrund bekannter Anregung und erhöhter Dämpfung in jedem Betriebszustand, d.h. bei jeder möglichen Kombination aus Drehzahl der Kurbelwelle 2 und Motorlast als quasi-stationär angenommen werden kann. Es ist daher möglich, die benötigten Ansteuerungsdaten für jeden Betriebszustand einmalig aufzuzeichnen und dann in Form des dreidimensionalen Look-Up-Tables in einer jederzeit auslesbaren Speichereinrichtung 1 1 zu speichern.
Der Vorteil des Look-Up-Tables in diesem ersten Ausführungsbeispiel der Dämpfungsvorrichtung 4 liegt darin, dass nur die eine Sensoreinrichtung 5 mit deutlich geringerer Genauigkeit benötigt wird. Au ßerdem müssen die auf Basis der Wellendekomposition generierten Daten zur Ansteuerung des Aktors 8 zur Bedämpfung der Kurbelwelle 2 nicht in Echtzeit berechnet werden. Die Winkellage der Kurbelwelle 2, etwa gegenüber OT, wird benötigt, um die Ansteuerung des Aktors 8 zur Bedämpfung der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 phasenrichtig aufzubringen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung der Hubkolbenmaschine 1 mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 4 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind hier zwei Sensoreinrichtungen 5 und 5' vorgesehen. Die erste Sensoreinrichtung 5 ist wie im ers- ten Ausführungsbeispiel aufgebaut, jedoch mit einer höheren Genauigkeit versehen. Auch die zweite Sensoreinrichtung 5' weist eine sehr hohe Genauigkeit auf. Das Sensorrad 6' der zweiten Sensoreinrichtung 5' ist in einem axialen Abstand 6a in Längsrichtung 2e von dem Sensorrad 6 der ersten Sensoreinrichtung 5 angeordnet. Der Aufnehmer 7' der zweiten Sensoreinrichtung 5' ist über eine zweite Aufnehmer- leitung 7'a mit der Steuereinrichtung 1 0 des Dämpfungssteuergerätes 9 verbunden.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel enthält die Speichereinrichtung 1 1 keine vorher berechneten Ansteuerungsdaten, sondern dient für allgemeine Speicherzwecke, z.B. Zwischenspeicherung von Berechnungsergebnissen.
Die Steuereinrichtung 1 0 führt im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel eine Echtzeitberechnung der Ansteuerungsdaten für den Aktor 8 aus den Eingangsdaten durch. Dabei wird eine echtzeitfähige Berechnung der Wellendekomposition vorge- nommen, die als Eingangsdaten die Messdaten der Sensoreinrichtungen 5, 5' und des Motorsteuergerätes 3 (oder/und anderer vorhandener Sensoren) verwendet (kontinuierliche Regelung). Au ßerdem dient Fig. 2 zur Erläuterung der Erfassung der Eingangsdaten und Erzeugung der zu speichernden Ansteuerungsdaten für den Aktor 8.
In diesem Fall ist die Hubkolbenmaschine 1 auf einem Prüfstand. Die beiden hochgenauen Sensoreinrichtungen 5 und 5' sind wie in Fig. 2 gezeigt an der Kurbelwelle 2 drehfest in dem Abstand 6a angebracht. Der Aktor 8 ist nicht an das Dämpfungssteuergerät 9 angeschlossen. Das Dämpfungssteuergerät 9 wird mit der Steuereinrichtung 1 0 nun als Aufzeichnungsgerät verwendet.
Die Ansteuerungsdaten werden in diesem Aufbau durch einmalige Messung an der Hubkolbenmaschine 1 am Motorprüfstand unter Verwendung der hochgenauen Sensoreinrichtungen 5 und 5' und einer in Echtzeit oder im Anschluss daran durchgeführten Berechnung der Wellendekomposition, die als Eingangsdaten die Messdaten verwendet generiert. Für die im Anschluss ausgeführte Berechnungen können Zwischenspeicherungen der Eingangsdaten vorgenommen werden. Nach der Be- rechnung werden die so generierten Ansteuerungsdaten in der Speichereinrichtung 1 1 oder in einem geeigneten Wechselspeichermedium (nicht gezeigt) gespeichert.
Die Ansteuerungsdaten können abweichend von Fig. 2 ohne die Hubkolbenmaschine 1 und die Sensoreinrichtungen 5, 5' auch durch eine Simulation der Drehschwin- gungen der Hubkolbenmaschine 1 und einer durchgeführten Berechnung der Wellendekomposition generiert werden. Dabei verwendet die Berechnung der Wellendekomposition Simulationsdaten, z.B. aus einem Rechnerprogramm, als Eingangsdaten. Die auf die oben beschriebenen zwei Weisen generierten Ansteuerungsdaten werden dann in Abhängigkeit von Motorlast, Drehzahl der Kurbelwelle 2 und Winkellage der Kurbelwelle 2 in einem dreidimensionalen Look-Up-Table gespeichert.
Fig. 3 zeigt ein allgemeines, schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemä- ßen Verfahrens zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 . In einem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Erfassen von Eingangsdaten der Hubkolbenmaschine 1 .
Ein Bestimmen von Ansteuerungsdaten wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 anhand der erfassten Eingangsdaten vorgenommen. Dies kann z.B. die Steuereinrichtung 10 des Dämpfungssteuergerätes 9 durchführen.
Schließlich wird der Aktor 8 in einem dritten Verfahrensschritt S3 anhand der so bestimmten Ansteuerungsdaten zum Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 angesteuert.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt Fig. 4 in einem schematischen Flussdiagramm dar. In dem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt das Erfassen von Eingangsdaten der Hubkolbenmaschine 1 . So wird eine aktuelle Drehzahl n der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 von der Sensoreinrichtung 5 erfasst. Eine Motorlast der Hubkolbenmaschine 1 wird durch das Motorsteuergerät 3 geliefert. Der Verfahrensschritt S2 Bestimmen von Ansteuerungsdaten ist in drei Teilschritte aufgeteilt. In einem ersten Teilschritt S2.1 wird anhand der Eingangsdaten der Sensoreinrichtung 5 die Drehzahl n festgelegt und die aktuelle Winkellage der Kurbelwelle 2 bestimmt. Die Motorlast des aktuellen Betriebszustands wird in einem zweiten Teilschritt S2.2 aus dem Motorsteuergerät 3 abgerufen. Mittels dieser drei Kom- ponenten werden in einem dritten Teilschritt S2.3 die zugehörigen Ansteuerungsdaten aus dem in der Speichereinrichtung 1 1 vorher gespeicherten Look-Up-Table ausgelesen.
In dem dritten Verfahrensschritt S3 wird der Aktor 8 mit den aus dem in der Spei- chereinrichtung 1 1 vorher gespeicherten Look-Up-Table ausgelesenen Ansteuerungsdaten zum Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 angesteuert.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in einem schematischen Flussdiagramm der Fig. 5 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt S'1 erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 das Erfassen der Eingangsdaten der Hubkolbenmaschine 1 als aktuelle Drehzahl n der Kurbelwelle 2 und der Motorlast von dem Motorsteuergerät 3. Der Verfahrensschritt S'2 Bestimmen von Ansteuerungsdaten ist auch hier in drei Teilschritte aufgeteilt, jedoch unterscheiden diese sich von denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
In einem ersten Teilschritt S'2.1 wird anhand der Eingangsdaten der Sensoreinrich- tungen 5 und 5' die Drehzahl n und die aktuelle Winkellage der Kurbelwelle 2 bestimmt. Außerdem wird die Motorlast des aktuellen Betriebszustands aus dem Motorsteuergerät 3 abgerufen. Diese Eingangsdaten werden als Messdaten für eine Wellendekompositionsberechnung in einem zweiten Teilschritt S'2.2 verwendet, wobei die Drehschwingungen in zwei laufende Wellen in Echtzeit auseinandergerech- net werden. Dabei wird in einem dritten Teilschritt S'2.3 die in Längsrichtung 2d auf den Aktor 8 zulaufende Welle zum Bestimmen der Ansteuerungsdaten für den Aktor 8 benutzt.
In dem dritten Verfahrensschritt S'3 wird der Aktor 8 mit den in Echtzeit berechneten Ansteuerungsdaten zum Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle 2 der Hubkolbenmaschine 1 angesteuert.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Generieren und Speichern der Ansteuerungsdaten.
In einem ersten Verfahrensschritt S'1 erfolgt ein Erfassen von Eingangsdaten. Dabei werden in einer Ausführung die Eingangsdaten einer Hubkolbenmaschine 1 auf einem Prüfstand als aktuelle Drehzahl n der Kurbelwelle 2 und der Motorlast von dem Motorsteuergerät 3 in Echtzeit gemessen. In einer Variante sind die Eingangsdaten Ausgangsdaten einer Simulation, z.B. eines Rechnersimulationsprogramms der Drehschwingungen einer Kurbelwelle 2 einer Hubkolbenmaschine 1 .
In einem Verfahrensschritt S'2 werden Ansteuerungsdaten generiert. Hierzu sind drei Teilschritte vorgesehen.
In einem ersten Teilschritt S'2.1 wird anhand der Eingangsdaten, z.B. der Sensoreinrichtungen 5 und 5,' die Drehzahl n und die aktuelle Winkellage der Kurbelwelle 2 bestimmt. Außerdem wird die Motorlast des aktuellen Betriebszustands aus dem Motorsteuergerät 3 abgerufen bzw. als Simulationsdaten eingelesen. Diese Eingangsdaten werden als Messdaten für eine Wellendekompositionsberechnung in einem zweiten Teilschritt S'2.2 verwendet, wobei die Drehschwingungen in zwei laufende Wellen in Echtzeit auseinandergerechnet werden. Dabei wird in einem dritten Teilschritt S'2.3 die in Längsrichtung 2d auf den Aktor 8 zulaufende Welle zum Bestimmen der Ansteuerungsdaten benutzt.
In dem dritten Verfahrensschritt S'4 werden die so generierten Ansteuerungsdaten in einem Speichermedium gespeichert. Dabei kann das Speichern z.B. als ein dreidi- mensionaler Look-Up-Table erfolgen. Dieser Look-Up-Table kann dann für Anwendungen in Dämpfungsvorrichtungen 4 als Kopie in der jeweiligen Speichereinrichtung 1 1 des Dämpfungssteuergerätes 9 gespeichert werden.
Fig. 7 zeigt eine schematische grafische Darstellung von Drehschwingungen einer Kurbelwelle 2 einer Hubkolbenmaschine 1 , die in diesem gezeigten Beispiel ein Dieselmotor mit acht Zylindern in V-Form mit Turboaufladung ist.
Es sind Messwerte relativer Winkelamplituden als Auslenkung A über der Drehzahl n (U/min) des Motors aufgetragen. Eine Vielzahl von Messkurven ist zu einer Sum- menkurve 1 3 zusammengefasst, die über den einzelnen Messkurven liegt. Es treten viele Amplitudenspitzen auf, von denen mehrere lokale Maxima 1 3a, 1 3b, 1 3c, 1 3d deutlich zu erkennen sind. Das lokale Maximum 1 3a liegt ungefähr bei der Drehzahl 2500 U/min. Die lokalen Maxima 1 3b und 1 3c treten etwa bei den Drehzahlen 3900 U/min und 4300 U/min auf. Das größte lokale Maximum 13d ist ungefähr bei der Drehzahl 4850 U/min zu verzeichnen.
Mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 4 ist es möglich, diese Drehschwingungen mit ihren Auslenkungen A erheblich zu dämpfen. Dazu wurden Untersuchungen mittels eines Simulationsmodells durchgeführt.
Dazu zeigt Fig. 8 eine schematische grafische Darstellung von ungedämpften Drehschwingungen. Und Fig. 9 zeigt dazu das Ergebnis bei Anwendung der Dämpfungsvorrichtung 4 als schematische Darstellung der gedämpften Drehschwingungen. In beiden Figuren 8 und 9 ist jeweils die Auslenkung A über der Drehzahl n aufgetragen. Fig. 8 stellt eine Vielzahl von Drehschwingungskurven in Form von Hüllkurven 14 mit den jeweiligen lokalen Maxima ähnlich wie in Fig. 7 dar. Bei eingeschalteter Dämpfungsvorrichtung 4 ergibt sich die Hüllkurve 1 5 in Fig. 9. Bei dieser gedämpften Hüllkurve 15 ist deutlich zu erkennen, dass alle lokalen Maxima oberhalb der Drehzahl 2100 U/min nicht mehr vorhanden sind. Lediglich im niedrigen Drehzahlbereich bei etwa 1200 U/min ist ein Maximum zu erkennen, welches aber relativ abgeflacht erscheint.
Außerdem ist zu erkennen, dass alle lokalen Maxima, die ohne die Anwendung der Dämpfungsvorrichtung 4 (bzw. bei ausgeschalteter Dämpfungsvorrichtung 4) auftreten, gedämpft werden, unabhängig davon, bei welcher Drehzahl n bzw. Frequenz sie auftreten. Es erfolgt mit der Dämpfungsvorrichtung 4 eine starke Reduktion der Schwingungsauslenkungen bzw. -amplituden über den gesamten Frequenzbereich bzw. Drehzahlbereich. Außerdem wird eine Reduktion von Spannungen in der Kurbelwelle 2 möglich.
Es hat sich bei diesem Simulationsmodell gezeigt, dass die Ergebnisse mit der ein- geschalteten Dämpfungsvorrichtung 4 bei Verwendung des ersten Ausführungsbeispiels mit den in dem Look-Up-Table in der Speichereinrichtung 1 1 gespeicherten Ansteuerungsdaten vergleichbar mit den Ergebnissen bei der Echtzeit-Regelung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Dämpfungsvorrichtung 4 sind. Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
So ist es denkbar, dass der Aktor 8 für eine Energierückgewinnung verwendet werden kann. In Abhängigkeit von der Bauart des Aktors 8, z.B. als Piezoaktor, kann die dem System entzogene Schwingungsenergie z.B. in Form von elektrischer Energie rückgewonnen werden. Dazu ist der Aktor 8 mit einer (nicht gezeigten) entsprechenden Schaltung verbunden, welche die von dem Aktor 8 erzeugte elektrische Energie z.B. in einem Akkumulator speichert. Zur Erfassung der Winkellage der Kurbelwelle 2 kann auch ein separater Sensor vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass diese Daten schon in dem Motorsteuergerät 3 vorhanden sind, so dass darauf zurückgegriffen werden kann.
Bei einer Ausführung können bereits aktive Elemente in einem Antriebstrang, wel- eher mit der Kurbelwelle 2 in Verbindung steht, vorhanden sein (z.B. bei einem Hyb- rid-Antrieb). Dabei kann es evtl. möglich sein, diese Elemente zur Schwingungsdämpfung mit zu verwenden. Der Aktor 8 kann auch an einer anderen Stelle der Kurbelwelle 2 angebracht sein.
Es ist außerdem denkbar, dass die Dämpfungsvorrichtung 4 auch zum Dämpfen von Drehschwingungen bei Wellen anderer Maschinen als Hubkolbenmaschinen ein- setzbar ist. Z.B. bei Maschinen, deren Betriebszustände als quasi-stationär angenommen werden können, kann die Dämpfungsvorrichtung 4 nach dem ersten Ausführungsbeispiel benutzt werden. Auch das zweite Ausführungsbeispiel mit zwei Sensoreinrichtungen 5, 5' kann bei Wellen anderer Maschinen verwendet werden. Dabei entstehen die Drehschwingungen der Welle in der Maschine, und der Aktor dient nicht zum Antrieb der Welle, sondern zur aktiven Dämpfung.
Bezugszeichenliste
1 Hubkolbenmaschine
1 a Motor
2 Kurbelwelle
2a Vorderende
2b Kurbelwellenachse
2c Drehrichtung
2d, 2e Längsrichtung
3 Motorsteuergerät
3a, 3b Motorsteuergeräteverbindung
4 Dämpfungsvorrichtung
5, 5' Sensoreinrichtung
6, 6' Sensorrad
6a Abstand
7, T Aufnehmer
7a, 7'a Aufnehmerleitung
8 Aktor
9 Dämpfungssteuergerät
1 0 Steuereinrichtung
1 1 Speichereinrichtung
1 2 Ansteuereinrichtung
1 2a Ansteuerleitung
1 3 Summenkurve
1 3a-d Lokales Maximum
14, 1 5 Hüllkurve
A Auslenkung
n Motordrehzahl
S... Verfahrensschritt

Claims

Ansprüche
Verfahren zum aktiven Dämpfen von Drehschwingungen einer Welle einer Maschine, insbesondere einer Kurbelwelle (2) einer Hubkolbenmaschine (1 ), mit folgenden Verfahrensschritten :
(51 ) Erfassen von Eingangsdaten durch Messen von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1 ) ;
(52) Bestimmen von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten ; und
(53) Aktives Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) durch Ansteuern eines mit der Kurbelwelle (2) in Wirkverbindung stehenden Aktors (8) mit den bestimmten Ansteuerungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen von Ansteuerungsdaten die folgenden Teilschritte aufweist.
(52.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2);
(52.2) Bestimmen einer aktuellen Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine (1 ); und
(52.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Auslesen zugehöriger, vorher gespeicherter Ansteuerungsdaten anhand der bestimmten Drehzahl (n) der Kurbelwelle (2), Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2) und Motorlast.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S2.1 ) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2) anhand von Messdaten einer Sensoreinrichtung (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S2.2) das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes (3) der Hubkolbenmaschine (1 ) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S2.3) das Auslesen der vorher gespeicherten Ansteuerungsdaten aus einem dreidimensionalen Look-Up-Table erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) eine Energierückgewinnung mittels des Aktors (8) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erzeugen der vorher gespeicherten Ansteuerungsdaten folgende Verfahrensschritte umfasst:
(S'1 ) Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1 );
(S'2) Generieren von Ansteuerungsdaten anhand der erfassten Eingangsdaten; und
(S'3) Speichern der so generierten Ansteuerungsdaten in einem Speichermedium.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Generieren von Ansteuerungsdaten folgende Teilschritte umfasst:
(S'2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2), sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine (1 );
(S'2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten
Messdaten als Eingangsdaten; und
(S'2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1 ) auf einem Prüfstand erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S'2.1 ) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2) anhand von Messdaten von zwei Sensoreinrichtungen (5, 5') erfolgt, wobei das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes (3) der Hubkolbenmaschine (1 ) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen von Eingangsdaten von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1 ) ein Erfassen von Daten aus einem Simulationsverfahren von Betriebszuständen der Hubkolbenmaschine (1 ) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Generieren von Ansteuerungsdaten folgende Teilschritte umfasst:
(S'2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2), sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine (1 ) aus den Daten des Simulationsverfahrens;
(S'2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten
Daten als Eingangsdaten ; und
(S'2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S'2.2) das Berechnen der Wellendekomposition in zwei laufende Wellen in Echtzeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S'2.3) das Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Verwenden der in einer Längsrichtung (2d) der Kurbelwelle (2) auf den Aktor (8) zulaufende Welle der zwei laufenden Wellen der Wellendekompositionsberechnung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichern der generierten Ansteuerungsdaten in dem Speichermedium als ein dreidimensionaler Look-Up-Table erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen von Ansteuerungsdaten die folgenden Teilschritte aufweist.
(S'2.1 ) Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2), sowie Bestimmen einer Motorlast des aktuellen Betriebszustands der Hubkolbenmaschine (1 ) ;
(S'2.2) Berechnen einer Wellendekomposition mit den so bestimmten
Messdaten als Eingangsdaten ; und
(S'2.3) Bestimmen der Ansteuerungsdaten anhand der berechneten Ergebnisse der Wellendekomposition.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S'2.1 ) das Bestimmen der aktuellen Drehzahl (n) und der aktuellen Winkellage (cc) der Kurbelwelle (2) anhand von Messdaten von zwei Sensoreinrichtungen (5, 5') erfolgt, wobei das Bestimmen einer aktuellen Motorlast anhand von Daten eines Motorsteuergerätes (3) der Hubkolbenmaschine (1 ) durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S'2.2) das Berechnen der Wellendekomposition in zwei laufende Wellen in Echtzeit erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Teilschritt (S'2.3) das Bestimmen der Ansteuerungsdaten durch Verwenden der in einer Längsrichtung (2d) der Kurbelwelle (2) auf den Aktor (8) zulaufende Welle der zwei laufenden Wellen der Wellendekompositionsberechnung durchgeführt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S3) beim aktiven Dämpfen der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) eine Energierückgewinnung mittels des Aktors (8) durchgeführt wird.
21 . Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, aufweisend:
a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere eine Hubkolbenmaschine (1 ) mit einer Kurbelwelle (2), und einem Motorsteuergerät (3); und b) eine Dämpfungsvorrichtung (4) mit einem Dämpfungssteuergerät (9) zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung (4), einer Sensoreinrichtung (5) zur Erfassung einer Drehzahl (n) der Kurbelwelle (2) und einem Aktor (8) zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle (2);
wobei die Sensoreinrichtung (5) und der Aktor (8) in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle (2) angeordnet sind.
22. Anordnung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (5) als Inkrementalgeber ausgebildet ist. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorein richtung (5) eine Auflösung von 360 Inkremente pro Umdrehung der Kurbelwelle (2) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungssteuergerät (9) der Dämpfungsvorrichtung (4) mindestens eine Speichereinrichtung (1 1 ) mit vorher gespeicherten Ansteuerdaten für den Aktor (8) aufweist.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 20, aufweisend:
a) eine Maschine mit einer Welle, insbesondere Hubkolbenmaschine (1 ) mit einer Kurbelwelle (2), und einem Motorsteuergerät (3); und b) eine Dämpfungsvorrichtung (4) mit einem Dämpfungssteuergerät (9) zur Steuerung der Dämpfungsvorrichtung (4), zwei Sensoreinrichtungen (5, 5') zur Erfassung einer Drehzahl (n) der Kurbelwelle (2) und einem Aktor (8) zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle (2);
wobei die zwei Sensoreinrichtungen (5, 5') und der Aktor (8) in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle (2) an dieser angebracht sind, und wobei die zwei Sensoreinrichtungen (5, 5') untereinander in einem axialen Abstand (6a) zueinander angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorein richtungen (5, 5') als Inkrementalgeber ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungssteuergerät (9) der Dämpfungsvorrichtung (4) mindestens eine Steuereinrichtung (10) zur Echtzeitberechnung von Wellendekompositionen aufweist.
28. Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (8) als üblicher Elektromotor, Torque-Motor oder Piezoaktor ausgebildet ist.
29. Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungssteuergerät (9) der Dämpfungsvorrichtung (4) mindestens eine Ansteuereinrichtung (12) für den Aktor (8) aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsvorrichtung (4) eine Einrichtung zur Energierückgewinnung aufweist, die mit dem Aktuator (8) zusammenwirkt.
PCT/EP2014/051737 2013-01-30 2014-01-29 Verfahren zum aktiven dämpfen von drehschwingungen einer welle einer maschine, insbesondere einer kurbelwelle einer hubkolbenmaschine, und eine entsprechende anordnung zur durchführung des verfahrens WO2014118245A1 (de)

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