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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer Brennkraft- maschine mit innerer Verbrennung, mindestens einer Schwungmasse und einer Kraftübertragungseinrichtung.
Das Drehmoment, das von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung abge- geben wird, ist im Allgemeinen periodisch schwankend. Dies hat seine Ursache darin, dass die Gaskräfte, die auf die Kolben wirken, einen vorgegebenen zeitli- chen Verlauf haben und darin, dass durch den Kurbeltrieb je nach Stellung der Kurbelwelle eine unterschiedliche Umsetzung der auf den Kolben wirkenden Kräfte in ein Antriebsmoment erfolgt. Die daraus resultierende Ungleichförmig- keit der Drehbewegung ist eine wesentliche Ursache für die Geräuschentwicklung im Getriebe und für die Belastung und Abnützung der einzelnen Komponenten des Antriebsstranges.
Um diese Probleme in Grenzen zu halten, werden übli- cherweise Systeme von Schwungmassen und Torsionsschwingungsdämpfern vorgesehen, die gewährleisten, dass der Ungleichförmigkeitskoeffizient
8 = (#max - #min)/ #m (1) an der Getriebeeingangswelle einen ausreichend niedrigen Wert annimmt. Dabei bedeutet #min den Minimalwert der Winkelgeschwindigkeit der Welle, comax den Maximalwert der Winkelgeschwindigkeit der Welle und #m den Mittelwert der Winkelgeschwindigkeit. Nachteilig ist dabei jedoch, dass grosse Schwungmassen das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine beeinträchtigen und in den Torsionsschwingungsdämpfern beträchtliche Energiemengen dissipiert werden.
Dies führt nicht nur zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauches, sondern auch zu einer beträchtlichen Erwärmung der Bauteile, so dass aufwendige Massnahmen zur Abführung der Verlustwärme vorgesehen werden müssen. Die oben be- schriebenen Probleme treten insbesondere bei Antriebssystemen für Nutzfahr- zeuge auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu vermeiden und eine Antriebsvorrichtung zu schaffen, bei der die Drehmomentabgabe mög- lichst gleichförmig erfolgt. Dabei soll mit möglichst kleinen Schwungmassen und einer geringen Energiedissipation in Schwingungsdämpfern das Auslangen ge- funden werden.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Schwungmasse mit der Brennkraftma- schine über ein Getriebe mit periodisch veränderlichem Übersetzungsverhältnis
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in Verbindung steht. Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass die Un- gleichförmigkeit des Drehmomentverlaufes der Brennkraftmaschine in Abhängig- keit vom Kurbelwinkel durch ein Getriebe kompensiert wird, das einen ungleich- förmigen Antrieb der Schwungmasse gegenüber der Brennkraftmaschine bewirkt.
Auf diese Weise können Torsionsschwingungen dynamisch kompensiert werden, ohne Energie zu dissipieren. Die Schwungmasse kann dabei in üblicher Weise als Kupplungshälfte einer Schaltkupplung ausgebildet sein, oder auch als getrennter Bauteil ausgeführt sein. Bei einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug wird es sich bei der Kraftübertragungseinrichtung im Allgemeinen um ein Schaltge- triebe handeln. In einer Minimalvariante wirkt der Antriebsstrang selbst als Schwungmasse, mit der die Brennkraftmaschine in ungleichförmiger Weise in Verbindung steht.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftübertragungseinrichtung direkt mit der Schwungmasse verbunden ist. In diesem Fall erfolgt ein gleichsam kinematischer Ausgleich der ungleichförmigen Bewegung der Brennkraftmaschine. Bei gleichmässiger Drehung der Kraftübertra- gungseinrichtung wird auf diese Weise bewirkt, dass die Kurbelwelle der Brenn- kraftmaschine eine Drehbewegung mit periodisch schwankender Winkelge- schwindigkeit ausführt. Bei geeigneter Abstimmung des Getriebes mit periodisch veränderlichem Übersetzungsverhältnis wird dabei durch periodische Beschleuni- gung und Verzögerung der Kurbelwelle und der mit ihr in Verbindung stehenden beweglichen Teile der Brennkraftmaschine ein innerer Ausgleich des schwanken- den Antriebsmoments bewirkt.
Eine alternative Ausführungsvariante der Erfindung geht von einem gleichsam dynamischen Massenausgleich aus, wobei die Brennkraftmaschine eine gleich- mässige Drehbewegung ausführt und die Drehmomentschwankungen durch die ungleichmässige Drehbewegung der Schwungmasse aufgenommen werden. be- vorzugt ist hierbei vorgesehen, dass die Schwungmasse und die Kraftübertra- gungseinrichtung an unterschiedlichen Enden einer Kurbelwelle der Brennkraft- maschine angeordnet sind. Bei dieser Lösung ist jedoch zu beachten, dass die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine durch die Ausgleichsmomente zusätzlich auf Torsion belastet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgese- hen, dass das Getriebe mit periodisch veränderlichem Übersetzungsverhältnis mindestens ein Kardangelenk aufweist. Es ist bekannt, dass ein einzelnes Kar- dangelenk eine ungleichmässige Übertragungsfunktion aufweist, wobei der Grad der Ungleichmässigkeit von dem Winkel a abhängt, in dem die Antriebswelle und
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die Abtriebswelle des Kardangelenks gegeneinander geneigt sind. Die Übertra- gungsfunktion ist periodisch mit zwei vollen Schwingungen pro Umdrehung und lässt sich mathematisch folgendermassen darstellen:
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cosa a stellt dabei den Winkel zwischen den Wellen des Kardangelenkes dar und # ist der Drehwinkel.
Für kleine Werte von a gilt näherungsweise u = 1 - α2cos2# (3) Der Ungleichförmigkeitskoeffizient 8 der Bewegung eines Kardangelenkes beträgt # = sin2α (4) cosa Für kleine a gilt daher näherungsweise # = α2 (5) Wenn es aus konstruktiven Gründen erwünscht ist, dass die Achse der Kurbel- welle der Brennkraftmaschine parallel mit der Achse der Getriebeeingangswelle ist, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Getriebe mit periodisch veränderli- chem Übersetzungsverhältnis zwei Kardangelenke aufweist, die über eine Kar- danwelle miteinander verbunden sind.
Da im Gegensatz zu herkömmlichen Kar- danantrieben eine ungleichförmige Übertragung notwendig ist, dürften in einem solchen Fall die Kardangelenke nicht parallel zueinander ausgerichtet sein, son- dern müssen um einen Winkel gegeneinander verdreht sein. Die höchste Un- gleichförmigkeit ergibt sich bei einem Winkel von 90 . Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das Getriebe mit periodisch veränderlichem Übersetzungsverhält- nis ein Kardangelenk und ein homokinetisches Gelenk aufweist.
Bei der Ungleichförmigkeit des Drehmomentverlaufes einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung handelt es sich üblicherweise nicht um ein Verhalten, das einer Sinuskurve entspricht. Im Allgemeinen jedoch dominiert ein Haupt- schwingungsanteil, demgegenüber die Oberwellen eine geringere Bedeutung aufweisen. Bei einer Reihenbrennkraftmaschine, die im Vier-Takt-Prinzip arbeitet, führt der Hauptschwingungsanteil der Torsionsschwingung N/2 Schwingungen pro Umdrehung der Kurbelwelle aus, wenn N die Anzahl der Zylinder der Brenn- kraftmaschine bedeutet. Bei einer Vierzylinderbrennkraftmaschine sind dies bei-
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spielsweise zwei vollständige Schwingungen pro Kurbelwellenumdrehung.
Da ein Kardangelenk, wie oben beschrieben, ebenfalls zwei Schwingungen pro Kurbel- wellenumdrehung ausführt, kann in diesem Fall ein Schwingungsausgleich er- reicht werden, indem das Kardangelenk direkt an der Kurbelwelle angebracht ist.
Für eine andere Zahl von Zylindern ist es jedoch im Allgemeinen erforderlich, ein Getriebe mit konstantem Übersetzungsverhältnis zwischen das Kardangelenk und die Brennkraftmaschine zu schalten.
In besonders vorteilhafter Weise ist es möglich, ein verallgemeinertes Kardan- gelenk zu verwenden. Dabei ist mindestens ein Zapfen nicht in einem rechten Winkel zur jeweiligen Achse angeordnet, so dass sich ein sphärischer Vierge- lenkmechanismus ergibt. So ist es möglich, eine Übertragungsfunktion zu reali- sieren, deren Verlauf deutlich von einer Sinusschwingung abweicht. Durch die Auswahl der verschiedenen Winkel steht auf diese Weise eine Vielzahl von Para- metern zur Verfügung, die zu einer Optimierung des Systems variiert werden können.
Die geringfügigen verbleibenden Torsionsschwingungen, die hauptsächlich auf- grund von Oberwellen verursacht sind, können ausgeglichen werden, indem zwi- schen der Brennkraftmaschine und einer Schwungmasse ein Torsionsschwin- gungsdämpfer vorgesehen ist. Solche Torsionsschwingungsdämpfer können je- doch im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen wesentlich kleiner ausgeführt werden und dissipieren deutlich weniger Energie. Der Torsionsschwingungs- dämpfer kann auch zwischen der Brennkraftmaschine und der Kraftüber- tragungseinrichtung angeordnet sein, beispielsweise stromabwärts einer Schwungmasse, wenn dort eine solche vorgesehen ist.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwungmasse als Ausgleichswelle zum Ausgleich von Massenkräften ausgebil- det ist. Ausgleichswelle werden in vielen Fällen vorgesehen, um die vom Kurbel- trieb resultierenden Massenkräfte auszugleichen. Wenn der Antrieb der Aus- gleichwellen mit periodisch veränderlichem Übersetzungsverhältnis erfolgt, kön- nen so gleichzeitig die Torsionsschwingungen getilgt werden.
An sich ist es durch die Erfindung möglich, herkömmliche Massnahmen zur Ver- ringerung der Torsionsschwingungen zu ersetzen. Es ist jedoch zur Erzielung op- timaler Ergebnisse auch möglich, eine Kombination mit solchen Massnahmen durchzuführen und beispielsweise ein Zweimassenschwungrad vorzusehen.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren darge- stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen die Fig. 1 bis 3 schematisch verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung, die Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen von Kardangelenken, die für die erfindungsgemässe Vorrichtung verwendet werden, die Fig. 6 eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung und die Fig. 7 und 8 ein verallgemeinertes Kardangelenk.
Die Vorrichtung von Fig. 1 besteht aus einer Brennkraftmaschine 1, mit einer schematisch angedeuteten Kurbelwelle 2. Die Kurbelwelle 2 der Brennkraftma- schine 1 ist über ein Kardangelenk 3 mit einer Schwungmasse 4 verbunden, die als Schaltkupplung ausgebildet sein kann. Eine Kraftübertragungseinrichtung 5 in der Form eines Schaltgetriebes ist mit der Schwungmasse 4 verbunden. Die in der Fig. 1 dargestellte Antriebsvorrichtung ist typischerweise Teil eines Antriebs- stranges eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeuges. Die Achse 2a der Kur- belwelle 2 der Brennkraftmaschine 1 ist um einen Winkel a gegenüber der Achse 5a des Schaltgetriebes 5 geneigt. Daher stellt das Kardangelenk 3 ein Getriebe mit einem periodisch veränderlichem Übersetzungsverhältnis dar. Die Schwan- kungen dieses Übersetzungsverhältnisses steigen mit zunehmendem Winkel a.
Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante ist besonders für Viertakt- Brennkraftmaschinen mit vier Zylindern, die in Reihe angeordnet sind, geeignet.
Die Ausführungsvariante von Fig. 2 unterscheidet sich von der, die in der Fig. 1 dargestellt ist, dadurch, dass das Getriebe mit periodisch veränderlichem Über- setzungsverhältnis durch zwei Kardangelenke 3a, 3b gebildet ist, die durch eine Kardanwelle 3c miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Kurbelwellenachse 2a parallel zur Getriebeachse 5a auszubilden. Direkt mit der Kurbelwelle 2 der Brennkraftmaschine 1 ist eine Schwungmasse 6 vorgesehen, und zwischen Schwungmasse 6 und dem ersten Kardangelenk 3a ist ein Getriebe 7 mit konstantem Übersetzungsverhältnis zwischengeschaltet.
Wenn es sich bei der Brennkraftmaschine 1 beispielsweise um eine Fünfzylinder-Brennkraftma- schine handelt, so wird das Getriebe 7 vorteilhafterweise ein Übersetzungsver- hältnis i = #1/#2 von 4 :5 aufweisen,also beispielsweise aus Zahnrädern mit 25 bzw. 20 Zähnen gebildet sein. Durch diese Übersetzung ins Schnelle wird auch der Vorteil einer geringeren Belastung des Antriebsstrangs erzielt, so dass bei- spielsweise das Schaltgetriebe kompakter ausgeführt werden kann. Auf diese Weise wird die Hauptfrequenz der in der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Tor- sionsschwingungen mit der durch die Kardangelenke 3a, 3b erzeugten Frequenz synchronisiert.
Wie in der Fig. 2 angedeutet, ist es wesentlich, dass die auf der
Kardanwelle angeordneten Gabeln der Kardangelenke 3a, 3b nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, sondern beispielsweise in einem Winkel von 90
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zueinander geneigt sind. Weiters in der Fig. 2 ersichtlich ist ein stromabwärts der Kardangelenke 3a, 3b angeordneter Schwingungsdämpfer 8, der mit der Schwungmasse 4 in Verbindung steht.
Den Ausführungsvarianten von Fig. 1 und von Fig. 2 ist gemeinsam, dass die periodische Beschleunigung und Verzögerung der Kurbelwelle und der von ihr angetriebenen Bauteile, wie etwa Pleuel und Kolben, einen inneren Ausgleich der durch die Gaskräfte hervorgerufenen Ungleichmässigkeit bewirkt.
Die Ausführungsvariante von Fig. 3 stellt eine weitere Möglichkeit dar, den Erfin- dungsgedanken umzusetzen. Dabei steht die Brennkraftmaschine 1 über einen Torsionsschwingungsdämpfer 8 und eine Schwungmasse 14 direkt mit der Kraft- übertragungseinrichtung 5 in Verbindung. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle 2 ist ein Getriebe 13 mit periodisch veränderlichem Übersetzungs- verhältnis angeordnet, das mit einer Schwungmasse 4 in Verbindung steht. Das Getriebe 13 kann beispielsweise als Kettentrieb aus unrunden Kettenrädern aus- geführt sein. Bei einer solchen Ausführungsvariante können auch Torsions- schwingungen höherer Ordnung getilgt werden, da das Übersetzungsverhältnis nicht notwendigerweise in der Form einer Sinuskurve schwanken muss.
Die Ausführungsvariante von Fig. 3 unterscheidet sich von den oben beschriebe- nen Ausführungsvarianten dadurch, dass sich im Fall eines optimalen Torsions- schwingungsausgleiches die Kurbelwelle 2 der Brennkraftmaschine 1 mit einer gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit dreht. Die Drehmomentschwankungen werden durch die Schwungmasse 4 aufgenommen, deren Winkelgeschwindigkeit periodisch schwankt.
In den Fig. 4 und 5 sind mögliche Ausführungsvarianten von Kardangelenken dargestellt. Bei der Ausführungsvariante von Fig. 4 wirkt ein erstes Kardangelenk 3a über eine Kardanwelle 3c mit einem homokinetischen Gelenk 3d zusammen.
Das ungleichförmige Übertragungsverhalten wird durch das Kardangelenk 3a be- wirkt. Bei der Ausführungsvariante von Fig. 5 sind zwei Kardangelenke 3a, 3b vorgesehen, die durch eine Kardanwelle 3c miteinander verbunden sind. Die Ga- beln der Kardangelenke 3a, 3b auf der Kardanwelle 3c sind in einem Winkel von 90 zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird die Ungleichförmigkeit der Be- wegung verdoppelt.
In der Fig. 6 ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt. Dabei sind die
Kardangelenke 3a und 3b mit parallelen Zapfen ausgerichtet, so dass sich von der Brennkraftmaschine 1 zum Schaltgetriebe 5 ein konstantes Übersetzungs- verhältnis ergibt. Auf der Kardanwelle 3c ist eine Schwungmasse 4 angeordnet,
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die sich ungleichförmig bewegt und damit Torsionsschwingungen kompensiert. Es ist für den Fachmann klar, dass die oben beschriebenen Anordnungen miteinan- der kombiniert werden können, um eine optimale Wirkung zu erzielen. Insbeson- dere können mehrere Schwungmassen vorgesehen werden.
Die Fig. 7 ist ein verallgemeinertes Kardangelenk in einem vergrösserten Massstab axonometrisch dargestellt. Das Gelenk besteht aus einer ersten Gabel 15a, die an einer Eingangswelle 16a befestigt ist. Die Gabel 15a trägt drehbar einen Zapfen 17a, der in einem spitzen Winkel #1 zu der Achse der Eingangswelle 16a geneigt ist. In analoger Weise ist der Zapfen 17b der zweiten Gabel 15b in einem spitzen Winkel #2 zu der Achse der Ausgangswelle 16b geneigt. Die beiden Zapfen 17a, 17b sind fest miteinander verbunden und bilden einen kreuzförmigen Bauteil 18. Eine weitere Verallgemeinerung erfolgt dadurch, dass die Zapfen 17a, 17b in einem spitzen Winkel #3 zueinander geneigt sind.
Mit den Winkeln #1, #2 und #3 sowie dem Winkel a stehen somit vier Parameter zur Verfügung, die zur Optimierung des Verhaltens herangezogen werden können.
So können beispielsweise asymmetrische Schwingungsformen dargestellt werden. Bei Verwendung zweier solcher Gelenke nach der Art der Fig. 2 oder Fig.
6 stehen noch mehr Freiheitsgrade für die Optimierung zur Verfügung. In der Fig. 8 sind die Bauteile der Fig. 7 einzeln dargestellt. Die einzelnen Bauteile sind zur vereinfachten Darstellung in die Zeichenebene gedreht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Torsionsschwingungen, die durch Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung verursacht werden, zu verringern.
Da diese Verringerung nicht durch eine Dämpfung, sondern durch eine Schwin- gungstilgung erzielt wird, wird Energie nicht vernichtet, was sich in einem verrin- gerten Kraftstoffverbrauch und der Vermeidung unnötiger Wärmeentwicklung auswirkt. Die Effizienz der Vorrichtung ist im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Durch die vorliegende Erfindung kann insge- samt das Betriebsgeräusch und die Belastung des Antriebsstranges verringert werden.