CN114729674A - 带扭振减振器的曲轴组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于内燃机的曲轴组件，其包括：a.)曲轴；b.)扭振减振器，其包括初级质量和飞轮；c.)初级质量与曲轴固定连接并且飞轮和初级质量经由粘性流体联接；d.)扭振减振器安装在曲轴的输出端上；e.)初级质量经由弹性体联轴器环与次级联轴器联接。扭振减振器经由反馈装置与次级联轴器联接。反馈装置具有负刚度。并且本发明涉及一种用于对曲轴组件的曲轴的扭振进行阻尼的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的具有扭振减振器的曲轴组件。本发明还涉及一种用于阻尼内燃机曲轴的扭振的方法。
背景技术
往复式内燃机的曲轴通常通过弹性的联轴器(弹性体联轴器)连接到相关的传动系(例如变速器、发电机等)，弹性的联轴器将传动系与往复式发动机的旋转不均匀性隔离开来。轴的旋转不均匀性应理解为整个轴的转速波动。
隔离频率、即在其之上不再传递振动的频率主要是由弹性体联轴器的刚度引起的，其中低的刚度导致低的隔离频率。但这个刚度不能选择成任意低，否则弹性体联轴器不能传递静力矩并且静扭角如此之大，使得弹性体材料中的应力超过允许极限。因此，必须在隔离程度和弹性体联轴器的耐用性之间找到折衷方案。
还有其它方法可以减少旋转不均匀性，例如通过使用所谓的协调质量阻尼器或速度自适应减振器。为此附加的抗震质量与***连接并且通过合适地选择抗震质量的联接参数将能量从待阻尼的***转移到抗震质量的振动中，由此产生一个使得主***安静的力矩。具有抗震质量的***的成本被认为是不利的。
文献WO2017/158131A2描述了一种具有扭振减振器的曲轴组件。这种指定的组合，也称为飞轮集成阻尼器和联轴器(FIDC)，可以抑制扭振并隔离传动系。在此被认为是不利的是，与曲轴在前端设置有阻尼器而在另一端设置联轴器的传统结构相比，传动系的隔离不提供任何显著的优点。
已经提出了具有所谓负机械刚度的元件用于振动隔离。形成这种负机械刚度的所需元件只能以相对复杂的方式实现为硬件。具有负刚度的***通常只在非常有限的工作范围内这样做。示例例如是在“突破点”运行的碟形弹簧。在更大的工作范围或更大的横向路径上显示负刚度的解决方案是主动元件，其中机械特性必须通过闭环控制来实现。
文献WO2019/185196A1描述了线性的磁力弹簧及其在减振器中的应用：线性的磁力弹簧也可以用作“负弹簧”。与“正弹簧”一样，在中间或初始位置没有力(扭矩)。如果运动部分偏离该位置，则没有产生复位力，而是产生随着偏离中心起始位置而线性增加的偏转力(扭矩)。
三菱电机株式会社公关部在2019-02-07公开的第3251号文件(https://de.mitsubishielectric.com/de/news-events/releases/global/2019/0207-b/pdf/190207-b_3251_de_de.pdf)描述了一种具有负刚度的被动设备，用于在摩天大楼的电梯中闭环控制绳索振动。负刚度是众所周知的原理。在此一个力作用在与正常弹簧的复位力相反的方向上。负刚度是通过永磁铁来实现的，其彼此面对放置以将绳索夹在它们之间。
还有其它使用负刚度的示例。
因此，文献EP3521656A1说明了一种具有负刚度的隔振设备。
文献DE102014118609A1描述了一种利用负刚度来进行主动的悬架阻尼的方法和设备。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有改进的传动系隔离的曲轴组件。
该目的通过权利要求1的内容来解决。
该目的还通过如权利要求15所述的方法来实现。
根据本发明的构思基于这样的认识，即在飞轮集成阻尼器和联轴器FIDC中已经存在的元件的附加的联接或者说耦合导致可以显著改善传动系的隔离。该附加的联接是飞轮(减振器质量)与联轴器次级侧的联接。这里的决定性因素是这种附加的联接具有负刚度，从而产生所需的特性。
根据本发明的用于内燃机的曲轴组件包括：a.)曲轴；b.)具有初级质量和飞轮的扭振减振器；c.)其中初级质量与曲轴固定连接并且飞轮和初级质量通过粘性流体联接；d.)其中扭振减振器安装在曲轴的输出端上；e.)初级质量通过弹性体联轴器环与次级联轴器联接。扭振减振器通过反馈装置与次级联轴器联接。
在优选实施例中，反馈装置具有负刚度。通过这种具有负刚度的附加联接，可以有利地显著减少扭振和转动不均匀性。以这种方式，可以通过负刚度形成期望特性。即使具有负刚度的机械元件单独表现不稳定，整个***的稳定性也可以通过已经存在的其它元件来实现。
这产生的优点是，由于反馈装置，传动系的次级侧可以比现有技术中具有明显更小的旋转不均匀性。
另一个优点是可以实现对传动系部件的较小负载，例如较少的变速器磨损。在发电机的情况下，可以增加产生的交流电的正弦振荡的“清洁度”，即可以提高频率稳定性和幅度稳定性。
根据本发明的用于对根据上述曲轴组件的曲轴的扭振进行阻尼或者说减振的方法具有第一方法步骤(S1)，在第一方法步骤中提供设备，该设备具有扭振减振器，该扭振减振器具有初级联轴器，该初级联轴器包括初级质量和位于外侧的飞轮，并且该设备具有次级联轴器，该次级联轴器具有弹性体联轴器环，在第二方法步骤(S2)中借助于飞轮与初级质量的联接实现扭振的阻尼或减振，其中借助于初级质量自身与次级联轴器的联接实现进一步的阻尼或减振。在第三方法步骤(S3)中实施扭振的阻尼或减振并且同时借助于负刚度实施传动系的隔离，该负刚度促成次级联轴器向飞轮的反馈。
与现有技术相比，这种通过负刚度实现的联接方式是特别有利的，因为与现有技术相比，可以实现旋转不均匀性的改进地减少并且同时实现曲轴的传动系的非常好的隔离。
本发明的有利改进由从属权利要求给出。
在进一步的实施例中，扭振减振器的飞轮是位于外侧的飞轮，反馈装置与该飞轮联接。这是有利的，因为用于反馈装置的飞轮可很容易从外部接近。
在又一个实施例中，负刚度具有弹簧元件。弹簧是常见的部件，可在市场上以低成本和高质量有利地获得。
在此，反馈装置的负刚度的弹簧元件在次级联轴器的外环的圆周上且在扭振减振器的飞轮的对置的边缘上均匀分布地安装并且在径向方向上延伸。这导致有利的、简单的和节省空间的结构。
有利的是，反馈装置的负刚度的弹簧元件分别具有至少一个预紧的螺旋弹簧。因此每个弹簧都可以轻松调整和适配。
在优选实施例中，具有负刚度的反馈装置包括四个或更多个弹簧元件。
在替代实施例中，反馈装置的负刚度具有磁铁元件。这是有利的，因为这些常见的构件可在市场上以低成本和高质量获得。
在一个另外的实施例中，第一磁铁元件在飞轮的边缘的圆周上均匀分布地安装，第二磁铁元件在次级联轴器的外环的圆周上均匀分布地安装。这种结构紧凑且节省空间。
在一个优选实施例中，具有负刚度的反馈装置可以具有至少四个或更多个第一磁铁元件和至少四个或更多个第二磁铁元件。这里的优点是对不同应用的适应性。
又一实施例规定，在每两个相邻的第一磁铁元件之间围绕旋转轴线的角度和在每两个相邻的第二磁铁元件之间围绕旋转轴线的角度为90°，其中在各一个第一磁铁元件和一个第二磁铁元件之间围绕旋转轴线的角度的值为45°。这种结构有利地简单且紧凑。
在另一个实施例中，第一磁铁元件以北极指向旋转轴线，其中第二磁铁元件以北极指向旋转轴线。这有利于设定负刚度。
磁铁元件是永磁铁也是有利的，其可作为标准部件以低成本和高质量获得。
如果磁铁元件设计为电磁铁，则负刚度的值可以通过相应的开环控制装置被调节、适配并且也可以根据相应的参数被闭环控制。这样，可以有利地实现正反馈放大器。
永磁铁和电磁铁的组合在某些应用中也可能是有利的。
弹簧元件和磁铁元件的进一步组合也是可以设想的并且有利地扩展了对不同应用的适应性。
附图说明
下面结合附图描述本发明的一个实施例。其中：
图1示出了根据现有技术的曲轴组件；
图2示出了根据现有技术的另一种曲轴组件或用于阻尼扭振的设备的截面；
图3示出了根据本发明的曲轴组件的截面，曲轴组件具有根据本发明的用于阻尼扭振的设备的实施例；
图4-5示出具有负刚度的反馈装置的实施例的示意图；
图6-7是扭振曲线的图形视图；并且
图8示出了根据本发明的方法的示意流程图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的曲轴组件。
图2示出了根据现有技术的另一曲轴组件或用于阻尼扭振的设备100'的截面。
曲轴组件1特别适用于活塞发动机、尤其适用于内燃机。具有旋转轴线2a的曲轴2在驱动端6处与扭振减振器3(扭振阻尼器)连接。因此，扭振减振器3处于未示出的飞轮的初始位置。
由于扭振减振器3还具有降低配设有曲轴2的发动机的旋转不均匀性的任务，因此扭振减振器需要在初级质量4和次级质量5之间进行适当的协调，该初级质量与曲轴2固定连接，该次级质量5以抗震、弹性阻尼的方式安装在初级质量4上。
适当的协调意味着在低转速时、即在低频时初级质量4和次级质量5之间的连接可以被认为是刚性的。两个质量4、5形成一个单元并在低转速时充当飞轮。在这种情况下，发动机中的扭振起次要作用。对于这样的曲轴组件1，不需要另一个飞轮。
在较高的转速时、即在较高的频率时，较大的次级质量5发挥作用并阻尼扭振。扭振减振器3以其初始形式工作。在这种运行状态时、即在高转速时，旋转不均匀性起次要作用。
示例中所示的曲轴组件1显示了四缸发动机的原理示意图。本发明不限于此，它还可以用作具有更少或更多气缸数量的发动机(特别是具有六个、八个、十个、十二个或更多气缸的发动机，或者还有多达20个气缸的V型发动机)的曲轴组件。
图2中的扭振减振器3是例如粘性阻尼器并且具有与曲轴2固定连接的初级质量4和在此构成为环的次级质量5，该环可以在初级质量4的腔室中旋转，在这两个质量之间的间隙填充有粘性介质、例如硅油。在这里，适当的协调也意味着在低转速时、即在低频时初级质量4和次级质量5可以被视为一个单元。
具有弹性体-联轴器环8的联轴器功能区段也直接集成到扭振减振器3中并且形成次级联轴器9。弹性体联轴器环8一方面连接到初级质量4的轮毂状内环7并且另一方面与次级联轴器9的外环8连接。外环8通过连接区段9b联接到输出端10、例如未示出的变速器的输入元件，该变速器属于也未示出的但是可设想的传动系。
这种设计也被称为“飞轮集成阻尼器和联轴器”(Flywheel-Integrated Damperand Coupling＝FIDC)。
图3示出了根据本发明的曲轴组件1的截面，该曲轴组件具有根据本发明的用于阻尼扭振的设备100的实施例。
设备100包括具有初级质量4和飞轮12的作为粘性扭振减振器3的初级联轴器11、具有弹性体联轴器环8的次级联轴器9以及反馈装置13。
飞轮12与初级质量4联接。这在图3中显示为初级联轴器11。
初级联轴器11包括：连接到曲轴2的初级质量4，初级质量具有带有环绕凸缘的盘形阻尼元件11a；以及带有腔室12a的飞轮12，阻尼元件11a以及未详细描述的流体容纳在该腔室中。腔室12a通过未详细描述的密封件12b相对于初级质量4的轴密封。这种结构具有一定的刚度和阻尼。
与图2中所示的现有技术的飞轮5相比，飞轮12在此构成为位于外侧的飞轮12。飞轮12还具有指向输出端10的环绕的边缘12c。下面进一步描述边缘12c。
初级质量4自身也联接到次级联轴器9。该联接在图3中示例地通过弹性体联轴器环8实现，该弹性体联轴器环一方面连接到初级质量4的轮毂状内环7并且另一方面连接到次级联轴器9的外环8。
与现有技术相比，飞轮12通过刚度联接到次级联轴器9。该刚度在这里构成为反馈装置13的所谓负刚度。反馈装置13将飞轮12的边缘12c与次级联轴器9的外环9a连接。
反馈装置13形成了已经存在于FIDC(参见图2)中的元件的附加联接并且导致可以决定性地改进传动系的隔离。该附加联接是飞轮12(减振器质量)与次级联轴器9的次级侧、即与外环9a的联接。在此决定性的是这种附加的联接必须具有负刚度，以便实现所期望的特性。具有负刚度的机械元件单独表现不稳定，整个***的稳定性是通过其它现有的联接来实现的。
飞轮12通过负刚度与次级联轴器9的联接可以使用各种技术方法实现，例如使用适当布置的磁铁或使用预紧的弹簧或使用具有正反馈放大器的主动***。
图4示出了带有弹簧元件14的具有负刚度的反馈装置13的第一实施例的示意图。
图5示出了具有磁铁元件15、16的具有负刚度的反馈装置13的第二实施例的示意图。
在该第一实施例中，反馈装置13具有四个弹簧元件14-1、14-2、14-3和14-4，它们均匀分布地安装在次级联轴器9的外环9a的圆周上和飞轮12的相对置的边缘12c上并且沿径向延伸。在每两个相邻的弹簧元件14-1、14-2、14-3、14-4之间围绕旋转轴线2a的角度在此为90°。
每个弹簧元件14-1、14-2、14-3、14-4在此由至少一个预紧的螺旋弹簧组成。当然，也可以使用多于四个弹簧元件14。
在反馈装置13的第二实施例中，四个第一磁铁元件15-1、15-2、15-3、15-4均匀地如此安装在飞轮12的边缘12c的圆周上，使得它们各自的北极(标记为“+”)指向旋转轴线2a。在每两个相邻的第一磁铁元件15-1、15-2、15-3、15-4之间围绕旋转轴线2a的角度在此为90°。
此外，在次级联轴器9的外环9a的圆周上，四个第二磁铁元件16-1、16-2、16-3、16-4均匀地安装在次级联轴器9的外环9a的圆周上。在每两个相邻的第二磁铁元件16-1、16-2、16-3、16-4之间围绕旋转轴线2a的角度在此为90°，其中在各一个第一磁铁元件15-1、15-2、15-3、15-4和第二磁铁元件16-1、16-2、16-3、16-4之间围绕旋转轴线2a的角度为45°。
第二磁铁元件16-1、16-2、16-3、16-4布置成，使得它们的南极(这里用“-”表示)径向向外指向远离旋转轴线2a，或者它们的北极指向旋转轴线2a。
磁铁元件15-1、15-2、15-3、15-4和16-1、16-2、16-3、16-4布置成，使得次级联轴器9的外环9a和边缘12c的面向旋转轴线2a的内侧之间的环形区域保持空出。
磁铁元件15-1、15-2、15-3、15-4和16-1、16-2、16-3、16-4在这里被设计为永磁铁。但也可以设想，它们可以设计成电磁铁。在这种情况下，可以考虑开环控制以这种方式形成的反馈装置13。也可以根据不同的参数(例如速度、发动机负载等)进行闭环控制。以此方式，就可以实现上述具有正反馈放大器的主动***。
也可以分别使用四个以上的磁铁元件15、16。
图6是根据现有技术的设备100'的扭振减振器3的扭振曲线20'的图形视图。
图7示出了根据本发明的设备100的扭振曲线20的图形视图。
研究得出了在图6和7中的扭振曲线20'、20。
扭振曲线20'以其振幅A随转速n绘制。在大约1050rpm的转速n时，在现有技术中显示出一个幅度最大值，其在大约A＝0.2的幅度值时处在900rpm和1200rpm之间的范围21'的大约中间处。
使用根据本发明的设备100，可以将旋转不均匀性降低约75％。这由图7中的扭振曲线20清楚地示出。在区域21中的幅度A明显低于出现在图6中的区域21'中的幅度最大值。此外，不再有任何极端的幅度最大值，幅度A始终保持低于A＝0.05的值并且不超过该值。
图8示出了根据本发明的用于阻尼曲轴2的扭振的方法的示意性流程图。
在第一方法步骤S1中，提供了设备100，其具有扭振减振器3和次级联轴器9，该扭振减振器具有初级联轴器11，该初级联轴器具有初级质量4和飞轮12，该次级联轴器具有弹性体联轴器环8。
第二方法步骤S2规定，通过将飞轮12与初级质量4联接来进行扭转减振，其中通过将初级质量4与次级联轴器9联接来进行进一步的减振/阻尼。
最后，在第三方法步骤S3中，实现扭振的衰减/阻尼并且同时借助于负刚度实施传动系的隔离，该负刚度促成次级联轴器向飞轮的反馈。
通过这种方式，可以显著减少旋转不均匀性或扭振，并提高传动系的隔离效果。此外，可以实现传动系部件上的较低负载，例如较低的变速器磨损。在发电机的情况下，可以增加所产生的交流电的正弦振荡的“清洁度”，即可以提高频率稳定性和幅度稳定性。
本发明不受上述实施例的限制，而是可以在权利要求的范围内进行修改。
可以设想，反馈装置13具有由弹簧元件14和磁铁元件15、16构成的组合。
磁铁元件15、16也可以作为永磁铁和电磁铁进行组合。
附图标记清单
1 曲轴组件
2 曲轴
2a 旋转轴线
3 扭振减振器
4 初级质量
5 次级质量
6 曲轴驱动端
7 内环
8 弹性体联轴器环
9 次级联轴器
9a 外环
9b 连接区段
10 输出端
11 初级联轴器
11a 阻尼元件
12 飞轮
12a 腔室
12b 密封元件
12c 边缘
13 反馈装置
14-1、14-2、14-3、14-4 弹簧元件
15-1、15-2、15-3、15-4 第一磁铁元件
16-1、16-2、16-3、16-4 第二磁铁元件
17、18、19 特性曲线
20、20' 扭振曲线
21、21' 区域
100、100' 设备
A 幅度
F 力
S1、S2、S3 方法步骤
x 路径。
Claims (14)
1.一种用于内燃机的曲轴组件(1)，该曲轴组件包括：
a.曲轴(2)；
b.扭振减振器(3)，其包括初级质量(4)和飞轮(12)；
c.初级质量(4)与曲轴(2)固定连接并且飞轮(12)和初级质量(4)经由粘性流体联接；
d.扭振减振器(3)安装在曲轴(2)的输出端上；
e.初级质量(4)经由弹性体联轴器环(8)与次级联轴器(9)联接；
f.扭振减振器(3)经由反馈装置(13)与次级联轴器(9)联接，其特征在于，反馈装置(13)具有负刚度。
2.根据权利要求1所述的曲轴组件(1)，其特征在于，扭振减振器(3)的飞轮(12)是位于外侧的飞轮(12)，反馈装置(13)与该飞轮联接。
3.根据权利要求2所述的曲轴组件(1)，其特征在于，负刚度具有弹簧元件(14-1，14-2，14-3，14-4)。
4.根据权利要求3所述的曲轴组件(1)，其特征在于，反馈装置(13)的负刚度(kn)的弹簧元件(14-1，14-2，14-3，14-4)在次级联轴器(9)的外环(9a)的圆周上且在扭振减振器(3)的飞轮(12)的对置的边缘(12c)上均匀分布地安装并且在径向方向上延伸。
5.根据权利要求3或4所述的曲轴组件(1)，其特征在于，反馈装置(13)的负刚度的弹簧元件(14-1，14-2，14-3，14-4)分别具有至少一个预紧的螺旋弹簧。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的曲轴组件(1)，其特征在于，具有负刚度的反馈装置(13)具有四个或更多个弹簧元件(14-1，14-2，14-3，14-4)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的曲轴组件(1)，其特征在于，反馈装置(13)的负刚度具有磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4；16-1，16-2，16-3，16-4)。
8.根据权利要求7所述的曲轴组件(1)，其特征在于，第一磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4)在飞轮(12)的边缘(12c)的圆周上均匀分布地安装，第二磁铁元件(16-1，16-2，16-3，16-4)在次级联轴器(9)的外环(9a)的圆周上均匀分布地安装。
9.根据权利要求7或8所述的曲轴组件(1)，其特征在于，具有负刚度的反馈装置(13)具有至少四个或更多个第一磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4)和至少四个或更多个第二磁铁元件(16-1，16-2，16-3，16-4)。
10.根据权利要求9所述的曲轴组件(1)，其特征在于，在每两个相邻的第一磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4)之间围绕旋转轴线(2a)的角度和在每两个相邻的第二磁铁元件(16-1，16-2，16-3，16-4)之间围绕该旋转轴线的角度为90°，其中，在各一个第一磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4)和一个第二磁铁元件(16-1，16-2，16-3，16-4)之间围绕该旋转轴线(2a)的角度的值为45°。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的曲轴组件(1)，其特征在于，第一磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4)以北极指向旋转轴线(2a)，第二磁铁元件(16-1，16-2，16-3，16-4)以北极指向旋转轴线(2a)。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的曲轴组件(1)，其特征在于，磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4；16-1，16-2，16-3，16-4)是永磁铁。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的曲轴组件(1)，其特征在于，磁铁元件(15-1，15-2，15-3，15-4；16-1，16-2，16-3，16-4)构成为电磁铁。
14.一种用于对根据上述权利要求中任一项所述的曲轴组件(1)的曲轴(2)的扭振进行阻尼的方法，其中
在第一方法步骤(S1)中提供设备(100)，该设备具有扭振减振器(3)，该扭振减振器具有初级联轴器(11)，该初级联轴器包括初级质量(4)和位于外侧的飞轮(12)，并且该设备具有次级联轴器(9)，该次级联轴器具有弹性体联轴器环(8)，在第二方法步骤(S2)中借助于飞轮(12)与初级质量(4)的联接实现扭振阻尼，其中借助于初级质量(4)自身与次级联轴器(9)的联接实现进一步的阻尼，
其特征在于，
在第三方法步骤(S3)中实施扭振的阻尼并且同时借助于负刚度实施传动系的隔离，该负刚度促成次级联轴器(9)向飞轮(12)的反馈。
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