DE10010095A1 - Kurbelwelle mit hoher Schwingungsdämpfung - Google Patents
Kurbelwelle mit hoher SchwingungsdämpfungInfo
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Abstract
Kurbelwelle mit hoher Schwingungsdämpfung, wobei die Kurbelwelle (1) mit einem Schwungrad (3), einem Kurbelwellen-Startergenerator (4), dessen Rotor (5) als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist, und einem drehzahladaptiven Tilger (10) versehen ist, die so an der Kurbelwelle (1) angeordnet und aufeinander in ihrer Dämpf- und Tilgerwirkung abgestimmt sind, das über den gesamten Drehzahlbereich (N) der Kurbelwelle (1) eine minimale Schwingungsamplitude (A) an der Kurbelwelle (1) gegeben ist.
Description
Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren werden durch Gas- und
Massenkräfte zu Schwingungen angeregt, die die Dauerhaltbarkeit der
Kurbelwelle herabsetzen. Außerdem können dadurch erhebliche Geräusche
entstehen, die den Fahrkomfort mindern. Verschiedene Maßnahmen sind
bekannt, um hier Verbesserungen zu erreichen.
Um Drehzahlschwankungen auszugleichen, werden Kurbelwellen mit
Schwungrädern ausgestattet, die bei Kurbelwellen für die heute üblichen
Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zwischen Motor und Getriebe starr
an der Kurbelwelle befestigt sind.
Weit verbreitet ist auch der Einsatz von Torsionsschwingungsdämpfern, die
eine Reduzierung der Torsionseigenschwingungen von Kurbelwellen durch
Dämpfung oder Tilgung erreichen. Die Dauerhaltbarkeit der Kurbelwelle wird
gewährleistet und eventuelle Überbeanspruchungen der Welle vermieden.
Die Torsionsschwingungsdämpfer sind (siehe DE 25 21 107) in der Regel
aus einer Nabe gebildet, an der über eine Elastomerschicht eine Schwung
masse befestigt ist. Die Elastomerschicht ist als Elastomerfeder ausgebildet
und so ausgelegt, daß sich eine Tilgerwirkung einstellt und durch die Reduk
tion der Torsionseigenschwingungen der Kurbelwelle, zum Beispiel im
höherfrequenten Bereich, eine Reduzierung von Geräuschen stattfindet.
Üblich ist die Anordnung des Torsionsschwingungsdämpfers am freien Ende
der Kurbelwelle, das heißt am dem Schwungrad gegenüberliegenden
Kurbelwellenende.
Eine andere Möglichkeit Schwingungen an der Kurbelwelle zu reduzieren,
besteht im Einsatz von drehzahladaptiven Tilgern, wie sie beispielsweise in
der DE 198 31 153 A1 dargestellt sind. An Stelle der Dämpfungswirkung, die
darin beruht, daß die Amplituden durch Energiedissipation reduziert werden,
wird bei drehzahladaptiven Tilgern die ihnen zugeführte Energie zwischen
gespeichert und durch eine phasenversetzte Rückspeisung an das schwin
gende System zur Schwingungsreduktion ausgenutzt. Die drehzahladaptiven
Tilger haben eine der Drehzahl proportionale Eigenfrequenz. Somit ist eine
zur Kurbelwellendrehzahl proportionale Starrkörperschwingung (Dreh
ungleichförmigkeit), wie sie zum Beispiel aufgrund der durch den Verbren
nungsprozeß und die Verhältnisse im Kurbeltrieb verursachten zeitlich dis
kontinuierlichen Momenteneinteilung entsteht, im gesamten Drehzahlbereich
tilgbar. Ein Anwendungsbereich der drehzahladaptiven Tilger besteht in der
Verbindung des Tilgers mit dem Schwungrad, das am getriebeseitigen Ende
der Kurbelwelle befestigt ist.
Eine neuere Entwicklung geht dahin, daß Kurbelwellen-Startergeneratoren
so ausgebildet und angeordnet werden, daß die Rotoren als Torsions
schwingungsdämpfer dienen, siehe DE 44 06 481 A1. Diese elektrischen
Kurbelwellen-Startergeneratoren haben den Vorteil, daß die Übertragung der
Startenergie berührungslos und somit verschleißfrei erfolgt. Außerdem ver
ursacht der Startvorgang keine zusätzlichen Geräusche, so daß eine Start-
Stopp-Automatik mit häufig notwendigen Startvorgängen realisiert werden
kann.
Jede der obigen Maßnahmen hat eine Reihe von Vorteilen und erfüllt für das
betreffende Einsatzgebiet die gestellten Anforderungen. Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine hohe Schwingungsdämpfung an einer
Kurbelwelle zu erreichen und gleichzeitig die durch die eingesetzten Mittel
verursachten Massenkräfte auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Sowohl die
Torsionsschwingungen als auch die Drehungleichförmigkeiten der
Kurbelwelle sollen auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß
die Kurbelwelle mit einem Schwungrad, einem Kurbelwellen-
Startergenerator, dessen Rotor als Torsionsschwingungsdämpfer
ausgebildet ist, und einem drehzahladaptiven Tilger versehen ist, die so an
der Kurbelwelle angeordnet und aufeinander in ihrer Dämpf- und
Tilgerwirkung abgestimmt sind, daß über den gesamten Drehzahlbereich der
Kurbelwelle eine minimale Schwingungsamplitude gegeben ist.
Eine vorteilhafte Maßnahme hierfür besteht darin, daß der als
Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildete Rotor des Kurbelwellen-
Startergenerators auf die dominante Ordnung der Drehungleichförmigkeit bei
einer bestimmten Drehzahl abgestimmt ist und hier einen drehzahladaptiven
Tilger in seiner Wirkung unterstützt. Im Leerlaufbereich sind die Drehwinkel-
Amplituden der Kurbelwelle am größten, so daß hier eine besonders starke
Absenkung vorteilhaft ist. Der drehzahladaptive Tilger kann dann kleiner und
leichter ausgebildet werden.
Die optimale Lösung wird dann erreicht, wenn auch der drehzahladaptive
Tilger auf die dominante Ordnung der Drehzahlungleichförmigkeit des
Motors abgestimmt ist.
Das Schwungrad und der Kurbelwellen-Startergenerator können am
getriebeseitigen Ende der Kurbelwelle und der drehzahladaptive Tilger am
freien Ende der Kurbelwelle angeordnet sein. Diese Anordnung ermöglicht
eine nicht unerhebliche Gewichtsreduzierung an dem Schwungrad. Ohne
daß die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle dadurch beeinträchtigt
werden würde.
Die besonders günstige Ausführungsform sieht jedoch vor, daß das
Schwungrad und der drehzahladaptive Tilger am getriebeseitigen Ende der
Kurbelwelle und der Kurbelwellen-Startergenerator am freien Ende der
Kurbelwelle angeordnet sind. Ein Torsionsschwingungsdämpfer üblicher
Bauart wird nicht mehr benötigt, da diese Aufgabe vom Rotor des
Kurbelwellen-Startergenerators übernommen werden kann. Alternativ dazu
kann der drehzahladaptive Tilger kleiner gemacht werden, wenn der Rotor
als Torsionsschwingungsdämpfer gegen die Drehungleichförmigkeit im
Leerlaufbereich des Motors abgestimmt ist.
Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm mit dem Amplitudenverlauf der
Drehungleichförmigkeit über der Frequenz,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kurbelwelle mit
Schwingungsdämpfern,
Fig. 3 eine Kurbelwelle, ebenfalls schematisch mit einer anderen
Anordnung der Dämpfungseinrichtungen,
Fig. 4 eine Kurbelwelle mit den Schwingungsdämpfern am
getriebeseitigen Kurbelwellenende und
Fig. 5 eine Kurbelwelle mit drehzahladaptivem Tilger und Starter-
Generator am freien und Schwungrad am getriebeseitigen Ende der
Kurbelwelle.
In dem Diagramm der Fig. 1 ist im Koordinatensystem der
Schwingungsverlauf als Abhängigkeit der Drehungleichförmigkeitsamplitude
von der Drehzahl eingezeichnet. Die Kurve X gibt den Schwingungsverlauf
einer Kurbelwelle mit Schwungrad wieder Bei Einsatz eines Kurbelwellen-
Startergenerators mit einem Rotor als Torsionsschwingungsdämpfer, der auf
den Leerlaufbereich L des Motors abgestimmt ist, entsteht ein
Schwingungsverlauf gemäß der Kurve Y. Durch den Kurbelwellen-
Startergenerator findet zunächst eine starke Herabsetzung der
Schwingungsamplituden A statt, so daß beispielsweise bei einer im Leerlauf
üblichen Drehzahl N von 1000 Umdrehungen/min ein Minimum erreicht wird.
Mit zunehmender Drehzahl steigt die Kurve Y jedoch wieder an, um nach
Erreichen eines Maximums bei beispielsweise 2000 Umdrehungen/min
wieder abzufallen. Die Kurve Z zeigt den Schwingungsverlauf bei Einsatz
des drehzahladaptiven Tilgers. Der Tilger reduziert die
Drehungleichförmigkeit gleichmäßig über den gesamten Drehzahlbereich.
Die insgesamt beste Reduktion der Schwingungsamplitude gemäß der Kurve
R wird durch den Einsatz eines drehzahladaptiven Tilgers in Kombination mit
einem als Torsionsschwingungsdämpfer genutzten Kurbelwellen-
Startergenerators erzielt. Der drehzahladaptive Tilger bewirkt im
Zusammenwirken mit dem Kurbelwellen-Startergenerator einen
Kurvenverlauf der deutlich unterhalb der Kurve Y liegt und bei der ein
Minimum im Leerlaufbereich bzw. ein Maximum nach Verlassen des
Leerlaufbereichs zu höheren Drehzahlen hin erheblich vermindert auftritt.
Die an der Welle angebrachten Dämpfer bzw. Tilger können vom
Gewichtsumfang auf ein Minimum reduziert werden. Dies trifft auch auf das
eingesetzte Schwungrad zu.
In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der
schwingungsdämpfenden bzw. tilgenden Teile schematisch dargestellt. Die
Kurbelwelle 1 ist an ihrem getriebeseitigen Ende 2 mit dem Schwungrad 3
und dem Kurbelwellen-Startergenerator 4 versehen. Der Kurbelwellen-
Startergenerator 4 ist mit einem Rotor 5 versehen, der als
Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist. Die Schwungmasse 6 ist über
das Gummifederelement 7 in geeigneter Weise mit der Nabe 8 verbunden.
Der Stator 11 des Startergenerators 4 ist an dem nicht näher gezeigten
Motorgehäuse befestigt. Am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1 ist der
drehzahladaptive Tilger 10 befestigt, der an sich bekannter Bauart ist. In der
DE 196 04 160 C1 ist beispielsweise ein solcher Tilger behandelt. Der Rotor
5 des Kurbelwellen-Startergenerators 4 ist als Torsionsschwingungsdämpfer
ausgebildet.
Ergänzend zu obigen Maßnahmen wird der drehzahladaptive Tilger 10 am
freien Ende 9 der Kurbelwelle 1 so abgestimmt, daß mit ihm wie in Fig. 1
gezeigt, die dort beschriebene weitere Verringerung der Amplituden A über
den gesamten Drehzahlbereich erzielt wird.
Die Fig. 3 zeigt die Ausführungsform der Erfindung, mit der eine
höchstmögliche Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger größtmöglicher
Dämpfung bzw. Tilgung der Amplituden A möglich ist. In diesem Fall ist das
getriebeseitige Ende 2 der Kurbelwelle 1 mit dem Schwungrad 3 und dem
drehzahladaptiven Tilger 10 versehen. Das Schwungrad 3 und der Tilger 10
können hier beispielsweise zu einer Einheit zusammengefaßt werden. Der
Kurbelwellen-Startergenerator 4 ist am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1
angeordnet. Der Rotor 5 ist als Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet mit
der Schwungmasse 6, der Gummifeder 7 und der auf dem Wellenende 9
angebrachten Nabe 8. Der Stator 11 befindet sich am Motorgehäuse.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der Schwungrad 3, drehzahladaptiver
Tilger 10 und Kurbelwellen-Startergenerator 4 am getriebeseitigen Ende 2
der Kurbelwelle 1 aufgesetzt sind. Dieses ist von Vorteil, wenn am freien
Kurbelwellenende 9 kein Bauraum für den Kurbelwellen-Startergenerator 4
oder den drehzahladaptiven Tilger 10 vorhanden ist. Außerdem reduziert sich
bei dieser Anordnung die Beanspruchung der Kurbelwelle durch
Torsionseigenresonanz.
In der Fig. 5 ist schließlich eine Lösung gezeigt, bei der das Schwungrad 3
am getriebeseitigen Ende 2 der Kurbelwelle 1 und der drehzahladaptive
Tilger 10 mit dem Startergenerator 4 am freien Ende 9 der Kurbelwelle 1
angebracht sind. Diese Anordnung wird bevorzugt bei wenig Bauraum am
dem getriebeseitigen Ende 2 der Kurbelwelle 1.
Claims (7)
1. Kurbelwelle mit hoher Schwingungsdämpfung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (1) mit einem Schwungrad (3),
einem Kurbelwellen-Startergenerator (4), dessen Rotor (5) als
Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildet ist, und einem
drehzahladaptiven Tilger (10) versehen ist, die so an der Kurbelwelle (1)
angeordnet und aufeinander in ihrer Dämpf und Tilgerwirkung
abgestimmt sind, das über den gesamten Drehzahlbereich (N) der
Kurbelwelle (1) eine minimale Schwingungsamplitude (A) an der
Kurbelwelle (1) gegeben ist.
2. Kurbelwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als
Torsionsschwingungsdämpfer ausgebildete Rotor (5) des Kurbelwellen-
Startergenerators (4) auf die dominante Ordnung der
Drehungleichförmigkeit im Leerlaufbereich (L) des Motors abgestimmt
ist.
3. Kurbelwelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
drehzahladaptive Tilger (10) auf die dominante Ordnung der
Drehungleichförmigkeit des Motors abgestimmt ist.
4. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3) und der Kurbelwellen-
Startergenerator (4) am getriebeseitigen Ende (2) der Kurbelwelle (1)
und der drehzahladaptive Tilger (10) am freien Ende (9) der Kurbelwelle
(1) angeordnet sind.
5. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3) und der drehzahladaptive
Tilger (10) am getriebeseitigen Ende (2) der Kurbelwelle (1) und der
Kurbelwellen-Startergenerator (4) am freien Ende (9) der Kurbelwelle
(1) angeordnet sind.
6. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche nach 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3) am getriebeseitigen Ende
(2) und der Kurbelwellen-Startergenerator (4) mit dem
drehzahladaptiven Tilger (10) am freien Ende (9) der Kurbelwelle (1)
angeordnet sind.
7. Kurbelwelle nach einem der Ansprüche nach 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schwungrad (3), der drehzahladaptive Tilger
(10) und der Kurbelwellen-Startergenerator (4) am getriebeseitigen
Ende (2) der Kurbelwelle (1) angebracht sind.
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