DE102004027529B4

DE102004027529B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge

Info

Publication number: DE102004027529B4
Application number: DE200410027529
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof. Dr.-Ing. Hirschmann; Christoph Prof. Dr.-Ing. Woernle; Uwe Dipl.-Ing. Zander
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: WO2005119085A1; DE102004027529A1

Abstract

Verfahren zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten, insbesondere der von Verbrennungsmotoren verursachten Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge unter Ausnutzung der Bewegung mindestens eines mechanischen Pendels, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Pendelbewegung auf elektrischem Wege durch elektrische Energieumlagerung verändert wird, indem der Pendelmasse abhängig vom Bewegungszustand über den Luftspalt (6) elektromotorisch Energie zugeführt oder entzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.
Verbrennungsmotoren erzeugen durch die Verbrennung in Abhängigkeit von der Zylinderzahl, vom Verbrennungsverfahren, von der Arbeitstaktzahl und vom Zündzeitpunkt ungleichförmige Momenten- und Drehzahlverläufe. Diese Ungleichförmigkeiten, die in verschiedenen Schwingungsordnungen auftreten, belasten die nachfolgenden Bauteile des Antriebsstranges, wie z.B. Getriebe und Hinterachsdifferential, und wenn sie durch Körperschallschwingungen in den Fahrgastraum übertragen werden auch die Insassen. Deshalb sind die Dämpfung, Tilgung oder Isolation der Ungleichförmigkeiten für die Haltbarkeit des Antriebes und den Komfort der Insassen unerlässlich.
Zur Schwingungsisolation werden Zwei-Massen-Schwungräder eingesetzt, die eine Verschiebung der Eigenfrequenz des Antriebsstranges in einen unterkritischen Bereich unterhalb der Leerlaufdrehzahl bewirken. Beim Starten und Abstellen des Motors werden die Eigenfrequenzen aber durchlaufen. Deswegen muß beim Zwei-Massen-Schwungrad eine zusätzliche Dämpfung vorgesehen werden, die aber die isolierende Wirkung mindert. Die Abstimmung der Zwei-Massen-Schwungräder wird diesbezüglich, wegen der zunehmend härter werdenden Verbrennung bei den neuen Diesel-Direkteinspritzmotoren, immer schwieriger.
Eine Schwingungsdämpfung wird traditionell mittels in die Kupplungsscheiben integrierten Torsionsreibungsdämpfern erreicht. Damit lassen sich jedoch die Amplituden der Schwingungen nur unzureichend verringern.
Eine Auslöschung der Schwingungen in Amplitude und Frequenz ist nur mit einem Tilger möglich. Bekannt sind rein mechanische wirkende und rein elektrisch wirkende Tilger. Beim rein mechanischen Tilger erfolgt die Tilgung über ein Fliehkraftpendel das auch drehzahladaptiver Tilger bezeichnet wird. Hierbei wird die Trägheit des Pendels benutzt, um ein Gegenmoment zur Reduzierung des ungleichförmigen Momentes zu erzeugen. Das Gegenmoment ist unabhängig von der Masse des Tilgers und stellt sich automatisch so ein, dass es das ungleichförmige Moment in Amplitude und Frequenz tilgt. Diese Tilger können jedoch nur eine konstruktiv festgelegte Schwingungsordnung tilgen. Die Tilgung mehrerer Ordnungen erfordert eine Parallelschaltung mehrerer Tilger, was sehr kosten- und fertigungsintensiv ist, d.h. technisch nicht sinnvoll realisierbar ist.
Als rein elektrischer Tilger kann der Startergenerator verwendet werden, der alle Schwingungsordnungen in Amplitude und Frequenz elektromotorisch tilgt. Der Nachteil dieser Tilgung ist die damit verbundene hohe Verlustenergie.

Aus der DE 100 05 582 A1 ist eine Antriebsanordnung mit einem Antriebsstrang und einer dazu funktionell parallel angeordneten elektrischen Maschine bekannt, die einen Stator und einen im Antriebsstrang festgelegten Rotor aufweist, wobei im Rotor der elektrischen Maschine ein Drehschwingungstilger integriert ist, in dem eine oder mehrere pendelartig aufgehängte Pendelmassen am Rotor angeordnet ist/sind oder mit dem Rotor koppelbar ist/sind. Dabei kann die Pendelmasse sowohl starr mit der jeweiligen Schwenkachse verbunden sein, als auch über ein Drahtseil oder einen Blechstreifen, wobei diese Verbindung vorzugsweise auch elastisch dehnbar ausgebildet sein kann.

Der Drehschwingungstilger stellt einen mechanischen Tilger dar. Diese mechanische Schwingungstilgung wird im vorliegenden Fall mit einer aktiven Schwingungstilgung kombiniert. Dabei dient die elektrische Maschine zusätzlich als aktiver Drehschwingungstilger, der über den Rotor gegenphasig zu den Drehungleichförmigkeiten im Antriebsstrang Wechselmomente zur Kompensation dieser Drehungleichförmigkeiten erzeugt. Die aktiv tilgende elektrische Maschine hat die Funktion, die von den drehzahlabhängig arbeitenden integrierten Pendeltilgern nicht erfassten Ungleichförmigkeiten zu kompensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst viele der von einem Verbrennungsmotor erregten Schwingungsordnungen zu tilgen.

Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 erreicht.

Bei einem Verfahren zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten, insbesondere der von Verbrennungsmotoren verursachten Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten, für Antriebsstränge unter Ausnutzung der Bewegung mindestens eines mechanischen Pendels, wird erfindungsgemäß die mechanische Pendelbewegung auf elektrischem Wege durch Energieumlagerung verändert, indem der Pendelmasse abhängig vom Bewegungszustand über den Luftspalt elektromotorisch Energie zugeführt oder generatorisch Energie entzogen wird. Der mechanische Tilger tilgt durch die Pendelbewegung der Pendelmasse die Torsionsschwingungsordnung, die durch die Geometrie des Pendels vorgegeben ist.

Diese mechanische Pendelbewegung wird auf elektrischem Wege so verstimmt, dass auch die noch verbleibenden Oberschwingungen ganz oder teilweise getilgt werden. Die Energie wird über den Luftspalt zugeführt oder entzogen. Geregelt wird die Verstimmung in Abhängigkeit von Phase und Amplitude des vom Verbrennungsmotor erzeugten Drehmomentverlaufs durch das Luftspaltmoment.

Genutzt wird hierbei die Tatsache, dass das natürliche Pendel in gewissen Bereichen ein höheres Moment zu Verfügung stellen kann, als zur Tilgung erforderlich ist. Der dadurch entstehende Energieüberschuss wird generatorisch über den Luftspalt entzogen, in geeigneten Medien gespeichert und in anderen Bereichen, in denen ein größeres Tilgungsmoment benötigt wird, wieder elektromotorisch über den Luftspalt zugeführt. Der zusätzliche Energie- bzw. Leistungsbedarf, z.B. infolge Reibung oder wegen einer notwendig erhöhten Tilgung wird von außen gedeckt.

Der Vorteil dieser Kombination von Mechanik und Elektrotechnik besteht darin, dass sowohl die Grundschwingung als auch die Oberschwingungen ganz oder teilweise getilgt werden, wobei durch die Speicherung überschüssiger Energie, die bei Bedarf wieder zugeführt werden kann, die zusätzlich von außen zuzuführende Energiemenge minimiert wird.

Die Vorrichtung zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebstränge besteht aus einer Nabe, an der Pendelmassen befestigt sind, die in Umfangsrichtung auf definierten Kurvenbahnen bewegbar sind und bei denen sich bei Einleitung von Drehschwingungen oder Drehungleichförmigkeiten eine Veränderung des Abstandes der Pendelmassen von der Rotationsachse des Antriebsstranges ergibt, wobei die Pendelmassen in einer elektrischen Maschine angeordnet und erfindungsgemäß mehrere Pendelmassen konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet sind. Weiterhin ist jede Pendelmasse durch mindestens zwei zugfeste, jedoch biegeweiche Bänder oder Seile mit dem Mittelteil der Nabe verbunden. Für die elektrische Zwischenspeicherung, der den Pendelmassen in einer geeigneten Lage generatorisch entzogenen kinetischen Energie ist mindestens ein elektrischer Speicher vorgesehen, dem die gespeicherte Energie in einer anderen Lage der Pendelmassen entnehmbar ist und anschließend den Tilgermassen wieder elektromotorische Energie zuführbar ist.

Die biegeweichen Bänder oder Seile bestehen vorzugsweise aus einer martensitischen Legierung oder aus einem Faserverbundwerkstoff.

Die Kombination der Pendelmassen und der elektrischen Maschine kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. So sind in einer ersten Ausführungsform auf den Pendelmassen die Magnete und auf der Nabe die Wicklungen der elektrischen Maschine aufgebracht, was einer permanent erregten Synchronmaschine entspricht.

In einer zweiten Ausführung sind auf den Pendelmassen die Wicklungen und auf der Nabe die Magnete der elektrischen Maschine aufgebracht. Das entspricht ebenfalls einer permanent erregten Synchronmaschine.

In einer dritten Ausführungsform sind auf den Pendelmassen und auf der Nabe Wicklungen der elektrischen Maschine aufgebracht, was einer Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer entspricht.

Weiterhin ist es möglich, die Bewegung der Pendelmassen durch elektrische Antriebe entsprechend dem Reluktanz- bzw. Hybridprinzip zu beeinflussen.

Der mechatronische Tilger kann auch in einen Startergenerator integriert sein. Dazu funktioniert der mechatronische Fliehkrafttilger nach einem der oben genannten Prinzipien. Dabei werden in einer Ausführungsform die Wicklungen des Startergenerator als Statorteil des mechatronischen Pendels benutzt und die Magnete auf den Pendelmassen als Rotorteil.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Wicklungen des Startergenerators als Statorteil benutzt und auf den Pendelmassen die Wicklungen des Rotorteils des Startergenerators untergebracht.

Die Energiespeicher und die Steuerelektronik sind vorzugsweise im Zentrum der Nabe angeordnet.

Bei der Kombination von Startergenerator und Tilger ist es zweckmäßig, dass als Steuerelektronik und Energiespeicher entsprechende Baugruppen des Startergenerators verwendet werden.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Skizzen erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Ausführung mit Wicklungen auf einer Nabe und Magneten an den Pendelmassen;
2 einen Schnitt II–II durch die Ausführung nach 1
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge in Form eines mechatronischen Fliehkrafttilgers ist für eine um eine Achse 1 drehbare Welle bestimmt. Der Fliehkrafttilger umfasst eine Nabe 2, an der eine Anzahl in Umfangsrichtung benachbarter, konzentrisch um die Achse angeordnete Pendelmassen 4 auf Kurvenbahnen bewegbar ist, die der Achse 1 in Umfangsrichtung beiderseits zunehmend derart angenähert sind, dass sich bei Einleitung von Drehschwingungen der Abstand der Pendelmasse 4 von der Achse 1 verändert. Jede Pendelmasse 4 ist durch mindestens zwei extrem zugfeste jedoch biegeweiche Bänder oder Seile 3 mit dem Nabenmittelteil 2.1 verbunden.
Auf den Pendelmassen 4 sind Magnete 5, z.B. aus Samariumkobalt, befestigt, die den Rotorteil der elektrischen Maschine bilden. Die Pendelmassen 4 bestehen bevorzugt aus Trafoblech, so dass die magnetischen Verluste in den Pendelmassen 4 klein gehalten werden. Ein günstiges Material für den die Pendelmassen umschließenden Abschnitt der Nabe 2 ist Aluminium. In diesem Abschnitt ist der ebenfalls geblechte Stator mit den Wicklungen 7 eingebettet. Im Nabenmittelteil 2.1 liegen die nicht dargestellten mitrotierenden Energiespeicher, z.B. Kondensatoren mit hoher Kapazität, und die benötigte Steuerelektronik.

Claims

Verfahren zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten, insbesondere der von Verbrennungsmotoren verursachten Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge unter Ausnutzung der Bewegung mindestens eines mechanischen Pendels, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Pendelbewegung auf elektrischem Wege durch elektrische Energieumlagerung verändert wird, indem der Pendelmasse abhängig vom Bewegungszustand über den Luftspalt (6) elektromotorisch Energie zugeführt oder entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das in Abhängigkeit von Phase und Moment des vom Verbrennungsmotor erzeugten Drehmomentverlaufs das zur Tilgung notwendige Luftspaltmoment geregelt wird.
Vorrichtung zur Tilgung von Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten für Antriebsstränge, mit einer Nabe, an der Pendelmassen befestigt sind, die in Umfangsrichtung auf definierten Kurvenbahnen bewegbar sind und bei denen sich bei Einleitung von Drehschwingungen oder Drehungleichförmigkeiten eine Veränderung des Abstandes der Pendelmassen von der Rotationsachse des Antriebsstranges ergibt, wobei die Pendelmassen in einer elektrischen Maschine angeordnet sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pendelmassen (4) konzentrisch um die Rotationsachse (1) angeordnet sind, so dass jede Pendelmasse (4) durch mindestens zwei zugfeste jedoch biegeweiche Bänder oder Seilen (3) mit dem Mittelteil (2.1) der Nabe (2) verbunden ist und dass für die elektrische Zwischenspeicherung der den Pendelmassen (4) in einer geeigneten Lage generatorisch entzogenen kinetischen Energie mindestens ein elektrischer Speicher vorgesehen ist, dem die gespeicherte Energie in einer anderen Lage der Pendelmassen (4) entnehmbar und anschließend den Pendelmassen (4) wieder elektromotorisch zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeweichen Bänder (3) aus einer martensitischen Legierung bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeweichen Bänder (3) aus Faserverbundwerkstoff bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeweichen Seile (3) aus einer martensitischen Legierung bestehen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Pendelmassen (4) die Magnete (5) und auf der Nabe (2) die Wicklungen (7) der elektrischen Maschine aufgebracht sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Pendelmassen (4) Wicklungen (7) und auf der Nabe (2) die Magnete (5) der elektrischen Maschine aufgebracht sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Pendelmassen (4) und auf der Nabe (2) die Wicklungen (7) der elektrischen Maschine aufgebracht sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb der Pendelmassen durch das Reluktanz- bzw. Hybridprinzip erfolgt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pendelmassen in einem Startergenerator angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Startergenerators genutzt werden und dass die Magnete (5) des Startergenerators auf den Pendelmassen (4) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Startergenerators als Statorteil genutzt werden und dass auf den Pendelmassen (4) die Wicklungen des Rotorteils des Startergenerators aufgebracht sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher und eine Steuerelektronik im Mittelteil (2.1) der Nabe (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerelektronik und Energiespeicher entsprechende Baugruppen des Startergenerators verwendet werden.