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Die Erfindung betrifft ein Dämpfungselement für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, welches zur Herstellung eines Reibkontaktes zwischen wenigstens einem ersten Bauteil und wenigstens einem zweiten Bauteil des Antriebsstranges dient, sowie ein Verfahren zur Dämpfung eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges.
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Antriebsstränge sind komplexe dynamische Systeme, in denen sich eine Vielzahl von Bauteilen relativ zueinander translatorisch und rotatorisch bewegen. Die sich bewegenden Bauteile können Schwingungen verursachen, die das Laufverhalten und die Geräuschemissionen des Antriebsstranges beeinflussen können. Antriebsstränge bilden aufgrund der Vielzahl der sich darin befindlichen beweglichen Bauteile hochkomplexe dynamische Systeme, deren Maßnahmen zur Resonanzunterdrückung empfindlich auf viele Arten von Abweichungen oder Toleranzen reagieren. Derartige Abweichungen können zum Beispiel Fertigungs- oder Montagetoleranzen oder veränderte Parameter im Antriebsstrang sein, die beispielsweise aus der Abnutzung des Antriebsstranges im Betrieb entstehen. Auch veränderliche Parameter spielen eine Rolle, z. B. temperaturabhängige Bauteildimensionen oder Reibungen. Die Gründe für geräuschemittierende Schwingungen können häufig selbsterregte Reibschwingungen sein, die entweder Nebenerscheinungen gewollter Reibung sind oder durch unvermeidliche Festkörperreibung entstehen und die zur Abstrahlung von Körperschall führen.
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Diese akustischen und spürbaren Schwingungen des Antriebsstranges werden als NVH (Noise, Vibration, Harshness), also: Geräusch, Vibration, Rauigkeit; bezeichnet.
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Zur Reduzierung dieser ungewollten Effekte sind im Stand der Technik eine Reihe von Maßnahmen bekannt. Zum einen ist es bekannt, dass aus dem Motorlauf entstehende Vibrationen mit Hilfe von Ausgleichswellen reduziert werden können, welche insbesondere Massenkräfte zweiter Ordnung kompensieren können.
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Derartige freilaufende Ausgleichswellen führen jedoch in einem dynamischen System nicht zur Eliminierung sämtlicher Vibrationen sondern bewirken in der Regel nur zu einer Verschiebung der Vibrationen in einen anderen Frequenzbereich.
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Des Weiteren ist bekannt, zur Dämpfung gezielt Reibelemente einzusetzen, welche eine geringe Verschiebung der Lage von Resonanzen sowie eine gute Dämpfung von Schwingungen im Antriebsstrang bewirken können.
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Diese Elemente haben jedoch den Nachteil, dass sie die innere Reibung des Antriebsstranges erhöhen und damit die Effizienz des Antriebs verringern. Darüber hinaus wird das Ansprechverhalten des Antriebs aufgrund der höheren zu überwindenden inneren Reibung verschlechtert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Dämpfungsvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges sowie ein Verfahren zur Dämpfung eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges anzugeben, welche die Zielkonflikte herkömmlicher Lösungen zwischen ruhigem Lauf und effizientem Antrieb überwinden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Dämpfungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, Verwendungen einer entsprechenden Dämpfungsvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 8, ein Verfahren zur Dämpfung eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9, ein Computerprogramm gemäß dem nebengeordneten Anspruch 14 sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß dem nebengeordneten Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung weist wenigstens ein Reibelement auf, welches zur Herstellung eines Reibkontaktes zwischen wenigstens einem ersten Bauteil und wenigstens einem zweiten Bauteil des Antriebsstranges dient. Ein derartiges Reibelement kann eine gezielte Dämpfung innerhalb des Antriebsstranges bewirken und damit das Schwingungsverhalten des Antriebsstranges vorteilhaft beeinflussen, indem Schwingungsamplituden deutlich reduziert und die Lage von Resonanzen verschoben werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Bauteile in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern mittels des wenigstens einen Reibelementes in und außer Eingriff bringbar sind. Auf diese Weise kann die Dämpfung, die durch das Reibelement bewirkt wird, in Abhängigkeit von Parametern gezielt über den herstellbaren Reibkontakt der wenigstens zwei Bauteile beeinflusst werden. So ist es zum Beispiel möglich, bei niedrigen Drehzahlen des Antriebs eine höhere Dämpfung vorzusehen, um in diesem Bereich die Dämpfung zu erhöhen und bei höheren Drehzahlen den Reibkontakt und damit die Reibkräfte zu reduzieren oder aufzuheben, um die innere Reibung des Antriebs zu reduzieren und damit Leistung, Ansprechverhalten und Treibstoffverbrauch zu verbessern.
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Eingriff im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sowohl einen Reibeingriff bis hin zum Reibschluss als auch einen Kraftschluss bedeuten, d. h. es kann zwischen den beiden Bauelementen ein Schlupf vorhanden sein. Dieser Schlupf kann variabel sein und bis zum vollständigen Reibschluss reichen.
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Weitere Parameter, nach denen das wenigstens eine Reibelement in und außer Eingriff bringbar ist, können Geräusch, Temperatur und/oder Drehmoment sein, sodass das Reibelement gezielt in Abhängigkeit von der Geräuscherzeugung in und außer Eingriff bringbar ist, um zum Beispiel ein im Betrieb tatsächlich entstandenes NVH-Geräusch zu dämpfen. Wenn als Parameter das Drehmoment als Indikator der Drehungleichförmigkeit berücksichtigt wird, kann mit Hilfe des Reibelements z. B. ein Reibschluss mit einem freidrehenden Bauteil erzeugt werden, um auf die Änderung der Anregung zielgerichtet zu reagieren. Mit dem Parameter Temperatur lassen sich temperaturabhängige Reibungseffekte sowie temperaturabhängige Ausdehnungseffekte sowie temperaturabhängige Veränderungen des Kühl- und Schmierstoffs Rechnung tragen bzw. kompensieren, welche das NVH-Verhalten des Antriebsstranges beeinflussen können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Reibelement aktiv in und außer Eingriff bringbar. Dies erlaubt das situative Zuschalten der Dämpfung genau dann, wenn es zur Verbesserung des NVH-Verhaltens notwendig ist. Solange dies nicht notwendig ist, kann das Reibelement außer Eingriff bleiben und die innere Reibung des Antriebs gering gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reibelement hydraulisch, pneumatisch, elektromotorisch oder magnetisch betätigbar ist. Diese Betätigungsvorrichtungen lassen sich leicht steuern bzw. regeln.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der oder die Parameter mittels wenigstens einem Sensor erfassbar sind und das wenigstens eine Reibelement mittels einer mit dem Sensor in signalübertragender Verbindung stehender Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung betätigbar ist. Eine derartige Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung sowie ein derartiger Sensor können ohnehin im Fahrzeug zu anderen Zwecken vorgesehene Sensoren wie z. B. Temperatursensoren sein, sodass sich ein einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ergibt.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung kann alternativ vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Reibelement passiv in und außer Eingriff bringbar ist. Mit Hilfe einer derartigen alternativen Ausgestaltung der Erfindung lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise zum Beispiel drehzahlabhängige Schwingungen dämpfen, sodass diese Ausgestaltung eine zusätzliche Maßnahme oder eine Alternative zu anderen schwingungsdämpfenden Maßnahmen, beispielsweise Ausgleichswellen dienen kann.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann das wenigstens ein passiv betätigbare Reibelement trägheitsgesteuert sein. Dies erlaubt eine einfache drehzahlabhängige Zu- und Abschaltung des Reibelementes.
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Eine mögliche Ausgestaltung kann vorsehen, dass wenigstens zwei Reibelemente radial verstellbar angeordet und federbelastet sind. Die radiale Verstellung kann insbesondere durch Verschiebung und/oder Verschwenkung der wenigstens zwei Reibelemente erreicht werden. Durch die Masse der Reibelemente werden diese durch ihre Zentrifugalkraft nach außen getrieben, wobei die Zentrifugalkraft gegen die Kraft der Federbelastung wirkt. Bei einer bestimmten Drehzahl kann die Zentrifugalkraft die Federkraft überwinden und die Reibbeläge außer Eingriff bringen.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass zwei Reibelemente mittels eines verstellbaren Parallelogrammsystems in und außer Eingriff bringbar sind, bei dem die Reibelemente an gegenüberliegenden Ecken des Parallelogramms angeordnet sind und bei dem die selben oder anderen Ecken mit Gewichten versehen sind, wobei zwei der Ecken federbelastet sind. Das verstellbare Parallelogrammsystem erlaubt somit das Zu- und Wegstellen der Reibelemente in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit desjenigen Bauteils, an welchem das Parallelogrammsystem geordnet ist. Je nach Auslegung von Gewicht der Reibelemente, Gegengewicht, Anordnung des Gegengewichts und Federkraft kann das System derart ausgestaltet werden, dass die Reibelemente bei niedrigen Drehzahlen in Eingriff sind und bei hohen nicht und umgekehrt. Das Gegengewicht kann auch als Teil der Reibelemente ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Reibelement ein Reibbelag, ein Reibstück, eine Reibplatte oder ein Reibring ist.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Bauteil ein freilaufendes Rad, insbesondere ein freilaufendes Zahnrad, und/oder das zweite Bauteil eine Welle ist. Ein derartiges freilaufendes Rad kann durch seine Masse eine ausreichende Dämpfung hervorrufen.
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Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Dämpfungsvorrichtung in das Rad oder in die Welle integriert ist, abhängig davon, wo im Antriebsstrang die Dämpfungsvorrichtung verbaut ist.
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Ein erster unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer entsprechenden Dämpfungsvorrichtung zum Gangwechsel in einem Getriebe.
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Ein weiterer unabhängiger Erfindungsgedanke betrifft die Verwendung einer entsprechenden Dämpfungsvorrichtung zur Synchronisation von Getriebestufen, wodurch die Verwendung von Synchronisationsvorrichtungen, wie Synchronringen, vermeiden lässt.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer entsprechenden Dämpfungsvorrichtung als Kupplung eines Doppelkupplungsgetriebes.
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Die zuvor beschriebenen Verwendungen erfordern, dass die Dämpfungsvorrichtungen so stark ausgebildet sind, dass das damit erzeugbare Bremsmoment an der entsprechenden Stelle höher ist als das Drehmoment des Antriebs.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges, bei dem wenigstens ein Reibelement dazu verwendet wird, wenigstens zwei Bauteile in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern in und außer Eingriff zu bringen. Auf diese Weise kann die Dämpfung, die durch das Reibelement bewirkt wird, in Abhängigkeit von Parametern gezielt über den herstellbaren Reibkontakt der wenigstens zwei Bauteile beeinflusst werden. So ist es zum Beispiel möglich, bei niedrigen Drehzahlen des Motors eine höhere Dämpfung vorzusehen, um in diesem Bereich die Dämpfung zu erhöhen und bei höheren Drehzahlen den Reibkontakt und damit die Reibkräfte zu reduzieren oder aufzuheben, um die innere Reibung des Antriebs zu reduzieren und damit Leistung, Ansprechverhalten und Treibstoffverbrauch zu verbessern.
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Eingriff im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sowohl einen Reibeingriff bis hin zum Reibschluss als auch einen Kraftschluss bedeuten, d. h. es kann zwischen den beiden Bauelementen ein Schlupf vorhanden sein. Dieser Schlupf kann variabel sein und bis zum vollständigen Reibschluss reichen.
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Weitere Parameter, nach denen das wenigstens eine Reibelement in und außer Eingriff gebracht wird, können Geräusch, Temperatur und/oder Drehmoment sein, sodass das Reibelement gezielt in Abhängigkeit von der Geräuscherzeugung in und außer Eingriff bringbar ist, um zum Beispiel ein im Betrieb tatsächlich entstandenes NVH-Geräusch zu dämpfen. Wenn als Parameter das Drehmoment als Indikator der Drehungleichförmigkeit berücksichtigt wird, kann mit Hilfe des Reibelements z. B. ein Reibschluss mit einem freidrehenden Bauteil erzeugt werden, um auf die Änderung der Anregung zielgerichtet zu reagieren. Mit dem Parameter Temperatur lassen sich temperaturabhängige Reibungseffekte sowie temperaturabhängige Ausdehnungseffekte sowie temperaturabhängige Veränderungen des Kühl- und Schmierstoffs Rechnung tragen bzw. kompensieren, welche das NVH-Verhalten des Antriebsstranges beeinflussen können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das wenigstens eine Reibelement aktiv in und außer Eingriff gebracht. Dies erlaubt das situative Zuschalten der Dämpfung genau dann, wenn es zur Verbesserung des NVH-Verhaltens notwendig ist. Solange dies nicht notwendig ist, kann das Reibelement außer Eingriff bleiben und die innere Reibung des Antriebs gering gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Reibelement aktiv in und außer Eingriff gebracht wird und/oder hydraulisch, pneumatisch, elektromotorisch oder magnetisch betätigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der oder die Parameter mittels wenigstens einem Sensor erfasst werden und das wenigstens eine Reibelement mittels einer mit dem Sensor in signalübertragender Verbindung stehender Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung betätigbar ist. Eine derartige Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung sowie ein derartiger Sensor können ohnehin im Fahrzeug zu anderen Zwecken vorgesehene Sensoren wie z. B. Temperatursensoren sein, sodass sich ein einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ergibt.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung kann alternativ vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Reibelement passiv in und außer Eingriff gebracht wird. Mit Hilfe einer derartigen alternativen Ausgestaltung der Erfindung lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise zum Beispiel drehzahlabhängige Schwingungen dämpfen, sodass diese Ausgestaltung eine zusätzliche Maßnahme oder eine Alternative zu anderen schwingungsdämpfenden Maßnahmen, beispielsweise Ausgleichswellen dienen kann.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann das wenigstens ein passiv betätigbare Reibelement trägheitsgesteuert sein. Dies erlaubt eine einfache drehzahlabhängige Zu- und Abschaltung des Reibelementes.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, welches zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren gut in ein Kraftfahrzeug mit einer Steuerungs- und Regelungselektronik integrieren.
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Ein letzter unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, auf dem das zuvor beschriebene Computerprogramm gespeichert ist. Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen schematisch:
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1a, b ein passives Dämpfungselement, welches in einem freilaufenden Zahnrad angeordnet ist, in einer ersten Ausführungsform;
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2 ein passives Dämpfungselement, welches in einem freilaufenden Zahnrad angeordnet ist, in einer zweiten Ausführungsform;
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3 ein aktives Dämpfungselement, welches in einer Welle angeordnet ist und
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4a, b ein vergrößerter Ausschnitt der Dämpfungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform in abgeschaltetem und in zugeschaltetem Zustand.
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1a zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 2.
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Die Dämpfungsvorrichtung 2 ist an einem freilaufenden Zahnrad 4 angeordnet. Das freilaufende Zahnrad 4 weist eine zentrale Bohrung 6 auf, durch die eine Welle 8 geführt ist. Zahnrad 4 und Welle 8 stehen in dem in 1a dargestellten Zustand nicht in Eingriff, können sich also unabhängig voneinander drehen.
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Die an dem Zahnrad 4 angeordnete Dämpfungsvorrichtung 2 weist zwei Reibbeläge 10, 12 auf, welche auf die Welle 8 zu und von der Welle 8 weg stellbar sind. In 1a sind die Reibbeläge 10, 12 nicht im Eingriff mit der Welle 8. Die Reibbeläge 10, 12 sind auf einer Bahn oder einer Schiene radial geführt und diametral gegenüberliegend zu der Welle 8 angeordnet.
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An den Reibbelägen 10, 12 sind zwei Gewichte 14, 16 angeordnet, welche ebenfalls radial bahn- oder schienengeführt sind. An den Gewichten 14, 16 sind Federelemente 18, 20 angeordnet, welche anderen Ends an dem freilaufenden Zahnrad 4 befestigt sind. Zwischen den Gewichten 14, 16 und den Reibbelägen 10, 12 sind Streben 22, 24, 26, 28 angeordnet, die jeweils an den Reibbelägen 10, 12 und an den Gewichten 14, 16 schwenkbar sind. Die Streben 22, 24, 26, 28 bilden ein Parallelogramm, bei dem die Ecken unter der Zwangsbedingung verstellbar sind, dass der Abstand zweier benachbarter Ecken stets gleich sein muss.
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Abhängig von den Massen der Reibbeläge 10, 12, der Gewichte 14, 16 und deren Abstand vom Drehzentrum des freilaufenden Zahnrades sowie abhängig von der Federhärte der Federelemente 18, 20 kann die dargestellte Dämpfungsvorrichtung 2 so ausgelegt werden, dass die Reibbeläge 10, 12 mit der Welle 8 bei niedrigen oder bei hohen Drehzahlen in Eingriff kommen. Soll, wie dies in den meisten Anwendungsfällen sein wird, die Dämpfung bei niedrigen Drehzahlen aktiv sein, so kann dies durch starke Federelemente 18, 20 und leichte Gewichte 14, 16 und leichtem Gewicht der Reibbeläge 10, 12 erreicht werden. Bei steigender Drehzahl ist die Zentrifugalkraft, die auf die Reibbeläge 10, 12 wirkt, größer als die Federkraft, sodass ab einer bestimmten Drehzahl die von den Reibbelägen 10, 12 ausgehende Kraft ausreicht, um die Federkraft der Federelemente 18, 20 und die Zentrifugalkraft der Gewichte 14, 16 zu überwinden.
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Wenn im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels von Reibbelägen und Federelementen die Rede ist, so wird der Einfachheit halber auf die Beschreibung der Halterung und Führung der jeweiligen Elemente an dem freilaufenden Zahnrad 4 verzichtet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer passiven Dämpfungsvorrichtung 52.
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Die Dämpfungsvorrichtung 52 ist in einem freilaufenden Zahnrad 54 angeordnet und weist zwei Reibbeläge 60, 62 auf, die auf eine Welle 58 zugestellt werden können. Hierzu sind die Reibbeläge 60, 62 radial geführt.
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Die Reibbeläge 60, 62 sind mittels Federelementen 68, 70 federbelastet. In Anhängigkeit von der Drehzahl des freilaufenden Zahnrades 54 werden auf die Reibbeläge 60, 62 Zentrifugalkräfte ausgeübt, die gegen die Federkraft der Federelemente 68, 70 wirken. Sobald die Zentrifugalkraft größer ist als die Federkraft, werden die Reibbeläge 60, 62 außer Eingriff mit der Welle 58 gebracht und freilaufendes Zahnrad 54 und Welle 58 sind entkoppelt.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Welle 108 und ein freilaufendes Zahnrad 104 mit einer aktiven Dämpfungsvorrichtung 102.
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Die Dämpfungsvorrichtung 102 ist im Gegensatz zu der in 1b, 1b gezeigten Ausführungsform aktiv gesteuert oder geregelt und weist Reibelemente 110, 112 auf, welche in der Welle 108 in einer Aussparung oder Nut 114 angeordnet sind. Zu der Aussparung oder Nut 114 verläuft ein in die Welle 108 eingebrachter Kanal 116, welcher mit einem Medium beaufschlagt werden kann, zum Beispiel einem Gas oder einer Flüssigkeit, welches Druck auf die Reibelemente 110, 112 ausüben kann.
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Alternativ zu Reibelementen 110, 112 könnte ein durchgehender Ring, z. B. ein Gummiring vorgesehen sein.
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Wie in 4a dargestellt, ist das Reibelement 110 außer Eingriff mit dem freilaufenden Zahnrad 104, wenn das Reibelement 110 nicht mit Druck beaufschlagt ist.
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Wird, wie in 4b dargestellt, über die Leitung 116 ein Druck auf das Reibelement 110, 112 ausgeübt, so gerät dieses in Eingriff mit dem freilaufenden Zahnrad 104 und bewirkt somit eine Dämpfung des Systems.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Dämpfungsvorrichtung
- 4
- freilaufendes Zahnrad
- 6
- Bohrung
- 8
- Welle
- 10, 12
- Reibbeläge
- 14, 16
- Gewichte
- 18, 20
- Federelemente
- 22, 24, 26, 28
- Streben
- 52
- Dämpfungsvorrichtung
- 54
- freilaufendes Zahnrad
- 56
- Bohrung
- 58
- Welle
- 60, 62
- Reibbeläge
- 68, 70
- Federelemente
- 102
- Dämpfungsvorrichtung
- 104
- freilaufendes Zahnrad
- 108
- Welle
- 110, 112
- Reibelemente
- 114
- Aussparung
- 116
- Leitung
