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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung einer Schwingung eines Antriebstrangs eines Fahrzeugs, insbesondere mit einem Verbrennungsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Stand der Technik
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Bei Verbrennungsmotoren führt der periodische Ablauf der Verbrennungstakte (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) in Kombination mit der Zündfolge der einzelnen Zylinder zu Dreh-Ungleichförmigkeiten der Kurbelwelle und des daran angeschlossenen Schwungrades. Da ein Antriebstrang aufgrund der darin enthaltenen Trägheiten und Steifigkeiten ein drehschwingungsfähiges Gebilde mit charakteristischen Eigenfrequenzen ist, führen die vom Verbrennungsmotor eingeleiteten Dreh-Ungleichförmigkeiten zwangsläufig zu Drehschwingungen. Insbesondere aufgeladene Verbrennungsmotoren mit geringer Zylinderzahl verursachen verstärkt Drehschwingungen. Diese Drehschwingungen müssen konstruktiv gemindert werden, um einen ausreichend Fahrkomfort zu gewährleisten.
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Vom Markt her bekannt ist beispielsweise ein Zweimassenschwungrad (ZMS) zur Reduktion dieser Drehschwingungen. Während die konventionelle Schwungmasse eines Verbrennungsmotors aus Teilen des Kurbeltriebes, einem Schwungrad und einer Kupplung besteht, teilt sich ein Zweimassenschwungrad in eine primäre, motorseitige, Schwungmasse und eine sekundäre, getriebeseitige Schwungmasse auf, die durch Feder-Dämpfereinheiten miteinander verbunden sind. Für Verbrennungsmotoren mit großen Drehschwingungen ist bekannt, Zweimassenschwungräder einzusetzen, die beispielsweise über ein sog. Pendel-Tilgersystem verfügen. Das Pendel-Tilgersystem nutzt eine Fliehkraft als Rückstellkraft, wodurch eine Tilgungsfrequenz an eine vorzugebende Verbrennungsmotorordnung gekoppelt werden kann.
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Der Begriff „Ordnung“ wird im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung wie nachfolgend erläutert gebraucht:
Als Ordnung wird eine Harmonische (Schwingungsfrequenz) bezeichnet, die bei variabler Grundfrequenz, in einem festen Verhältnis zu dieser steht. Die erste Motorordnung ist dementsprechend die Frequenz, die der Motordrehzahl entspricht. Die zweite Motorordnung ist z.B. die Frequenz, die der doppelten Motordrehzahl entspricht.
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Ebenfalls vom Markt her bekannt sind Zweimassenschwungräder mit hydraulischer Dämpfung. Um die Drehschwingungen im Antriebstrang zu verringern, ist es auch bekannt, eine konventionelle Kupplungen im Antriebstrang gezielt mit einem leichten Schlupf zu betreiben. Das Antriebsmoment des Verbrennungsmotors wird durch die Kupplung geglättet übertragen, um so die Drehschwingungen zu dämpfen und die auf den Antriebstrang wirkenden Drehmomentstöße abzumildern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein zu erzeugender Dämpfungsgrad zur Dämpfung einer Schwingung eines Antriebstrangs eines Verbrennungsmotors nach einer Auswertung eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors variabel einstellbar ist.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, zur Erhöhung des Komforts in Kraftfahrzeugen, die Antriebsdämpfung an bestimmte Betriebszustände des Verbrennungsmotors anpassbar einzustellen. So kann zum Beispiel auch der Antriebstrang von Kraftfahrzeugen mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren, die große Drehmomentschwingungen verursachen, in kritischen Betriebszuständen entsprechend gedämpft werden.
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In der bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, eine (hydraulische) Dämpfung mit einer magnethorheologischen Flüssigkeit einzusetzen. Als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln, zum Beispiel Carbonyleisenpulver, die in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind. Durch die Ausrichtung der Partikel wird die Suspension zum Beispiel mit steigender magnetischer Feldstärke dickflüssiger. So kann das Fließverhalten der magnetorheologische Flüssigkeit durch ein veränderbares Magnetfeld schnell und reversibel beeinflusst werden. Die magnetorheologische Flüssigkeit wird erfindungsgemäß dazu genutzt, um die Dämpfungscharakteristik der erfindungsgemäßen Drehschwingungsdämpfung verstellbar zu machen. Je nach Betriebspunkt oder Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder eingelegtem Gang kann die Dämpfung eingestellt werden. Dadurch ergibt sich in nahezu allen Betriebspunkten eine optimale Dämpfungscharakteristik bei gleichzeitig geringen Leistungsverlusten.
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Für die Erfindung bevorzugte Betriebszustände können beispielsweise eine Startphase, eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit oder eine Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeugs sein. Solche Betriebszustände können beispielsweise durch Messen einer aktuellen Drehzahl, eines aktuellen Drehmoments (Last) und/oder einer aktuellen Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors ermittelt werden.
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Weitere zur Verfügung stehende Betriebsparameter zur Identifizierung eines bestimmten Betriebszustandes des Kraftfahrzeugs können natürlich zusätzlich oder alternativ ausgewertet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt in einem Verfahren über eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Verbrennungsmotors je nach der Ermittlung des Betriebszustandes eine entsprechend notwendige Dämpfung der Schwingung des Antriebstrangs ein. Dies erhöht den Komfort des Kraftfahrzeugs erheblich und reduziert die Belastung des Antriebstrangs.
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Besondere Vorteile bringt es also mit sich, einen Dämpfer mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit (MRF) vorzusehen und ein Magnetfeld über eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung gezielt zu steuern beziehungsweise zu regeln und damit die Fließfähigkeit der magnetorheologischen Flüssigkeit zu beeinflussen und den gewünschten bzw. berechneten Dämpfungsgrad einzustellen. Die magnetorheologische Flüssigkeit wird in der Vorrichtung (z.B. in einem Drehschwingungsdämpfer) so eingesetzt, dass zum Beispiel eine höhere Viskosität (Zähflüssigkeit) der magnetorheologischen Flüssigkeit die dämpfende Wirkung entsprechender Dämpfungselemente erhöht, andererseits eine höhere Fluidität (Dünnflüssigkeit) die dämpfende Wirkung entsprechender Dämpfungselemente reduziert.
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Dabei soll zum Beispiel erreicht werden, dass der Dämpfungsgrad bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors (mit üblicherweise großen Schwingungen) groß eingestellt und bei hohen Drehzahlen (mit üblicherweise kleinen Schwingungen) niedrig eingestellt wird. Das bedeutet, dass bei einem erwarteten Auftreten von großen Schwingungsamplituden eine hohe Dämpfung eingestellt und bei einem erwarteten Auftreten von kleinen Schwingungsamplituden eine niedrige Dämpfung eingestellt wird. Hierzu kann eine besonders genaue und schnelle Steuerung bzw. Regelung erfolgen, indem nicht nur über die Drehzahl selbst sondern ergänzend oder alternativ über eine Drehzahldifferenz zwischen zwei Komponenten des Dämpfers geregelt bzw. gesteuert wird.
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Die Dämpfung kann in jeder Betriebsphase bedarfsgesteuert eingestellt bzw. eingeregelt werden, indem über die gezielte Beeinflussung der Feldstärke des Magnetfeldes die Fließfähigkeit der magnetorheologischen Flüssigkeit beeinflusst wird. Auch in einer Startphase des Verbrennungsmotors oder bei einem Resonanzdurchgang kann dabei der Dämpfungsgrad besonders groß eingestellt werden, da hier der Verbrennungsmotor besonders große Schwingungen erzeugt, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren zuverlässig kompensiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der (Drehschwingungs-)Dämpfer in einem Zweimassenschwungrad integriert ist und eine variable Dämpfung zumindest teilweise mit Hilfe der magnetorheologischen Flüssigkeit erzeugt wird. Hierzu wird eine Dämpfungseinheit zwischen den zwei Massen des Zweimassenschwungrads mit magnetorheologischer Flüssigkeit realisiert (bzw. die dämpfenden Komponenten in magnetorheologischer Flüssigkeit gelagert. Mit der magnetorheologischen Flüssigkeit ist eine Dämpfungscharakteristik in Grenzen wählbar und lässt sich durch Veränderung des angelegten Magnetfeldes gezielt beeinflussen. Herkömmliche Zweimassenschwungräder weisen zur Dämpfung zum Beispiel Bogenfedern auf, die besonders bei hohen Drehzahlen eine hohe Dämpfung erzeugen. Dieser unerwünschte Effekt kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung leicht vermieden werden.
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Alternativ ist auch möglich, dass die (Drehschwingungs-)Dämpfeinheit in einer Kupplung integriert ist und dass die magnetorheologische Flüssigkeit einen Schlupf der Kupplung beeinflusst. Eine solche Kupplung wird üblicherweise permanent mit leichtem Schlupf betrieben, um das Drehmoment des Verbrennungsmotors in einem geglättetem Zustand an den Antriebstrang weiterzuleiten und die Antriebstrangschwingungen zu bedämpfen, sowie die Auswirkung von Drehmomentenstößen auf den Antriebstrang abzumildern. Über die gezielte Beeinflussung der Feldstärke des Magnetfeldes und damit der Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit wird ein Kupplungsschlupf und damit auch der Dämpfungsgrad der Kupplung gesteuert oder geregelt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer magnetorheologischen Kupplung; und
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2 eine Darstellung eines Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die als Kupplung 10 für einen Betrieb in einem Antriebstrang eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Die Kupplung 10 wird eingesetzt, um über die Kupplung 10 Drehschwingungen zu dämpfen und plötzlich auftretende Antriebsmomentschwankungen zu glätten. Die Kupplung 10 weist eine Kupplungsscheibe 12 auf, die mit einer Antriebswelle 14 fest verbunden ist. Diese Antriebswelle 14 wird vom Verbrennungsmotor angetrieben. Die Kupplungsscheibe 12 ist in einem Gehäuse 16 angeordnet, über das das Drehmoment des Verbrennungsmotors weitergeleitet wird (Abtrieb). Die Einheit bestehend aus Kupplungsscheibe 12 und Gehäuse 16 stellt einen Drehschwingungsdämpfer dar.
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Die Kupplungsscheibe 12 läuft in dem Gehäuse 16 in einer magnetorheologischen Flüssigkeit 18. Als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet man eine Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln, die in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind. Unmittelbar am Umfang der Kupplungsscheibe 12 ist ein Elektromagnet 20 angeordnet, dessen magnetische Wirkung von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 über die Steuerung beziehungsweise Regelung eines den Elektromagnet 20 durchlaufenden elektrischen Stroms I verändert werden kann. Der Elektromagnet 20 erzeugt ein Magnetfeld 24, das die Kupplungsscheibe 12 und die magnetorheologische Flüssigkeit 18 durchdringt.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors werden laufend aktuelle Betriebsparameter 26 des Verbrennungsmotors, beispielsweise von einer Motorsteuerung, an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 übertragen und dort ausgewertet. Bevorzugte Betriebsparameter 26 können dabei beispielsweise eine aktuelle Drehzahl, ein aktuelles Drehmoments (Last) und/oder eine aktuelle Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors sein. Weitere Betriebsparameter können zusätzlich und/oder alternativ an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 gesandt und dort ausgewertet werden.
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In Abhängigkeit dieser Parameter wird eine gewünschte Dämpfung bestimmt und abhängig von diesem Dämpfungssollwert das Magnetfeld so (z.B. mit einer bestimmten Magnetfeldstärke) an die magnetorheologische Flüssigkeit angelegt, dass die damit erreichten Flüssigkeitseigenschaften zum erwünschten Dämpfungsgrad der Kupplung führen. Das Magnetfeld bzw. die das Magnetfeld erzeugende Einheit kann dabei in verschiedenen Anordnungen realisiert werden, so lange durch das Magnetfeld die Eigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeit ausreichend eingestellt werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 könnte alternativ auch ein Zweimassenschwungrad sein (nicht dargestellt). Ein Drehschwingungsdämpfer (bei konventionellen Zweimassenschwungrädern z.B. bestehend aus Gleitlagern und (z.B. in Fett) gelagerten Schraubenfedern) verbindet die beiden Schwungmassen. In der erfindungsgemäßen Ausführung wird der Drehschwingungsdämpfer allerdings so realisiert, dass er zwischen Primärseite und Sekundärseite (Primärschwungrad bzw. -masse und Sekundärschwungrad bzw. -masse) die magnetorheologische Flüssigkeit 18 enthält. Dort wo sich die Flüssigkeit befindet, kann über eine Steuereinheit und einen ansteuerbaren Magneten ein verstellbares Magnetfeld angelegt werden, um hiermit die Eigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeit variabel beeinflussen zu können und damit die Dämpfungseigenschaften entsprechend den aufgrund der festgestellten bzw. ausgewerteten Fahrzeugparametern einstellen zu können.
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2 zeigt eine Darstellung eines Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. 2 zeigt vereinfacht die Kupplungsscheiben 12 und 16. Die Kupplungsscheibe 12 ist auf der Primärseite (Antriebsseite) der Kupplung angeordnet, während die Kupplungsscheibe 16 auf der Sekundärseite (Abtriebsseite) der Kupplung angeordnet ist.
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Am Umfang der Kupplung sind Elektromagnete 20 angeordnet, welche das zur Steuerung der Viskosität der Flüssigkeit 18 erforderliche Magnetfeld erzeugen können. Eine Drehzahldifferenz zwischen den Kupplungsscheibe 12 und 16 wird über zwei Drehzahlsensoren 28 ermittelt und an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 gesendet und dort weiterverarbeitet. So kann die Regelung oder Steuerung der Viskosität der Flüssigkeit 18 in Abhängigkeit der Drehzahldifferenz der Kupplungsscheiben erfolgen.
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Weitere Betriebsparameter 26 werden an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 gesandt. Über die Betriebsparameter 26 kann in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 auf einen bestimmten Betriebszustand geschlossen werden, zum Beispiel auf eine Startphase, eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit, eine bestimmte Drehzahl des Motors oder eine Beschleunigungsphase des Fahrzeugs.
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Jeder Betriebszustand verursacht eine bestimmte Schwingung im Antriebsstrang, die durch die Kupplung 10 gedämpft werden soll. Auf Grund der Auswertung der Betriebsparameter 26 wird in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 eine Sollwertberechnung für die Schwingungsdämpfung ermittelt (Funktionsblock F1). Anschließend wird zur Erzeugung der gewünschten Schwingungsdämpfung ein elektrischer Strom I ermittelt (Funktionsblock F2), der über die Elektromagneten 20 das Magnetfeld 24 erzeugt, das die Fließfähigkeit der magnetorheologischen Flüssigkeit 18 derart beeinflusst, dass ein Schlupf der Kupplung 10 die gewünschte Schwingungsdämpfung des Antriebstrangs bewirkt.
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Die Beschreibung der Steuerung der gewünschten Dämpfung ist analog auch für die zweite Variante (Drehschwingungsdämpfer in Zweimassenschwungrad integriert) gültig.
