DE102011101386A1

DE102011101386A1 - Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungsgleichförmigkeiten

Info

Publication number: DE102011101386A1
Application number: DE102011101386A
Authority: DE
Inventors: Oliver Krieg; Patrick Kuhl; Michael Buhl; Joachim Pfleghaar
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: DE102011101386B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei die Vorrichtung mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs zum mindestens teilweisen Übertragen eines Antriebsmoments und zum Bereitstellen eines Drehfreiheitsgrades in dem Antriebsstrang verbindbar ausgebildet ist, mit einem passiven Element, welches zum passiven Bereitstellen eines ersten Drehmoments ausgebildet ist, um einen mittleren konstanten Drehmomentenanteil des Antriebsmoments des Antriebsstranges zu überfragen, und einem aktiven Element, welches zum Bereitstellen eines aktiv regelbaren zweiten Drehmoments ausgebildet ist, um einen schwankenden Drehmomentenanteil des Antriebsmoments des Antriebsstrangs auszugleichen.
Außerdem wird ein Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments einer Antriebseinheit in einem Kraftfahrzeug, mit einer entsprechenden Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten bereitgestellt.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit, Rädern und einem Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments der Antriebseinheit auf die Räder, mit einer entsprechenden Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten, insbesondere eine Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
Drehungleichförmigkeiten treten in rotierenden Antriebssträngen von angetriebenen Maschinen auf, insbesondere in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, und werden bei derartigen Antrieben (beispielsweise Vier-Takt-Verbrennungsmotoren) unter anderem durch eine zyklische Verbrennung verursacht. Diese bewirkt eine diskontinuierliche Arbeitsweise des Antriebs, sodass ein erzeugtes Antriebsmoment der Verbrennungsmotoren nicht gleichförmig sondern stark schwankend mit teilweise erheblichen Drehmomentschwankungen an einen gekoppelten Antriebsstrang abgegeben wird. Insbesondere Gas- und Massenkräfte innerhalb der Verbrennungsmotoren tragen signifikant zu den genannten Drehungleichförmigkeiten bei, welche sich in Form von spürbaren Vibrationen, akustischen Beeinträchtigungen und festigkeitsrelevanten bzw. verschleißfördernden Belastungen im Antriebsstrang bemerkbar machen. Über den Antriebsstrang werden diese Erscheinungen auf die restliche Maschine bzw. das gesamte Kraftfahrzeug übertragen. Besonders im Bereich von Eigenfrequenzen des Antriebsstrangs sind die Drehungleichförmigkeiten und deren Auswirkungen besonders stark ausgeprägt und weisen im Vergleich zu anderen Frequenzbereichen eine deutliche Überhöhung auf.
Weitere Ursachen für das Entstehen von Drehungleichförmigkeiten stellen Überlagerungen des von dem Antriebsmotor abgegebenen Antriebsmoments weitere Drehmomente dar, die beispielsweise durch das Antriebssystem des Kraftfahrzeugs selbst oder von außerhalb in das Antriebssystem eingebracht werden. Ursächlich hierfür sind sowohl Lastwechselschwingungen innerhalb des Antriebsstranges als auch von außen wirkende Drehmomente durch Krafteinwirkungen während eines Fahrbetriebs auf ein mit dem Antriebsstrang verbundenes Rad, beispielsweise aufgrund von Fahrbahnunebenheiten.
Verstärkt tritt die Entstehung von Drehungleichförmigkeiten darüber hinaus bei der aktuellen Entwicklung von Verbrennungsmotoren auf. Um gestiegenen und zukünftig zu erfüllenden Anforderungen an einen verminderten Ausstoß von CO₂ durch die Verbrennungsmotoren gerecht werden zu können, werden zunehmend Motoren mit verminderten Betriebsdrehzahlen (sogenanntes „Downspeeding”) und verkleinerten Hubräumen bzw. einer geringeren Zylinderzahl mit Aufladung (sogenanntes „Downsizing”) entwickelt. Beide Maßnahmen bewirken jedoch bekanntermaßen einen gleichzeitig starken Anstieg von Drehungleichförmigkeiten gegenüber bisherigen Motoren.
Hierbei besteht die Schwierigkeit, dass den verstärkten Drehungleichförmigkeiten mit den bekannten und nachfolgend beschriebenen Systemen zur Reduzierung von Drehungleichförmigkeiten nur in sehr beschränktem Umfang entgegengewirkt werden kann, so dass es trotz Verwendung dieser Systeme nicht mehr möglich ist, die verstärkten Drehungleichförmigkeiten auf ein komfortables Niveau zu reduzieren. Dies hat zur Folge, dass die bekannten Erscheinungen trotz des Einsatzes dieser Systeme zunehmend hervortreten und zu den genannten Schwierigkeiten und Nachteilen führen.
In bekannten Antriebssträngen finden verschiedenartige Systeme zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeiten Anwendung. Beispielsweise wird zwischen Antriebsmotor und Getriebe ein Schwungrad – meist ein sogenanntes Zwei-Massen-Schwungrad (im Folgenden: ZMS) – verbaut. Ein ZMS umfasst üblicherweise jeweils eine Schwungmasse auf einer motorseitigen Primärseite und einer getriebeseitigen Sekundärseite, wobei die Massen gegeneinander verdrehbar und über Feder-Dämpfer-Elemente miteinander gekoppelt sind.
Daneben sind weitere Systeme zur Reduzierung von Drehungleichförmigkeiten bekannt, wie beispielsweise ein Ein-Massen-Schwungrad, ein Gegenmoment erzeugender Kurbelwellen-Starter-Generator, ein sogenannter Tilger, Fliehkraftpendel oder die Nutzung eines Schlupfes mittels einer Kupplung.
Die beschriebene Nutzung eines Schlupfes als Alternative zu einem ZMS findet bisher vorzugsweise in Automatikgetrieben beispielsweise in Form eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers Anwendung. Jedoch besteht aufgrund des zugrundeliegenden physikalischen Wirkprinzips der Nachteil, dass ein beträchtlicher Teil der Antriebsenergie dissipiert wird und somit ein signifikanter Energieverlust entsteht.
Ferner ist aus der EP 0 847 490 die Verwendung einer elektrischen Maschine als Kupplung in einem Antriebsstrang beschrieben. Hiermit wird der Antriebsstrang unterbrochen und eine Antriebsseite vollständig von einer Abtriebsseite entkoppelt. Die elektrische Maschine erzeugt ein stetiges Drehmoment für den Kupplungsschlupf und muss gleichzeitig von einer Regelung derart geregelt werden, dass die abtriebsstrangseitigen Drehmoment- bzw. Drehzahlschwankungen vermindert werden. Es muss also eine stetige Betätigung der elektrischen Maschine erfolgen, um ein Gegenmoment zu erzeugen und ein Antriebsmoment des Antriebsstrangs strangabwärts in Richtung der anzutreibenden Räder übertragen zu können. Erfolgt dagegen keine Betätigung der elektrischen Maschine, so wird aufgrund des Antriebsmoments lediglich der Stator (oder der Rotor) relativ zu dem Rotor (bzw. dem Stator) gedreht. Dieser kann mangels eines Gegenmoments nicht in Drehung versetzt werden und steht somit still.
Ein signifikanter Nachteil besteht jedoch in der Tatsache, dass die elektrische Maschine stets in ausreichendem Maße mit elektrischer Energie versorgt werden muss, um ein entsprechendes Gegenmoment bereitzustellen. Zusätzlich erfordert ein derartiges System eine komplexe Auslegung und Regelung, aufgrund eines üblicherweise grenzstabilen Verhaltens und einer entsprechend geringen Robustheit. Bereits bei einer geringfügigen Abweichung von einem Sollzustand kann ein derartiges System instabil werden.
Unter „Schwankungen” eines Drehmoments (nachfolgend auch „Drehmomentschwankungen”) werden im Rahmen der Erfindung insbesondere Abweichungen von einem mittleren Wert eines Drehmoments verstanden, soweit nicht abweichend definiert. Hierzu zählen sowohl periodische als auch nichtperiodische und einmalige Abweichungen.
Nachfolgend werden die Begriffe „Drehungleichförmigkeiten” und „Drehmomentschwankungen” gleichbedeutend zueinander verwendet.
In Anbetracht des diskutierten Standes der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, die voranstehend genannten Nachteile zu beseitigen bzw. zumindest zu reduzieren. Insbesondere soll ein verbessertes System zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten bereitgestellt werden, welches einen möglichst geringen Energiebedarf aufweist und überhöhte Drehungleichförmigkeiten im Antriebsstrang insbesondere im Bereich der Eigenfrequenzen reduziert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten in einem Antriebstrang eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
Demnach wird eine Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten bzw. Drehmomentschwankungen in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges bereitgestellt, wobei die Vorrichtung mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs zum mindestens teilweisen Übertragen eines Antriebsmoments und zum Bereitstellen eines Drehfreiheitsgrades in dem Antriebsstrang verbindbar ausgebildet ist, mit

a. einem passiven Element, welches zum passiven Bereitstellen eines ersten Drehmoments ausgebildet ist, um einen konstanten Drehmomentenanteil des Antriebsmoments des Antriebsstranges zu übertragen, und
b. einem aktiven Element, welches zum Bereitstellen eines aktiv regelbaren zweiten Drehmoments ausgebildet ist, um einen schwankenden Drehmomentenanteil des Antriebsmoments des Antriebsstrangs auszugleichen.

Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb des Antriebsstrangs angeordnet werden kann, um mindestens ein Teil des Antriebsmoments, welches von einer Antriebseinheit – vorzugsweise von einem Verbrennungsmotor – bereitgestellt wird, mittels der Vorrichtung von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle zu übertragen. Da das Antriebsmoment gemäß der vorherigen Darstellungen aufgrund von Drehungleichförmigkeiten einen zeitlich schwankenden Drehmomentwert aufweist, ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, mit Hilfe einer geeigneten Kombination des ersten und des zusätzlichen steuerbaren bzw. regelbaren zweiten Drehmoments ein möglichst konstantes Abtriebsmoment zu erzeugen, welches möglichst geringe Drehungleichförmigkeiten aufweist.
Mit anderen Worten: Es wird also ein schwankendes Antriebsmoment mittels einer Antriebswelle in die Vorrichtung eingeleitet und ein möglichst konstantes Drehmoment mit reduzierten Drehungleichförmigkeiten als Abtriebsmoment über eine Abtriebsachse aus der Vorrichtung ausgeleitet. Dies wird erzielt durch eine Entkopplung des eingeleiteten Antriebsmoments von dem ausgeleiteten Abtriebsmoment mit Hilfe eines Drehfreiheitsgrades, welchen die Vorrichtung für den Antriebsstrang bereitstellt. Um dennoch eine Momentenübertragung zu erzielen, weist die Vorrichtung das passive und das aktive Element auf, die eine steuerbare Übertragung und somit eine gezielte Manipulation einer Drehmomentenübertragung ermöglichen. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Reduzierung der Drehungleichförmigkeiten des eingeleiteten Antriebsmoments bewirkt werden. Je nach Auslegung bzw. Abstimmung der Vorrichtung kann zumindest eine teilweise oder sogar eine vollständige Auslöschung der auftretenden Drehungleichförmigkeiten mit Hilfe der Vorrichtung erzielt werden. Besonders vorteilhaft wirkt sich hierbei eine geringe Verlustleistung aufgrund des Einsatzes des passiven und aktiven Elements aus, die nachfolgend im Detail erläutert werden.
Im Rahmen der beschriebenen Manipulation der Drehungleichförmigkeiten wird das in die Vorrichtung eingeleitete schwankende Antriebsmoment mindestens in den konstanten Drehmomentenanteil und den schwankenden Drehmomentenanteil unterteilt. Der konstante Drehmomentenanteil wird durch einen aktuellen reellen Betriebszustand definiert und stellt einen Mittelwert dar. Dieser Mittelwert entspricht im Wesentlichen einem konstanten Drehmomentenwert eines fiktiven stationären Betriebszustandes, welcher dem aktuellen reellen Betriebszustand entspricht, jedoch im Gegensatz zu diesem keine Drehungleichförmigkeiten aufweist, sondern von einem „fiktiven” konstanten Antriebsmoment ausgeht. Diesem konstanten Drehmomentenanteil kann von dem ersten Drehmoment des passiven Elements als Gegenmoment derart entgegengewirkt werden, dass nach einer anfänglichen Einstellung des Betriebszustandes keine wesentliche Relativbewegung innerhalb der Vorrichtung bewirkt wird, sondern der konstante Drehmomentenanteil ohne Zufuhr von Energie rein passiv von dem passiven Element übertragen wird.
Da ein stationärer Betriebszustand in der Regel nicht auftritt, muss in einem reellen Betriebszustand mit variierenden Drehmomenten zusätzlich zu dem konstanten Drehmomentenanteil ein schwankender Drehmomentenanteil berücksichtigt werden. Dieser definiert folglich einen veränderlichen Anteil des Antriebsmoments und stellt die entsprechende Abweichung zu dem mittleren bzw. konstanten Drehmomentenanteil dar.
Erfindungsgemäß sind das passive und das aktive Element derart gekoppelt, dass das passive Element im Wesentlichen den konstanten Drehmomentenanteil durch Erzeugung des ersten Drehmoments überträgt und das aktive Element entsprechend betätig- bzw. regelbar ist, um den darüber hinaus schwankenden Drehmomentenanteil zu kompensieren, der sowohl periodische als auch nicht-periodische Drehmomentenänderungen umfassen kann. Hierzu ist das aktive Element dazu ausgebildet, das zusätzliche zweite Drehmoment bereitzustellen und derart in den Antriebsstrang einzubringen, dass die Drehungleichförmigkeiten, insbesondere der schwankende Drehmomentenanteil, reduziert werden.
Vorzugsweise kann das aktive Element somit dynamisch an einen momentan auftretenden schwankenden Drehmomentenanteil angepasst werden, um diesen möglichst wirksam zu reduzieren. Hierzu kann nachfolgend eine näher beschriebene Steuereinheit vorgesehen werden.
Die vorgeschlagene Aufteilung in den mittleren bzw. konstanten Drehmomentenanteil und den schwankenden Drehmomentenanteil bietet den Vorteil, dass das aktive Element nicht zur Reduzierung des konstanten Drehmomentenanteils eingesetzt wird, sondern dies im Wesentlichen mittels des passiven Elements erfolgt. Auf diese Weise ist eine Regelung des aktiven Elements lediglich in einem sehr beschränkten Umfang – zum Ausgleich des schwankenden Anteils – erforderlich. Da das aktive Element sein aktiv bereitgestelltes Drehmoment hierbei lediglich bei einer sehr geringen Drehzahl stellen muss, kann ein Regelungsbedarf und die hiermit verbundene erforderliche mechanische Leistung so gering wie möglich gehalten werden.
Dies bewirkt, dass von dem regelbaren aktiven Element (Index AE) nur die um die Leistung des passiven Elements (Index PE) reduzierte mechanische Leistung P_AE = (M_mittel – M_PE)·(Drehzahlschwankung) aufgebracht werden muss, da der mittlere Drehmomentenanteil M_mittel rein passiv durch das passive Element übertragen wird.
Im Gegensatz dazu erfordert die aus dem Stand der Technik bekannte und voranstehend beschriebene stetige Drehmomentkompensation mittels einer elektrischen Maschine (Index: SdT) eine mechanische Leistung von: P_SdT = M_mittel·(Drehzahlschwankung)
Ein Vergleich zeigt, dass eine geeignete Auslegung des passiven Elements der erfindungsgemäßen Vorrichtrung zur Erzeugung des Drehmoments M_PE eine signifikante Reduzierung der zu erbringenden mechanischen Leistung ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform sind das passive Element und das aktive Element parallel zueinander angeordnet, so dass sich das erste und das zweite Drehmoment überlagern. Auf diese Weise kann ein von dem passiven Element aufgebrachtes Drehmoment durch das von dem aktiven Element aufgebrachte Drehmoment je nach Drehrichtung unterstützt oder reduziert werden, so dass eine optimale Anpassung an die aktuell auftretenden Drehmomentschwankungen möglich ist und eine möglichst umfängliche Reduzierung erzielt werden kann.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eine Sensoranordnung zum Ermitteln des Antriebsmoments im, Antriebsstrang umfassen.
Außerdem kann die Vorrichtung eine Steuereinheit zum Steuern des aktiven Elements umfassen. Vorzugsweise ist die Steuereinheit derart mit der Sensoranordnung gekoppelt, dass das Steuern des aktiven Elements in Reaktion auf ein Signal der Sensoranordnung erfolgt. Ebenfalls vorzugsweise erfasst die Steuereinheit ein momentanes Antriebsdrehmoment mit den beiden Anteilen – mittlerer bzw. konstanter Drehmomentenanteil und schwankender Drehmomentenanteil – und ist dazu ausgebildet, zumindest das aktive Element entsprechend zu regeln.
Außerdem kann das passive Element ein Feder-Dämpfer-Element umfassen. Hierbei ist das Feder-Dämpfer-Element derart angeordnet, dass es in einem Betriebszustand ein entsprechendes Drehmoment zum Übertragen des konstanten Drehmomentenanteils des Antriebsmoments bereitstellen kann. Dies kann beispielsweise durch ein als Feder ausgebildetes Feder-Dämpfer-Element erfolgen. Insbesondere kann das Feder-Dämpfer-Element Spiralfeder- oder Torsionsfeder-Anordnungen umfassen, die aufgrund einer Auslenkung oder Dreh- bzw. Torsionsbewegung eine Gegenkraft bereitstellen, so dass mittels des passiven Elements ein Gegenmoment aufgebaut werden kann und eine (zumindest teilweise) Übertragung des Antriebsmoments ermöglicht wird. Gemäß dieser Ausführungsform kann also der konstante Drehmomentenanteil ebenfalls rein passiv, dies bedeutet ohne aktive Zuführung von Energie, insbesondere elektrischer Energie, mittels passiver Federkräfte übertragen werden.
Auch in dieser Ausführungsform kann eine Überlagerung der Drehmomente der beiden Elemente erfolgen, so dass mittels des überlagernden zweiten Drehmoments des aktiven Elements das erste Drehmoment des Feder-Dämpfer-Elements beeinflusst werden kann. Wirken das erste Drehmoment und das überlagernde zweite Drehmoment in entgegengesetzter Richtung, so weist ein resultierendes Drehmoment einen geringeren Betrag auf als das erste Drehmoment in Alleinstellung, so dass das Feder-Dämpfer-Element mittels des aktiven Elements effektiv „weicher” gemacht wird, als es ohne eine Wechselwirkung bzw. eine Überlagerung mit dem zweiten Drehmoment des aktiven Elements der Fall wäre. Auf diese Weise können Drehmomentschwankungen, welche eigentlich zu einer Relativbewegung des Feder-Dämpferelements (z. B. Auslenkung oder Verdrehung um einen Relativwinkel) bezüglich eines Arbeitspunktes führen würden, unmittelbar durch das aktive Element ausgeglichen werden, so dass eine Lage bzw. Auslenkung des Feder-Dämpfer-Elements nahezu konstant gehalten werden kann. Diese entspricht bei geeigneter Auslegung der Vorrichtung einer Auslenkung, wie sie im Falle einer Beaufschlagung mit dem konstanten mittleren Antriebsmoment ohne Einsatz des aktiven Elements und ohne Berücksichtigung des schwingenden Drehmomentenanteils in dem fiktiven stationären Betriebszustand auftreten würde und somit den genannten Arbeitspunkt des Feder-Dämpfer-Elements zumindest für diesen Betriebszustand definiert. Die Auslenkung des passiven Elements aufgrund des konstanten Drehmomentenanteils kann also im Wesentlichen konstant gehalten werden, indem das aktive Element die hiervon abweichenden Schwingungen aktiv ausgleicht.
Beispielsweise umfasst das Feder-Dämpfer-Element ein Zwei-Massen-Schwungrad (ZMS). Dieses umfasst zwei zueinander verschwenkbare Massen, die über ein Feder-Dämpfer-System miteinander gekoppelt sind. Dieser Aufbau eines ZMS ist allgemein bekannt, so dass auf eine nähere Beschreibung verzichtet werden kann.
Außerdem kann das aktive Element eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine als Komponenten mindestens einen Stator und einen relativ hierzu drehbaren Rotor, wobei eine der beiden Komponenten drehfest mit einer Primärseite des passiven Elements und die andere Komponente drehfest mit einer Sekundärseite des passiven Elements verbunden sind. Als Primärseite ist diejenige Seite der Vorrichtung zu verstehen, die von dem Antriebsmoment mittelbar oder unmittelbar beaufschlagt wird und somit der Antriebseinheit funktionell zugeordnet bzw. zugewandt ist. Auf der Sekundärseite wird dagegen ein Drehmoment (das sogenannte Abtriebsmoment) in Richtung der anzutreibenden Räder abgegeben.
Sind also beispielsweise das passive Element als ZMS und das aktive Element als Elektromotor ausgebildet, so kann der Elektromotor derart in einen Kraftschluss des Antriebsstrangs eingebunden werden, dass sein Stator mit einer Primärmasse des ZMS und sein Rotor mit einer Sekundärmasse des ZMS verbunden ist. Die Primärmasse des ZMS stellt somit die Primärseite des ZMS dar, welche in einem eingebauten Zustand der Vorrichtung mittels einer Antriebswelle mit der Antriebseinheit gekoppelt ist. Die Sekundärmasse stellt entsprechend die Sekundärseite des ZMS dar, welche mit einer Abtriebswelle zur Abgabe eines Drehmoments an den Antriebsstrang gekoppelt ist.
Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung also beispielsweise in einem Antriebsstrang zwischen Antriebseinheit und einem Getriebe angeordnet, so ist der Stator des Elektromotors zumindest mittelbar mit der Antriebseinheit drehmomentschlüssig verbunden und der Rotor direkt oder zumindest mittelbar drehmomentschlüssig mit dem Getriebe verbunden. Da es auf eine Orientierung des Elektromotors nicht ankommt, kann dieser ebenso in umgekehrter Orientierung verbaut sein, so dass der Rotor mit der Antriebseinheit und der Stator entsprechend mit dem Getriebe gekoppelt ist. Eine Übertragung des konstanten Drehmomentenanteils des Antriebsmoments kann somit passiv mittels der Federn des ZMS erfolgen. Das von dem Elektromotor aktiv aufbringbare zweite Drehmoment kann dazu benutzt werden, das von dem ZMS bereitgestellte Drehmoment zu beeinflussen, indem dieses von dem zweiten Drehmoment unterstützend oder reduzierend überlagert wird. Auf diese Weise kann im Falle einer reduzierenden Überlagerung eine Steifigkeit der im ZMS eingesetzten Federn in ihrem Arbeitspunkt soweit reduziert werden, dass eine gewünschte Isolationswirkung eintritt und die Drehungleichförmigkeiten reduziert werden können.
Dies bedeutet, dass der konstante Drehmomentenanteil somit eine mittlere Auslenkung der Federn des ZMS bewirkt, wodurch für diesen Betriebszustand der entsprechende Arbeitspunkt definiert wird. Die mittlere Auslenkung der Feder entspricht somit einer mittleren Auslenkung ohne Einsatz des aktiven Elements für einen fiktiven stationären Betrieb, in welchem Drehungleichförmigkeiten nicht auftreten. Im realen schwankenden Betrieb kompensiert das aktive Element lediglich eine zusätzliche Auslenkung um diesen Arbeitspunkt aufgrund der Schwankungen der Auslenkung durch den schwankenden Drehmomentenanteil. Insbesondere kann durch die Überlagerung der Drehmomente der schwankende Drehmomentenanteil derart ausgeglichen bzw. reduziert werden, dass eine zusätzliche Auslenkung der Federn gegenüber der mittleren Auslenkung aufgrund des gegenwirkenden aktiven Elements nicht erfolgt. Diese Wirkungsweise ist insbesondere auch für alle anderen Ausführungsformen eines Feder-Dämpfer-Elements gültig.
Der Einsatz des aktiven Elements ermöglicht also einerseits die auftretenden Drehmomentschwankungen, die zu Abweichungen der Auslenkung um diesen Arbeitspunkt führen würden, zu reduzieren, indem das aktive Element entsprechend gegenwirkend geregelt und der Arbeitspunkt im wesentlichen beibehalten wird.
Ebenso kann aber auch mittels des aktiven Elements der Arbeitspunkt der Federn derart verschoben werden, dass das aktive Element eine Auslenkung der Feder entsprechend verkürzt oder verlängert und auf diese Weise eine höhere bzw. niedrigere Rückstellkraft der Feder ein entsprechend verändertes Drehmoment bereitstellt, falls dies gewünscht wird. In diesem Fall wird durch das aktive Element ein Teil des konstanten Drehmomentenanteils beeinflusst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung außerdem ein Planetengetriebe.
Beispielsweise kann das Planetengetriebe ein Sonnenrad, Planetenräder und ein Hohlrad bzw. Stirnrad umfassen, wobei das Sonnenrad mit einer Antriebswelle des Antriebsstrangs drehfest verbindbar ausgebildet ist und das Hohlrad drehfest mit einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs verbindbar ist und das aktive Element einerseits mit den Planetenrädern verbunden und andererseits mittels des passiven Elements mit dem Kraftfahrzeug verbindbar ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann das aktive Element mittels des Planetengetriebes in einem eingebauten Zustand der Vorrichtung in den Antriebsstrang integriert werden. Hierbei ist der Rotor mit dem Steg des Planetengetriebes drehmomentschlüssig verbunden und der Stator ortsfest bzw. initial fest mit dem Gehäuse einer umgebenden Maschine oder einer Fahrzeugkarosserie verbunden. Auch in diesem Fall kann die Anordnung von Stator und Rotor gegeneinander ausgetauscht angeordnet sein.
Vorzugsweise ist das passive Element parallel zu dem aktiven Element zum Abstützen des mittleren Drehmoments angeordnet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein als Feder-Dämpfer-Element ausgebildetes passives Element den mit dem Steg verbundenen Rotor (oder Stator) mit der umgebenden Maschine oder der Fahrzeugkarosserie verbindet.
Vorteilhaft wirkt sich eine derartige Anordnung mit einem Planetengetriebe dahingehend aus, dass das aktive Element nicht mitgedreht werden muss, wodurch sich energetische und konstruktive Vorteile ergeben.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Umlaufgetriebe als Plusgetriebe mit zwei koaxial beabstandet zueinander angeordneten Hohlrädern, wobei ein erstes Hohlrad drehfest mit einer Antriebswelle des Antriebsstrangs und ein zweites Hohlrad drehfest mit einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs verbindbar ist und jedes Hohlrad mit jeweils einem eingreifenden Planetenrad in Eingriff steht, wobei beide Planetenräder drehfest über eine Welle miteinander verbunden sind und die Welle parallel beabstandet zu einer gemeinsamen Drehachse des ersten und des zweiten Hohlrades angeordnet ist, wobei die Welle von einem Steg in konstantem Abstand drehbar um die gemeinsame Drehachse gehalten wird und das passive Element und das aktive Element die Welle mit dem ersten und zweiten Drehmoment um die gemeinsame Drehachse beaufschlagen.
Unter einem Plusgetriebe ist im Rahmen dieser Erfindung jedes sogenannte Überlagerungsgetriebe zu verstehen. Eine beispielhafte Ausführungsform mit einer doppelt konvexen Verzahnung und einem hiermit verbundenen günstigen Wirkungsgrad – ein sogenanntes „Hohlwellen-Plusgetriebe” – ist in 3 schematisch dargestellt. Allgemein bietet ein Plusgetriebe den Vorteil, dass sich eine Drehrichtung des Antriebsstrangs durch eine Zwischenschaltung einer entsprechend ausgebildeten Vorrichtung nicht umkehrt. Des Weiteren kann ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
Außerdem wird ein Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments eines Motors in einem Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einerseits drehfest mit einer Antriebswelle und andererseits drehfest mit einer Abtriebswelle des Antriebsstrangs verbunden ist und gemäß der gegebenen Beschreibung ausgebildet ist.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit, Rädern und einem Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments der Antriebseinheit auf die Räder vorgeschlagen, mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten, wobei die Vorrichtung einerseits drehfest mit einer Antriebswelle und andererseits drehfest mit einer Abtriebswelle verbunden und gemäß der gegeben Beschreibung ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs einen Motor, insbesondere einen Verbrennungsmotor.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten, und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten.
1 zeigt einen Antriebsstrang 10 für ein Kraftfahrzeug zum Übertragen eines Antriebsmoments eines Verbrennungsmotors 11 mittels einer Antriebswelle 12a bzw. einer Abtriebswelle 12b auf eine Hinterachse mit einem Hinterachsgetriebe 14 und Fahrzeugrädern 15. Innerhalb des Antriebsstrangs 10 ist darüber hinaus ein Getriebe 13 angeordnet. Des Weiteren umfasst der Antriebsstrang 10 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 16 zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten. Diese ist in der dargestellten Ausführungsform zwischen dem Verbrennungsmotor 11 und dem Getriebe 13 platziert. Selbstverständlich kann die Vorrichtung 16 ebenso strangabwärts, also zwischen Getriebe und Hinterachsgetriebe oder an einer der Radwellen zwischen Hinterachsgetriebe und dem jeweiligen Fahrzeugrad angeordnet sein. Entsprechend werden durch eine geeignete Abstimmung der Vorrichtung die dort herrschenden Drehungleichförmigkeiten reduziert.
Die Vorrichtung 16 zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten umfasst ein passives Element 17 mit einer Primärseite 16a, die mit der von dem Verbrennungsmotor 11 angetriebenen Antriebswelle 12a drehfest gekoppelt ist, und eine Sekundärseite 16b, die drehfest mit der Abtriebswelle 12b gekoppelt ist. Das passive Element 17 umfasst ein lediglich schematisch als Spiralfeder dargestelltes Feder-Dämpfer-Element, welches zwischen der Primärseite 16a und der Sekundärseite 16b zum Übertragen eines Drehmoments angeordnet ist. Selbstverständlich kann ebenso ein anderes Feder-Dämpfer-Element bzw. eine andere Anordnung, als passives Element 17 vorgesehen werden. Das passive Element 17 entspricht somit zumindest in seiner Wirkung einem Zwei-Massen-Schwungrad.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 16 ein aktives Element 18a, 18b, das als Elektromotor dargestellt ist und einen mit der Primärseite 16a verbundenen Stator 18a und einen mit der Sekundärseite 16b verbundenen Rotor 18b umfasst, so dass es in seiner Wirkung parallel zu dem passiven Element 17 angeordnet ist und sich die jeweils erzeugten Drehmomente überlagern.
Versetzt also der Verbrennungsmotor 11 die Antriebswelle 12a in eine Rotationsbewegung, wird die Primärseite 16a der Vorrichtung 16 mit einer Drehbewegung bzw. einem Antriebsmoment beaufschlagt und versetzt diese in Drehung. Dabei wird die Primärseite 16a soweit gegenüber der Sekundärseite 16b verdreht, bis das Feder-Dämpfer-Element ein entsprechendes Gegenmoment aufbringen kann. Der hierzu erforderliche Verdrehwinkel, bzw. Relativwinkel ist abhängig von der Federsteifigkeit des Feder-Dämpfer-Elements bzw. von der entsprechenden Federauslenkung und definiert einen Arbeitspunkt der Vorrichtung 16 für einen stationären Zustand. Ist das Gegenmoment erreicht, dreht sich die Sekundärseite 16b entsprechend mit und beaufschlägt die Abtriebswelle 12b mit einer entsprechenden Drehbewegung bzw. einem Drehmoment, welches mittels des anschließenden Abschnitts des Antriebsstrangs auf die Fahrzeugräder 15 übertragen wird. Diese Darstellung gilt insbesondere für ein konstantes Antriebsmoment.
Im Falle eines schwankenden Antriebsmoments werden zusätzlich Drehungleichförmigkeiten ebenfalls auf die Primärseite 16a der Vorrichtung 16 übertragen. Um eine Übertragung der Drehungleichförmigkeiten von dort auf die Sekundärseite 16b und damit auf die Abtriebswelle 12b zu verhindern, wird mit Hilfe des als Elektromotors ausgebildeten aktiven Elements 18a, 18b ein Drehmoment erzeugt, das dem Drehmoment des Feder-Dämpfer-Elements überlagert ist. Sind die beiden Drehmomente entgegengesetzt zueinander gerichtet, so wird mittels des Drehmoments des Elektromotors das Drehmoment des Feder-Dämpfer-Elements bzw. eine Auslenkung der zugehörigen Feder verringert. Dies hat zur Folge, dass das Feder-Dämpfer-Element „weicher” wird und entsprechend Schwankungen des Drehmoments ausgeglichen werden können und somit nicht über das Feder-Dämpfer-Element übertragen werden. Vorzugsweise wird das gegenläufige Drehmoment des Feder-Dämpfer-Elements durch das Drehmoment des Elektromotors derart überlagert, dass sich der Relativwinkel zwischen Primär- und Sekundärseite trotz der Schwankungen des Antriebsmoments um einen mittleren bzw. konstanten Drehmomentenwert nicht verändert.
Entsprechend kann das Drehmoment des Elektromotors das Drehmoment des Feder-Dämpfer-Elements bei Bedarf ebenso unterstützen, wenn die Schwankungen unter den mittleren bzw. konstanten Drehmomentenwert fallen.
In beiden Fällen wird der Primärwinkel also durch eine entsprechende Regelung des aktiven Elements 18a, 18b bzw. des Elektromotors nahezu konstant gehalten, so dass ein entsprechend konstantes Drehmoment an die Abtriebswelle 12b abgegeben werden kann. Der nachfolgende Abschnitt des Antriebsstrangs wird also lediglich mit dem im Wesentlichen konstanten Drehmoment beaufschlagt. Die Drehungleichförmigkeiten des Antriebsmoments der Antriebswelle sind somit im nachfolgenden Abschnitt des Antriebsstrangs je nach Auslegung der Vorrichtung zumindest reduziert oder sogar vollständig eliminiert.
2 zeigt einen Antriebsstrang 20 mit den Komponenten entsprechend 1. Im Gegensatz zu 1 weist die Vorrichtung 26 zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten eine abweichende Anordnung des als Feder-Dämpfer-Elements ausgebildeten passiven Elements 27 und des als Elektromotor ausgebildeten aktiven Elements 28 auf. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein Planetengetriebe 29.
Das Planetengetriebe 29 ist antriebsseitig mit der Antriebswelle 12a und abtriebsseitig mit der Abtriebswelle 12b drehfest gekoppelt, so dass das ebenfalls mit dem Planetengetriebe 29 gekoppelte aktive Element 28 in Form eines Elektromotors über das Planetengetriebe in den Antriebsstrang 20 eingefügt ist. Hierzu ist in der dargestellten Ausführungsform ein Rotor 28b mit einem Steg des Planetengetriebes 29 drehfest verbunden und ein Stator 28a des aktiven Elements initial fest mit dem den Antriebsstrang 20 umfassenden Fahrzeug (nicht dargestellt) verbunden.
Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass zumindest im Falle eines konstanten Antriebsmoments keine Drehbewegung innerhalb der Vorrichtung 26 entsteht und somit keine mechanische Leistung von der Vorrichtung 26 zu verrichten ist. Da entsprechend der voranstehenden Darstellung der Verbrennungsmotor 11 in der Regel ein variierendes Antriebsmoment abgibt, ist stets von einem um einen mittleren konstanten Wert schwankenden Antriebsmoment auszugehen, welches mittels der dargestellten Vorrichtung 26 reduziert werden kann.
Hierzu ist das aktive Element 28a, 28b zusätzlich mittels des passiven Elements 27 an dem Fahrzeug (nicht dargestellt) zur Aufnahme eines mittleren bzw. konstanten Drehmomentenanteils abgestützt, welcher, wie voranstehend beschrieben, dem mittleren bzw. konstanten Wert des schwankenden Antriebsmoments entspricht. In der dargestellten Ausführungsform ist das passive Element 27 parallel zu dem aktiven Element 28 angeordnet und stellt eine Verbindung zwischen dem Rotor 28b und dem Fahrzeug bereit.
3 zeigt eine lediglich schematisch dargestellte weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Drehungleichförmigkeiten. Diese kann an den gleichen Positionen des Antriebsstrangs angeordnet werden, wie die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen.
Die Vorrichtung umfasst ein Plusgetriebe mit zwei zueinander koaxial beabstandet angeordneten Hohlrädern 361, 362, wobei ein erstes Hohlrad 361 drehfest mit einer Antriebswelle 32a eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) und ein zweites Hohlrad 362 drehfest mit einer Abtriebswelle 32b des Kraftfahrzeugs verbunden ist und jedes der beiden Hohlräder 361, 362 mit jeweils einem eingreifenden Planetenrad 363, 364 in Eingriff steht, wobei beide Planetenräder 363, 364 drehfest über eine Welle 365 miteinander verbunden sind und die Welle 365 parallel beabstandet zu einer gedachten gemeinsamen Drehachse 366 (gestrichelt angedeutet) des ersten und des zweiten Hohlrades angeordnet ist, wobei die Welle 365 von einem Steg 367 in konstantem Abstand r2 drehbar um eine Drehachse 32c gehalten wird. Die Drehachse 32c ist koaxial zu der Antriebswelle 32a und der Abtriebswelle 32b und somit auf der gemeinsamen Drehachse 366 angeordnet. Das passive Element 37 und das aktive Element 38 beaufschlagen die Welle 365 mit einem ersten und einem zweiten Drehmoment um die gemeinsame Drehachse 366. Die Beaufschlagung der Welle 365 erfolgt in der dargestellten Ausführungsform mittelbar über eine Beaufschlagung des Stegs 367, an dem sich das passive Element 37 und das aktive Element 38 jeweils mit einem ersten Ende abstützen. Ein jeweils zweites Ende des passiven 37 bzw. des aktiven Elements 38 stützt sich an dem Fahrzeug (nicht dargestellt) ab. Die Beweglichkeit des Stegs 367 zusammen mit der Welle 365 stellt somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad für einen Antriebsstrang – umfassend die Antriebswelle 32a und Abtriebswelle 32b – dar. Auch in dieser Ausführungsform ist das aktive Element 38 und das passive Element 37 derart parallel zueinander angeordnet, dass sich jeweils erzeugte Drehmomente miteinander zu einem resultierenden Drehmoment M₂ überlagern können und somit Drehungleichförmigkeiten bzw. Drehmomentschwankungen des Antriebsmoments M₁ in einem Abtriebsmoment M₃ gemäß der voranstehenden Beschreibung zumindest reduziert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0847490 [0009]

Claims

Vorrichtung zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei die Vorrichtung mit einer Antriebswelle (12a) und einer Abtriebswelle (12b) des Antriebsstrangs (10, 20) zum mindestens teilweisen Übertragen eines Antriebsmoments und zum Bereitstellen eines Drehfreiheitsgrades in dem Antriebsstrang (10, 20) verbindbar ausgebildet ist, mit a. einem passiven Element (17, 27, 37), welches zum passiven Bereitstellen eines ersten Drehmoments ausgebildet ist, um einen mittleren konstanten Drehmomentenanteil des Antriebsmoments des Antriebsstranges (10, 20) zu übertragen, und b. einem aktiven Element (18a, 18b, 28a, 28b, 38), welches zum Bereitstellen eines aktiv regelbaren zweiten Drehmoments ausgebildet ist, um einen schwankenden Drehmomentenanteil des Antriebsmoments des Antriebsstrangs (10, 20) auszugleichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das passive Element (17, 27, 37) und das aktive Element (18a, 18b, 28a, 28b, 38), parallel zueinander angeordnet sind, so dass sich das erste und das zweite Drehmoment überlagern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung außerdem eine Sensoranordnung zum Ermitteln des Antriebsmoments im Antriebsstrang (10, 20) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung (16, 26) eine Steuereinheit zum Steuern des aktiven Elements (18a, 18b, 28a, 28b, 38) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das passive Element (17, 27, 37) ein Feder-Dämpfer-Element umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Feder-Dämpfer-Element ein Zwei-Massen-Schwungrad umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, wobei das aktive Element (18a, 18b, 28a, 28b, 38) eine elektrische Maschine umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die elektrische Maschine als Komponenten einen Stator (18a, 28a) und einen relativ hierzu drehbaren Rotor (18b, 28b) umfasst, wobei eine der beiden Komponenten drehfest mit einer Primärseite (16a) des passiven Elements (17) und die andere Komponente drehfest mit einer Sekundärseite (16b) des passiven Elements (17) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung (16, 26) außerdem ein Planetengetriebe (29) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Planetengetriebe (29) ein Sonnenrad, Planetenräder und ein Hohlrad umfasst, und wobei das Sonnenrad mit einer Antriebswelle (12a) des Antriebsstrangs (20) drehfest verbindbar ausgebildet ist und das Hohlrad drehfest mit einer Abtriebswelle (12b) des Antriebsstrangs (20) verbindbar ist und das aktive Element (28a, 28b) einerseits mit den Planetenrädern verbunden und andererseits mittels des passiven Elements (27) mit dem Kraftfahrzeug verbindbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung ein Plusgetriebe umfasst, mit zwei koaxial beabstandet zueinander angeordnete Hohlrädern (361, 362), wobei ein erstes Hohlrad (361) drehfest mit einer Antriebswelle (32a) des Antriebsstrangs und ein zweites Hohlrad (362) drehfest mit einer Abtriebswelle (32b) des Antriebsstrangs verbindbar ist und jedes Hohlrad (361, 362) mit jeweils einem eingreifenden Planetenrad (363, 364) in Eingriff steht, wobei beide Planetenräder (363, 364) drehfest über eine Welle (365) miteinander verbunden sind und die Welle (365) parallel beabstandet zu einer gemeinsamen Drehachse (366) des ersten (361) und des zweiten Hohlrades (362) angeordnet ist, wobei die Welle (365) von einem Steg (367) in konstantem Abstand drehbar um die gemeinsame Drehachse (366) drehbar gehalten wird und das passive Element (37) und das aktive Element (38) die Welle (365) mit dem ersten und zweiten Drehmoment um die gemeinsame Drehachse (366) beaufschlagen.
Antriebsstrang zum Übertragen eines Antriebsmoments eines Motors (11) in einem Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung (10, 20) zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten, wobei die Vorrichtung (10, 20) einerseits drehfest mit einer Antriebswelle (12a, 32a) und andererseits drehfest mit einer Abtriebswelle (12b, 32b) des Antriebsstrangs (10, 20) verbunden ist und gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit (11), Rädern (15) und einem Antriebsstrang (10, 20) zum Übertragen eines Antriebsmoments der Antriebseinheit (11) auf die Räder (15), mit einer Vorrichtung (16, 26) zum Reduzieren von Drehungleichförmigkeiten, wobei die Vorrichtung (16, 26) einerseits drehfest mit einer Antriebswelle (12a, 32a) und andererseits drehfest mit einer Abtriebswelle (12b, 32b) verbunden ist und gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Antriebseinheit (11) einen Verbrennungsmotor umfasst.