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Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine und einem Getriebe und einem zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe angeordneten Fliehkraftpendel mit einem Pendelmassenträger und zumindest einer gegenüber dem Pendelmassenträger im Fliehkraftfeld des um eine Drehachse drehenden Pendelmassenträgers pendelfähig und bezüglich ihrer Pendelbewegung auf eine Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine abgestimmten Pendelmasse.
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Antriebsstränge mit einer Brennkraftmaschine und einem nachgeschalteten Getriebe sind hinreichend bekannt. Brennkraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip weisen Drehschwingungen auf, die in ungedämpfter Weise starke Vibrationen im Antriebsstrang und im gesamten Fahrzeug induzieren. Es wurde daher eine Vielzahl von Dämpfungseinrichtungen zur Dämpfung der Drehschwingungen vorgeschlagen. Beispielsweise kann zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe ein Fliehkraftpendel vorgesehen werden, welches auf die Hauptschwingungsordnung, beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine mit vier nach dem Viertakt-Prinzip betrieben Zylindern auf die Schwingungsordnung zwei abgestimmt ist. Durch das Wirkungsprinzip des Fliehkraftpendels wirkt dabei das Fliehkraftpendel als drehzahladaptiver Drehschwingungstilger, welcher unter idealen Bedingungen die Drehschwingungen der Hauptschwingungsordnung nahezu vollständig isoliert. Hierzu weist das Fliehkraftpendel einen um eine Drehachse, beispielsweise die Drehachse der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verdrehbar angeordneten Pendelmassenträger auf, an dem zumindest eine, bevorzugt mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Pendelmassen im Fliehkraftfeld des drehenden, bevorzugt von der Kurbelwelle drehangetriebenen Pendelmassenträgers pendelfähig aufgenommen sind. Durch die Auslegung des Schwingwinkels, der Pendelbahn, die Pendelmasse und dergleichen wird die Schwingungsordnung festgelegt.
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Es hat sich dabei gezeigt, dass unter realen Betriebsbedingungen des Antriebsstrangs zumindest über bestimmte Drehzahlbereiche gegenüber der der Hauptschwingungsordnung entsprechenden Erregerfrequenz veränderte Schwingungsordnungen auftreten, welche das Fliehkraftpendel mit festgelegter, auf die Hauptschwingungsordnung abgestimmter Tilgerfrequenz nicht mehr vollständig oder zumindest in verschlechterter Weise tilgen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines gattungsgemäßen Antriebsstrangs mit einem Fliehkraftpendel, welches unabhängig von antriebsstrangbedingten Einflüssen auf die Schwingungsordnung eine verbesserte Tilgerwirkung bereitstellt. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, Einflüsse einer schlupfgesteuerten Reibungskupplung auf die Tilgerwirkung eines der Reibungskupplung nachgeschalteten Fliehkraftpendels zu kompensieren.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
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Der vorgeschlagene Antriebsstrang enthält zumindest eine Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern, ein Getriebe, beispielsweise ein Schaltgetriebe, automatisiertes Schaltgetriebe, Automatgetriebe, CVT-Getriebe oder dergleichen sowie ein zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe angeordnetes Fliehkraftpendel mit einem Pendelmassenträger und zumindest einer gegenüber dem Pendelmassenträger im Fliehkraftfeld des um eine Drehachse drehenden Pendelmassenträgers pendelfähig und bezüglich ihrer Pendelbewegung auf eine Schwingungsordnung der Brennkraftmaschine abgestimmten Pendelmasse.
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Das Fliehkraftpendel kann auf eine oder mehrere Schwingungsordnungen abgestimmt sein. Das Fliehkraftpendel kann mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Pendelmassen aufweisen. Beispielsweise kann ein Pendelmassenträger aus einem Pendelflansch gebildet sein, welcher beidseitig Pendelmassen aufnimmt, wobei axial gegenüberliegende Pendelmassen mittels den Pendelflansch durchgreifender Verbindungsmitteln zu Pendelmasseneinheiten verbunden sind. Alternativ kann der Pendelmassenträger aus zwei Scheibenteilen gebildet sein, die in einem axial erweiterten Bereich zwischen sich die Pendelmassen aufnehmen. Die pendelfähige Aufnahme erfolgt monofilar oder bifilar, indem zwischen dem Pendelmassenträger und den Pendelmassen ein oder in Umfangsrichtung beabstandet zwei Pendellager vorgesehen sind. Die Pendellager können hierbei aus Ausnehmungen in dem Pendelmassenträger und in den Pendelmassen gebildet sein. Die Ausnehmungen weisen die Pendelbahnen entlang des vorgesehenen Schwingwinkels vorgebende Laufbahnen auf, auf denen pro Pendellager jeweils ein die Laufbahnen übergreifender Wälzkörper, beispielsweise eine Pendelrolle oder dergleichen abwälzt. Insbesondere bei monofilarer Bewegung der Pendelmassen können die Laufbahnen am Außenumfang der Pendelmassen und an einem Innenumfang des Pendelmassenträgers vorgesehen sein. Zur Kompensation einer Änderung der antriebsstrangbedingten Änderung der Schwingungsordnung gegenüber einer ursprünglichen Erregerordnung der Brennkraftmaschine ist ein die zumindest eine Pendelmasse beaufschlagender mechanischer Energiespeicher vorgesehen.
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Der vorgeschlagene Energiespeicher verstimmt dabei die Tilgerordnung des Fliehkraftpendels in der Weise, dass eine Störung der Tilgerordnung ein Tilgerverhalten des Fliehkraftpendels die durch den Antriebsstrang veränderte Schwingungsordnung zumindest teilweise zumindest jedoch in gegenüber dem Fliehkraftpendel ohne mechanischem Energiespeicher in verbesserter Weise abbildet. Beispielsweise kann ein mechanischer Energiespeicher zwischen dem Pendelmassenträger und der zumindest einen Pendelmasse angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein mechanischer Energiespeicher zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Pendelmassen angeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform stellt der mechanische Energiespeicher ein Rückstellmoment der zumindest einen Pendelmasse in eine neutrale Pendelstellposition bereit. Dies bedeutet, dass die bei ausreichender Fliehkraft um eine Gleichgewichtslage wie neutrale Pendelposition abhängig von der Drehzahl und eingebrachten Drehschwingungen in unterschiedlicher Amplitude schwingenden Pendelmassen mit zunehmendem Schwingwinkel von dem mechanischen Energiespeicher in ihre neutrale Pendelposition zurückgestellt werden. Dies führt zu einer gewünschten Verstimmung der Tilgerordnung des Fliehkraftpendels, die an die Verstimmung der Schwingungsordnung wie Erregerordnung der Brennkraftmaschine durch Einflüsse des Antriebsstrangs angepasst ist, so dass das Fliehkraftpendel wieder über den gesamten Drehzahlbereich als drehzahladaptiver Drehschwingungstilger wirksam sein kann.
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Je nach Verstimmung der Schwingungsordnung kann der mechanische Energiespeicher mit einer linearen, progressiven oder degressiven Kennlinie oder über den Schwingwinkel der Pendelmassen mit einer Kombination dieser ausgebildet sein. Der mechanische Energiespeicher kann aus einem oder mehreren Federelementen, beispielsweise einzeln oder in Kombination angeordneten Schraubenfedern wie Schraubendruck-, Schraubenzugfedern, Schenkelfedern, Spiralfedern, Tellerfedern oder Tellerfederpaketen oder dergleichen ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Antriebsstrang eine zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe angeordnete Reibungskupplung aufweisen, wobei die Reibungskupplung schlupfgeregelt betrieben ist und das Fliehkraftpendel im Drehmomentfluss der Reibungskupplung nachgeschaltet ist. In bevorzugter Weise ist die Reibungskupplung als nass betriebene Reibungskupplung betrieben und beispielsweise als Lamellenkupplung oder Wandlerüberbrückungskupplung in einem hydrodynamischen Drehmomentwandler ausgebildet. Hierbei kann der Schlupf der Reibungskupplung abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine geregelt sein. Durch die Schlupfregelung können Anregungsamplituden der Drehschwingungen der Brennkraftmaschine bereits gedämpft werden, so dass sich die Schwingungsordnung über die Schlupfregelung der Reibungskupplung ändert. Diese Änderungen werden durch die Einführung des mechanischen Energiespeichers in das Fliehkraftpendel zumindest teilweise kompensiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Steifigkeit des mechanischen Energiespeichers proportional oder nach einem vorgegebenen Verlauf zum Schlupf der Reibungskupplung ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass über den Schwingwinkel der zumindest einen Pendelmasse jeweils eine an den Schlupf angepasste Steifigkeit des mechanischen Energiespeichers vorgesehen sein kann. Hierdurch kann der mechanische Energiespeicher eine schlupfregelungsbedingte Änderung der Schwingungsordnung zumindest teilweise kompensieren.
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Bevorzugt ist der mechanische Energiespeicher auf Schlupfgrenzen zwischen 10 min–1 bis 100 min–1, bevorzugt zwischen 20 min–1 und 90 min–1 ausgelegt ist. Entsprechend erfolgt eine bevorzugte Schlupfregelung der Reibungskupplung innerhalb dieser Schlupfgrenzen.
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Alternativ oder zusätzlich kann mittels des mechanischen Energiespeichers eine Kompensation einer Dämpfung der Bewegung der zumindest einen Pendelmasse durch das Fluid einer nass betriebenen Reibungskupplung vorgesehen sein. Wird mit anderen Worten für ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsstrangs mit schlupfgeregelter Reibungskupplung das auf eine konstante Schwingungsordnung beziehungsweise auf einen vorgegebenen Ordnungsverlauf über den Schwingwinkel der zumindest einen Pendelmasse abgestimmte Fliehkraftpendel, also die Tilgerordnung des Fliehkraftpendels gleich der Erregerhauptordnung gewählt, ist eine gute Isolationswirkung der Hauptordnung in einem großen Drehzahlbereich möglich. Die Hauptordnung des Fliehkraftpendels ist hierbei das Verhältnis zwischen der Hauptordnung der mittleren Drehzahl der Brennkraftmaschine. Wird das Fliehkraftpendel auf die Sekundärseite wie Ausgangsseite der schlupfgeregelten Reibungskupplung im Antriebsstrang angeordnet, dann erfährt das Fliehkraftpendel die Drehzahl, welche die Schlupfreglung als Sekundärdrehzahl zulässt. Die nachfolgende Gleichung verdeutlicht diesen Zusammenhang:
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Hierbei bedeuten:
- qEffektiv,Haupt
- die effektive Hauptschwingungsordnung,
- qMot,Haupt
- die Hauptschwingungsordnung der Brennkraftmaschine,
- n Mot
- gemittelte Drehzahl der Brennkraftmaschine,
- n Turb
- gemittelte Drehzahl des Pendelmassenträgers des Fliehkraftpendels
- nS
- Schlupfdrehzahl der Reibungskupplung.
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Aus der Gleichung wird ersichtlich, dass bei einer Schlupfdrehzahlvergrößerung eine größere Schwingungsordnung an dem Fliehkraftpendel erzeugt wird. Damit ergibt sich eine Schwingungsordnung am Fliehkraftpendel, die das Fliehkraftpendel nur noch unzureichend kompensieren kann. Dies führt zu ungünstigen Isolationsverläufen im Antriebsstrang. Zur Anpassung der Schwingungsordnung an dieses Verhalten beziehungsweise der Kompensation der sich ändernden Schwingungsordnung ist ein mechanischer Energiespeicher, beispielsweise eine Rückstellfeder, die eine Isolationsverbesserung bei schlupfender Reibungskupplung bewirkt, vorgesehen. Die Rückstellfeder befindet sich an den Pendelmassen und erzeugt ein zusätzliches Rückstellmoment. Die Rückstellfeder wird in dem Maße gestaltet, dass der Isolationsverlauf begünstigt wird.
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Im Falle einer Dämpfung der zumindest einen Pendelmasse beispielsweise durch ein Fluid einer nass betriebenen Reibungskupplung kann mittels der Rückstellfeder zusätzlich oder alternativ zur Kompensation des Schlupfeinflusses der Reibungskupplung eine Dämpfungskompensation vorgesehen sein, indem das Federverhalten des mechanischen Energiespeichers derart angepasst wird, dass eine Dämpfung der zumindest einen Pendelmasse, welche wie eine Kompensation des Schlupfs der Reibungskupplung vom Schwingwinkel beziehungsweise der Schwingwinkelgeschwindigkeit abhängig sein kann, kompensiert wird. Eine Kompensation der Dämpfung kann der Kompensation des Schlupfs gegengerichtet sein. Eine Dämpfung beispielsweise Reibung der zumindest einen Pendelmasse tritt insbesondere bei Fluiden wie Öl, Wasser oder dergleichen auf.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Teildarstellung eines Antriebsstrangs,
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2 ein aus vier Teildiagrammen bestehendes Diagramm mit dem Verhalten eines Antriebsstrangs der 1 im Vergleich mit einem Antriebsstrang ohne mechanischen Energiespeicher an der Pendelmasse,
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3 ein Diagramm der Schwingungsordnung über die Anregungsamplitude und des Schwingwinkels der Pendelmasse ohne mechanischen Energiespeicher,
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4 ein Diagramm der Schwingungsordnung über die Anregungsamplitude und des Schwingwinkels der Pendelmasse mit mechanischem Energiespeicher,
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5 ein Diagramm des Schwingwinkels der Pendelmasse über die Drehzahl bei einem Fliehkraftpendel mit mechanischem Energiespeicher,
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6 ein Diagramm der Schwingungsordnung über die Drehzahl bei einem Fliehkraftpendel mit mechanischem Energiespeicher,
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7 ein Diagramm der Schwingungsordnung eines Fliehkraftpendels über den Schwingwinkel der Pendelmasse und
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8 ein Diagramm verschiedener Schwingungsordnungen eines Fliehkraftpendels über den Schwingwinkel der Pendelmasse bei unterschiedlichen Steifigkeiten des mechanischen Energiespeichers und unterschiedlichen geschwindigkeitsproportionalen Dämpfungen beispielsweise eines Fluids.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung den Antriebsstrang 1 mit der schlupfgeregelten Reibungskupplung 2 und dem der Reibungskupplung 2 nachgeschalteten Fliehkraftpendel 3 mit der einzigen Pendelmasse 4 mit dem Trägheitsmoment JF der Hauptmasse 5. Zwischen der als Pendelmassenträger dienenden Hauptmasse 5 mit dem Trägheitsmoment JH der Pendelmasse 4 und der Pendelmasse 4 ist der mechanische Energiespeicher 6 angeordnet, der ein Rückstellmoment für die Pendelmasse in ihre neutrale Pendelposition bewirkt. Der mechanische Energiespeicher 6 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Spiralfeder ausgebildet. Es versteht sich, dass mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Pendelmassen 4 vorgesehen sein können und der mechanische Energiespeicher 6 aus anderen Federelementen wie Schrauben- Teller, -Schenkelfedern oder dergleichen gebildet sein kann.
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Von der Brennkraftmaschine wird über deren Kurbelwelle 7 ein drehschwingungsbehaftetes Motormoment Mt eingebracht. Die schlupfgeregelte Reibungskupplung 2 überträgt im geschlossenen, schlupfgeregelten Zustand mit einem Restschlupf bei spielsweise zwischen 20 min–1 bis 90 min–1 das Drehmoment auf die Hauptmasse 5 und von dort in nicht dargestellter Weise gegebenenfalls über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler auf das Getriebe und von dort auf die Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs. Das Fliehkraftpendel 3 ist auf die Haupterregerschwingung der Brennkraftmaschine, beispielsweise auf eine Schwingungsordnung zwei einer im Viertaktprinzip betriebenen Brennkraftmaschine mit vier Zylindern abgestimmt. Aufgrund der bereits dämpfenden Wirkung der Reibungskupplung im Schlupfbetrieb ändert sich die Schwingungsordnung an der Hauptmasse 5. Diese Änderung wird durch den mechanischen Energiespeicher 6 zumindest teilweise kompensiert.
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Die 2 zeigt das Diagramm 8 mit dem Isolationsverlauf des Fliehkraftpendels 3 beziehungsweise dessen Hauptmasse 5 der 1, welche an der der Brennkraftmaschine abgewandten Seite, also an der Ausgangsseite der Reibungskupplung 2 angeordnet ist. Hierbei ist in dem Teildiagramm IV das Motormoment Mt der Brennkraftmaschine in Form der Amplitude der Hauptordnung gegen die Drehzahl dargestellt. Die Teildiagramme I bis III zeigen jeweils in durchgezogener Linie das Verhalten des Antriebsstrangs 1 der 1 mit schlupfgeregelter Reibungskupplung 2 und Fliehkraftpendel 3 mit mechanischem Energiespeicher 6. Die gestrichelten Linien zeigen das Verhalten einer schlupfgeregelten Reibungskupplung mit einem Fliehkraftpendel ohne mechanischen Energiespeicher und die strichpunktierten Linien das Verhalten einer nicht schlupfgeregelten Reibungskupplung mit einem Fliehkraftpendel ohne mechanischen Energiespeicher.
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Teildiagramm I zeigt den Verlauf die obere Hüllkurve des Schwingwinkels φF der Fliehkraftpendel über die Drehzahl n der Brennkraftmaschine. Teildiagramm II zeigt die Schlupfdrehzahl nS über die Drehzahl n und das Teildiagramm III die Drehzahl ng der Amplitude der Hauptordnung an der Hauptmasse der Fliehkraftpendel. Zwischen den Drehzahlen 1000 min–1 und 1300–1 min ist ein geregelter Anstieg des Schlupfs von 20 min–1 auf 90 min–1 dargestellt.
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Insbesondere aus dem Teildiagramm III ist eine deutliche Verschlechterung des Isolationsverhaltens des Fliehkraftpendels ohne mechanischen Energiespeicher ersichtlich (siehe Pfeil 9). Mit einem mechanischen Energiespeicher 6 entsprechend 1 wird das Isolationsverhalten des Fliehkraftpendels während eines Anstiegs des Schlupfs eindeutig verbessert (siehe Pfeil 10).
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Die 3 zeigt das Diagramm 11 mit der dreidimensionalen Darstellung der Schwingungsordnung q wie Tilgerordnung an dem Fliehkraftpendel über den Schwingwinkel φF der Pendelmasse und die Anregungsmomentenamplitude AF an dem Fliehkraftpendel bei einem Fliehkraftpendel ohne mechanische Energiespeicher als Funktion q = f(φF). Die 4 zeigt das Diagramm 12 mit der dreidimensionalen Darstellung der Schwingungsordnung q wie Tilgerordnung an dem Fliehkraftpendel über den Schwingwinkel φF der Pendelmasse und die Anregungsmomentenamplitude AF an dem Fliehkraftpendel bei einem Fliehkraftpendel mit mechanischem Energiespeicher als Funktion q = f(φF, AF). Durch die schlupfende Reibungskupplung wird die Anregungsmomentenamplitude AF der Fliehkraftpendelhauptmasse gesenkt. Damit wird bei der Schlupfdrehzahlumschaltung von 20 min–1 auf 90 min–1 entsprechend 2 das Anregungsmoment an der Fliehkraftpendelhauptmasse reduziert. Bei einem Fliehkraftpendel ohne mechanischen Energiespeicher entsprechend 3 ist die Tilgerordnung entsprechend 3 nicht von der Anregungsmomentenamplitude AF abhängig. Bei einem Fliehkraftpendel mit mechanischem Energiespeicher entsprechend 4 ist die Tilgerordnung des Fliehkraftpendels eine Funktion vom Schwingwinkel φF und der Anregungsmomentenamplitude AF. Bei einer Senkung der Anregungsmomentenamplitude durch Schlupf wird die Tilgerordnung vergrößert. Damit kann die sich aufgrund des sich ändernden Schlupfs ändernde Schwingungsordnung durch die mittels des mechanischen Energiespeichers geänderte Tilgerordnung ausgeglichen werden.
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Die 5 bis 7 zeigen die Zusammenhänge der 4 aufgeteilt in die Diagramme 13, 14, 15. Hierbei zeigt das Diagramm 13 das Verhalten des Schwingwinkels φF über die Drehzahl n der Brennkraftmaschine, 6 und 7 zeigen diesen Zusammenhang bei dem System FKP ohne Feder und FKP mit Feder. Das Diagramm 14 zeigt den Schwingwinkel φF des Fliehkraftpendels über die Drehzahl n und das Diagramm 15 die Schwingungsordnung q wie Tilgerordnung des Fliehkraftpendels über den Schwingwinkel φF.
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Das Diagramm 16 der 8 zeigt eine Schar von Kurven 17 der Schwingungsordnung q über den Schwingwinkel φF für eine Schwingungsordnung q = 2 eines Fliehkraftpendels, welches in nasser Umgebung, beispielsweise in einem Fluid aus Öl oder Wasser betrieben wird. Hierbei werden die Pendelmassen bezüglich ihres Schwingwinkels gebremst, das heißt gedämpft. Dies äußert sich je nach Eigenschaften des Fluids in einer absinkenden Schwingungsordnung entsprechend den Kurven 17. Um diese Dämpfung zu kompensieren, kann der mechanische Energiespeicher 6 (1) mit einer höheren Steifigkeit versehen werden, so dass die Schwingungsordnung – wie in den Kurven 18 gezeigt – erhöht und damit die Schwingungsordnung zu der gewünschten Kurve 19 kompensiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Reibungskupplung
- 3
- Fliehkraftpendel
- 4
- Pendelmasse
- 5
- Hauptmasse
- 6
- mechanischer Energiespeicher
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Diagramm
- 9
- Pfeil
- 10
- Pfeil
- 11
- Diagramm
- 12
- Diagramm
- 13
- Diagramm
- 14
- Diagramm
- 15
- Diagramm
- 16
- Diagramm
- 17
- Kurve
- 18
- Kurve
- 19
- Kurve
- AF
- Anregungsmomentenamplitude
- JH
- Trägheitsmoment Hauptmasse
- JF
- Trägheitsmasse Pendelmasse
- Mt
- Motormoment der Hauptamplitude der Hauptordnung
- M
- Anregungsmoment
- n
- Drehzahl
- nS
- Schlupfdrehzahl
- ng
- Drehzahl der Amplitude der Hauptordnung an der Hauptmasse
- q
- Schwingungsordnung
- φF
- Schwingwinkel
- I
- Teildiagramm
- II
- Teildiagramm
- III
- Teildiagramm
- IV
- Teildiagramm
