JP2010014273A - 回転振動ダンパ - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単に構成することができ、重量が僅であり、回転振動の確実な減衰が保証されるような、特にピストンエンジンのクランクシャフトのための回転振動ダンパを提供する。
【解決手段】特にピストンエンジンのクランクシャフトのための回転振動ダンパであって、回転軸線(A)を規定するハブ(3)と、少なくとも1つのばねエレメントを介在してハブ(3)に連結されていて、該ハブに対して自由に回転振動可能である質量体(4)とを有していて、質量体(4)がリング状に形成されていて、ハブ(3)に対して同心的に配置されており、少なくとも1つのばねエレメントが鋼材料から成っていて、撓みばね(5)の形に形成されている。
【選択図】図1c

Description

本発明は、回転振動ダンパ、特に内燃機関の、特にピストンエンジンのクランクシャフトに取り付けるための回転振動ダンパに関する。本発明はさらに、回転振動ダンパを有したクランクシャフト装置に関する。回転振動ダンパは、ピストンエンジンにおいて、エネルギ変換の種々様々な段階で生じる振動を振幅及び周波数に関して減衰するために働く。このような振動は、時間的に断続的に生じる不均一なトルク及び回転数経過に基づき、シリンダ数、燃焼法、作業サイクル数、点火時点に依存して生じる。
通常、質量とばねエレメントとを有した上記回転振動ダンパは、所定の周波数または所定の周波数範囲で、クランクシャフトの個々の部分を落ち着いた状態に保ち、または明らかに振動が弱くなるように、所望のように、励振力又は励振モーメントの作用を補償しなければならない。
特許文献DE10126477C1号明細書により、いわゆる剪断ギャップアブソーバ(Scherspalt-Tilger)としての回転振動ダンパが公知である。
特許文献DE102006043621A1号明細書により、ピストンエンジンのクランクシャフトのための回転振動ダンパが公知である。この回転振動ダンパは、クランクシャフトに固定されているケーシングと、ばねエレメントを介してケーシングに連結されている振動質量体とを有している。ばねエレメントは、プレロードをかけられた圧縮コイルばねとして形成されていて、この圧縮コイルばねは、ケーシングの周方向で延びる窓に収容されている。
特許文献DE102005055034A1号明細書により、巻成された線ばねを駆動プーリ内に備えたねじり振動ダンパが公知である。線ばねの一方の端部はハブに、他方の端部は駆動プーリのプーリリムに回転方向で固定されている。これにより線ばねを介して、ハブとプーリリムとの間にトルクを伝達することができる。
DE10126477C1 DE102006043621A1 DE102005055034A1
本発明の課題は、簡単に構成することができ、重量が僅であり、回転振動の確実な減衰が保証されるような、特にピストンエンジンのクランクシャフトのための回転振動ダンパを提供することにある。さらに本発明の課題は、このような回転振動ダンパを有したクランクシャフト装置を提供することである。
この課題を解決するために本発明の構成では、特にピストンエンジンのクランクシャフトのための回転振動ダンパであって、回転軸線Aを規定するハブと、少なくとも1つのばねエレメントを介在してハブに連結されていて、該ハブに対して自由に回転振動可能である質量体とを有していて、質量体がリング状に形成されていて、ハブに対して同心的に配置されており、少なくとも1つのばねエレメントが鋼材料から成っていて、撓みばねの形に形成されているようにした。
さらに、上記課題は、回転振動ダンパのハブが少なくとも間接的にクランクシャフトに不動に結合されていることを特徴とする、上記回転振動ダンパを有したクランクシャフトによって解決された。
本発明による回転振動ダンパは、僅かな部分から成っていて、ひいては簡単に製造可能であるという利点を有している。同時に、質量体をハブに連結させる少なくとも1つの撓みばねにより、回転する構成部分の回転振動の確実な減衰もしくは緩衝が可能である。回転振動ダンパはこれにより特に、ピストンエンジンのクランクシャフトでの使用に適している。このためにハブは直接に、または例えばベルトプーリを介して間接的に、不動にクランクシャフトに結合されているので、回転振動ダンパはクランクシャフトと共に回転する。選択的な使用可能性は、回転振動ダンパを、回転振動を減衰もしくは緩衝するために分離されるベルトプーリに取り付けることにある。
撓みばねとは、名前から既に明らかであるように、基本的に撓むように負荷されるように形成されたもしくは回転振動ダンパに組み込まれたばねエレメントを意味している。撓みばねによりコンパクトな構成形式及び良好な減衰特性が得られる。撓みばねは、金属的な材料から製造されていて、有利には、高い弾性と高い強度を特徴とするばね鋼から成っている。質量体は有利には閉じられたリングの形で形成されていて、回転軸線に対して同心的に配置されている。従って質量体はフリーホイールと言っても良い。質量体の負均衡性が僅かであるためには、質量体は有利には回転対称的に、特に円環状に形成されている。原理的には、質量体が開かれたリングとして形成されている、または、2つ又はそれ以上のリング区分から形成されていることも考えられる。
回転振動ダンパの機能形式は以下の通りである。回転する構成部分、例えばクランクシャフト又はベルトプーリが等速で回転する場合、質量体は振動する回転運動なしに連行される。小さな振動偏差が重畳して生じた場合、質量体とハブとの間に相対運動が生じる。この回転振動は、回転振動ダンパによって、ピストンエンジンのアイドリング回転数の周波数範囲にシフトされ、従って臨界的ではない周波数範囲にある。回転振動ダンパの固有周波数は、回転する構成部分もしくは始動システムの励振周波数と同じであるように設計されている。このようにして、回転する構成部分の振動は消去される。内燃機関のクランクシャフトの主励振周波数は、シリンダの数と配置に応じて、200〜600Hzである。この値には、始動システムの回転振動を消去することができるように、回転振動ダンパの固有周波数が相応しなければならない。
第1の構成では、撓みばねは周方向でハブの周りに、特に少なくとも270°にわたって延びている。この場合、撓みばねは特に、全周以下で延びるトーションスプリングとして形成されていて良く、又は、全周以上に延びる渦巻きばねとして形成されていて良い。トーションスプリングは、渦巻きばねと同様に、その軸線を中心としてねじり負荷される。両ばねエレメントは、巻きの直径に関係なく、外部のモーメントがばね線に、一定の曲げモーメントとして、巻きの全線長さにわたって加えられる、曲げられた撓みばねである。従って、回転もしくは回転振動により生じる巻き直径の必然的な変更は、撓みばねの直線性に殆ど影響を与えない。
渦巻きばねとしての構成では、有利には渦巻きの第1の端部がハブに結合されていて、渦巻きの第2の端部が質量体に結合されている。有利には、渦巻きばねは少なくとも360°、特に約540°回転軸線を中心として延びている。特に、渦巻きばねは、ハブの外周面に当接接触する第1の当接区分と、質量体の内周面に当接接触する第2の当接区分と、第1の当接区分と第2の当接区分の間に位置する、ハブもしくは質量体に接触しない自由な移行区分とを有している。少なくとも一方の当接区分が、少なくとも180°の周面にわたって延びている、即ち少なくとも180°にわたってハブもしくは質量体に接触しているならば、渦巻きばねの良好な支持のために有利である。移行区分は少なくとも90°にわたって延びているのが望ましい。渦巻きばねの螺旋は、有利な構成では1つの平面に位置しているが、複数の平面で延びていてもよい。
別の構成によれば、撓みばねは軸方向から見て波形のリングとして形成されていて、このリングはハブに対して同心的に配置されている。この場合、波形の撓みばねはハブの外周面と質量体の内周面との間のリング状室に配置されている。波形の経過とは、撓みばねが環状のばね中心線を中心としてメアンダ状であることを意味している。波形のばねエレメントは内側の反転区分と外側の反転区分を有しており、内側の反転区分のうち少なくともいくつかがハブに当接接触しており、外側の反転区分のうち少なくともいくつかが質量体に当接接触している。さらに、波形の撓みばねが少なくとも1つの周面領域でハブに不動に、例えば溶接又は形状接続によって結合されており、少なくとも1つの周面領域で質量体に不動に結合されている。ハブもしくは質量体に不動に結合されていないが、接触はしているその他に反転区分は摩擦力に基づき減衰作用を有している。反転区分が原則的に任意の形状を有していて良いことが分かる。例えば反転区分は丸くされていて良く、これによりサイン曲線状のプロフィールが生じる、又は不連続であって、これにより鋸歯状のプロフィールが生じる。有利には波形の撓みばねは環状に閉じられていて、即ちエンドレスである。しかしながら波形の撓みばねは開かれて、もしくはスリットを入れられて形成されていることも考えられる。波の数は任意であって、ばね剛性への要求に合わせられている。
別の構成では、複数の比較的短い撓みばねが設けられており、これらの撓みばねが周面にわたって分配配置されている。これらの撓みばねは一方では質量体に、他方ではハブに不動に結合されている。有利には、これらの撓みばねはそれぞれ開かれたリングとして形成されており、閉じられたリングの使用も考えられる。撓みばねの開口もしくはスリットは、特に半径方向内側に配置されているので、スリットとは反対側に位置する当接区分は、質量体の内周面に不動に結合されている。特に良好な減衰と同時に半径方向の小さな構成スペースは、これらの撓みばねが平面図で見て楕円形の輪郭を有している場合に得られる。この場合、撓みばねは、長軸が周方向で延びるように組み込まれている。
上記全ての構成に当てはまる有利な構成によれば、ハブはポット状に形成されていて、少なくとも1つの撓みばねが固定されている外側のリングウエブを有している。固定のためには、少なくとも1つの撓みばねは材料接続的にまたは形状接続的にハブに結合されていて良い。材料接続的な結合とは、結合部分の破壊によってしか分離することのできない解離不能な結合のことであり、例えば溶接又ははんだ付けである。形状接続的な結合とは、結合部分の輪郭が、結合部分が互いに内外に係合し、結合部分間に生じる力が接触面に支持されるように形成されている結合と理解される。波形の撓みばねにおける形状接続的な結合の例としては、ハブの外面もしくは質量体の内面が、波形の撓みばねの反転区分が係合することができるような輪郭を有していることが挙げられ、これにより、撓みばねとハブもしくは質量体とは互いに相対回動しないように固定されている。複数の撓みばねを有した構成では、有利には、ハブが周面にわたって分配された窓を有していて、この窓内に撓みばねが装着されている。
上記全ての構成について当てはまることは、撓みばねが扁平材料又は円形材料から製造されていることである。扁平材料により製造された撓みばねは帯状ばねと言うこともできる。これは特に、帯状ばねの厚さが、帯状ばねの幅よりも極めて小さいことを特徴としている。ハブと質量体とが専ら少なくとも1つの撓みばねによってのみ互いに連結されているならば、回転振動ダンパの簡単な構成のために有利である。しかしながら、ハブと質量体との間に別のばね弾性的又は減衰的なエレメントが作用することも、原則的には考えられる。
本発明の回転振動ダンパの第1の構成を示す縦断面図である。 図1aの回転振動ダンパを軸方向から見た図である。 図1aのC−C線に沿った横断面図である。 本発明の回転振動ダンパの第2の構成を軸方向から見た図である。 図2aの回転振動ダンパの縦断面図である。 本発明の回転振動ダンパの第3の構成を軸方向から見た図である。 図3aの回転振動ダンパの縦断面図である。 本発明の回転振動ダンパの第4の構成を示す斜視図である。 図4aの回転振動ダンパの縦断面図である。 図4aの回転振動ダンパを軸方向から見た図である。 図4bのD−D線に沿った横断面図である。
次に図面につき本発明の実施の形態を詳しく説明する。
以下でまとめて説明する図1a〜図1cには回転振動ダンパ2が示されている。この回転振動ダンパ2は、回転する構成部分、特にクランクシャフトのねじれ固有振動数を抑制するのに適している。回転振動ダンパ2は、回転軸線Aを規定するハブ3と、このハブ3に対して同心的に配置されている質量体4とを有しており、質量体4はばねエレメント5によってハブ3に連結されている。この場合、質量体4とハブ3との間の結合は、質量体4がハブ3に対して自由に回転振動できるように行われている。特に、ハブ3と質量体4との間にはばねエレメント5以外の別の結合エレメントは作用していない。
ハブ3はポット状に形成されていて、クランクシャフト(図示せず)との結合のための内側のリングウエブ6と、このリングウエブ6に続く半径方向区分7と、外側のリングウエブ8とを有している。外側のリングウエブ8はほぼ円筒状の外面9を有しており、この外面9と、質量体4の内周面10との間にリング状ギャップ12が形成されていて、このリング状ギャップ12内にばねエレメント5が収容されている。
ばねエレメント5はこの構成では、渦巻きばねの形の撓みばねとして形成されていて、ハブ3の周りに約540°にわたって延びている。渦巻きばね5は、内側に向かって屈曲された第1の端部13と、この端部13に続く当接区分14と、この当接区分14に続く移行区分15と、さらにこの移行区分15に続く、より大きな半径を有する第2の当接区分16とを有している。前記第1の端部13は、ハブ3に設けられた対応する切欠に係合しており、当接区分14は、180°以上にわたって延びていて、ハブ3の外周面9に当接接触していて、移行区分15はハブにも質量体にも接触しておらず、第2の当接区分16は、180°以上にわたって延びていて、質量体4の内周面10に当接接触している。渦巻きばねの第2の端部17は外方に向かって屈曲されており、質量体4に設けられた対応する切欠に形状接続的に係合している。
質量体4が、環状に閉じられたリングとして形成されていて、ハブ3に対して同心的に配置されていることが明らかである。従って質量体4は、フライホイールと言っても良い。この場合、渦巻きばね5の当接区分16は、ハブ3に対して同心的に質量体4をセンタリングするために働く。
特に図1aに示されているように、ばねエレメント5は扁平な材料から製造されている。即ち、渦巻きばねの厚さDは、渦巻きばねの幅Bよりも極めて小さい。従って、ばねエレメント5は、螺旋状の帯状ばねと言っても良い。
ハブ3は、周面部分領域において、内側のリングウエブ6の半径方向外側に加工成形部18を有している。この加工成形部18には、ベルトプーリ(図示せず)の相応の連行体が、相対回動不能な結合のために係合することができる。ベルトプーリはさらに、相対回動不能にクランクシャフトに結合されていて、駆動ベルトを介して自動車の補機を駆動する。
以下にまとめて説明する図2a及び図2bには回転振動ダンパ102の別の構成が示されている。この回転振動ダンパ102の構成と機能形式はほぼ図1に示した回転振動ダンパ2に相当するので、共通する部分に関しては上記の記載を参照することができる。ここでは、同じ若しくは互いに相当する構成部分には100を足した符号が付けられている。以下ではこの構成の特別な点のみ説明する。
ばねエレメント105が軸方向から見ると波形の撓みばねとして形成されている。波形の撓みばね105はこの場合、質量体104の内周面110と接触する外側の第1の反転区分116と、ハブ103の外周面109に接触する内側の反転区分114とを有している。これら内側の反転区分114と外側の反転区分116とは周にわたって交互に存在しており、撓みばねは仮想のリング状のばね中心線を中心として「メアンダ状」に蛇行している。
所望のばね剛性に応じて、それぞれ単数又は複数の内側の反転区分114をハブ103に不動に結合することができ、例えば形状接続的または材料接続的な結合により結合することができる。同じことが外側の反転区分116にも言え、外側の反転区分116の少なくとも1つは質量体104に不動に結合されている。各構成部分、即ちハブ若しくは質量体に不動に結合されていないその他の反転区分114,116は、これらと当接接触している。このようにして、回転振動が生じた際には、一方ではハブ103と内側の反転区分114との間に、若しくは他方では外側の反転区分116と質量体104との間に摩擦力が生じ、これらは減衰作用を有している。このことは、回転振動ダンパ102の緩衝特性に有利に作用する。所要のばね剛性が僅かである場合、結合点の数は少ない。逆に高いばね剛性が必要であるならば、波形の撓みばね105は周にわたってより多くの領域でハブ103もしくは質量体104の不動に結合される。
この実施例では、撓みばね105と質量体104若しくはハブ103との間の不動の結合は材料接続的に、特に溶接により行われる。しかしながら、ハブ103若しくは質量体104が、波形の撓みばね105の輪郭に適合した外周面109若しくは内周面110を有していて、これらの外周面109若しくは内周面110に撓みばね105の外側の反転区分116若しくは内側の反転区分114が形状接続的に係合できることも考えられる。図2bにより、この撓みばね105も扁平な材料から製造されていることが明らかである。即ち、厚さDよりも著しく大きな幅Bを有している。基本的には、撓みばね105を円形材料から製造することも考えられる。内側ではハブ103は中央孔120を有しており、ハブ103はこの中央孔120で、ベルトプーリ若しくはクランクシャフト(図示せず)に固定されることができる。所望のばね特性に応じて、単数又は複数の反転区分が、それぞれ周面に当接接触していなくても良い。
図3a及び図3bに概略的に示された回転振動ダンパ202は、ほぼ図2の回転振動ダンパに相応しているので、上記の記載が参照される。この場合、同じ構成部分若しくは互いに対応する構成部分にはさらに100を足した符号が付与されている。
唯一の相違点は、波形の撓みばね205の構成にあり、明らかにより多くの内側の反転区分214及び外側の反転区分216を周にわたって有している。この場合、ハブ203の外周面209と質量体204の内周面210との間の半径方向の間隔は、図2の構成のものよりも小さい。さらなる相違点は、内側の反転区分214が、外側の反転区分216よりも大きな曲率半径を有していることにある。波形の撓みばね205の固有の構成により、回転振動ダンパ202の振動特性若しくは緩衝特性を要求に合わせることができる。ハブ203は単に概略的に示されているが、通常は同様に、ベルトプーリ若しくはクランクシャフトへの接続のための固定手段を有している。この撓みばねも、扁平な材料から製造されていて、円形の材料から成る構成も考えられる。
以下でまとめて説明する図4a〜図4dには、本発明による回転振動ダンパ302の別の構成が示されている。これは多くの部分、図1の回転振動ダンパに相応するので、対応部分に関しては図1についての説明が参照される。この場合、同じ若しくは互いに対応する構成部分にはさらに100を足した符号が付与されている。以下にこの構成の特別な点のみ説明する。
この回転振動ダンパ302は、ハブ303に質量体304を連結するために、より多数のより短い撓みばね305が設けられていることを特徴としている。これらの撓みばね305は、それぞれ小さな部分周面にわたってしか延びておらず、これら複数の撓みばね305は周面にわたって分配配置されている。ここでは3つの撓みばね305が設けられており、これは質量体304をハブ303に対してセンタリングするために有利である。しかしながら、任意の別の数の撓みばね305、即ち、2つ、4つまたはそれ以上の撓みばね305が設けられていても良い。これによりばねの剛性を必要なものに応じて合わせることができる。個々の撓みばね305はほぼC字形で開かれたリングとして構成されている。この場合、撓みばねの自由端部313,313´は半径方向内側に向けられていて、これらの間に位置する中間区分314は、質量体304の内周面310に当接している。この場合、特に、個々の撓みばね305は、内周面310との接触領域で質量体304に、例えば溶接によって堅固に結合されている。
平面図で楕円形の輪郭を有している個々の撓みばね305,305´,305´´は、ハブ303に設けられた個別の窓322,322´,322´´に収容されている。これらの窓は周にわたって分配されて、ハブ303の外側のリングウエブ308に配置されている。この場合、撓みばね305の両脚313,323´´は、窓322を側方で制限する壁区分に向かって周方向でプレロードによって支持されている。撓みばね305は平面図で楕円形の輪郭を有しており、楕円の長軸が周方向で延びている。
本発明による上記全ての回転振動ダンパに当てはまることは、簡単に構成されていて、回転振動を確実に減衰もしくは消去できることである。ばねエレメントが常に撓みばねとして形成されていることにより、外部からばねエレメントに作用するトルクがばね線自体において、線長さ全体にわたって一定の曲げモーメントとして作用する。このような理由から、ねじれの結果による巻き直径の僅かな変更は、撓みばねの直線性に対して殆ど影響をもたないので、良好な減衰特性が得られる。
以下に本発明の有利な実施例について再度記載する。
撓みばね5がハブ3の周りに延びていて、即ち特に、少なくとも270°にわたって周方向で延びている(図1)。
撓みばね5は螺旋状にハブ3の周りに配置されており、第1の端部13でハブ3に結合されていて、第2の端部17で質量体4に結合されている。
撓みばね5は、回転軸線Aを中心として少なくとも360°、特に約540°延びている。
撓みばね5は第1の当接区分14と、第2の当接区分16と、これら第1の当接区分14と第2の当接区分16とを結合する移行区分15とを有しており、撓みばね5は前記第1の当接区分14でハブ3の外周面9に当接接触しており、第2の当接区分16質量体4の内周面10に当接接触している。
少なくとも1つの当接区分14,16が、少なくとも180°の周面にわたって延びている。
撓みばね105,205が軸方向から見て波形に形成されていて、ハブ103,203の外周面と、質量体104,204の内周面110,210との間に配置されている(図2及び図3)。
波形の撓みばね105,205が周方向で閉じられている。
波形の撓みばね105,205が内側の反転区分114,214と外側の反転区分116,216とを有しており、内側の反転区分の少なくともいくつかがハブ103,203に当接接触しており、外側の反転区分の少なくともいくつかが質量体104,204に当接接触している。
複数の撓みばね305が周にわたって分配されていて、これらの撓みばねによって質量体304がハブ303に連結されており、撓みばね305がそれぞれリング状に形成されている(図4)。
撓みばね305がそれぞれ1つの当接区分314を有していてい、該当接区分が質量体304の内周面310に結合されている。
撓みばね305が軸方向から見て楕円形の輪郭を有している。
ハブ3,103,…がポット状に形成されていて、外側のリングウエブ8,108,…を有しており、該リングウエブに撓みばね5,105,…が固定されている。
ハブ303が周面にわたって分配配置された窓322を有しており、該窓322内に撓みばね305が装着されている。
撓みばね5,105,…が材料接続的にまたは形状接続的に、ハブ3,103,…の、又は質量体4,104の少なくとも一部に材料接続的または形状接続的に結合されている。
撓みばね5,105,…が扁平材料又は円形材料から製造されている。
ハブ3,103,…と質量体4,104,…が専ら少なくとも1つの撓みばね5,105,…を介してのみ互いに連結されている。
回転振動ダンパ2,102,…のハブ3,103,…が少なくとも間接的にクランクシャフトに不動に結合されている。
2,102,… 回転振動ダンパ、 3,103,… ハブ、 4,104,… 質量体、 5,105,… ばねエレメント、 6,106,… 内側のリングウエブ、 7,107,… 半径方向区分、 8,108,… 外側のリングウエブ、 9,109,… 外周面、 10,110,… 内周面、 12,112,… リング状ギャップ、 13,113,… 端部、 14,114,… 当接区分、 15,115,… 移行区分、 16,116,… 当接区分、 17,117,… 端部、 18,118,… 切欠、 20,120,… 孔、 322 窓、 A 回転軸線、 B 幅、 D 厚さ

Claims (2)

  1. 特にピストンエンジンのクランクシャフトのための回転振動ダンパであって、
    回転軸線(A)を規定するハブ(3,103,…)と、少なくとも1つのばねエレメントを介在してハブ(3,103,…)に連結されていて、該ハブに対して自由に回転振動可能である質量体(4,104,…)とを有していて、質量体(4,104,…)がリング状に形成されていて、ハブ(3,103,…)に対して同心的に配置されており、少なくとも1つのばねエレメントが鋼材料から成っていて、撓みばね(5,105,…)の形に形成されていることを特徴とする、回転振動ダンパ。
  2. 回転振動ダンパ(2,102,…)のハブ(3,103,…)が少なくとも間接的にクランクシャフトに不動に結合されていることを特徴とする、請求項1記載の回転振動ダンパを有したクランクシャフト。
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