DE102014111953B4

DE102014111953B4 - Kurbelwellenanordnung mit Drehschwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102014111953B4
Application number: DE102014111953.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Steidl; Florian Knopf
Original assignee: Hasse and Wrede GmbH
Current assignee: Hasse and Wrede GmbH
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: DE102014111953A1

Abstract

Kurbelwellenanordnung (1), die für eine Hubkolbenmaschine eines Verbrennungsmotors ausgelegt ist, bestehend ausa. einer Kurbelwelle (2),b. einem Drehschwingungsdämpfer (3) zur Reduzierung der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) und einem Abtrieb (5),c. wobei der Drehschwingungsdämpfer (3) aus einer Primärmasse (31) und einer Sekundärmasse (32) besteht,d. wobei die Primärmasse (31) fest mit einer Kurbelwelle (2) verbunden ist und die Sekundärmasse (32) als seismische Masse mit einer viskosen Flüssigkeit an die Primärmasse (31) gekoppelt ist,e. wobei der Drehschwingungsdämpfer (3) dazu ausgelegt ist, neben der Funktion der Reduzierung der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) auch eine Schwungradfunktion zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit zu übernehmen,f. wozu der Drehschwingungsdämpfer (3) an einem Abtriebsende (5) der Kurbelwelle (2) angebracht istg. wozu der Drehschwingungsdämpfer eine Schwungmasse bildet, die in eine kleine Primärmasse und eine große Sekundärmasse aufgeteilt ist, so dass sich bei niedrigen Drehzahlen, also niedrigen Frequenzen, der Verbund aus Primär- und Sekundärmasse wie ein starrer Körper verhält, wodurch seine gesamte Massenträgheit wirksam ist und die Drehungleichförmigkeit des Motors wie bei einem Schwungrad reduziert wird und so dass sich bei hohen Drehzahlen und hohen Frequenzen, der Verbund aus Primär- und Sekundärmasse wie ein Dämpfer verhält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwellenanordnung mit einem Drehschwingungsdämpfer.
Stand der Technik
Hubkolbenmaschinen in Form von Verbrennungsmotoren setzen die antreibende lineare Bewegung der Kolben mittels Kurbelwellen in Drehbewegungen um und erzeugen damit einen nutzbaren Antrieb. Die Krafteinwirkung auf eine Kurbelwelle erfolgt ungleichmäßig, zeitlich und räumlich nahezu punktuell. Um einen Gleichlauf der Maschine zu erreichen, wird die Kurbelwelle mit einem Schwungrad versehen, das die maschinenbedingte Drehungleichförmigkeit reduziert. Schwungräder werden üblicherweise an den Kurbelwellen abtriebsseitig verbaut, um die Drehungleichförmigkeit des Motors nicht in den Antriebsstrang zu übertragen.
Neben der Drehungleichförmigkeit führt eine Zündung im Zylinder mit seinen Gas- und anschließenden Massekräften zu einem Stoß auf die Kurbelwelle, so dass sie an der Stelle leicht tordiert. Dies führt dann zu Torsionseigenschwingungen der Kurbelwelle. Gerade bei Mehrzylindermotoren führt das Schwungrad mit seinem Gleichlauf auch dazu, dass die erste elastische Torsionseigenschwingungsform der Kurbelwellen bzw. Kurbelwellenanordnung in der Nähe des Schwungrads einen Schwingungsknoten hat. Durch die abtriebsseitige Positionierung des Schwungrades auf der Kurbelwelle wird so erreicht, dass höherfrequente Schwingungsanteile nicht oder nur geringfügig in den Abtriebsstrang gelangen.
Durch die Regelmäßigkeit der Torsionsschwingungsanregungen kann es unter bestimmten Bedingungen zu Resonanzüberhöhungen kommen, die zu einem Versagen von Bauteilen führen können. Um derartige Resonanzüberhöhungen innerhalb des Motors zu verringern, werden Drehschwingungsdämpfer eingesetzt.
Mit zunehmender Leistung der Motoren, insbesondere bei Dieselmotoren entstand ein Bedarf an leistungsfähigeren Schwingungsdämpfern. Hier haben sich Viskositäts-Drehschwingungsdämpfer etabliert. Einige Ausführungsformen sind beispielsweise in der DE 195 07 519 A1 , der DE 20 2004 021 437 U1 und der DE 10 2012 107 554 A1 beschrieben.
Da ein Dämpfer in oder in der Nähe eines Schwingungsknotens keine oder nur eine geringe Wirksamkeit hat, wird dieser an dem dem Schwungrad gegenüberliegenden Ende der Kurbelwelle angebracht. Derzeit ist die Kurbelwellenanordnung eines Motors also immer folgendermaßen aufgebaut: Drehschwingungsdämpfer - Kurbelwelle - Schwungrad - Abtrieb.
Zwar wird diese Kurbelwellenanordnung in der Patentliteratur nicht direkt beschrieben, aber diverse beschriebene Lösungen geben Kombinationen von Schwingungsdämpfern mit der Riemenscheibe US 2 594 555 A EP 0 503 424 B1 ) oder mit der Nockenwellenverzahnung ( DE 196 21 460 C1 ) an. Da sowohl die Riemenscheibe wie auch der Nockenwellenantrieb der Abtriebsseite gegenüber liegt, wird die oben beschriebene Kurbelwellenanordnung mit diesen Beschreibungen indirekt bestätigt.
Zum Stand der Technik sei ferner die DE 100 05 544 A1 genannt, nach welcher vorgeschlagen wird, mit einem Schwungrad einer Kurbelwellenanordnung im radial äußeren Bereich einen Auslenkungsmassenträger einer Einrichtung zu verbinden, die als Schwingungstilger ausgelegt ist. Geschaffen wird derart ein drehzahladaptiver Tilger (DAT) mit den eingangs beschriebenen Besonderheiten. Verringert werden nicht Resonanzen der Kurbelwelle, sondern ausschließlich Drehungleichförmigkeiten im Antriebsstrang. Die DE 197 08 082 A1 zeigt eine Kombination aus einem Viskositätsdrehschwingungsdämpfer und einer Riemenscheibe. Zum technologischen Hintergrund werden ferner die DE 100 13 699 C1 , die DE 10 2011 086 014 A1 und die DE 199 54 272 A1 genannt.
Aufgabenstellung
Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Hubkolbenmaschine mit zwei Funktionselementen - Schwungrad und Viskositäts-Schwingungsdämpfer - ausgestattet werden muss. Dabei dient ein Element der Drehgleichförmigkeit, das andere Element der Vermeidung von Resonanzüberhöhungen der Torsionseigenschwingungen. Dies erhöht das Gewicht der Maschine wie auch die Kosten hierfür. Des Weiteren nehmen die zwei Funktionselemente einen gewissen Raum ein, der den kompakten Aufbau einer Hubkolbenmaschine begrenzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für den Gleichlauf der Hubkolbenmaschine zu finden, die einen kompakteren Aufbau ermöglicht, ein geringeres Gewicht hat und kostengünstig ist.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch einen eine Kurbelwellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der Drehschwingungsdämpfer der Kurbelwellenanordnung weist wiederum eine Primärmasse und eine Sekundärmasse auf, wobei die Primärmasse fest mit einer Kurbelwelle verbunden ist und die Sekundärmasse als seismische Masse elastisch dämpfend an die Primärmasse gekoppelt ist. Dabei übernimmt der Drehschwingungsdämpfer neben der Funktion der Reduzierung der Drehschwingungen der Kurbelwelle auch eine Funktion eines Schwungrades zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit. Er ersetzt so in einfacher Weise das Schwungrad.
Da das Schwungrad durch einen Drehschwingungsdämpfer ersetzt wird, kann damit ohne ein zusätzliches Dämpfungselement ein ähnliches dynamisches Verhalten der Kurbelwellenanordnung wie in der derzeitig üblichen Anordnung erreicht werden. Dadurch bedingt entfällt ein Bauteil, was sowohl Gewicht wie auch Herstellungskosten einspart. Durch den Wegfall des Schwungrades kann ein so ausgestatteter Hubkolbenmotor auch kompakter aufgebaut werden.
Wird ein Dämpfer an einem klassischen großen Schwungrad angebracht, so hat er, wie bereits oben beschrieben, auf Grund der Nähe zum Schwingungsknoten keine Wirksamkeit. Erfindungsgemäß wird jedoch das Schwungrad als Drehschwingungsdämpfer aufgebaut. Die Schwungmasse wird in eine kleine Primär- und eine große Sekundärmasse aufgeteilt, wobei die Primärmasse fest an der Kurbelwelle angebracht und die Sekundärmasse als seismische Masse elastisch dämpfend mit der Primärmasse verbunden ist. Das Gewicht des Drehschwingungsdämpfers erhöht sich gegenüber den herkömmlichen Drehschwingungsdämpfern. Das zusätzliche Gewicht verteilt sich im Vergleich zur Primärmasse überproportional auf die Sekundärmasse. Bei einem solchen Aufbau ergibt sich bei entsprechender Abstimmung der elastisch dämpfenden Elemente folgendes Verhalten:

Bei niedrigen Drehzahlen, also niedrigen Frequenzen, verhält sich der Verbund aus Primär- und Sekundärmasse wie ein starrer Körper, wodurch seine gesamte Massenträgheit wirksam ist, und die Drehungleichförmigkeit des Motors wird wie bei einem Schwungrad reduziert.

Bei hohen Drehzahlen und hohen Frequenzen, wenn die Drehungleichförmigkeit eine geringe Rolle spielt, verhält sich der Verbund aus Primär- und Sekundärmasse wie ein Dämpfer mit einer sehr hohen Sekundärmasse. In dieser Situation werden die elastischen Drehschwingungen bevorzugt reduziert.
Mit diesem Aufbau kann der Drehschwingungsdämpfer auf der ursprünglichen Position des Schwungrades montiert werden und dabei beide Funktionalitäten ausüben.
Durch die Wahl der Abstimmung lässt sich zudem entscheiden, ob lieber mehr Drehungleichförmigkeit oder mehr elastische Drehschwingungen reduziert werden sollen..
Derart wird eine Kurbelwellenanordnung erstellt, die aus einer Kurbelwelle, einem Drehschwingungsdämpfer der oben beschriebenen Art und einem Abtrieb besteht, ohne dass die Kurbelwellenanordnung ein weiteres Schwungrad enthält.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden.
Figurenliste

1 zeigt eine Kurbelwellenanordnung nach dem bekannten Stand der Technik.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kurbelwellenanordnung.

Ausführungsbeispiele
Den bisherigen Stand der Technik zeigt die 1. Die Kurbelwellenanordnung 1 zeigt eine Kurbelwelle 2, bei der auf der Abtriebsseite 5 ein Schwungrad 4 angeordnet ist. Dieses Schwungrad 4 dient der Verringerung der Drehungleichförmigkeit und sorgt für einen Gleichlauf der Kurbelwellenanordnung. Ein optimal ausgelegtes Schwungrad 4 bewirkt einen Schwingungsknoten der Kurbelwellenanordnung 1 in der Nähe des Schwungrades 4. Deshalb ist es nicht sinnvoll, den Drehschwingungsdämpfer 3 an das Schwungrad 4 zu koppeln, da die Wirkung in dieser Position gering wäre. Aus diesem Grunde ist ein Drehschwingungsdämpfer 3, der dazu dient die Drehschwingungen der Kurbelwellenanordnung 1 zu verringern, am gegenüberliegenden Ende der Kurbelwelle 2 angebracht.
Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kurbelwellenanordnung 1. Diese Kurbelwellenanordnung 1 ist besonders für einen Hubkolbenmotor, insbesondere für einen Verbrennungsmotor geeignet. Das Schwungrad 4 ist durch einen Drehschwingungsdämpfer 3 ersetzt worden und an dem Abtriebende 5 der Kurbelwelle 2 befestigt. Der Drehschwingungsdämpfer 3 befindet sich also auf der ursprünglichen Position des Schwungrades. Da der Schwingungsdämpfer 3 auch die Aufgabe der Reduzierung der Drehungleichförmigkeit übernimmt, benötigt er eine geeignete Abstimmung zwischen der Primärmasse 31, die fest mit der Kurbelwelle verbunden ist, und der Sekundärmasse 32, die seismisch, elastisch dämpfend an der Primärmasse 31 angebracht ist. Die geeignete Abstimmung bewirkt, dass bei geringer Drehzahl, also bei geringen Frequenzen, dass die Verbindung zwischen Primärmasse 31 und Sekundärmasse 32 als starr betrachtet werden kann. Beide Massen 31, 32 bilden quasi eine Einheit und fungieren bei niedrigen Drehzahlen als Schwungrad. In dieser Situation spielen Drehschwingungen bei einem Motor eine untergeordnete Rolle. Ein weiteres Schwungrad 4 ist bei einer solchen Kurbelwellenanordnung 1 nicht notwendig.
Bei höherer Drehzahl, also bei höheren Frequenzen kommt die größere Sekundärmasse 32 zur Geltung und dämpft die Drehschwingungen. Der Drehschwingungsdämpfer 3 arbeitet in seiner ursprünglichen Form. In diesem Betriebszustand, also bei hohen Drehzahlen, spielt die Drehungleichförmigkeit eine untergeordnete Rolle.
Die in dem Beispiel gezeigte Kurbelwellenanordnung 1 zeigt die Prinzipzeichnung eines Vier-Zylinder-Motors. Die Erfindung soll nicht darauf beschränkt sein, die lässt sich auch einsetzen für Motoren mit geringerer oder höherer Zylinderanzahl.
Mit der Beschreibung des einen Ausführungsbeispiels soll die Erfindung in keiner Weise eingeschränkt werden. Als Schermittel wird Silikonöl erwähnt; dabei sind auch alle anderen, für diese Zwecke bekannte Schermittel möglich. Die Größen und Abmessungsverhältnisse sollen ebenfalls durch dieses Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwellenanordnung
2: Kurbelwelle
3: Drehschwingungsdämpfer
4: Schwungrad
5: Antriebsende der Kurbelwelle
31: Primärmasse / Nabe
32: Sekundärmasse / Schwungring

Claims

Kurbelwellenanordnung (1), die für eine Hubkolbenmaschine eines Verbrennungsmotors ausgelegt ist, bestehend aus a. einer Kurbelwelle (2), b. einem Drehschwingungsdämpfer (3) zur Reduzierung der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) und einem Abtrieb (5), c. wobei der Drehschwingungsdämpfer (3) aus einer Primärmasse (31) und einer Sekundärmasse (32) besteht, d. wobei die Primärmasse (31) fest mit einer Kurbelwelle (2) verbunden ist und die Sekundärmasse (32) als seismische Masse mit einer viskosen Flüssigkeit an die Primärmasse (31) gekoppelt ist, e. wobei der Drehschwingungsdämpfer (3) dazu ausgelegt ist, neben der Funktion der Reduzierung der Drehschwingungen der Kurbelwelle (2) auch eine Schwungradfunktion zur Reduzierung der Drehungleichförmigkeit zu übernehmen, f. wozu der Drehschwingungsdämpfer (3) an einem Abtriebsende (5) der Kurbelwelle (2) angebracht ist g. wozu der Drehschwingungsdämpfer eine Schwungmasse bildet, die in eine kleine Primärmasse und eine große Sekundärmasse aufgeteilt ist, so dass sich bei niedrigen Drehzahlen, also niedrigen Frequenzen, der Verbund aus Primär- und Sekundärmasse wie ein starrer Körper verhält, wodurch seine gesamte Massenträgheit wirksam ist und die Drehungleichförmigkeit des Motors wie bei einem Schwungrad reduziert wird und so dass sich bei hohen Drehzahlen und hohen Frequenzen, der Verbund aus Primär- und Sekundärmasse wie ein Dämpfer verhält.
Kurbelwellenanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide, Schermittel ein Silikonöl ist.