DE4427636A1

DE4427636A1 - Freilauftilger

Info

Publication number: DE4427636A1
Application number: DE4427636A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Dr Giese
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1993-08-30
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 1995-03-02

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Dämpfung von Drehschwingungen, die an einer. Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ausgelöst werden, insbesondere nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Aus Festigkeitsgründen und zur Verbesserung der Lebensdauer der Kur belwelle werden Brennkraftmaschinen mit Maßnahmen zur Schwingungs dämpfung bzw. Schwingungsentkopplung versehen, die außerdem für Brenn kraftmaschinen in PKW den Fahrkomfort verbessern.

Durch die diskontinuierliche Arbeitsweise der Brennkraftmaschine und durch die dabei auftretenden Massenkräfte ist die am Kurbelzapfen der Kurbelwelle wirksame Tangentialkraft sehr ungleichförmig, d. h. das Drehmoment der Brennkraftmaschine schwankt beim Umlauf der Kurbelwelle infolge der periodisch veränderlichen Kräfte in den Triebwerken um einen Mittelwert, den die gekoppelte Maschine im Beharrungszustand aufnimmt. Diese Schwankungen rufen Veränderungen der Winkelgeschwin digkeit und des Energieflusses, z. B. zum gekoppelten Schaltgetriebe oder zum Aggregatetrieb, hervor.

Als Bewertungsgröße für die Gleichmäßigkeit der Drehbewegung dient der Ungleichmäßigkeitsgrad, der auch als Drehungleichförmigkeit der Brenn kraftmaschine bezeichnet wird. Die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ist deshalb nicht konstant. Die Drehungsgleichförmig keit kann durch Verändern des Schwungrades beeinflußt werden, wobei eine große Schwungradmasse sich positiv auf eine gleichförmige Drehbe wegung auswirkt. Die Schwungradgröße ist jedoch von vorgegebenen Bauräumen bzw. durch die Forderung nach gewichtsoptimierten Brenn kraftmaschinen begrenzt.

Der Antrieb von Hilfsaggregaten über einen Zugmitteltrieb, insbeson dere einen Riementrieb ist im Automobilbau seit langem üblich. Die ungleichförmige Drehbewegung der Kurbelwelle verursacht dabei eine ständig wechselnde Beschleunigung und Verzögerung der Aggregatemassen. Zusätzlich zum nominalen Lastmoment der Aggregate resultiert dies in zum Teil erheblichen Wechselmomenten, die vom Riemen übertragen werden müssen, was wiederum zu vorzeitigem Verschleiß bzw. zum Ausfall des Antriebsriemens führt und eine Geräuschanregung verursacht.

Der Zugmitteltrieb muß folglich entsprechend der größten auftretenden Belastung dimensioniert sein. Die Ungleichförmigkeit bewirkt in den Zugmitteltrieben eine Geräuschanregung, die sich nachteilig auf den Komfort des Fahrzeugs auswirkt.

Als Maßnahme zur Minderung der Schwingungsamplituden und zur Vermei dung einer Zerstörung der Bauteile durch Resonanz, vor allem der ersten Eigenschwingung der Kurbelwelle, ist es bekannt, Drehschwin gungstilger für in Personenkraftwagen eingebaute Brennkraftmaschinen einzusetzen, insbesondere an allen 6-Zylinder-Motoren und vielfach an 4-Zylinder-Motoren sowie für Dieselmotoren aufgrund der härteren Verbrennung vorgesehen werden. Das Wirkprinzip dieser Schwingungs tilger beruht darauf, die Resonanz des Schwingungssystems durch die Tilgermasse zu verändern und die Amplituden der Tilgermasse durch eine Werkstoffdämpfung oder Reibung zwischen der Erregermasse und der Tilgermasse zu verringern. Dabei wird Dämpfungsarbeit in Wärme umge setzt. Diese Drehschwingungstilger sollen zum Abbau von torsionalen Resonanzschwingungen der Kurbelwelle beitragen. Dabei handelt es sich um Schwingungen höherer Ordnung, die im Bereich von 200 bis 600 Hertz je nach Zylinderzahl und Kurbelwellensteifigkeit liegen.

Der Aufbau und die Wirkungsweise eines bekannten Drehschwingungstil gers ist dem Vorlesungsumdruck "Verbrennungsmotoren" von Professor Pischinger, Ausgabe 1982, Bild 6.2-6 auf Seite 167 zu entnehmen. Der Aufbau zeigt eine Traghülse oder Nabe, die drehfest auf dem Kurbel wellenende befestigt und über eine Elastomer-Drehfeder mit einer Tilgermasse verbunden ist. Dieser Schwingungstilger verfügt über einen begrenzten, schwingungsdämpfenden Arbeitsbereich, der vorzugsweise dem maximalen Drehmoment der Brennkraftmaschine angepaßt ist. In nachtei liger Weise kommt es damit im niedrigen Drehzahlbereich nicht zu einer Beeinflussung, d. h. Dämpfung der unerwünschten Drehschwingungen die somit auf den Zugmitteltrieb übertragen werden.

Als gattungsbildender Stand der Technik zeigt die DE-A 36 10 415 einen Riementrieb, dessen Antrieb über eine mit der Kurbelwelle der Brenn kraftmaschine verbundene Riemenscheibe erfolgt. Dabei ist zwischen der Riemenscheibe und der Kurbelwelle eine Freilaufkupplung eingesetzt, die bei einer Verzögerung der Kurbelwelle den Freilauf freischaltet, wodurch der Zugmitteltrieb nur durch sein Bremsmoment verzögert wird. Dabei ist nachteilig, daß mit dieser Anordnung keine wirksame Dämpfung der Kurbelwellenschwingungen erzielbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, die im Vergleich zum bekannten Stand der Technik eine Schwingungsdämpfung über einen großen Drehzahlbereich der Kurbelwelle sicherstellt, wobei die Vorrichtung den Bauraum bisheriger Drehschwingungstilger nicht übersteigt und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Freilauftilger vorgesehen, dessen Antriebsglied mit einer Tilgermasse kombiniert ist und diese Bauteile eine Einheit bilden. Der vom Antriebsglied angetriebene Zugmitteltrieb erzeugt gemeinsam mit der Tilgermasse ein zeitweises Bremsmoment für die Kurbelwelle, wobei die zusätzliche Tilgermasse das Bremsmoment verstärkt. Die Tilgermasse und das Antriebsglied sind erfindungsgemäß über eine Freilaufeinheit, bestehend aus zumindest einem Lager und einem Freilauf, mit dem Kurbelwellenende oder mit einer drehfest auf dem Kurbelwellenende befestigten Nabe verbunden. Der Freilauf ersetzt mit seiner Federkennlinie die Elastomer- oder Gummidrehfeder bisheri ger Drehschwingungstilger.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik, bei dem zwischen der Kur belwelle und der Riemenscheibe ein Freilauf eingesetzt ist, weist die Riemenscheibe gemäß der Erfindung zusätzlich eine Tilgermasse auf. Mit dieser Einrichtung werden der Kurbelwelle schwingungsreduzierende Momente bei großer Geschwindigkeit in der Beschleunigungsphase der Kurbelwelle entgegengesetzt, bei der die Masse des Zugmitteltriebs und die Tilgermasse ein Bremsmoment auslösen und der Zugmitteltrieb über einen Freilauf an die Kurbelwelle angekoppelt ist. Diese erfindungs gemäße Ausbildung bewirkt abhängig von der Lastabnahme am Zugmittel trieb ein Abbremsen bzw. eine Verzögerung der Riemenscheibe während der "Freiflugphase", d. h. der abgekuppelten, gelösten Phase des Freilaufs. Im unteren Drehzahlbereich ergibt sich außerdem eine Redu zierung der Drehungleichförmigkeit der Riemenscheibe aufgrund der erhöhten Masse. Synchron dazu stellt sich eine Erhöhung der mittleren Drehgeschwindigkeiten der Riemenscheibe ein. Der erfindungsgemäße Freilauftilger besitzt im Zustand der Momentübertragung gegenüber der Kurbelwellen-Steifigkeit einen Freiheitsgrad, der die zu jedem Zeit punkt auftretende Einfederung des Freilaufs wiedergibt.

Bei dem erfindungsgemäßen Freilauftilger werden bedingt durch die Freilauffunktion die Zeitbereiche hoher Drehgeschwindigkeiten des vorderen Kurbelwellenendkörpers für eine Momentübertragung selektiert, und durch eine geeignet hohe Freilaufsteifigkeit können während dieser Zeiten genügend hohe Momente aufgebracht werden, um der Kurbelwelle ausreichend Schwingungsenergie zu entziehen. In vorteilhafter Weise werden erfindungsgemäß damit die Amplituden der Torsionsschwingung der Kurbelwelle im kritischen Drehzahlbereich verringert. Dies geschieht dadurch, daß genau dann, wenn hohe Geschwindigkeiten auftreten, Brems momente aufgebracht werden. Der erfindungsgemäße Aufbau, bei dem die Masse über einen Freilauf mit der Kurbelwelle verbunden ist, besitzt diesen Effekt, da die Masse gerade bei hohen Geschwindigkeiten der Kurbelwelle vom Freilauf an diese angekuppelt wird und mit beschleu nigt werden muß, und zwar in dem Maße, wie sie während der Freiflug phase durch Reibung und/oder äußere Momente abgebremst worden ist.

Dadurch wird die Bedeutung der Bremsmomente am Zugmitteltrieb für die Schwingungsreduzierung der Kurbelwelle offensichtlich. Im Gegensatz dazu führt die Riemenscheiben-Anordnung aus dem bekannten Stand der Technik nicht zu einer Wechselwirkung mit der Kurbelwelle, zur Erzie lung eines schwingungsreduzierenden Effektes.

Das erfindungsgemäße System bewirkt neben einer Amplitudenreduzierung für die erste Eigenschwingungsform der Kurbelwelle zusätzlich eine Verringerung der von der Kurbelwelle auf die Zusatzmasse (Zugmittel trieb) übertragene Drehungleichförmigkeit, wobei sich die Verringerung insbesondere im unteren Drehzahlbereich auswirkt.

Der erfindungsgemäße Freilauftilger übt somit einen stark beruhigenden Einfluß auf den Riementrieb aus. Diese Eigenschaft ist insbesondere für den Aggregatetrieb einer Brennkraftmaschine von Vorteil, dessen Aggregate, insbesondere der Generator, hohe Massenträgheitsmomente aufweisen. Der Freilauftilger wirkt sich vorteilhaft auf den Schlupf zwischen dem Antriebsriemen und der Riemenscheibe aus, sowie auf die dynamischen Belastungen und Stellbewegungen bei einem automatischen Riemenspannsystem. Außerdem kann die Vorspannung des Antriebsriemens reduziert werden, wodurch sich vorteilhaft die Belastungen in den Lagerungen der Aggregate verringern.

Der Erfindungsgedanke ist vorteilhaft in allen Riemen- oder Ketten trieben einsetzbar, deren Antrieb einer Drehungleichförmigkeit unter worfen ist, d. h. für Brennkraftmaschinen ist das erfindungsgemäße System sowohl für den Aggregatetrieb als auch für den Steuertrieb verwendbar.

Vorteilhaft ist der erforderliche Bauraum des Freilauftilgers angepaßt an den bekannter Drehschwingungstilger. Die wesentlichen Bauteile des Freilauftilgers, wie die Tilgermasse, die Nabe, das Trägerteil sind Dreh-, Zieh- oder Fließpreßteile, die sich für eine Großserienferti gung eignen und die mit einem Freilauf und mit einem oder mehreren handelsüblichen Lagern kombiniert werden zur Schaffung eines kosten günstigen Freilauftilgers.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist vorgesehen, daß der Freilauf hinsichtlich seiner Steifigkeit so ausge legt ist, daß die Schaltfunktion, d. h. ein Freischalten des Freilaufs stets sichergestellt ist. Dazu ist bei einer Übertragung des Lastmo mentes die Einfederung kleiner als die dabei sich einstellende Schwin gungsamplitude des Systems. Die Steifigkeit muß dabei so ausgewählt werden, daß der Freilauf auch bei geringen Schwingungsamplituden schalten kann, wobei eine höhere Steifigkeit ein günstigeres Verhalten hinsichtlich eines sicheren Freischalten des Freilaufs bewirkt, ins besondere bei hochfrequenten Kurbelwelleneigenschwingungen kleiner Amplituden. Für die Steifigkeit des Freilaufs ist nach Anspruch 3 ein Wert von 200 bis 1000 Nm/Grad vorgesehen.

Gemäß Anspruch 4 bewirkt die von der Kurbelwelle auf die Tilgermasse übertragene Drehanregung eine Drehzahlerhöhung der Tilgermasse und des damit in Verbindung stehenden Antriebsgliedes der Riemenscheibe für den Zugmitteltrieb. Insbesondere im unteren Drehzahlbereich stellt sich eine mittlere Drehzahl der Riemenscheibe ein, die der mittleren Kurbelwellendrehzahl vorauseilt. Durch Berechnungen konnte dabei in einem Beispiel eine Drehzahlerhöhung von mehr als 14% bestimmt wer den, wobei sich die Drehzahl mit abnehmender Last erhöht. Dieser gewünschte Drehzahlanstieg wirkt sich im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, z. B. auf den Licht maschinenantrieb aus.

Zur Erreichung einer zuverlässigen Wirkungsweise des Freilauftilgers ist gemäß Anspruch 5 ein Massenträgheitsmoment für die Tilgermasse einschließlich des Antriebsgliedes von 0,005 bis 0,05 kg m² vorgese hen. Dieser Wert gewährleistet eine sichere Funktion und begünstigt eine zuverlässige Wirkungsweise des Freilauftilgers. Der absolute Wert des Massenträgheitsmomentes liegt dabei deutlich über dem bisheriger Riemenscheiben. In vorteilhafter Weise ist eine spezielle Abstimmung der Massenträgheitsmomente zwischen den Kenndaten der Brennkraftma schine und der Tilgermasse vorgesehen, wobei das Verhältnis insbeson dere von der Zylinderzahl, dem Verbrennungsprozeß und dem Anwendungs bereich der Brennkraftmaschine bestimmt ist. Die Einheit Tilgermasse und Antriebsglied schließt sowohl das Primärteil, z. B. die Nabe, als auch das Sekundärteil ein.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 sieht vor, daß die Tilgermasse als Antriebsglied ein Nutprofil zur Führung eines An triebsriemens aufweist. Alternativ kann dazu das Antriebsglied für einen als Kettentrieb gestalteten Zugmitteltrieb als Kettenrad ausge bildet sein. Gemäß Anspruch 7 umschließt das Antriebsglied radial die Tilgermasse, wodurch der erforderliche axiale Bauraum vorteilhaft reduziert werden kann.

Als Freilauf für den erfindungsgemäßen Freilauftilger ist nach An spruch B sowohl ein Klemmkörperfreilauf als auch ein Klemmrollenfrei lauf verwendbar, wobei zur Erreichung einer Kostenminimierung die Einbauverhältnisse die Verwendung von in großen Stückzahlen herge stellten Serien-Freiläufen ermöglichen. Der Erfindungsgedanke sieht als Werkstoffe für die Klemmelemente sowohl Stahl als auch Kunststoffe oder andere geeignete Materialien vor. Dazu sind Werkstoffpaarungen für den Innen- und Außenring und für die Klemmelemente vorgesehen, die eine hohe Standzeit des Freilaufs ermöglichen und gleichzeitig eine geringe Geräuschabstrahlung verursachen.

Nach Anspruch 9 ist ein Bürstenfreilauf für den Freilauftilger vor gesehen, der sich durch einen einfachen Aufbau und eine vereinfachte Montage auszeichnet, eine geringe Geräuschabstrahlung verursacht und außerdem einen Gewichts- und Kostenvorteil bietet. Der Bürstenfreilauf kann übereinstimmend mit allen übrigen gemäß der Erfindung verwend baren Freilaufbauarten unmittelbar auf der Kurbelwelle, d. h. auf einem entsprechenden Wellenabsatz oder auf einer drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Nabe oder einem Zwischenring angeordnet wer den.

Zur Darstellung eines einfachen Aufbaus ist nach Anspruch 10 der Bür stenfreilauf mit einem Innenring versehen, an dem sich radial nach außen gerichtet eine Vielzahl vorzugsweise gleich dimensionierter Bürsten anschließen. Jede Bürste ist selbstfedernd und entspricht einem Klemmelement oder einer Klemmrolle. Der Innenring mit den Bür sten bildet vorteilhaft eine einstückige Einheit. Die Bürsten sind in axialer Richtung als eine dünnwandige Leiste gestaltet, deren radiale Länge so dimensioniert ist, daß sie unter leicht elastischer Verfor mung in die zylindrische Innenklemmfläche der Tilgermasse einsetzbar sind. Bei dieser Freilaufgestaltung gleiten bei einer Relativbewegung des Innenrings zur Tilgermasse die Bürsten an der Innenklemmfläche der Tilgermasse. Vorteilhaft erübrigt sich eine spezielle Oberflächen gestaltung bzw. Oberflächengüte im Bereich des Kurbelwellenabschnittes oder der Mantelfläche der Nabe für den Sitz des Bürstenfreilaufs auf der Kurbelwelle, wodurch sich ein Kostenvorteil für den Anwender des erfindungsgemäßen Freilauftilgers, insbesondere den Hersteller von Brennkraftmaschinen einstellt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht nach Anspruch 11 der Bürstenwinkel, das heißt der Winkel, unter dem die einzelnen Bürsten zum Mittelpunkt bzw. zur Symmetrieachse des Bürsten freilaufs angeordnet sind, einem Haftreibwinkel oder Klemmwinkel der Materialien der Bürste und der Gleit- oder Klemmfläche. Vorteilhaft ist der Bürstenwinkel gleich oder kleiner dem Haftreibwinkel (α) der Materialpaarung der den Freilauf bildenden, für die Wirkungsweise des Freilaufs bestimmenden Bauteile und Bereiche, der Bürste und der Innenklemmfläche. Beispielsweise ist der Bürstenwinkel für eine Mate rialpaarung Stahl/Stahl gleich oder kleiner 7°.

Gemäß Anspruch 12 ist der Bürstenfreilauf übereinstimmend mit der Lagerung geschmiert. Vorteilhaft bietet sich eine Fettfüllung an, wobei der Einbauraum für den Bürstenfreilauf und die Lagerung über eine gemeinsame Abdichtung verfügen.

In Anspruch 13 sind Werkstoffe aufgeführt, aus denen vorzugsweise der Bürstenfreilauf hergestellt werden kann. Danach bietet es sich an, alle Thermoplaste, sowie Kunststoffe mit einer vernetzten Kunstfaser armierung zu verwenden, z. B. PA 66 GF, die insbesondere einen Ge wichts- und Kostenvorteil aufweisen; weiter bietet es sich an Grauguß bzw. Sintermetall einzusetzen, die als verschleißfest anzusehen sind. Alternativ ist auch ein aus Blech gefertigter Bürstenfreilauf verwend bar.

Zur Erreichung einer kostengünstigen Fertigung ist gemäß Anspruch 14 die Nabe bzw. der Innenring der Freilaufeinheit spanlos, beispiels weise als ein Tiefziehteil herstellbar. Außerdem eignet sich dieses Verfahren zur Herstellung des Trägerteils und der Winkelscheibe eines Bürstenfreilaufs. Diese Herstellung bietet insbesondere für Großserien einen Kostenvorteil.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist nach Anspruch 15 der Frei lauftilger mit einem Dämpfungselement versehen, mit dem eine Zusatz dämpfung zur weiteren Verbesserung der Tilgerfunktion und zur Erhöhung der Freilauflebensdauer erreichbar ist. Erfindungsgemäß ist das Dämp fungselement zwischen der Kurbelwelle oder dem auf der Kurbelwelle befestigten Bauteil, der Nabe und der Tilgermasse angeordnet zur gezielten Dämpfung der Relativbewegung zwischen der Tilgermasse und der Kurbelwelle. Das Dämpfungselement ist dabei vorteilhaft so ausge legt, daß die Dämpfung des Freilaufs unterstützt wird. Vorzugsweise ist mit dem Dämpfungselement eine Coulomb′sche Reibung erzielbar.

Nach dem Anspruch 16 ist als Dämpfungselement eine Tellerfeder vor gesehen, die zwischen der Kurbelwelle oder der Nabe und der Tilgermas se unter Einbeziehung einer Zwischenscheibe eingesetzt ist und an dem benachbarten, d. h. dem mit der Tellerfeder zusammenwirkenden Bauteil begrenzt kraftbeaufschlagt anliegt. Vorteilhaft ist die Tellerfeder zwischen einem Sicherungsring und einer Ringscheibe einsetzbar, wobei die Ringscheibe im Bereich der Gleitzone an der Tilgermasse mit einem Reibbelag versehen ist. Alternativ ist zur Schaffung eines Dämpfungs elementes erfindungsgemäß die Nabe oder die Tilgermasse beispielsweise mit einer Ringschulter versehen, die über eine Fläche an dem benach barten Bauteil gleitend anliegt.

Gemäß dem Anspruch 17 ist zumindest ein kombiniertes Axial-Radiallager zur Lagerung der Tilgermasse auf der Nabe vorgesehen. Abhängig von den Erfordernissen ist dem Freilauf einseitig oder an beiden Seiten ein Axial-Radiallager zugeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 18 ist alternativ ein kombiniertes oder ein aus zwei getrenn ten Lagern gebildetes Axial-Radiallager eingesetzt, wobei die Lagerung und der Freilauf eine Freilaufeinheit bilden, die axial und radial von einer Hülse umgeben ist. Zur Lagerung sind nach Anspruch 19 sowohl Gleit- als auch Wälzlager einsetzbar, die auch beispielsweise kom biniert in eine Freilaufeinheit einsetzbar sind.

Zur Erreichung einer verschleißfesten Kontaktfläche für die Führungs bahnen des Freilaufs ist erfindungsgemäß nach Anspruch 20 auf der Mantelfläche der Nabe sowie der Bohrungswandung bzw. der Klemmfläche in der Tilgermasse eine spezielle Oberflächenbehandlung vorgesehen. Vorteilhaft wird die Kontaktfläche zumindest eines Kontaktpartners verchromt, brüniert oder erhält eine Zn-Fe-Beschichtung.

Nach Anspruch 21 entspricht die axiale Breite der Freilaufeinheit zumindest der halben Breite der Tilgermasse, wodurch eine exakte Führung der Tilgermasse erreicht werden kann.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht gemäß dem Anspruch 22 eine Abdichtung an beiden Stirnseiten der Freilaufeinheit vor, wodurch das zur Schmierung des Freilaufs und der Lager eingesetzte Schmiermittel nicht austreten kann und Verunreinigungen, z. B. Staub oder Feuchtig keit nicht in die Freilaufeinheit eintreten können. Vorteilhaft sind zur Abdichtung Dichtringe vorgesehen. Alternativ kann erfindungsgemäß auch eine aus Kunststoff angespritzte Dichtung an der Freilaufeinheit vorgesehen werden, die eine Abdichtung zwischen den sich relativ bewegenden Bauteilen bewirkt.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Zeichnungen und der zugehöri gen Beschreibung zu entnehmen, in denen ein Ausführungsbeispiel darge stellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Frei lauftilgers im eingebauten Zustand;

Fig. 2 den Freilauftilger gemäß Fig. 1, versehen mit einem Dämpfungselement;

Fig. 3 einen Freilauftilger, versehen mit einem Bürstenfrei lauf;

Fig. 4 die Seitenansicht des in Fig. 2 abgebildeten Frei lauftilgers;

Fig. 5 in einer vergrößerten Darstellung das Detail "Z" vom Bürstenfreilauf gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine alternative Auslegung eines Freilauftilgers mit einem Klemmrollen- oder Klemmkörperfreilauf;

Fig. 7 den Kennlinienverlauf bisheriger Drehschwingungsdämp fer;

Fig. 8 den Kennlinienverlauf des erfindungsgemäßen Freilauf tilgers;

Fig. 9 in Form eines Diagramms die sich verändernde Kurbel wellenverspannung mit und ohne Freilauftilger;

Fig. 10 den Verlauf der Kurbelwellen-Verspannungsamplituden bei verschiedenen Freilaufsteifigkeiten;

Fig. 11 die periodische Abkopplung des Nebenabtriebs bei un terschiedlichen Lastzuständen durch den Freilauftil ger.

Der Aufbau eines Freilauftilgers 1 ist den Fig. 1 und 2 zu entneh men. Danach ist der Freilauftilger 1 an einem freien Ende einer Kur belwelle 2, die Bestandteil einer Brennkraftmaschine ist, verdrehgesi chert befestigt. Der Freilauftilger 1 umfaßt ein Antriebsglied, gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ausgebildet als Riemenscheibe mit einem Nutprofil 19, das einstückig mit einer Tilgermasse 11 verbunden ist. Der Frei lauftilger ist über eine Nabe 3 auf einem endseitigen Wellenabsatz der Kurbelwelle 2 aufgeschoben und mittels einer stirnseitig am Wellen absatz 4 über eine Schraube 5 befestigten Scheibe 6 kraftschlüssig verspannt. Eine Mantelfläche 7 der Nabe 3 dient zur Aufnahme und Führung einer Freilaufeinheit 8, die einen Freilauf 9 umfaßt, dem beidseitig ein Lager 10 zugeordnet ist, ausgebildet als kombiniertes Axial-Radiallager, wobei vorteilhaft ein Lager 10 als ein Festlager dient. Die beidseitig des Freilaufs 9 angeordneten Lager 10 sind versehen mit einer die radiale Kontur der Freilaufeinheit 8 über schreitenden Ringschulter 16, die jeweils an einer radial nach innen vorstehenden Innenklemmfläche 17 der Tilgermasse 11 stirnseitig an liegt zur Bildung einer Axialführung, die in einer Ausgestaltung einseitig auch als Dämpfungselement ausgelegt sein kann.

Durch die Lager 10 der Freilaufeinheit 8 erfolgt eine Zentrierung der Tilgermasse 11, die sich radial um die Freilaufeinheit 8 erstreckt und deren axiale Breite angepaßt ist an die Breite der Nabe 3 in Verbin dung mit der Scheibe 6.

Ein für die Freilaufeinheit vorgesehener Einbauraum 12 erfährt in axialer Richtung beidseitig eine Abdichtung durch zwei übereinstimmend dimensionierte Dichtringe 13, die axial versetzt jeweils in einer in der Tilgermasse 11 eingebrachten Umlaufnut eingesetzt sind. Radial nach innen gerichtet liegt der zur Schraube 5 angeordnete Dichtring 13 an einer Ringscheibe 14 an, die von einem Sicherungsring 15, der in der Nabe 3 geführt ist, einen Axialanschlag erfährt. Der Sicherungs ring ist dabei so ausgelegt daß dieser eine axiale Vorspannung für das Lager 10 bewirkt. Der weitere Dichtring 13 ist auf einem Flansch 18 geführt, der endseitig einstückig mit der Nabe 3 verbunden ist. Die Tilgermasse 11 ist an der Außenkontur radial abgesetzt gestaltet zur Bildung eines mehrfachen, keilförmigen Nutprofils 19, auf dem ein Antriebsriemen 20, der z. B. zum Antrieb von Nebenaggregaten der Brennkraftmaschine dient, geführt ist.

Die Fig. 2 zeigt im Unterschied zu Fig. 1 zur Erreichung einer gezielten Dämpfung der Relativbewegung zwischen der Nabe 3 und der Tilgermasse 11 die Anordnung einer Tellerfeder 22, die zwischen dem Sicherungsring 15 und der Ringscheibe 14 eingesetzt ist. Durch die verspreizende Wirkung der Tellerfeder 22 kommt es zu einer gewünschten kraftschlüssigen Anlage der Ringschulter 16, des Lagers 10 und der Ringscheibe 14 jeweils an den Stirnflächen der radial nach innen gerichteten Innenklemmfläche 17 der Tilgermasse 11. Vorteilhaft ist dazu ein Gleitpartner mit einem verschleißfesten Reibbelag versehen.

Die axiale Verspannung kann durch die Verwendung von Tellerfedern mit unterschiedlichen Federkonstanten den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden.

In den Fig. 3 und 4 ist der Freilauftilger 21 abgebildet, der im wesentlichen die Tilgermasse 31 und das mit einem Nutprofil 39 ver sehene Antriebsglied umfaßt und der die Freilaufeinheit 28 aufweist, die mit einem Freilauf 29, ausgebildet als Bürstenfreilauf, und einem Lager 30 versehen ist. Der Freilauftilger 21 ist über ein Trägerteil 23, vorzugsweise stirnseitig an eine in Fig. 1 abgebildete Kurbelwel le 2 einer Brennkraftmaschine verschraubt, wozu die Bohrungen 24 vorgesehen sind. Auf der Außenfläche eines gekröpften Abschnitts des Trägerteils 23, koaxial zur Symmetrieachse 40 des Freilauftilgers 21, ist eine umlaufende Radialnut 25 vorgesehen, in der Wälzkörper 26 des Lagers 30 geführt sind. Als Außenring des Lagers 30 dient eine Axial schulter 32 der Tilgermasse 31, in der eine Radialnut 35 eingebracht ist. Durch diese Führung der Wälzkörper 26 dient das Lager 30 als Festlager und es ist daher zwischen dem Trägerteil 23 und der Tilger masse 31 keine weitere Axialführung erforderlich. Beidseitig des Lagers 30, den radialen Abstand zwischen dem Trägerteil 23 und der Tilgermasse 31 überbrückend sind Dichtringe 33 eingesetzt.

Radial nach außen gerichtet ist die Axialschulter 32 mit einem Nut profil 39 versehen zur Aufnahme eines Antriebsriemens. Entgegengesetzt zum gekröpften Abschnitt ist am Trägerteil 23 radial versetzt zur Symmetrieachse 40 eine Winkelscheibe 34 am Trägerteil 23 unlösbar befestigt. Der als Bürstenfreilauf gestaltete Freilauf 29 besitzt einen Innenring 36, der auf der Mantelfläche 27 der Winkelscheibe 34 lagefixiert ist. Die radial nach außen gerichteten Bürsten 38 stehen endseitig über die Innenklemmfläche 37 mit der Tilgermasse 31 in Verbindung. Bei dem Bürstenfreilauf bilden die Klemmelemente, die Bürsten 38, mit dem Innenring 36 eine Einheit, die aus verschiedenen Werkstoffen herstellbar ist, wie z. B. Thermoplaste, Grauguß oder Sintermetall. Jede dieser selbstfedernden Bürsten 38 besteht aus einer in axialer Richtung des Freilaufs 29 verlaufenden, mit dem Maß "x" beabstandeten dünnwandigen Leiste, wie die Fig. 3 verdeutlicht. Die Bürsten 38 sind so dimensioniert, daß sie unter leichter elastischer Verformung in die hohlzylindrische Innenklemmfläche 37 einsetzbar sind. In der einen Relativdrehrichtung zwischen der aus dem Innenring 36 und den Bürsten 38 bestehenden Einheit und der Tilgermasse 31 können die äußeren Enden der Bürsten 38 an der Innenklemmfläche 37 entlanggleiten, während bei der anderen Relativdrehrichtung infolge der durch die elastische Verformung gegebenen Anfederung die Bürsten 38 sich an der Innenklemmfläche 37 verkeilen. Dadurch kommt es zu der gewünschten Sperrwirkung der Freilaufkupplung in einer Drehwirkung.

In Fig. 5 ist ein Detail "Z", des in Fig. 4 abgebildeten Freilauftil gers 21 vergrößert abgebildet. Die einzelne, einstückig mit dem Innen ring 36 verbundenen Bürste 38 liegt danach unter einem Winkel geneigt an der Innenklemmfläche 37 der Tilgermasse 31 an. Der Bürstenwinkel gegenüber der Mittelpunktgeraden, das heißt der Verbindung zwischen der Symmetrieachse 40 und dem mittleren Kontaktpunkt "X" der Bürste 38 an der Innenklemmfläche 37 ist dabei gleich oder kleiner dem Haftrei bungswinkel (α) der Materialien für die Bürste 38 und der Tilgermasse 31, in der die Innenklemmfläche 37 angebracht ist. Damit ergibt sich, daß der Wert des Tangens (α) gleich oder kleiner dem Reibwert (µ) der Materialpaarung ist.

Aus der Fig. 6 ist ein zu Fig. 1 alternativ gestalteter Freilauftil ger 41 entnehmbar, der auf einer Innenhülse 43 geführt ist. Die als ein Tiefziehteil aus Blech geformte Innenhülse 43 ist radial gestuft gestaltet, wobei der radial kleinere hülsenartige Abschnitt endseitig auf der Kurbelwelle 42 aufgeschoben ist und mittels einer in die Ausnehmung 44 des Innenteils 43 eingesetzten Schraube 45 und Scheibe 46 befestigt ist, wobei dieser Abschnitt der Innenhülse 43 an einem auf der Kurbelwelle 42 lagefixierten Antriebsritzel 56 anliegt. Zur Verdrehsicherung der Innenhülse 43 dient eine Paßfeder 60, die form schlüssig in eine Nut bzw. Ausnehmung der Kurbelwelle 42 und der Innenhülse 43 eingepaßt ist. Zwischen der Mantelfläche des radial kleineren Abschnitts der Innenhülse 43 und einer Wandung 52 des Kur belgehäuses ist ein Dichtring 55 eingesetzt. Auf einer Mantelfläche 47 des radial größer gestuften an dem Gehäuse 52 austretenden Abschnitts der Innenhülse 43 ist eine Freilaufeinheit 48 geführt. Dazu ist im mittleren Bereich der Mantelfläche 47 eine Klemmfläche 57 vorgesehen in Form von Klemmrampen bzw. in Form eines Innensterns für die Klemm körper oder Klemmrollen des Freilaufs 49. Beidseitig des Freilaufs 49 ist jeweils ein als Wälzlager ausgeführtes Lager 50 vorgesehen. In Fig. 5 ist das zum Gehäuse 52 weisende Loslager als ein Zylinderrol lenlager ausgebildet und das gegenseitige Festlager als ein Rillenku gellager. Die gesamte Freilaufeinheit 48 wird radial umschlossen von einem der axialen Breite des gestuften Abschnitts der Innenhülse 43 entsprechenden Außenrings 58. Der kreisringförmige Innenraum zwischen der Innenhülse 43 und dem Außenring 58 wird jeweils seitlich von einem Dichtring 53 abgedichtet. Der Außenring 58 ist in einer Nabe 54 lage fixiert, die rotationssymmetrisch gestaltet einstückig mit einem ein Nutprofil 59 aufweisendes Antriebsglied versehen ist und außerdem mit einer zum Nutprofil 59 radial nach außen versetzten Tilgermasse 51.

Die Fig. 7 und 8 zeigen in einer Gegenüberstellung die voneinander abweichenden Wirkprinzipien zwischen einem bisher eingesetzten Dreh schwingungsdämpfer, bei dem die Tilgermasse über eine Elastomer-Dreh feder an eine Nabe angebunden ist (Fig. 7), und einem erfindungs gemäßen Freilauftilger, dessen Tilgermasse 11 über eine Freilaufein heit an der Nabe 3 gekoppelt ist (Fig. 8).

Der Kennlinienverlauf ist jeweils in einem Koordinatensystem eingetra gen, bei dem auf der Ordinate das Drehmoment (M) und auf der Abszisse der Verdrehwinkel (phi) aufgetragen ist. Der jeweils eingetragene Kennlinienverlauf (a) ist voneinander stark abweichend. Fig. 7 zeigt einen parabelartigen Kurvenverlauf (a), d. h. einen in beiden Dreh richtungen möglichen übereinstimmenden Ausschlag der Tilgermasse. Der Arbeitsbereich entspricht einer Auslegung der Elastomer-Drehfeder auf einem eng begrenzten Drehzahl- oder Drehmomentbereich der Brennkraft maschine.

Wie der Fig. 8 entnehmbar ist, besitzt der Freilauftilger einen Kennlinienverlauf, der einen Arbeitsbereich, eine Momentenübertragung in eine Drehrichtung erlaubt aufgrund der Wirkungsweise des Überhol freilaufs. Der Abbremsvorgang, hervorgerufen durch den Ungleichförmig keitsgrad der Brennkraftmaschine, wird somit nicht auf den Riementrieb übertragen, aufgrund der Abkopplung des Antriebs durch den Freilauf.

Somit ergibt sich zusätzlich auch bei niedrigen Kurbelwellen-Drehzah len ein gewünschter gleichmäßiger Lauf des Riementriebs, da die Ab kopplung unabhängig von der Drehzahl erfolgt.

Die sich bei laufender Brennkraftmaschine ergebende Kurbelwellenver spannung (Kurbelwellen-Torsion) ist der Fig. 9 zu entnehmen, wobei der Verspannungsverlauf ohne Tilger dem mit Tilger überlagert ist. Dabei ist die Verspannungsamplitude in dem Diagramm in Grad auf der Koordinatenachse und die Kurbelwellendrehzahl (U/min.) auf der Abs zissenachse aufgetragen. Daraus wird deutlich, daß der erfindungs gemäße Freilauftilger eine starke Verringerung der Verspannungsampli tuden bewirkt, verdeutlich durch den schwächer gedruckten Kurvenver lauf.

Der Fig. 10 sind zwei Kennlinien zu entnehmen, die eine Kurbelwellen- Torsion, d. h. Verspannungsamplitude der Kurbelwelle, bei unterschied lichen Freilaufsteifigkeiten aufzeigen. Der Vergleich der Kurbelwel len-Torsion zeigt, daß die höhere Freilaufsteifigkeit (Kurve b) eine geringere Kurbelwellenverspannung auslöst. Eine zu geringe Freilauf steifigkeit (Kurve a) kann dazu führen, daß die Drehschwingungs-Am plitude des vorderen Kurbelwellenendkörpers trotz Resonanz nicht ausreicht, um ein Freischalten zu bewirken.

Aus der Fig. 11 ist die periodische Abkopplung des Nebenantriebs bzw. Aggregateabtriebs (Riemenscheibe) durch den Freilauftilger bei unter schiedlichen Lastzuständen in zwei Diagrammen entnehmbar. Unabhängig vom Lastzustand erkennt man gemäß Fig. 11 nach einer Phase deutlich sich unterscheidender Drehgeschwindigkeiten einen Schnittpunkt der beiden Kurven, ab dem die Geschwindigkeit der Kurbelwelle (Kurve *) größer ist als die der Riemenscheibe (Kurve o), dementsprechend kup pelt der Freilauf ein. Aufgrund seiner Nachgiebigkeit federt der Freilauf dabei ein, wobei ein Moment auf die Tilgermasse bzw. Riemen scheibe übertragen wird und damit der Zugmitteltrieb beschleunigt werden kann. Nachdem die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle wieder stärker abnimmt als die des Riementriebs kommt es zu einer Freischal tung des Freilaufs. Bedingt durch das anliegende Lastmoment kommt es in der darauffolgenden "Freiflugphase", während der der Freilauf kein Moment von der Kurbelwelle auf die Riemenscheibe (Tilgermasse, Zug mitteltrieb) überträgt, zu einer Drehzahlreduzierung der Riemenschei be. Sobald die Drehzahl der Riemenscheibe unter die Drehzahl der Kurbelwelle sinkt, kuppelt der Freilauf wieder ein.

Bezugszeichenliste

1 Freilauftilger
2 Kurbelwelle
3 Nabe
4 Wellenabsatz
5 Schraube
6 Scheibe
7 Mantelfläche
8 Freilaufeinheit
9 Freilauf
10 Lager
11 Tilgermasse
12 Einbauraum
13 Dichtring
14 Ringscheibe
15 Sicherungsring
16 Ringschulter
17 Innenklemmfläche
18 Flansch
19 Nutprofil
20 Antriebsriemen
21 Freilauftilger
22 Tellerfeder
23 Trägerteil
24 Bohrung
25 Radialnut
26 Wälzkörper
27 Mantelfläche
28 Freilaufeinheit
29 Freilauf
30 Lager
31 Tilgermasse
32 Axialschulter
33 Dichtring
34 Winkelscheibe
35 Radialnut
36 Innenring
37 Innenklemmfläche
38 Bürste
39 Nutprofil
40 Symmetrieachse
41 Freilauftilger
42 Kurbelwelle
43 Innenhülse
44 Ausnehmung
45 Schraube
46 Scheibe
47 Mantelfläche
48 Freilaufeinheit
49 Freilauf
50 Lager
51 Tilgermasse
52 Wandung
53 Dichtring
54 Nabe
55 Dichtring
56 Antriebsritzel
57 Innenklemmfläche
58 Außenring
59 Nutprofil
60 Paßfeder

Claims

1. System zur Dämpfung von Drehschwingungen, die an einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ausgelöst werden, darin bestehend, daß der Kurbelwelle konzentrisch auf einem Kurbelwellenende ein begrenzt bewegbar angeordnetes, mit einem Freilauf in Verbindung stehendes Antriebsglied für einen Zugmitteltrieb zugeordnet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Tilgermasse (11, 31, 51) mit dem Antriebsglied kom biniert ist und diese Einheit über eine Freilaufeinheit (8, 28, 48), die zumindest ein Lager (10, 30, 50) und einen Freilauf (9, 29, 49) aufweist, unmittelbar oder über eine Nabe (3), Trägerteil (23) oder Innenhülse (43) auf dem Kurbelwellenende geführt ist zur Bildung eines Freilauftilgers (1, 21, 41).

2. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steifigkeit des Freilaufs (9, 29, 49) eine Einfederung bei Übertragung eines Lastmomentes begrenzt, die kleiner ist als eine sich dabei einstellende Schwingungsamplitude des Systems.

3. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Freilauf (9, 29, 49) eine Steifigkeit von 200 bis 100 Nm/Grad vorgesehen ist.

4. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, daß sich für die Tilgermasse (11, 31, 51) und für das Antriebsglied im unteren Drehzahlbereich eine Drehzahl (n) einstellt, die oberhalb eines Mittelwertes der Kurbelwellendrehzahl liegt.

5. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tilgermasse (11, 31, 51) einschließlich des Antriebsgliedes ein Massenträgheitsmoment von 0,005 kg m² bis 0,05 kg m² aufweist

6. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit der Tilgermasse (11, 31, 51) in Verbindung stehenden Antriebsglied ein Nutprofil (19, 39, 59) zur Führung eines Antriebsriemens (20) zugeordnet ist.

7. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsglied vorgesehen ist, das die Tilgermasse (11, 31, 51) radial umschließt.

8. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Klemmkörperfreilauf oder ein Klemmrollenfrei lauf als Freilauf (9, 49) dient.

9. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bürstenfreilauf als Freilauf (29) vorgesehen ist.

10. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bürsten (38) des Bürstenfreilaufs (29) einstückig mit einem Innenring (36) verbunden sind und radial nach außen gerichtet an einer Innenklemmfläche (37) anliegen.

11. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bürstenwinkel gleich oder kleiner einem Haft reibungswinkel (α) einer Materialpaarung zwischen den Bürsten (38) und der Tilgermasse (31) ist, in der die Innenklemmfläche (37) eingebracht ist.

12. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Lager (30) gemeinsam geschmierter Bür stenfreilauf vorgesehen ist, wobei der Einbauraum des Freilaufs (29) und des Lagers (30) nach außen abgedichtet ist.

13. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Innenring (36) und die Bürsten (38) des Freilaufs (29) oder die Klemmelemente des Frei laufs (9, 49) alle Thermoplaste, Kunststoffe mit einer vernetzten Kunstfaserarmierung sowie Grauguß oder auch Sintermetalle einsetzbar sind.

14. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (3) gemäß Fig. 1, die Innenhülse (43) nach Fig. 5 oder das Trägerteil (23), die Winkelscheibe (34) und der Innenring (36) gemäß Fig. 3 spanlos hergestellt sind.

15. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungselement zwischen der Kurbelwelle (2) oder der Nabe (3) und der Tilgermasse (11, 31) eingebracht ist.

16. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungselement eine Tellerfeder (22) dient, die an der Kurbelwelle (2), der Nabe (3) oder an der Tilgermasse (11) befestigt ist und an dem benachbarten Bauteil unmittelbar oder mittel bar anliegt.

17. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lager (10, 30, 50) zumindest ein kombiniertes Axial-Radiallager eingesetzt ist, das einseitig oder beidseitig dem Freilauf (9, 29) nebengeordnet ist.

18. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kombiniertes Axial-Radiallager oder zwei getrennte Lager gemeinsam mit dem Freilauf von einer diese Bauteile radial und axial umschließenden Hülse oder einem entsprechenden Außen ring umgeben sind.

19. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lager (10, 30, 50) ein oder mehrere Gleit und/ oder Wälzlager eingesetzt sind.

20. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktfläche zumindest eines Bauteils des Freilaufs (2, 29, 49):

- die Nabe (3) und/oder die Tilgermasse (11) (Fig. 1, Fig. 2);
- der Innenring (36) und/oder die Tilgermasse (31) (Fig. 3);
- die Innenhülse (43) und/oder ein Außenring (58) (Fig. 5);

an der die Freilaufeinheit (8, 28, 48) geführt ist, verchromt oder brüniert ist bzw. eine Zn-Fe-Beschichtung aufweist.

21. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale Breite der Freilaufeinheit (8, 28, 48) zumindest der halben Breite der Tilgermasse (11, 31, 51) entspricht.

22. System zur Dämpfung von Drehschwingungen nach Anspruch 1 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der Freilaufeinheit (8), des Lagers (30) oder der Freilaufeinheit (48) einschließlich der Lager (50) Dichtringe (13, 33) oder aus Kunststoff angespritzte Lippendich tungen vorgesehen sind.