Auf die Isolation kommt es an

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1 78 79 Auf die Isolation kommt es an Die Evolution des Fliehkraftpendels nicht nur für ZMS N O D H I O E A S M I O u e n l O A N G A D F J G I O J E R U I N K O P J E W L S P N Z A D F T O I E O H O I O O A N G A D F J G I O J E R U I N K O P O A N G A D F J G I O J E R O I E U G I A F E D O N G I U A m u H I O G D N O I E R N G M D S A U K Z Q I N K J S L O G D W O I A D U I G I r z H I O G D N O I E R N G M D S A U K n m H I O G D N O I E R N G U U B F I M C H S E H E B U P S K R E F B A F V N K F N K R E W S P L O C Y Q D M F E F B S A T B G P D r D D L R a E F B A F V N K F N K R E W S P D L R n E F B A F V N K F N U E W C E C B S t P O I O D C V F E d B E u B A F V N K F N K R E W S P L O C Y Q D M F E F B S A T B G P D B D D L R B E z B A F V r K F N K R E W S P z L R B E o B A F V N K F N A G F D G V T Q U j R E L K J H G g e u N l I E R N G M j B N D S A U K Z Q I N K J S L W O I E P Dr. N NAd Kooy A U A H I O G D N p I E R N G M D S A U K Z Q H I O G D N w I E R N G M D A Q A Y L M R T X A g Y W U B F I M C H S E H E B U P S K S A U K Z Q I N K J S L W O Q T V I E P N z R A U A H I r G D N O I q R N G M D S A U K Z Q H I O 5G D N O I y R N G M D E T F C X V N H O U I J E W C E C B S t P O I O D C V F E F E Q L O P N G S A Y B G D S W L Z U K O G I K C K P M N E S W L N C u W Z Y K F E Q L O P P M N E S W L N C t W Z Y K M W R Z V T F L U J a D G G F D G V T Q U j R E L K J H G E C L Z E M S A C I T P M O S G R U C Z G Z M O Q O D N V U S G R V L G R m K G E C L Z E M D N V U S G R V L G R x K G T N V X D B P O R U T E T Q A Y L M R T X A g Y W P H C E Q J R C N I F Z K M N D A B O N Y A M E C R J G N I N E E O M N Y A Z T E W N l X J R C N I F E E O M N Y A Z T E W N y X D N E D C S K U P O W R W T F C X V N H O U I J B Z G V l i n d e r F G r g H N W E D W C C L O M E P S C V C Y L i N E W C L V V F H N V o a J K U V Y L i N E W C L V V F H N V J T R E H K L P F L K J K W R Z V T F L U J a D G Y C B M O F E T Z H L A X C F t j K J Z M F A M U A N J Y Q Y O 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E Q T F C X V N H O U I J B Z G V T F C R D X E S N W A S R E C V B Z G V T F C R D X E S N W C G T J D G L E T U O A D G J L Y C B M W R Z I P S F H K T V N Z L M O I J E U H B Z G W R Z V T F L U J r D G Y C B M W R Z I P S F H K T V N Z L M O Y C B M W R Z I P S F H K T J T Z U E T O I Z R W Q E T U O M B C Y N V X A D G J L K H E S Y S C B F G M H T I L Q N V X D B P O R U T E T M B C Y N V X A D G J L K H E S Y S C B M B C Y N V X A D G J L K H V W M O R W U U M P I Z R W O U Z T W H N E D K U N W P O N C A L V I K n D V S G W J P N E D C S K U P O W R W Z T W H N E D K U N W P O N C A L V I K Z T W H N E D K U N W P O N A K D L J K P S D F G H J K L P O I U Z T R E W Q Y X C V B N M I Q W u R T Z B C S D G T R E H K L P F L K J K O I U Z T R E W Q Y X C V B N M I Q W u O I U Z T R E W Q Y X C V B L S J A D S Y K J H G F D S A Y V N P I Z R W Q S C G Z N J I M N S t R E C L P Q A C E Z R W D X A Y H A S e S V N P I Z R W Q S C G Z N J I M N S t R V N P I Z R W Q S C G Z N J E K J 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C V C Y L J N E W C L V V F H N V R D J K U V Y L J N E W C L V V F H N V M O T M Q O G N T Z D S Q O M G D N V U S G R V L G R V K G E C E Z E M S A C I T P M O S G R U C Z G Z M a x O D N V U S G R V L G R V K G E C E Z E M D N V U S G R V L G R V K G A A O R U A N D O N G I U A R N H I O G D N O I E R N G M D S A U K Z Q I N K J S L W O z w u I E P N N R A U A H I O G D N O I E R N G M D S A U K Z Q H I O G D N O I E R N G M D

2 8 Fliehkraftpendel 5 81 Einleitung Drehzahlamplitude Bild 1 Target In der jüngsten Vergangenheit war die Verringerung des Kraftstoffverrauchs eine zentrale Aufgae der Automoilindustrie. Eine wirksame Maßnahme dafür ist, noch niedrigere Motordrehzahlen für den Fahretrie zu erschließen. Um Leistungseinußen zu vermeiden, wird hierzu das Drehmoment angehoen. Dies erlaut, den Motor nur geringfügig oerhal der Leerlaufdrehzahl und damit in einem sehr verrauchseffizienten Bereich zu etreien. Eine Herausforderung esteht darin, auch für diese niedrigen Drehzahlen eine ausreichende Antriesstrangisolation zu erreichen und so dem Autofahrer seinen gewohnten Komfort zu ieten. Bild 1 [1] zeigt, wie das Zweimassenschwungrad (ZMS) esonders in Verindung mit dem Fliehkraftpendel (FKP) dazu eiträgt, dieses Ziel zu erreichen. Während Zweizylindermotoren islang die prognostizierten Verrauchsvorteile im täglichen Gerauch nicht realisieren konnten, erreichen die inzwischen zunehmend eingesetzten Dreizylindermotoren niedrigere Verräuche, stellen allerdings an die Schwingungsisolation nochmals verschärfte Anforderungen. Bereits 22 [2] wurde das sekundärseitige Fliehkraftpendel in Verindung mit einem ZMS als Konzept vorgestellt und einige Jahre später erfolgreich in Serie geracht. Das einfache physikalische Wirkprinzip, der modulare Aufau und die sehr gute Isolation haen zu einer zunehmenden Akzeptanz und Verreitung geführt nicht nur im ZMS, sondern auch ei anderen Dämpferkonzepten wie Wandler und Kupplungsscheie. Inzwischen ermöglicht das tiefgreifende Verständnis des Fliehkraftpendels deutliche Veresserungen in der Funktion; sie wird im Folgenden näher dargestellt. Da das ZMS auch noch auf weitere Betriespunkte wie den Start oder auf sogenannte Impacts also der hohen Üermomente ei schlagartiger Blockelastung optimiert werden muss, sind Kompromisse zu schließen, die indirekt auch die Isolation im Zug eeinflussen. Am Beispiel der eim ZMS auftretenden Impacts, wie sie eim Awürgen des Fahrzeugs auftreten, werden Maßnahmen gezeigt, wie diese verhindert werden können und das ZMS rouster gestaltet werden kann. Damit ergeen sich mehr Freiheiten zur Optimierung der Zugisolation und damit des Fahrkomforts. l/1 km Konventionelles System ZMS ZMS mit FKP Kraftstoffeinsparung durch ZMS und ZMS mit FKP % -21 % -1 % 6,3 5,4 4,9 mod. Verrauch im NEFZ Anschlagdämpfer Bild 2 1. Generation Entwicklung des Fliehkraftpendels eim ZMS Flansch Rolle Pendel Zusatzmasse Anordnung des Anschlagdämpfers ei FKP der 1. und 2. Generation 2. Generation Anschlagdämpfer Inzwischen wurden eine Million Fliehkraftpendel für Sechs-, Vier- und Dreizylindermotoren gefertigt, und das Konzept kontinuierlich weiterentwickelt. Prototypen zeigen, dass die Technologie auch für Zweizylindermotoren einsetzar ist. Durch die sekundärseitige Anordnung des Fliehkraftpendels kommt dem Bogenfederdämpfer, der die Vorisolation ewirkt, eine esondere Bedeutung zu. Um die optimale Komination aus Bogenfeder und FKP für eine Fahrzeuganwendung zu finden, führen weitgehend automatisierte Simulationsprogramme unter Berücksichtigung des Motormomentaufaus hunderte Variationen durch, die hinsichtlich Start- und Zugverhalten ewertet werden. Natürlich setzt das eine ausreichende Güte der Fahrzeugparameter voraus. Sie ist aer in dem frühen Entwicklungsstadium, in dem die Auslegung erfolgt, nicht immer gegeen. Hier ist der reiche Erfahrungsschatz von LuK von Vorteil, weil er erlaut, fehlende Daten sinnvoll zu ergänzen. Sollte dennoch ei der späteren Fahrzeugüerprüfung Korrekturedarf estehen, lässt sich eine solche Optimierung schnell wiederholen. Die Interaktion mit weiteren kritischen Betriespunkten, wie etwa dem Awürgen des Motors samt der daei entscheidenden Motorsteuerung, lässt sich eenfalls in die Simulation integrieren. Bei kleinen Winkeln ist die Eigenfrequenz eines Fadenpendels, also einer auf einer Kreisahn sich ewegenden Punktmasse, auf einfache Weise zu erechnen. Für Fliehkraftpendel reicht diese Näherung jedoch nicht. Die Bahn muss stärker verkrümmt werden, um winkelunahängig eine konstante Ordnung (Verhältnis von Eigenfrequenz zu Drehzahlfrequenz) zu erhalten. Nur dadurch ist eine optimale Isolation sowohl üer der Drehzahl als auch für Teilund Volllast erreichar. Besonderer Aufmerksamkeit edarf der Drehzahlereich knapp üer der Leerlaufdrehzahl. Denn edingt durch die niedrigen Fliehkräfte in diesem Bereich, raucht das FKP einen möglichst großen Schwingwinkel, um genügend Schwingungsenergie zwischenspeichern zu können. Hohe Motormomente verschärfen die Situation noch. Ziel ist es daher, diesen Winkel zusammen mit der Massenträgheit des Pendels zu maximieren. Aus diesem Grund sind die früheren drei ringförmigen Anschlagdämpfer der Fliehkraftpendel aus der ersten Generation in der zweiten Generation als V-Anschlagdämpfer auf einer Zusatzmasse zusammengefasst (Bild 2).

3 82 Fliehkraftpendel 5 83 Damit entfallen die für die ringförmigen Anschlagdämpfer nötigen ohnenförmigen Durchrüche im Flansch, wodurch mehr Bauraum für höhere Schwingwinkel oder schwerere Pendel zur Verfügung steht. Die eingefügte Zusatzmasse liegt radial relativ weit außen und sorgt durch die hierdurch erhöhte Massenträgheit für eine weitere Veresserung der Isolation im niedrigen Drehzahlereich. Eine Reihe weiterer Optimierungen, wie die Optimierung des Bogenfederdämpfer-Fliehkraftpendel-Systems, glattere Wälzflächen und optimierte Bahnen, führt in ihrer Gesamtheit zu einer signifikanten Leistungssteigerung, insesondere ei niedrigen Drehzahlen (Bild 3). Das Beispiel eines Vierzylinder-Dieselmotors zeigt, dass eine Steigerung des Motormoments von 36 auf 45 Nm ei Einsatz der ersten Generation zu einer deutlichen Verschlechterung der Isolation führt. Bei Verwendung der zweiten Generation ist Haupterregende in rad/s² Bild Zylinder 45 Nm Gen Nm Gen Nm Gen. 1 3-Zylinder 27 Nm Gen Nm Gen. 3 Vergleich der Isolation durch ZMS mit unterschiedlichen FKP-Generationen ei Drei- und Vierzylindermotoren Bild 4 Rolle schlägt auf Pendel Rolle schlägt auf Flansch Erdeschleunigung Kinematische Simulation der Pendelewegung ei 15 min -1 sie dagegen ohne Komfortverlust verkraftar. Für Dreizylinder, hier ein Dieselmotor mit 27 Nm, ergeen sich ereits akzeptale Werte von 5 rad/s² a etwa 1. min -1. Aer auch diese Werte lassen sich noch deutlich unterieten: Wird das gesamte Kupplungssystem, also ZMS mit Fliehkraftpendel und Kupplung, unter Berücksichtigung der Fahrzeugparameter nach völlig neuen Gesichtspunkten ausgelegt (Generation 3), wird a 8 min -1 eine Winkeleschleunigunsamplitude von 2 rad/s² unterschritten und das ohne Bauraumerweiterung! Besonders die Steifigkeit der Antrieswellen muss in dieses Konzept einezogen werden. Ändert sich diese, führt das zu einer kompletten Neuauslegung. Eine enge Astimmung mit dem Entwicklungsprozess des Fahrzeugherstellers ist also essenziell. Die gerade angeführten Betrachtungen ezogen sich auf ein unterhal des Bogenfederkanals integriertes Fliehkraftpendel. Wie ereits in [1] gezeigt, kann ei ausreichendem Bauraum ein Fliehkraftpendel auch neen der Bogenfeder, also radial weiter außen, angeordnet werden; dies veressert ei Bedarf die Isolation noch weiter. Für die isher in Serie eingesetzten Motoren ohne Zylinderaschaltung kann also mit dem Fliehkraftpendel eine hinreichend gute Isolation erreicht werden. Sollte ein solches FKP eine essere als die geforderte Isolation erringen, können durch den Entfall von zwei der vier Pendelmassen die Kosten gesenkt werden. Bild 5 Pendel mit Anschlagdämpfer Durch die nur rollende Bewegung der Pendel ist mit Bahnverschleiß nicht zu rechnen, allerdings können eim Astellen Klappergeräusche entstehen: Soald die Drehzahl unter etwa 2 min -1 afällt, wird die Fliehkraft des Pendels kleiner als die Schwerkraft. Es fällt innerhal des konstruktiven Freiheitsgrads wenige Millimeter nach unten, is es üer die Bolzen auf den Flansch aufschlägt. Um diesen Vorgang noch esser verstehen zu können, wurden kinematische Simulationen durchgeführt und mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ageglichen (Bild 4). In der Simulation ist zu erkennen, wie die zwei Rollen unterschiedlich aufschlagen. Hierei spielen die genaue Anordnung des Puffers und der Rollen sowie die Spiele zwischen den Teilen eine Rolle. Diese Parameter gilt es genau zu analysieren und zu optimieren. Neen solchen Optimierungen werden auch Möglichkeiten zur Vermeidung von Stoppgeräuschen untersucht. Eine Option ist eispielsweise, am Ende der Pendel ringförmige Anschlagdämpfer anzuordnen (Bild 5). Damit wird erreicht, dass die Pendel ereits nach kurzer Fallstrecke aufeinander fallen und ein Teil der im Pendelsystem efindlichen kinetischen Aufschlagenergie ohne Geräusche ageaut wird. Das Aufschlagen der Rollen auf Außenliegendes FKP mit Anschlagdämpfer zwischen den Pendeln

4 84 Fliehkraftpendel 5 85 den Flansch verursacht dann nur noch geringe Geräusche. Dieses Konzept funktioniert gut ei geschlossener Drosselklappe, weil dann die reine Torsionseschleunigung gering ist. Soll die Drosselklappe jedoch geöffnet leien zum Beispiel, um eine gute Zylinderfüllung und damit einen schnellen Automatikstart zu ermöglichen, sind die Torsionseschleunigungen eim Stopp viel höher. Das ergit eine nahezu synchrone Torsionsewegung aller Pendel. Damit sind die Anschlaggummis am Pendelende wirkungslos, deren Funktion üernimmt dann der zentrale V-Anschlagdämpfer. Fliehkraftpendel auf der Kupplungsscheie Der Erfolg des ZMS eruht darauf, dass im Vergleich zu einer torsionsgedämpften Kupplungsscheie ein weitgehend üerkritischer Betrie möglich ist. Hieraus resultiert der enorme Gewinn an Isolation, wie er auch schon an einem Beispiel in [3] aufgezeigt wird. Kupplungsscheie mit Dämpfer mit zus. Einfachpendel Diskutiert wurde in [3] auch ereits die Möglichkeit, ein Fliehkraftpendel auf der Kupplungsscheie anzuordnen für die Simulation entspricht das einer Position auf der Getriee- Eingangswelle. Mit der damaligen Kenntnis von der Bahnauslegung der Pendel, des zulässigen Massenträgheitsmoments und der in Serie fertigaren Toleranzen lie eine umsetzare Lösung außer Reichweite. Das inzwischen tiefgreifende Know-how zur Auslegung des Fliehkraftpendels, gekoppelt mit neuen Ideen zur Massenträgheitsreduzierung der Kupplungsscheie, ermöglicht heute die Umsetzung dieses Ansatzes (Bild 6). Bei der Kupplungsscheie mit Einfachpendel ist das Pendelsystem, estehend aus zwei oder drei Pendeln, auf die Haupterregungsordnung agestimmt, für einen Dreizylindermotor also auf die 1,5te Ordnung. Die Kupplungsscheie mit Doppelpendel esitzt ein zweites Neenpendelsystem, das zusätzlich auf die doppelte Haupterregung agestimmt ist; eide Pendelsysteme estehen aus jeweils zwei Pendeln. Die Pendel sind in eiden Konstruktionen neen dem Dämpfer angeordnet. Bei der Entwicklung galt es insesondere, die durch die Pendel verursachte zusätzliche mit zus. Doppelpendel und 2-Flanschdesign Massenträgheit der Kupplungsscheie möglichst gering zu halten, damit die Getrieesynchronisierung nicht zu sehr elastet wird. Die Pendel müssen also trotz kleinster Masse esonders effektiv wirken. Da in erster Näherung die Wirkung eines Pendels durch das Produkt aus Masse und Schwingwinkel estimmt ist, müssen folglich die Schwingwinkel extrem vergrößert werden. Die ersten Konstruktionen der ersten Generation zeigten noch drei Pendel. In der optimierten Version der zweiten Generation wurden dann für die Kupplungsscheie mit Einfachpendel zwei Pendel mit Zusatzmasse verwendet (Bild 7). Die Einführung der Zusatzmasse erfolgte aus den gleichen Gesichtspunkten wie eim ZMS (Bild 2): Dadurch kann mehr Masse radial außen angeordnet werden. Die wichtigste Neuerung aer etrifft die eiden Rollenahnen jedes Pendels: Sie sind jetzt nicht 1. Generation Einfachpendel a g mehr identisch, und sie sind jetzt nicht nur verschoen zueinander, sondern zusätzlich verdreht zueinander angeordnet. Erkennar ist dies an der zueinander verdrehten Anordnung der ohnenförmigen Ausrüche in den Pendeln für die Rollen, wie der Vergleich zwischen erster und zweiter Generation zeigt. Dadurch führt das Pendel zusätzlich zur Schwenk- eine Drehewegung aus. Die Skizze in Bild 7 illustriert das Prinzip: Das eine Pendelende wird ei der Bewegung radial nach innen geführt, während das andere Ende gleichzeitig radial nach außen wandert. Hierfür hat sich der Begriff Trapezpendel durchgesetzt, während die erste Generation als Parallelpendel ezeichnet wird. Die Pendel rauchen durch die Trapezschwingung weniger Bauraum. So können wesentlich größere Pendelschwingwinkel realisiert werden. Außerdem wird eim Verdrehen zusätzliche Rotationsenergie ge- a) Flansch ) Hauptpendel c) Neenpendel d) Zusatzmasse e) Anschlagdämpfer f ) Druckfeder g) Rolle Parallelpendel (1. Gen.) Flansche e g 2. Generation Einfachpendel d a g 2. Generation Doppelpendel a Trapezpendel (2. Gen.) c Pendel II f e Pendel I Bild 6 Kupplungsscheien ohne Pendel, mit Einfachpendel und mit Doppelpendel Bild 7 FKP für Kupplungsscheien

5 86 Fliehkraftpendel 5 87 speichert, die Pendelmasse also esser genutzt. Auch eim ZMS lässt sich dieser Effekt nutzen, ist dort aer aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraums nicht so wirkungsvoll. Owohl die Pendelmassen im Vergleich zum ZMS geringer ausfallen, sind ei sensitiven oder offenen Getrieeglocken unerwünschte Anschlagsgeräusche im Stopp möglich. Auch hier hilft die federnde Verspannung der Pendelmassen (Bild 7), zweite Generation. Durch die geringeren Pendelmassen können die Druckfedern esonders weich ausgelegt werden. Das ist wichtig, da die Federkräfte nicht drehzahlahängig sind und nicht dem Prinzip des Fliehkraftpendels folgen. Wie eim ZMS minimiert eine winkelahängige Korrektur der Bahngeometrie diesen Effekt. Bild 8 zeigt einen Vergleich eines ZMS mit einem Einmassenschwungrad mit FKP auf der Kupplungsscheie und einer torsionsgedämpften Kupplungsscheie anhand eines Vierzylindermotors. Das Einmassenschwungrad mit FKP nimmt in Bezug auf die Isolation der Torsionsschwingungen zum Getriee hin eine mittlere Position ein. Motorseitig führt es sogar zu kleineren Ungleichförmigkeiten als ein ZMS, was zu einer niedrigeren Belastung des Riementries führt. Während sich dieses Bild ei Dreizylindermotoren in Verindung mit weichen Antrieswellen estätigt, entsteht in Komination mit steifen Antrieswellen die Prolematik, dass die 3. Ordnung in der Gesamtamplitude der Getrieeeschleunigung dominant durchkommt (Bild 9). Dargestellt ist die Summenamplitude, in die eide Ordnungen eingehen. Für die Bedämpfung der 3. Ordnung wird ein auf diese Ordnung agestimmtes weiteres Pendelsystem enötigt, also ein Doppelpendel. Bild 6 zeigt die Anordnung eider Pendel auf der Kupplungsscheie. Aus Bauraumgründen sind natürlich nur kleinere Pendelmassen möglich, was aer teilweise kompensiert wird durch ein Zwei-Flansch- Design. Daei liegt das Pendel zwischen Summenamplitude Beschleunigung in rad/s TDKS TDKS + FKP Mot. Getr. Fzg. Mot. Getr. Fzg. TDKS + 2 x FKP Mot. Getr. Fzg. ZMS ZMS + FKP Mot. Sek. Getr. + Fzg. Mot. Sek. Getr. + Fzg. Drehzahlamplitude in min Bild 8 TDKS Motor TDKS + FKP ZMS Mot. Getr. Fzg. Mot. Getr. Fzg. Mot. Sek. + Getr. Getriee Vergleich dreier Dämpferkonzepte in Bezug auf die Isolation eines Vierzylindermotors im 6. Gang (TDKS = Torsionsgedämpfte Kupplungsscheie) Fzg. Bild 9 Vergleich von fünf Dämpferkonzepten in Bezug auf die Isolation eines Dreizylindermotors mit steifer Seitenwelle im 6. Gang zwei Flanschen. Bei einem ZMS ist dagegen ülich, dass zwei Pendel um einen mittigen Flansch angeordnet werden. Bei diesem Konstruktionsprinzip entfallen die sonst den Flansch schwächenden Verindungselemente der zusammengesetzten Teilpendel. Im Ergenis können größere Schwingwinkel des Pendels integriert werden. Die erreichare Isolation zeigt ein erstaunliches Bild: Für den 6. Gang ist die Isolation unterhal 1.3 min -1 sogar esser als ei einem ZMS. Kominiert man das ZMS allerdings mit einem Fliehkraftpendel, ist die Komination wieder deutlich üerlegen. Um die Synchronisation des Getriees nicht zusätzlich zu elasten, darf die Gesamtmassenträgheit trotz FKP nicht nennenswert größer sein als ei einer einfachen torsionsgedämpften Kupplungsscheie. Das wird durch Massereduktion an allen eteiligten Einzelteilen erreicht. Detaillierte Ausführungen dazu sind in [4] zu entnehmen. In Verindung mit einem FKP wird der eigentliche Torsionsdämpfer in der Kupplungsscheie geringer edämpft, was der Isolation ei höheren Drehzahlen zugute kommt. Ein weiterer signifikanter Vorteil esteht darin, dass im Creeping-Bereich, also im Bereich niedriger Momente, das Fliehkraftpendel hilft, zu isolieren. Dadurch kann die Creeping-Stufe steiler und auf höhere Momente ausgelegt werden. Das Rasseln im Creeping-Bereich kann damit weitgehend verhindert werden. Je nach Fahrzeugkonfiguration und erforderlichem Isolationsgrad ergeen sich mit der Einführung von Kupplungsscheien mit Fliehkraftpendel weitere Dämpferlösungen.

6 88 Fliehkraftpendel 5 89 Simulationen helfen ei der Wahl der optimalen Dämpferparameter unter Berücksichtigung der komplexen Randedingungen. Damit kann die von der Automoilindustrie schon lange gewünschte Zwischenlösung zwischen einem ZMS und einer torsionsgedämpften Kupplungsscheie sowohl von der Isolation als auch von den Kosten her realisiert werden. Fliehkraftpendel für Lkw Um eine signifikante Beruhigung eines Lkw- Getriees zu erreichen, sind im Vergleich zum Pkw deutlich höhere Massenträgheiten des Fliehkraftpendels auf der Kupplungsscheie nötig. Diese führen allerdings zu einer unzulässigen Verringerung der Leensdauer der Synchronisierung, die mit 1.. km deutlich üer den Erfordernissen eines Pkw liegt. Deshal waren andere Wege zur Isolationsveresserung zu eschreiten: Das FKP wurde wartungsfreundlich auf dem Einmassenschwungrad angeordnet (Bild 1). Die massiven Pendel mit rund 6 kg Gewicht reduzieren die Motorschwingungen für den typischen Sechszylindermotor mit 2.4 Nm um 3 %, die Getrieeschwingun- T Getriee in Nm Verrauchsreduzierung von 5 % Motordrehzahl um 25 min -1 reduziert FKP 6 kg reduzieren Schwingungen: motorseitig 3 % getrieeseitig 46 % Motor: 2.4 Nm Getriee: 12 Gang Gewicht: 4 t ohne FKP mit FKP Bild 11 Verrauchseinsparung ei einem Lkw durch Einmassenschwungrad mit FKP Bild 1 FKP auf dem Einmassenschwungrad eines Lkw gen sogar um 46 %. Letzteres veressert direkt die Getrieeleensdauer, denn sie ist eingeschränkt, wenn häufig mit niedrigen Drehzahlen gefahren wird. Durch den Einsatz eines Einmassenschwungrads mit FKP kann hingegen die Drehzahl ohne Leensdauereinußen agesenkt werden, wenn lediglich wie häufig der Fall niedrige is mittlere Motormomente agerufen werden (Bild 11). Der Kraftstoffverrauch reduziert sich so um 5 %, was einen nicht zu unterschätzenden Wettewersvorteil für den Endkunden darstellt. Auch die Leensdauer der Neenaggregate profitiert von den motorseitig reduzierten Schwingungen. Dadurch können diese einfacher konstruiert oder die Wartungsintervalle verlängert werden. 1.5 Betriespunkte Impactniveau Feldhäufigkeit Bedeutung Awürgen eim Anfahren hoch Verschalten hoch schnelles Einkuppeln Rückschalten mit Gas gering Motorstart gering Notremsung Knallstart niedrig Bild 12 Klassierung von Impacts Reduzierung von Impacts Das Prinzip eines ZMS (ohne Fliehkraftpendel) eruht letztlich auf der Verschieung der Resonanzdrehzahl des Antriesstrangs aus dem fahraren Bereich in jenen deutlich unter Leerlaufdrehzahl. Hierdurch wird ein üerkritisches Fahren im gesamten Drehzahlereich mit der dadurch edingten guten Isolation möglich. Schon in den Anfängen der ZMS-Entwicklung wurde klar, dass Fahrsituationen unterhal der Leerlaufdrehzahl, wie sie eispielsweise eim Awürgen eines Fahrzeugs auftreten, zu großen Schwingwinkeln führen und daei das ZMS auf Anschlag (Impact) gehen kann. Die energetische Umsetzung der hohen Bewegungsenergie in dem verhältnismäßig steifen Anschlag führt zu Momenten, die is zum 4-fachen des Motormoments etragen können. Auch ei anderen Betriespunkten können Impacts auftreten, dann allerdings meist nicht in dieser Höhe oder Häufigkeit (Bild 12). Zur Reduzierung wurden ereits viele Ideen entwickelt und auch umgesetzt. Die meisten stehen durch den zusätzlich enötigten Bauraum (zum Beispiel Rutschkupplung im Flansch) oder den Einsatz dickerer (rousterer) Federdrähte (Dämpfungsfeder) im Widerspruch zu der primären Aufgae des Dämpfersystem: der Isolation. Im Folgenden werden ein Ansatz s Software und einer s Hardware gezeigt, die die Höhe und Häufigkeit solcher Impacts deutlich reduzieren. Einfluss der Motorsteuerung eim Awürgen Bild 13 zeigt einen typischen Awürgevorgang eines Dreizylinder-Dieselmotors, aufgetragen in einem Drehzahl-Zeit-Diagramm. Zu erkennen ist, dass die starken Impacts durch die sehr hohe Differenzgeschwindigkeit zwischen Primär- und Sekundärseite edingt sind. Zum leichteren Verständnis wird dieses Diagramm umgerechnet in Drehzahl im Quadrat (n²) üer Kurelwellenwinkel, denn durch die Verrennung wird jeweils eine Einspritzmenge in kinetische Energie umgesetzt, die sich wiederum proportional zu n² verhält. Damit werden Motorungleichförmigkeiten ei gleicher Einspritzmenge drehzahlunahängig als gleiche Amplituden dargestellt. Der Kurelwellenwinkel ietet sich an, da dann im Diagramm die Zündungen äquidistant auftreten. Sehr hohe Impacts treten dann auf, wenn der Motor ei OT stehen leit oder durch die Rückwirkung des sekundären Schwungrads diesen gar nicht erreicht. Gerade im letzteren Fall entstehen Rückwärtszündungen mit extremen Impacts. Ziel muss es sein, diese Situation vorherzusehen und die Einspritzung rechtzeitig zu unterinden. Während isher dafür feste Drehzahlgrenzen in die Steuerung implementiert wurden, zeigt Bild 13, dass eine zusätzliche gradientenasierte Grenze sinnvoll ist. Wird in diesem Diagramm eine Gerade durch die eiden vorherge-

7 92 Fliehkraftpendel 5 93 High-Capacity Bogenfeder: erhöhter Windungsastand kann is zu 5 % mehr Energie speichern hilft Deformationen zu vermeiden Drahtstärke ähnlich gleiche Spannung ei Motormoment gleiche Isolation Federrate nur geringfügig höher keine signifikanten Setzverluste unter ca. 8. Nm Bild 16 High-Capacity-Feder (HC-Feder) Grundidee ist es, das Anschlagmoment der Bogenfeder wesentlich zu erhöhen und damit etwa 3 is 5 % mehr Energie in der Kennlinie azufangen, ohne dass es zu einem Anschlag kommt. Bild 17 zeigt das Ende eines Anfahrvorgangs, ei dem das hohe anliegende Kupplungsmoment zu einem Anschlagen des Dämpfers führt. Das höhere Anschlagmoment der HC- Feder, das durch einen erhöhten Windungsastand erreicht wird, fängt das im Wesentlichen a. Die Drahtdicke wird daei in etwa gleich gehalten, so dass die Beanspruchung der Federn mit Motormoment und damit die Leensdauer unverändert leit. Da der Astand zwischen den Windungen konzeptedingt steigt, können ei gleichem Bauraum weniger Windungen untergeracht werden. Die nominale Federrate steigt etwas an. Das eeinflusst zwar in geringem Maße das Startverhalten, nicht aer das Zugverhalten. Denn im Zug sind die hinteren Windungen infolge der von der Fliehkraft hervorgerufenen Reiung ageschaltet. Die Federverkürzung verringert mithin die Anzahl der aktiven Windungen üerhaupt nicht. Die Dauerfestigkeit ei kleinen Impacts ist kein Prolem, da Impacts verhältnismäßig sind typischerweise unter 1. Lastwechseln üer die Fahrzeugleensdauer. angeprägter Draht Windungsastand Runddraht Die erte Leensdauer für kleine Impacts liegt mehr als eine Größenordnung darüer. Wirkt auf die HC-Feder doch einmal ein höherer Impact, als diese an Energie aufnehmen kann, fangen die ageplatteten Windungen, wie sie LuK auch ei Standardfedern ereits seit langem erfolgreich einsetzt, das Delta ohne starkes Setzen a. Da im Vergleich zu Standardfedern ei HC-Federn das Anschlagmoment wesentlich höher liegt, können gesetzte HC-Federn das Motormoment immer noch sicher adecken. Das ZMS gewinnt mit der HC-Feder insgesamt erhelich an Roustheit, ohne Astriche ei der Zugisolation machen zu müssen. Zusammenfassung Hohe Impacts führen zum Verklemmen Die Evolution des Fliehkraftpendels in Verindung mit der gesamthaften Dämpferastimmung veresserte die durch ein ZMS erreichare Isolation derart, dass heute auch höhere Motormomente, Drei- und sogar Zweizylindermotoren eherrschar sind. Darüer hinaus ist weiteres Potenzial vorhanden, um zum Beispiel die zu erwartende weitere Steigerung ZMS-Verdrehwinkel in Drehzahl in 1³ min -1 Moment , 1, ZMS-Verdrehwinkel Serienfeder max. Verdrehwinkel ZMS 63, n = 574 min -1-1,,,1,2,3,4 Zeit in s Motor Getriee Sekundär Bild 17 Einfluss der HC-Feder eim Anfahren Moment des Motormoments a Leerlaufdrehzahl auch in Bezug auf die Isolation zu eherrschen. Eine enge Verzahnung von Antriesstrangauslegung und Dämpferkonzept ist dafür allerdings unumgänglich. Mit dem Fliehkraftpendel auf der Kupplungsscheie ist es gelungen, eine seit langem geforderte Zwischenlösung zwischen einer nur gedämpften Kupplungsscheie und einem ZMS anzuieten. Bei Lkw führt die Anordnung des FKP auf dem Einmassenschwungrad eenfalls zu einer geringeren Belastung von Getriee und Neenatrieen. Frühzeitige Optimierungen der Motorsteuerung und der Einsatz der High-Capacity-Feder können Impact- Situationen eherrschar machen. Dadurch rauchen dann keine weiteren Schutzmaßnahmen im ZMS umgesetzt zu werden, das System ZMS mit Fliehkraftpendel kann gezielt auf maximale Isolation ausgelegt werden. Literatur zusätzlich speicherare Energie ZMS-Verdrehwinkel HC-Feder max. Verdrehwinkel ZMS 73 kein Anschlagen,,1,2,3,4 Zeit in s [1] Kroll, J.; Kooy, A.; Seeacher, R.: Land in Sicht?, 9. Schaeffler Kolloquium, 21 [2] Kooy, A.; Gillmann, A.; Jäckel, J.; Bosse, M.: ZMS Nichts Neues? 7. LuK Kolloquium, 22 [3] Reik, W.: Torsionsschwingungsisolation im Antriesstrang, 4. LuK Kolloquium, 199 [4] Schneider, M.; et al.: Das Kupplungs-Komfort- Programm: Vom Zulieferprodukt zum Ausstattungskriterium. 1. Schaeffler Kolloquium, 214

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