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Dokumentenidentifikation DE10130643A1 23.01.2003
Titel Rotorauswuchtsystem
Anmelder LAAKS Motorrad GmbH, 34281 Gudensberg, DE
Vertreter Reinhardt, T., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 34117 Kassel
DE-Anmeldedatum 27.06.2001
DE-Aktenzeichen 10130643
Offenlegungstag 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse G01M 1/36
IPC-Nebenklasse F16F 15/32   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtung und Verfahren für ein Rotorauswuchtsystem, insbesondere für Rotoren (10) um eine feste Achse (8). Zur Verminderung von drehzahlabhängiger Unwucht des Rotors wird vorgeschlagen, in den Rotorkörper eine Auswuchtmasse (36) zu integrieren, die separat von der Rotationsbewegung bewegbar ist und durch deren Bewegung das Trägheitsmoment des Rotors bezüglich der Rotationsachse veränderbar ist. Eine oder mehrere Schwingungssensoreinrichtungen (50) am Rotor (10) erfassen während der Rotation die momentan vorhandene Unwucht, generieren Meßsignale, die von einer vorzugsweise programmgesteuerten Verarbeitungslogik (54) mit einem Regleralgorithmus zu Stellsignalen zur Steuerung der Auswuchtmasse (36) in eine neue Lage hinein verarbeitet werden, in der die Unwucht niedriger ist. Ein wichtiger Anwendungsbereich sind Kurbelwellen (10), bei denen ein hydraulisch betätigbarer Auswuchtkolben (36) in einer Zylinderbohrung (34) hin- und herbewegbar ist, wobei vorzugsweise die ohnehin vorhandene Ölversorgung für die Kurbelwellenlager zur Drucksteuerung verwendbar ist.

Beschreibung[de]
STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung für ein Rotorauswuchtsystem.

Im Stand der Technik gibt es vielerlei verschiedene Arten von Rotoren, die mit einer festen Rotationsachse betrieben werden: Räder für Fahrzeuge, Rotoren in diversen Maschinenteilen, wie etwa Turbinen, Pumpen und vielerlei Anlagen, Rotoren an Hubschraubern, etc..

Je größer der Drehzahlbereich ist, innerhalb dessen der Rotor operativ betrieben werden soll, um so wichtiger ist es, daß der Rotor ausgewuchtet ist. Denn rotierende Maschinenteile sollten ausgewuchtet werden, daß heißt ihre festen Achsen müssen in idealer Weise zur sogenannten Hauptträgheitsachse werden, da sie sonst periodisch wechselnde Kräfte und Drehmomente auf ihre Achse ausüben, die Eigenschwingungen erregen und u. a. Lagerschäden hervorrufen können.

Je einfacher die Symmetrie des Rotors ist, desto einfacher ist er im allgemeinen auch auszuwuchten. Dies gilt insbesondere für kleine Maße und kleine Massen des Rotors. Ist die geometrische Form des Rotors relativ komplex und/oder befinden sich am Rotor angekoppelte Massen in relativ großer Entfernung von der Rotationsachse, so wird das Auswuchten des Rotors schwierig. Ein solcher Fall liegt etwa bei Kurbelwellen in Kolbenmotoren vor, die als spezieller Stand der Technik zur Abgrenzung der Erfindung herangezogen werden.

Eine Kurbelwelle eines Kolbenmotors ist ein Bauteil mit erheblicher Masse mit einer gewissen Länge, dessen Form im Wesentlichen dadurch bestimmt ist, daß während der Rotation der Welle möglichst geringe Schwingungen durch Unwucht am Rotor entstehen.

Charakteristisch für die Kurbelwellensituation ist die Tatsache, daß die Rotorgeometrie und Massendynamik beziehungsweise Drehmoment- und Trägheitsdynamik dadurch kompliziert wird, daß ein oder im allgemeinen mehrere Systeme, jeweils enthaltend Pleuelstange und Antriebskolben in vorgegebenem Abstand von der Rotationsachse der Kurbelwelle angekoppelt sind.

Um die an der Kurbelwelle während der Rotation anfallenden Kräfte und Schwingungen möglichst verschleißarm für die beteiligten Bauteile zu übertragen, ist eine Kurbelwelle immer mehrfach gelagert, beispielsweise fünffach in einem Vier- Zylinder-Motor. Dabei befinden sich Lager am Anfang und am Ende der Kurbelwelle, sowie jeweils an den Positionen zwischen den einzelnen Zylindern.

Durch das untere Pleuelauge jeder Pleuelstange greift ein sogenannter Hubzapfen, der mit beiden freien Enden mit der Kurbelwange verpresst oder einstückig mit dieser ausgeführt ist. Ein Gleit- oder Rollenlager ist gemäß Stand der Technik als Teil des Pleuelauges zwischen seiner Innenfläche des Pleuelauges und dem Hubzapfen vorgesehen.

Die dem Hubzapfen gegenüberliegende Seite der Kurbelwelle ist im Stand der Technik von der Massenverteilung her so konstruiert, daß ein entsprechendes Gegenträgheitsmoment entsteht, so daß im Rotationsbetrieb möglichst keine Unwucht entsteht.

Trotz dieser prinzipiellen, konstruktiven Maßnahmen ergeben sich bei Kurbelwellen insbesondere in bestimmten Drehzahlbereichen der Kurbelwelle immer noch so große Unwuchten, daß eine gewisse Laufruhe der Kurbelwelle nur dadurch erreicht werden kann, daß eine möglichst große Anzahl von beispielsweise sechs Pleuelstangen mit angekoppelten Zylindern verwendet wird. Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, daß sich bei zunehmender Anzahl von angekoppelten Pleuelstangensystemen die jeweils erzeugten Unwuchten so überlagern, daß sie sich wieder ausgleichen. Dies geschieht durch Überlagerung von Kräften beziehungsweise Schwingungen auf die Kurbelwellenachse und ihre Lager.

Ein Motor mit entsprechend hoher Anzahl an Zylindern bringt jedoch mehrere andere Nachteile mit sich: dadurch, daß relativ viele Teile bewegt werden, entsteht viel Reibung. Diese Reibung muß im Betrieb laufend überwunden werden, was den Treibstoffverbrauch steigert. Auch thermodynamisch hat ein Triebwerk mit weniger Zylindern Vorteile gegenüber einem mit mehreren Zylindern.

Um die Vorteile einer geringen Anzahl von Zylindern zumindest teilweise nutzen zu können, werden im Stand der Technik sehr aufwendige und kostenintensive Konstruktionen mit einer oder mehreren Ausgleichswellen verwendet, an denen Gegengewichte befestigt sind, um sie als gegenläufige Unwucht arbeiten zu lassen. Damit kann zwar eine Kurbelwelle für einen bestimmten Drehzahlbereich gut ausgewuchtet sein, in anderen Drehzahlbereichen ist sie es jedoch nicht. Des weiteren wird durch diesen zusätzlichen Massenausgleich ein so hohes Gegendrehmoment erzeugt, daß sich beispielsweise bei schnellen Lastwechselreaktionen insbesondere bei Fahrzeugen mit einem geringen Eigengewicht, wie etwa Motorrädern oder Formel-1-Rennwagen zu hohe Drehimpulsänderungen ergeben, die ihrerseits negative Auswirkungen auf die Fahrdynamik haben.

Auf eine Masse, die sich um eine feste Achse im Abstand r dreht, wirkt eine Zentrifugalkraft, die quadratisch von der Drehgeschwindigkeit abhängt. Daher wirken sich Inhomogenitäten vor allem in der radialen Massenverteilung eines Rotors über große Drehzahlbereiche meist so aus, daß es de facto unmöglich ist, dynamisch während der Rotation auftretende Unwuchtschwingungen zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, mit denen Rotoren besser ausgewuchtet werden können, so daß sie über einen großen Drehzahlbereich hinweg nur noch eine verminderte Unwucht aufweisen.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Der Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder weiterer Nebenansprüche löst diese Aufgabe.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, einen Rotor in verschiedenen Drehzahlbereichen immer mit der genau richtigen Auswuchtung zu versorgen, so daß die auftretenden Unwuchtschwingungen minimiert werden.

Gemäß dem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht ein kontinuierlich durchgeführtes, drehzahlabhängiges, also dynamisches Auswuchten während der Rotation eine Verminderung der Schwingungen des Rotors innerhalb eines nahezu beliebig vorgebbaren Drehzahlbereiches.

In der Anwendung bei Kurbelwellen ergeben sich dadurch Einsparmöglichkeiten an Massen für Ausgleichsschwungmassen, insbesondere bei Motoren mit verminderter Anzahl von Zylindern.

Zur Verminderung von drehzahlabhängiger Unwucht eines Rotors wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in den Rotorkörper eine Auswuchtmasse zu integrieren, die separat von der Rotationsbewegung bewegbar ist, und durch deren Bewegung das Trägheitsmoment des Rotors bezüglich der Rotationsachse veränderbar ist. Eine oder mehrere Schwingungssensoreinrichtungen am Rotor erfassen während der Rotation die momentan vorhandene Unwucht, generieren Meßsignale, die von einer vorzugsweise programmgesteuerten Verarbeitungslogik mit einem Regleralgorithmus zu Stellsignalen zur Steuerung der Auswuchtmasse in eine neue Lage hinein verarbeitet werden, in der die Unwucht niedriger ist. Ein wichtiger Anwendungsbereich sind Kurbelwellen, bei denen ein hydraulisch betätigbarer Auswuchtkolben in einer Zylinderbohrung hin- und herbewegbar ist, wobei vorzugsweise die ohnehin vorhandene Ölversorgung für die Kurbelwellenlager zur Drucksteuerung verwendbar ist.

Wenn die Auswuchtmasse ein System aus Zylinder und darin beweglichem Kolben ist, so kann in vielen Anwendungsfällen, bei denen innerhalb des Rotors genügend Bauraum für ein solches System vorhanden ist, für eine zuverlässige und technisch wenig anfällige, dynamische Auswuchtung gesorgt werden.

Für Rotoren, die keinerlei ohnehin schon vorhandene Hydraulikversorgung besitzen, beispielsweise die Rotorblätter eines Hubschraubers, kann das Auswuchtsystem aus bewegter Auswuchtmasse, Stellglied, Sensor und Regler gegebenenfalls als autonome Einheit einfach oder mehrfach am Rotor vorhanden sein. Zur Anbringung der Komponenten des Regelkreises empfiehlt sich meist eine Positionierung möglichst nahe an der Drehachse.

Grundsätzlich können die Auswuchtkolben einseitig oder zweiseitig mit Druck beaufschlagt werden. Um den Reglerentwurf möglichst einfach zu halten, ist es vorteilhaft, die durch das erfinderische Auswuchtsystem in den Rotor eingebrachte positive oder negative (wenn leichter als die Umgebung) Zusatzmasse während des Betriebs konstant zu halten, daß heißt insbesondere, bei hydraulischer Steuerung der Auswuchtmasse die Menge an Hydraulikflüssigkeit über den gesamten Drehzahlbereich hinweg konstant zu halten, sowie das zusätzliche Trägheitsmoment des Systems außer der Auswuchtmasse ebenfalls konstant sowie gering zu halten.

Eine hydraulische Steuerung der Auswuchtmasse ermöglicht eine präzise, reaktionsschnelle Einstellung der Auswuchtmasse auch bei sich schnell verändernder Rotordrehzahl. Hierbei kann ein Zeitverhalten realisiert werden, das ähnlich reaktionsschnell ist wie eine elektronische Kennfeldzündung bei Kraftfahrzeugen.

Es können je nach konstruktiven Gegebenheiten am Rotor auch andere dynamische Auswuchtsysteme verwendet werden, die nicht auf Zylinder-/Kolbenbasis erfolgen, sondern beispielsweise mit einem hochpräzisen, zahnkranzgesteuerten Antrieb von Ausgleichsmassen.

Bei der Anwendung des erfinderischen Systems zum Auswuchten von Kurbelwellen oder anderen Wellen beziehungsweise Rotoren mit bereits vorhandener Druckölversorgung kann in vorteilhafter Weise diese bereits vorhandene Ölversorgung auch zur Steuerung der Bewegung der Auswuchtkolben verwendet werden.

Eine Kurbelwelle ist in vorteilhafter Weise mit wenigstens einer Auswuchtmasse pro ansetzender Pleuelstange versehen, in besonders bevorzugter Weise mit zwei Auswuchtmassen, die so angeordnet sind, daß sie die ansetzende Pleuelstange symmetrisch "umrahmen".

In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Auswuchtsystem direkt in die Kurbelwange plaziert werden.

Das erfindungsgemäße Prinzip, eine oder mehrere Ausgleichsmassen zielgerecht gesteuert dynamisch so zu bewegen, daß sie für jeden individuellen Drehzahlbereich das optimale Auswuchtträgheitsmoment darstellen, läßt sich in weiter vorteilhafter Weise durch folgende technische Merkmale weiter verbessern und an bestimmte, jeweils neu gegebene konstruktive oder betriebsartbedingte Erfordernisse anpassen:

Der Führungsweg der einen oder mehreren Auswuchtmassen, also etwa Länge und Richtung der Zylinderbohrung für den Auswuchtkolben kann sich explizit nur in radialer Richtung erstrecken. In einem solchen Fall ist der zugehörige Reglerentwurf relativ einfach, da durch eine Bewegung der Auswuchtmasse das resultierende Gegendrehmoment sich nur daraus ergibt, daß die Masse in variablem Radiusabstand angeordnet ist.

Der Führungsweg der Auswuchtmasse kann jedoch auch so gestaltet sein, daß er zusätzlich oder ausschließlich eine tangentiale Komponente aufweist, um ggf. Unwuchtschwingungen höherer Ordnung zu dämpfen.

Des weiteren kann der Führungsweg auch so ausgebildet sein, daß er eine axiale Komponente aufweist. Die angegebenen Richtungskomponenten radial, tangential, axial können nun je nach konstruktiven Gegebenheiten am Rotor nach Belieben kombiniert werden, um das dynamische Auswuchtsystem als Ganzes für den jeweiligen Anwendungsfall optimal auszugestalten. Die Mischung mehrerer Richtungskomponenten kann sich beispielsweise dann empfehlen, wenn schnelle Drehzahländerungen in der Anwendung vorgesehen sind, beispielsweise bei schnell hochdrehenden Formel-1 oder Motorradmotoren, um die Regelstrecke fehlertolerant zu gestalten oder/und um einen robusten Regler zu bekommen.

Dabei können auch gekrümmte Führungswege in einem Zylinder- /Kolbenauswuchtsystem realisiert werden, indem als bewegte Auswuchtmasse beispielsweise eine Auswuchtkugel statt eines Kolbens vorgesehen ist.

Ein vorteilhafter Aspekt des genannten Systems besteht darin, daß gewisse Unregelmäßigkeiten im Führungsweg, die zu gewissen Undichtigkeiten zwischen Kolben oder Kugel und Bohrung führen, keinen zu großen Einfluß auf die Regelstrecke besitzen, da das System kontinuierlich nachgeregelt wird. Daher werden beispielsweise bei auftretenden Wandungsundichtigkeiten entsprechend höhere Stellkräfte gebildet, mit denen solche Unregelmäßigkeiten ausgeglichen werden.

In bevorzugter Weise sind dabei die Steuerungskanäle für die Auswuchtmassen im Wesentlichen geschlossene Systeme, mit einem oder mehreren Anschlußkanälen aus einer gegebenenfalls zentralen, günstiger Weise bereits vorhandenen Hydraulikversorgung.

Das erfindungsgemäße Verfahren enthält im Wesentlichen die Schritte, die Schwingungen am Rotor an wenigstens einer Stelle und gegebenenfalls an mehreren Stellen beispielsweise durch Schwingungsmeßdosen zu erfassen, dadurch entsprechende Meßsignale für die momentan auftretenden Unwuchten zu generieren, diese Meßsignale programmgesteuert zu verarbeiten, wodurch Stellsignale gebildet werden können, mit denen die eine oder mehreren Auswuchtmassen über einen oder mehrere mit einem Stellsignal beaufschlagten Antrieb gestellt werden können. Bei hochfrequenter Regelung ergibt sich ein stabiles, reaktionsschnelles Stellen der Auswuchtmassen gemäß der jeweils aktuellen Drehzahl.

Das erfindungsgemäße Konzept, einen unwuchtbereinigten Rotor bereitzustellen, sowie das entsprechende Verfahren zur Verfügung zu stellen, kann nun prinzipiell für alle wesentlichen technischen Einrichtungen mit Rotoren ausgenutzt werden, etwa Turbinen, Pumpen, Maschinen aller Art.

Insbesondere können davon extrem grosse oder verformungsanfällige Rotorsysteme profitieren, und/oder solche mit relativ dünner Welle im Verhältnis zum Rotordurchmesser, etwa Kraftwerksgeneratoren für die Stromversorgung, da mit der vorliegenden Erfindung noch verbleibende Restunwuchten wirksam vermindert werden können.

Diese Restunwuchten sind im allgemeinen wegen ihrer zerstörerischen Kraft sehr gefürchtet und wegen des Ursache-/Wirkungskreislaufs aus:

  • - bestehender Restunwucht im Rotor, die eine
  • - Formveränderung des Rotors bewirken kann, die ihrerseits ein
  • - deaxiales Laufen des Rotors bewirken kann, das seinerseits ein
  • - Durchbiegen der Welle bewirken kann, das seinerseits - die auftretenden Unwuchten dann nichtlinear und schlecht vorhersehbar verstärken kann, usw. . . . -
die Ursache für lange Anlaufzeiten und Auslaufzeiten von Turbinen, um thermisch bedingte Verformungen an Rotor und Welle als Auslöser für die Restunwuchten zu vermeiden.

In solchen Fällen könnten Restunwuchten per se in gewissem Maße entstehen, ohne zerstörerisch zu wirken, weil sie erfindungsgemäß wieder korrigiert werden können, wodurch der oben geschilderte Wirkungskreislauf durchbrochen werden kann.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Kurbelwelle mit erfindungsgemäßem, dynamischen Rotorauswuchtsystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine schematische Ansichtsdarstellung eines Ausschnitts aus einer Kurbelwelle, teilweise freigelegt, wobei die Schnittebene aus Fig. 1 mit I-I gekennzeichnet ist, mit um 90° versetzter Pleuelstellung;

Fig. 3 in einer Schemadarstellung die wichtigsten Schritte in einem Ausführungsbeispiel des erfinderischen Verfahrens, und

Fig. 4 schematisch verschiedene Stellungen der Ausgleichsmasse bei unterschiedlichen Drehzahlen, eingestellt gemäß der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.

Mit Bezug zu den Figuren und besonderem Bezug zu Fig. 1 ist eine Kurbelwelle 10 mit einer schematisch als Kreis dargestellten Kurbelwange 12, darin befindlichem Hubzapfen 14, unterem Pleuelauge 16, Pleuelstange 18, oberen Pleuelauge 20 und daran ansetzendem Kolben 22 dargestellt.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist nun ein Auswuchtkolben 36 als Auswuchtmasse dargestellt, der innerhalb einer für den Kolben passenden Bohrung 34 aus Sicht der Kurbelwellenachse 8 radial hin- und herbewegbar angeordnet ist. Der Kolben 36 befindet sich in der Bohrung 34, beidseitig umgeben von Hydraulikflüssigkeit, die den verbleibenden Bohrungsraum (schraffiert) vorzugsweise ohne Lufteinschlüsse vollständig ausfüllt. Die Hydraulikflüssigkeit wird über zwei Leitungen 40, 42 in die Räume vor beziehungsweise hinter dem Kolben geführt. Die weitere Führung der Leitungen 40 und 42 wird weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert. Die Kurbelwelle 10 sowie die Kurbelwange 12 sind wie im Stand der Technik vorzugsweise massiv ausgebildet, beispielsweise aus Stahl. Der als separat bewegbare Auswuchtmasse dienende Kolben 36 ist nun in vorteilhafter Weise aus einem Material gebildet, das eine relativ hohe oder relative niedrige Dichte gegenüber der Umgebungsmasse besitzt, damit eine radiale Lageveränderung auch eine "spürbare" Veränderung des Trägheitsmoments des in der Fig. 1 dargestellten Abschnitts des Kurbelwellensystems ergibt.

Mit ergänzendem Bezug zu Fig. 2 befindet sich als Sensor eine Schwingungsmeßdose 50 sensorisch befestigt und seitlich an einer Hauptlagerschale (nicht gezeigt) der Kurbelwelle 10, so daß Schwingungen gut erfasst werden können. In bevorzugter Weise hat der Signalgeber keinerlei mechanischen Berührungspunkt mit dem Rest des Regelsystems, und deine Messimpulse werden induktiv zu einem entprechenden Empfänger übertragen, der die Signale dann in elektrischer Form an eine programmierte Steuerlogik 54 - beispielsweise ASIC-programmiert - zur Ansteuerung der Stellorgane weiterleitet.

Alternativ kann auch eine Messleitung 52 als Mittel für eine kabelgebundene Übertragung zwischen Schwingungsmessdose 50 und der Steuerlogik 54 vorgesehen sein.

Die Schwingungsmeßdose 50 ist ein kommerziell erwerbbarer Gegenstand. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel ist der Schwingungsmeßaufnehmer der Dose so mit einer Lagerschale der Kurbelwelle 10 gekoppelt, daß er Unwuchtschwingungen der Kurbelwelle 10 ausfallsicher und über die gesamte, geplante Lebensdauer der Kurbel hinweg erfassen kann.

Eine Meßleitung 52 ist zwischen Schwingungsmeßdose 50 und Hydraulikpumpe 55 vorgesehen.

Die Hydraulikpumpe 54 besitzt zwei Steuerleitungen 60 und 62, die den Kolben 36 zweiseitig mit Druck beziehungsweise Unterdruck beaufschlagen können. Ein bestimmter Unterdruck auf der Leitung 60 entspricht dann einem gewissen, vom Betrag her gleich großen Überdruck auf der Leitung 62. Da sich diese Steuerdrücke über die in Fig. 2 schematisch dargestellten Abdichtringe und die Leitungen 40, 42 auf die Vorder- beziehungsweise Rückseite des Kolbens 36 übertragen, ist dieser durch Drucksteuerung innerhalb der Bohrung 34 gegen die sich ggf. dynamisch verändernden Fliehkräfte aus der Rotation der Kurbelwelle 8 bewegbar.

Bei den beiden, mit Bezugszeichen 56 und 58 dargestellten Ringen handelt es sich um im Stand der Technik vorhandene Simmerringe, wobei einer pro Leitungspaar 40, 60, beziehungsweise 42, 62 vorgesehen ist.

Mit Bezug zu Fig. 3 werden im Folgenden die wesentlichen Verfahrensschritte in dem erfindungsgemäßen, dynamischen Auswuchtverfahren beschrieben, wie sie sich bei Vorhandensein einer Anzahl von N Schwingungsmeßdosen 50 und einer Anzahl von M Auswuchtmassen 36 darstellen. Als erfindungsgemäßer, nur beispielhaft aufgeführter Anwendungsfall dient ein 1- Zylinder-Kolbenmotor, bei dem die Kurbelwelle sehr kurz ausgebildet ist und im Wesentlichen für den von der Erfindung betroffenen Bereich der Schemazeichnung folgt, wie sie in Fig. 1 oder 2 dargestellt ist.

Durch das erfindungsgemässe, dynamische Auswuchtverfahren sollen nun auftretende Unwuchtschwingungen in signifikanter Weise vermindert werden. Dabei werden insbesondere Unwuchten 1. Ordnung, hervorgerufen durch unrunden Lauf des Kurbeltriebs, Unwuchten zweiter Ordnung, hervorgerufen durch den oder die oszillierenden Kolben, sowie Unwuchten höherer Ordnung gedämpft.

Der Motor wird gestartet, wodurch gleichzeitig die Regelung aktiviert wird. Der Motor wird beispielsweise zunächst bei geringer Leerlaufdrehzahl von etwa 1000 Umdrehungen pro Minute gehalten. In einem ersten Schritt 310 der sich hochfrequent wiederholenden Reglerschleife, wie sie in Fig. 3 abgebildet ist, werden die Meßwerte von einer (M = 1) Schwingungsmeßdose 50 abgenommen und in die programmierte Logik 54 zur Ansteuerung der Hydraulikpumpe 55 über geeignete Schnittstellensysteme und Leitung 52 eingelesen.

Die Schwingungsmeßwerte werden dann von der ASIC- programmierten Logik verarbeitet, Schritt 320, und zwei Stellsignale werden in einem Schritt 330 erzeugt, um gemäß der programmierten Reglerstrategie zwei Hydraulikpumpen anzusteuern, eine für jedes Auswuchtsystem. In Fig. 2 ist aus Gründen der erhöhten Klarheit nur eine einzige Hydraulikpumpe abgebildet.

Die Hydraulikpumpe 55 erzeugt kontinuierlich ein bestimmtes, positives oder negatives Druckgefälle zwischen Vorder- und Rückseite eines Auswuchtkolbens 36, das nach Bereinigung der Fliehkraftkompensation auch Null sein kann. Wenn das Druckgefälle positiv ist, wird der Kolben beispielsweise radial einwärts in Richtung Achse verschoben, bei negativem Druckgefälle wird er in der Gegenrichtung verschoben. In der hier dargestellten Verfahrensvariante werden die Auswuchtmassen individuell durch jeweils eine Pumpe gestellt. Sie könnten auch durch eine einzige angesteuert werden, wenn dies die Symmetrie der Bauweise erlaubt.

Dabei können sich beispielsweise für einen Auswuchtkolben 36 die in Fig. 4 nur beispielhaft dargestellten, vier unterschiedlichen, quasistationären Stellpositionen ergeben, um gemäß dem programmierten Regler einen möglichst vibrationsarmen Lauf des 1-Zylinder-Motors zu gewährleisten.

Bei 1000 Umdrehungen befindet sich der Ausgleichskolben 36 relativ nah an der Drehachse. Er entfernt sich mit zunehmender Drehzahl, siehe bei 4000, 6000 und 12000 Umdrehungen pro Minute jeweils weiter von der Drehachse weg in radialer Richtung, wie durch den untenstehenden Pfeil angedeutet. Bei einer Reglerfrequenz von etwa 20-30 Kilohertz ergibt sich bereits ein ausreichend schnelles Reaktionsvermögen des dynamischen Auswuchtsystems auf Veränderungen in der Regelstrecke, wenn Motordrehzahlen bis etwa 20000 U/min veranschlagt werden.

Die Folge ist ein äußerst vibrationsarmer Lauf des 1- Zylinder-Kolbenmotors in einem Drehzahlbereich, der hier nur beispielsweise zwischen 0 und 12000 Umdrehungen pro Minute angegeben worden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nun auch weitere Anforderungen erfüllen, die zusätzlich in speziellen Anwendungsfällen eine besondere Wichtigkeit erlangen können:

Beispielsweise kann ein oder können mehrere Sensoren an besonders schwingungsempfindlichen Stellen einer Anlage angebracht sein, um jeweilige Meßsignale zu erzeugen, die dann in der nachgeordneten Reglerstrategie besonders hoch gewichtet werden. Beispielsweise können mit einer selektiven Regleroptimierung bestimmte, im Stand der Technik besonders anfällige Lager in besonderer Weise geschont werden, wie dies derzeit noch nicht möglich ist.

Obwohl die Erfindung einen wichtigen Anwendungsbereich für sämtliche Arten von Wellen und insbesondere für Kurbelwellen bei Kraftfahrzeugen hat, kann sie prinzipiell immer dann angewendet werden, wenn eine drehzahlabhängige Unwucht beseitigt werden soll. Dabei ist klar, daß das Stellsystem auch einen elektrischen Antrieb für elektrisch bewegte Ausgleichsmassen enthalten kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Bei schmal gebauten Motoren kann der oder die Sensoren 50 auch ausserhalb des geschlossenen Kurbeltriebs vorgesehen sein. Eine Anbringung würde dann zweckmässigerweise dort erfolgen, wo beispielsweise Zündgeber ohnehin schon angebracht sind, etwa an dem vorderen oder hinteren Wellenzapfen.

Desweiteren können das erfindungsgemässe Dämpfungssystem für Unwuchten auch mit im Stand der Technik vorhandenen Dämpfungsmassnahmen - beispielsweise die bei einem 2-Zylinder- Motor vorhandenen, gegenläufig zu den Kolben als Massenausgleich wirkenden Gegengewichte - kombiniert werden. Daher können auch Mehrzylindermotoren, etwa 4-Zylindermotoren, von der vorliegenden Erfindung profitieren, um noch verbleibende Restunwuchten - auch höherer Ordnung - wirksam zu dämpfen.

Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Rotor (10) für Rotation um eine feste Achse, gekennzeichnet durch, dass er enthält:

    wenigstens eine separat von der Rotationsbewegung bewegbare Auswuchtmasse (36), durch deren Bewegung das Trägheitsmoment des Rotors bezüglich der Rotationsachse (8) veränderbar ist, wobei wenigstens eine Schwingungssensoreinrichtung (50) vorgesehen ist zum Erfassen einer vorhandenen Unwucht während der Rotation und zum Generieren von Messsignalen,

    wobei eine Verarbeitungslogik (54) mit einem Regleralgorithmus vorgesehen ist zum Verarbeiten der von der Sensoreinrichtung (50) generierten Signale in Steilsignale,

    wobei wenigstens eine mit den Stellsignalen beaufschlagte Stelleinrichtung (55) vorgesehen ist zum Führen der Auswuchtmasse (36) in eine Lage, aus der sich geringere Unwuchtschwingungen ergeben.
  2. 2. Rotor nach Anspruch 1, wobei die Auswuchtmasse ein System aus Zylinder (34) und darin beweglichem Kolben (36) darstellt, wobei der Kolben (36) zumindest einseitig drucksteuerbar ausgebildet ist.
  3. 3. Rotor nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Kolben (36) hydraulisch bewegbar ist.
  4. 4. Rotor nach dem vorstehenden Anspruch 2 oder 3, wobei der Kolben (36) doppelseitig drucksteuerbar ist.
  5. 5. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, als Kurbelwelle (10) für Kolbenmotoren ausgebildet.
  6. 6. Rotor nach dem vorstehenden Anspruch, wobei Auswuchtkolben (36) doppelseitig hydraulisch ansteuerbar ausgebildet sind, wobei der zur Schmierung der Kurbelwellenlager vorhandene Ölkreislauf auch zur Bewegung der Auswuchtkolben (36) verwendet wird.
  7. 7. Rotor nach dem vorstehenden Anspruch 5, wobei pro Pleuelstange/Antriebskolbensystem (18, 22) wenigstens eine Auswuchtmasse (36) vorgesehen ist.
  8. 8. Rotor nach dem vorstehenden Anspruch 5, wobei bei Lagerung einer Pleuelstange (18) zwischen zwei Kurbelwangen (12) in jeder Kurbelwange (12) eine Auswuchtmasse (36) vorgesehen ist.
  9. 9. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Führungsweg (34) der Auswuchtmasse (36) sich nur in radialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse (8) erstreckt.
  10. 10. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Führungsweg (34) der Auswuchtmasse (36) sich in radialer Richtung mit einer Komponente in tangentialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse (8) erstreckt.
  11. 11. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Führungsweg (34) der Auswuchtmasse (36) sich in radialer Richtung mit einer Komponente in axialer Richtung bezogen auf die Rotationsachse (8) erstreckt.
  12. 12. Gegenstand, insbesondere enthaltend einen Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 oder 9 bis 10.
  13. 13. Kurbelwelle für Motoren, enthaltend einen Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 8.
  14. 14. Verfahren zum dynamischen Auswuchten eines Rotors (10) während seiner Rotation, enthaltend die Schritte,
    1. 1. a.) Erfassen von Rotorschwingungen an wenigstens einer mit dem Rotor schwingungsgekoppelten Stelle und Generieren entsprechender Messsignale,
    2. 2. b.) programmgesteuertes Verarbeiten der Messsignale gemäß einem Regleralgorithmus zum Generieren von Stellsignalen,
    3. 3. c.) Stellen der wenigstens einen Auswuchtmasse (36) über einen mit einem Stellsignal beaufschlagten Antrieb (55).






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