Die Erfindung betrifft ein System zur aktiven Verringerung von Radialschwingungen einer rotierenden Welle.

Bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren treten aufgrund der hin- und herbewegten Massen sowie der diskontinuierlichen Ver¬ brennung im Brennraum eine Vielzahl von unterschiedlichen Schwingungen auf. Neben Schwingungen des gesamten Motors wird die Triebwelle (d.h. die Kurbelwelle) relativ zum sie aufnehmenden Motorgehäuse zu Radialschwingungen angeregt. Wegen der in Radialrichtung praktisch spielfreien Lagerung der Kurbelwelle handelt es sich bei diesen Schwingungen um Biegeschwingungen. Die Schwingungserregung erfolgt dabei hauptsächlich durch die Radialkomponenten der Massenkräfte an den Kurbelzapfen.

Die Biegeschwingungen stellen eine hohe Beanspruchung der Kurbelwelle dar. Die Kurbelwelle muß deshalb festigkeits¬ mäßig entsprechend stark dimensioniert werden. Hierzu be¬ darf es eines besonders hochwertigen Materials und eines aufwendigen Herstellungsverfahrens (z.B. Gesenkschmieden). Außerdem müssen höherbelastete Motoren (z.B. Dieselmotoren)

i.a. nach jeder Kurbelkröpfung gelagert werden. Dies be¬ dingt eine große statische Überbestimmtheit.

Bei Motoren, insbesondere mit niedriger Zylinderzahl kann es zu Resonanzüberhöhungen kommen, da die Kurbelwelle zu¬ sammen mit dem i.a. notwendigen Schwungrad ein schwingfä¬ higes System niedriger Eigenfrequenz bildet, die im Be¬ triebsbereich des Verbrennungsmotors liegt. Hierdurch kön¬ nen Resonanzüberhöhungen entstehen, die bis zum Bruch der Kurbelwelle führen können.

Zur Vermeidung von Resonanzüberhöhungen werden herkömmli¬ cherweise Schwingungstilger und -dämpfer eingesetzt. Ein Schwingungstilger ist eine an das Schwingungssystem ela- stisch angekoppelte, passive Zusatzmasse. Die elastische Ankopplung der Zusatzmasse führt dazu, daß sich die ur¬ sprüngliche Resonanzfrequenz des Schwingungssystems ver¬ schiebt (genauer spaltet sie die ursprüngliche Resonanz¬ frequenz in zwei andere Resonanzfrequenzen auf) . Durch entsprechende Auslegung der Zusatzmasse sowie der Steifig¬ keit der elastischen Kopplung kann man in vielen Fällen erreichen, daß die neuen Resonanzfrequenzen nicht mehr im Betriebsbereich oder wenigstens nicht mehr in einem beson¬ ders kritischen Teil des Betriebsbereiches liegen. Durch Wahl einer stark dämpfenden elastischen Kopplung kann man zudem dem Schwingungssystem Schwingungsenergie entziehen (durch Dissipation in Wärme) und die Größe einer etwaig verbliebenen Resonanzüberhöhung verringern (Schwingungs¬ dämpfer) . Im allgemeinen gelingt es, mit Hilfe von Schwin- gungstilgern/Schwingungsdämpfern die bei Kurbelwellen vor¬ liegenden Radialschwingungsprobleme zu beherrschen.

Die Erfindung hat zum Ziel, eine andere Lösung der Radial¬ schwingungsprobleme bei einer Welle, insbesondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors, anzugeben.

Sie erreicht dieses Ziel durch ein System zur aktiven Ver¬ ringerung von Radialschwingungen einer Welle, insbesondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einer elektromagnetischen Wirkvorrichtung, die so ausgebil- det und gesteuert ist, daß sie Radialkräfte auf die Welle aufbringt, die Radialschwingungen der Welle entgegenwirken (Anspruch 1) .

Die Anregung der Radialschwingungen erfolgt aufgrund der periodisch auftretenden Gas- und Massenkräfte mit einer der Drehzahl des Motors entsprechenden Frequenz oder einem Vielfachen hiervon. Daneben gibt es unregelmäßige (ggf. stochastische) Anregungen der Radialschwingungen, die bei¬ spielsweise von Zündaussetzern herrühren können.

Die aktive Verringerung der Radialschwingungen erfolgt insbesondere so, daß die von der elektromagnetischen Wirk¬ vorrichtung aufgebrachte Kraft jeweils der momentanen Rich¬ tung der Biegeschwingungsbewegung (oder zumindest einer Komponente hiervon) entgegengerichtet ist. Mit anderen Wor¬ ten erfolgt die Kraftbeaufschlagung der Welle gegenphasig zu deren Radialgeschwindigkeit, also mit 180° Phasenverset¬ zung.

Möglich sind aber auch demgegenüber verschobene Phasenbe¬ ziehungen (z.B. 190° statt 180°), um auf diese Weise auch Schwingungen in anderen Teilen des Fahrzeugs, die i.a. phasenverεetzt auftreten, mindern zu können.

Wird die Welle mit Kräften beaufschlagt, die ihrer Radial¬ geschwindigkeit entgegengerichtet sind, so wird ihrer un¬ erwünschten Radialschwingung Energie entzogen - die Welle verrichtet nämlich Arbeit unter der bremsenden Kraft der elektromagnetischen Wirkvorrichtung. Folglich nimmt die Schwingungsamplitude ab - die Radialschwingung ist ge¬ dämpft.

Größe und Art der Dämpfung ist mit Hilfe der erfindungs¬ gemäßen elektrischen Wirkvorrichtung frei einstellbar. Das System kann daher so betrieben werden, daß es eine mehr elastische oder mehr dämpfende Charakteristik aufweist. Die Charakteristik kann während des Betriebs verändert werden.

Grundsätzlich kann die elektromagnetische Wirkvorrichtung im Bereich eines Schwingungsbauchs zwischen zwei benach¬ barten Kurbelwellenlagern, also im Inneren des Verbren- nungsmotors angreifen. Im allgemeinen wird jedoch eine Anordnung außerhalb des Verbrennungsmotors gewählt. Die Wirkvorrichtung wirkt dann z.B. außerhalb des letzten Kur¬ belwellenlagers auf einen nach außen ragenden Stummel der Kurbelwelle. Bei einer Radialschwingung der Welle im Motor- inneren wird auch der Wellenstummel aufgrund der Starrheit der Welle zur Durchführung einer Radialschwingung veran¬ laßt. Eine Dämpfung oder Unterdrückung dieser Stummel¬ schwingung hat wegen der Starrheit der Welle eine entspre¬ chende Wirkung auf die Biegeschwingung im Inneren des Mo- tors.

Das erfindungsgemäße System hat folgende Vorteile: es erlaubt eine sehr wirksame Unterdrückung der Dämp¬ fung von Radialschwingungen, insbesondere von Kurbel- wellen; die Unterdrückung/Dämpfung kann über ein weites Fre¬ quenzband erfolgen; der Dämpfungsgrad und die Dämpfungscharakteristik sind in weiten Grenzen frei einstellbar; - aufgrund der sehr wirksamen Schwingungsunterdrückung/- dämpfung können hochbelastete Kurbelwellen mit gerin¬ gerem Aufwand/zu geringeren Kosten geschaffen werden (nämlich aus weniger hochwertigem Material und mit geringerem Fertigungsaufwand) ;

Das System zur aktiven Verringerung von Radialschwingungen einer Welle kann als elektromagnetische Wirkvorrichtung

wenigstens einen Aktuator aufweisen (Anspruch 2) . Bei dem Aktuator handelt es sich um einen Linearsteiler, der bei¬ spielsweise über ein an seinem Stellglied befestigtes be¬ wegliches Wellenlager Kräfte in Radialrichtung auf die Welle ausüben kann. Vorteilhaft handelt es sich um einen Linearsteiler, der ohne Bewegungsumsetzung (etwa durch ein Getriebe) direkt ein elektrisches Steuersignal in eine mechanische Linearstellung unter Kraftbeauftschlagung um¬ setzt. Der Aktuator kann z.B. als elektromagnetischer oder elektrodynamischer Aktuator ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt ist die elektromagnetische Wirkvorrich¬ tung jedoch eine elektrische Maschine (Anspruch 3) . Hier¬ unter wird eine rotatorische Maschine (Motor/Generator) verstanden, also eine Maschine, deren relativ bewegliche Wirkelemente (z.B. Läufer und Ständer) eine Rotations-Rela- tivbewegung ausführen. Besonders vorteilhaft sitzt eines der Wirkelemente (z.B. der Läufer) direkt auf der rotieren¬ den Welle und ist vorzugsweise fest mit ihr verbunden. Das andere Wirkelement (oder im Fall mehrerer: die Wirkelemen¬ te) ist i.a. nicht drehbar, z.B. am Kurbelgehäuse befestigt (und wird daher Ständer genannt) . Zwischen diesen Wirkele¬ menten befindet sich der Luftspalt der elektrischen Maschi¬ ne. Die Kraftbeaufschlagung der rotierenden und in Radial- richtung schwingenden Welle erfolgt also über den (ausrei¬ chend breit dimensionierten) Luftspalt.

Bei üblichen elektrischen Maschinen ist eine solche Kraft¬ wirkung in Radialrichtung unerwünscht; es sollen vielmehr nur Tangentialkräfte (d.h. Drehmomente) erzeugt werden: Dies wird üblicherweise durch eine axialsymmetrische Feld¬ verteilung erzielt, bei der jede Radialkraft durch eine an gegenüberliegender Stelle erzeugte, entgegengesetzt gerich¬ tete Kraft gleichen Betrages kompensiert wird. Diese beson- ders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung hat hingegen eine nicht axialsymmetrische Feldverteilung, so daß (nicht

kompensierte) Radialkräfte zur aktiven Radialschwingungs- dämpfung verbleiben.

Die elektrische Maschine ähnelt einer Drehfeldmaschine, bei der ein vom Ständer erzeugtes magnetisches Drehfeld den Läufer mitnimmt. Bei solchen Maschinen überstreicht das magnetische Feld einen vollen 360°-Umlauf und ist im all¬ gemeinen radialkraftkompensierend ausgebildet.

Zur Vermeidung der Radialkräftekompensation ist die Feld¬ erzeugung auf einen Kreissektor (also weniger als 360°, z.B. 90°, 120° oder 180°) beschränkt. Mehrere derartige Feldsektoren sind möglich, sowie sie unabhängig voneinander steuerbar sind. Da die Felder hier keine vollen Umläufe ausführen, werden sie "Wanderfelder" (statt "Drehfelder") genannt.

Der Läufer kann z.B. ein Kurzschlußläufer oder ein Läufer mit festen Magnetpolen sein, entsprechend ähnelt die Ma- schine einer Asynchron- bzw. einer Synchronmaschine. Beson¬ ders vorteilhaft sind Synchronmaschinen oder Reluktanzma¬ schinen (dies sind z.B. durch Aussparungen im Läufer syn¬ chronisierte Asynchronmaschinen) , denn sie erlauben die sektorartige Ausbildung des Ständers praktisch ohne Auf- treten magnetischer Streufelder an den Endflächen des Sek¬ tors bzw. der Sektoren.

Umfaßt die elektrische Maschine wenigstens zwei funktioneil voneinander unabhängige Wirksektoren (die sich nicht etwa axialsymmetrisch gegenüberliegen) , können auf die Welle Radialkräfte in verschiedenen (nicht parallelen) Richtungen aufgebracht und so insbesondere Radialschwingungen ver¬ schiedener Richtung entgegengewirkt werden (Anspruch 4) . Für die Radialschwingungsdämpfung können folgende Fälle unterschieden werden: i) Bei nur einem Wirksektor wird eine Radialkraft weitge¬ hend festliegender Richtung und veränderlicher Größe

auf die Welle aufgebracht; dies erlaubt die Dämpfung einer Schwingungsrichtung, im allgmeinen wird damit auch ein Drehmoment aufgebracht.

ii) Bei zwei oder mehr Wirksektoren erlaubt der zusätzli¬ che Freiheitsgrad, Richtung und Größe der Radialkraft frei zu wählen. Auch hier wird i.a. ein Drehmoment auf die Welle ausgeübt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die funktioneil unab¬ hängigen Wirksektoren baulich zu realisieren. Eine vorteil¬ hafte Möglichkeit besteht darin, daß die Sektoren vonein¬ ander gesonderte (insbesondere magnetisch gesonderte) Sek¬ toren sind (Anspruch 5) . Die Maschine entspricht dann zwei bzw. mehreren Sektormaschinen, die auf einen gemeinsamen Läufer wirken. Bei einer anderen, bevorzugten Möglichkeit werden die funktioneil unabhängigen Wirksektoren durch unabhängige Wicklungsabschnitte gebildet, die gemeinsam auf einem magnetisch leitenden Ständerkörper angeordnet sind (Anspruch 6) . In dieser Ausgestaltung entspricht die elek¬ trische Maschine - abgesehen von der Ständerwicklung - z.B. einer üblichen Asynchron- oder Synchronmaschine in 360°- Geometrie. Vorteil dieser Ausgestaltung ist das geringere Ausmaß von Streufeldern aufgrund des gemeinsamen Ständers.

Im folgenden werden besonders vorteilhafte Ausgestaltungen erläutert, bei denen die elektrische Maschine eine oder mehrere Zusatzfunktionen übernimmt. Wie oben erläutert, kann die elektrische Maschine die Welle vorzugsweise zu- sätzlich mit einem Drehmoment beaufschlagen (Anspruch 7) .

Besonders vorzugsweise dient die elektrische Maschine au¬ ßerdem der aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkei- ten der Welle, indem sie die Welle z.B. gegenphasig zu den Drehungleichförmigkeiten mit einem schnell variierenden Drehmoment beaufschlagt (Anspruch 8) . Auch die Dreh-

ungleichformigkeiten gehen bei einem Verbrennungsmotor hauptsächlich auf die Gas- und Massekräfte zurück.

Unter einer "schnellen Variation" des aufgebrachten Gegen- drehmomentε wird eine Variation im Frequenzbereich der zu verringernden Drehungleichförmigkeiten verstanden. Bei¬ spielsweise variiert bei der Drehungleichförmigkeit zweiter Ordnung und bei einer Drehzahl von 3.000 U/min das aufge¬ brachte Drehmoment mit einer Frequenz von 100 Hz.

Die aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten mit Hilfe einer elektrischen Maschine oder einer Wirbelstrom¬ bremse ist im Stand der Technik bekannt (siehe z.B. Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 28 (M-557) , 27. Januar 1987 & JP-A-61 200 333; Patent Abstracts of Japan, Band 4, Nr. 29 (M-002) , 14. März 1980; JP-A-55 005 454; EP-A-0 427 568; DE-A-32 30 607; EP-A-0 175 952, Patent Abstracts of Japan, Band 7, Nr. 240 (M-251) , 25. Oktober 1983 & JP-A-58 126 434; DE-A-41 00 937; EP-A-0 604 979. Eine nichtvorver- öffentlichte Patentanmeldung ist die DE-A-44 23 577) .

Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dient aber ein- und diesselbe elektrische Maschine der Dämpfung von Radialschwingungen und Drehungleichförmigkei- ten. In Richtung einer Radialschwingungsdämpfung - und erst recht nicht deren Kombination mit einer Drehungleichförmig- keitsdämpfung - gibt dieser zitierte Stand der Technik keine Anregung.

Grundsätzlich kann die Drehungleichförmigkeitsdämpfung so stattfinden, daß die elektrische Maschine nur bremsend (und zwar zum Zeitpunkt einer positiven Drehungleichförmigkeit, d.h. einem über dem Mittelwert liegendem Drehmoment) oder nur antreibend wirkt (zu Zeitpunkten negativer Dreh- ungleichförmigkeit, d.h. einem unter dem Mittelwert liegen¬ dem Drehmoment) . Die elektrische Maschine arbeitet dann als intermittierende Bremse bzw. als intermittierender Motor.

Eine besonders effektive Drehungleichförmigkeitsverringe- rung bringt jedoch eine Betriebsweise, bei der die elek¬ trische Maschine ein schnell alternierendes Wechseldrehmo¬ ment aufbringt, und zwar bei einer positiven Drehungleich- förmigkeit ein bremsendes und bei einer negativen ein an¬ treibendes.

Zur Erzielung einer länger anhaltenden antreibenden oder bremsenden Wirkung kann die elektrische Maschine die Welle mit einem positiven oder negativen Gleichdrehmoment beauf¬ schlagen (Anspruch 9) . Unter "Gleichdrehmoment" wird ein Drehmoment verstanden, das konstant ist oder im Vergleich zum Wechseldrehmoment bei der Drehschwingungsdämpfung lang¬ sam variiert. Ein bremsendes Gleichdrehmoment kann dazu dienen, daß die elektrische Maschine als Generator zur Stromversorgung (etwa zur Ladung einer Batterie oder Spei¬ sung eines Bordnetzes) und/oder als verschleißfreie Fahr¬ zeugbremse dient. Ein antreibendes Gleichdrehmoment kann zum Starten des Verbrennungsmotors oder zur Unterstützung des Verbrennungsmotors, z.B. beim Beschleunigen des Fahr¬ zeugs dienen (die elektrische Maschine wirkt dann als "Boo¬ ster") (Anspruch 10) .

Als zweite Zusatzfunktion wirkt die elektrische Maschine als elektromagnetische Kupplung im Antriebsstrang und/oder als aktive Getriebesynchronisiereinrichtung (Anspruch 11) . Sie kann anstelle oder zusätzlich zu einer herkömmlichen Reibkupplung oder einem herkömmmlichen hydrodynamischen Wandler angeordnet sein. Bei einer vorteilhaften Ausgestal- tung ist die elektrische Maschine insgesamt drehbar gela¬ gert, hat also neben dem drehbaren Läufer auch einen dreh¬ baren Ständer. Eines dieser Wirkelemente (Läufer oder Stän¬ der) ist mit der z.B. vom Verbrennungsmotor kommenden An¬ triebswelle (z.B. der Kurbelwelle) verbunden, das andere mit der z.B. zum Getriebe führenden Abtriebswelle. Durch Einstellen einer geeigneten Relativdrehzahl (d.h. eines geeigneten Schlupfes) zwischen Läufer und Ständer wird die

Kupplungsfunktion erzielt. Beispielsweise entspricht ver¬ schwindender Kupplungsschlupf einer eingekuppelten Reib¬ kupplung. Die Dämpfungsfunktionen für Radialschwingungen und ggf. Drehungleichförmigkeiten werden auch hier durch Aufbringen schnell alternierender Kräfte und ggf. Drehmo¬ mente zwischen Läufer und Ständer erzielt. Zur Erzielung der Generatorfunktion stellt man einen geringfügig bremsen¬ den Kupplungs-Schlupf ein. Zum Starten legt man die Ab¬ triebswelle, z.B. mit Hilfe einer Bremsvorrichtung fest, gegen die beim Starten die Drehmomentabstützung der elek¬ trischen Maschine erfolgt. Im Rahmen einer ASR-Regelung kann der Antriebsschlupf an den Rädern statt durch Bremsen auch durch Vergrößeren des Kupplungsschlupfes verringert werden.

Als aktive Getriebesynchronisiereinrichtung wirkt die elek¬ trische Maschine bremsend oder beschleunigend auf die zum Getriebe führende Abtriebswelle, je nachdem wie dies im Verlauf eines Gangschaltvorgangs zur Erzielung eines Gleichlaufs von Getrieberädern benötigt wird. Abgesehen vom Starten, wo im allgemeinen keine Radialschwingungsdämpfung nötig ist, können diese Zusatzfunktion zeitgleich mit der Radialschwingungsdämpfung durchgeführt werden. Die Steue¬ rung der elektromagnetischen Wirkvorrichtung (insbesondere in Form der elektrischen Maschine) wird dabei vorteilhaft von einem - oder bei mehreren Wirksektoren - von mehreren Wechselrichtern übernommen (Anspruch 12) . Diese versorgen die Wicklungen der elektromagnetischen Wirkvorrichtung mit Strömen und Spannungen frei einstellbarer Amplitude, Fre- quenz und/oder Phase zur Erzeugung der gewünschten Wander¬ felder. Vorteilhaft ist der Wechselrichter als Pulswechsel¬ richter ausgestaltet.

Die aktive Verringerung von Schwingungen beruht - wie oben erwähnt - darauf, daß die elektrische Wirkvorrichtung eine der Schwingung entgegengerichtete Kraft auf die Welle auf¬ bringt. Deren benötigte Frequenz und Phase kann bei-

spielsweise duch entsprechende Steuerung oder Regelung der elektromagnetischen Wirkvorrichtung erzielt werden. Bei der Steuerung sind beispielsweiεe die erwarteten Größen der Radialschwingung, wie Richtung, Frequenz, Amplitude und Phase als Funktion einer oder mehrerer Parameter, wie z.B. Drehzahl des Verbrennungsmotors und Drosselklappenstellung, in einem Kennfeld oder in Form eines funktionellen Zusam¬ menhangs abgespeichert. Für die durch laufende Messung ermittelten, jeweils vorliegenden Parameterwerte werden daraus die erwarteten Schwingungsgrößen und schließlich die benötigte Kraftwirkung der elektromagnetischen Wirkvorrich¬ tung ermittelt. Selbstverständlich kann auch direkt die benötigte Kraftwirkung in Abhängigkeit von den Parametern abgespeichert sein. Bei der Regelung wird die tatsächliche momentane Geschwindigkeit der Biegeschwingung oder die momentane Auslenkung aus der Ruhelage detektiert (z.B. mit einem Magnetfeldsensor) und daraus die benötigte Kraftwir¬ kung ermittelt. Vorteilhaft sind auch Mischformen hiervon möglich, z.B. eine Kennfeldsteuerung, deren gespeicherte Information aber nicht feststehend ist, sondern aufgrund von Meßergebnissen laufend an die tatsächlich vorliegenden Schwingungsverhältnisse angepaßt wird.

Die ggf. vorgesehene Einwirkung auf Drehungleichförmigkei- ten erfolgt in entsprechender Weise durch Regelung, Steue¬ rung bzw. Mischformen, wobei Meßgrößen beiεpielsweise die momentane Drehzahl (z.B. gemessen mit einem Drehtransforma¬ tor) oder das momentane Drehmoment (z.B. gemessen mit einer Drehmoment-Meßwelle) sein können.

Um einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erzielen, wird vorteilhaft die bei bremsender Wirkung (d.h. beim Dämpfen von Radialschwingungen und ggf. beim Beauf- εchlagen mit einem bremsenden Drehmoment) gewonnene Energie wenigstens teilweise gespeichert und wiederverwendet (d.h. ggf. zum Beaufschlagen mit einem beschleunigenden Drehmo¬ ment) (Anspruch 11) .

Die Speicherung der Bremsenergie kann insbesondere durch einen elektrischen Speicher, z.B. einer Kapazität, Indukti¬ vität und/oder einer schnellen Batterie erfolgen. Möglich ist auch die Speicherung in Form kinetischer Energie, z.B. in einem Schwungradspeicher.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Sy¬ stems zur aktiven Verringerung von Radial- εchwingungen mit einem Aktuator;.

Fig. 2 eine unmaßstäblich-schematiεche Darstellung eines Systems zur aktiven Verringerung von Radial¬ schwingungen mit einer elektriεchen Maεchine;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung der elektri¬ schen Maschine, senkrecht zur Axialrichtung;

Fig. 4 eine schematiεche Schnittdarstellung einer zwei¬ ten Ausführungεform einer elektriεchen Maschine, senkrecht zur Axialrichtung;

Fig. 5 eine schematische beispielhafte Darstellung der Funktionsweise der Schwingungsverringerung.

In Fig. 1 weist ein Verbrennungsmotor 1, bei dem es sich beispielεweise um einen Zweizylinder-Ottomotor handelt, eine Kurbelwelle 2 und drei Kurbelwellenlager 3 a, b, c auf. Die Kurbelwelle 2 wird aufgrund der periodisch auf¬ tretenden Gas- und Massenkräfte zu Radialschwingungen ange- regt. Wegen der Starrheit der Kurbelwelle 2 setzt sich die Biegeschwingung nach außen, auf eine Verlängerung der Kur¬ belwelle 4 hin fort. Die Verlängerung der Kurbelwelle 4 ist

auf einem beweglichen Wellenlager 5 gelagert, an dem ein Stellglied 6 eines Linearstellers 7 befestigt ist. Dieser Linearsteller εetzt ein elektriεches Steuersignal in eine mechanische Linearstellung unter Kraftbeaufschlagung um. Diese erfolgt gegenphasig zur Radialgeschwindigkeit der Welle, also mit 180° Phasenversetzung. Dadurch wird der Welle Energie entzogen. Die Schwingungsamplitude nimmt ab, wodurch die Radialεchwingung gedämpft wird.

Ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, z.B. eineε Perso¬ nenkraftwagens gemäß Fig. 2 weist als Antriebsaggregat einen Verbrennungsmotor 1 auf. Das vom Verbrennungsmotor 1 erzeugte Drehmoment kann über einen Antriebsεtrang 8 auf Antriebεräder 9 übertragen werden. In Antriebεrichtung ist im Antriebsstrang 8 nach dem Verbrennungsmotor 1 zunächst eine elektrische Maschine 10 angeordnet. Auf diese folgen eine Kupplung 11, ein Getriebe 12 und ein Achsantrieb 13, welcher das Drehmoment auf die Antriebsräder 9 überträgt. Die Kurbelwelle 2 des Verbrennungsmotors 1 führt aufgrund der Gas- und Massekräfte Radialschwingungen aus, die sich über die Verlängerung der Kurbelwelle 4 nach außen hin fortsetzen.

Die elektrische Maschine 10 umfaßt zwei Sektormaschinen 15, 16, die gemeinsam auf einen Läufer 17 wirken. Die Sektor¬ maschinen 15, 16 stützen sich drehfest gegen den Verbren¬ nungsmotor 1, ein (nicht gezeigtes) Fahrzeugchassis oder ein (nicht gezeigtes) Kupplungsgehäuεe ab, wohingegen der Läufer 17 direkt auf der Verlängerung der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 sitzt und mit dieser drehfest gekop¬ pelt ist. Die Verlängerung der Kurbelwelle 4 und der Läufer 17 rotieren also gemeinsam, ohne Zwischenschaltung eines Getriebes.

Die Wirkungsweise der elektrischen Maschine 10 verdeutlicht Fig. 3. Der innenliegende, drehfeεt mit der Verlängerung der Kurbelwelle 4 verbundene Läufer 17 trägt magnetiεche

Pole, die durch Permanentmagnete oder über Schleifringe geεpeiste Magnetspulen gebildet sein können. Die Sektorma¬ schinen 15, 16 haben Dreiphasenwicklungen 14, die bei Be¬ aufschlagung mit Dreiphasenεtrom Wanderfelder mit jeweils zwei Polen ausbilden. Pro Pol sind drei Nuten 18, insgesamt pro Sektormaschine 15, 16 also 6 Nuten 18 vorhanden. Die momentane Lage der Pole ist mit den Bezugεzeichen "S" (Süd¬ pol) und "N" (Nordpol) veranschaulicht. Die Hervorrufung von Radialkräften auf die Welle 4 verdeutlicht die vom Nordpol N, der Sektormaschine 15 auf den Südpol S, des Läu¬ fers 17 ausgeübte Anziehungskraft F-, die in eine Radial¬ komponente F _R1 und eine Tangentialkomponente F _T1 zerlegt werden kann. Mit der Radialkraft F _R1 kann Radialschwingungen der Welle in Richtung der Radialkraft F _RI direkt entgegen- gewirkt werden. Möglich ist aber auch ein Entgegenwirken von Radialschwingungen in Richtung der Kraft F _T] . So übt etwa der Südpol S ₃ der zweiten Sektormaschine 15 eine ab¬ stoßende Kraft mit einer Tangentialkomponente F _T2 auf den Südpol S ₂ des Läufers 17 aus. Die beiden von den Kräften F _T1 und F _T2 auf den Läufer 17 ausgeübten Drehmomente heben sich auf; übrig bleibt eine Radialkraft F _T3 . Die beiden auf den Läufer 17 wirkenden Radialkräfte F _R1 und F _R2 addieren sich zu der resultierenden Radialkraft F _R3 . Die elektriεche Ma¬ schine 10 kann also Radialkräfte beliebiger Richtung auf die Welle 4 aufbringen und somit Radialschwingungen belie¬ biger Richtung entgegenwirken.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer elektri¬ schen Maschine 10 zur Radialschwingungsdämpfung. Sie umfaßt einen drehfest mit der Verlängerung der Kurbelwelle 4 ge¬ koppelten Läufer 17 und einen außenliegenden, kreiεförmig durchgehenden Ständer 19 aus magnetisch leitendem Material (hier Eiεen) . Der Ständer 19 umfaßt Nuten 18 in Richtung der Welle 4. Die elektriεche Maschine kann als Synchron- oder Asynchronmaschine ausgebildet sein. Der innenliegende Läufer 17 ist bei einer Asynchronmaschine als Käfigläufer mit im wesentlichen in Axialrichtung verlaufenden Käfig-

Stäben, die jeweils stirnseitig mit einem Kurzschlußring 20 verbunden sind, auεgebildet. Bei der Synchronmaεchine trägt der Läufer 17 eine entεprechende Zahl von Polen wie der Ständer 19 (hier zwölf Pole) , die durch Permanentmagnete oder über Schleifringe gespeiste Magnetspulen gebildet sein können. In Fig. 4 ist die Synchronmaschine veranschaulicht, indem bei ihr vorhandene Läuferpole 21 schematisch ange¬ deutet sind. Zwischen Läufer 17 und Ständer 19 befindet sich ein im Querschnitt ringförmiger Luftspalt 22.

Der Ständer 19 trägt hier vier unabhängige Wicklungen 14, die sich jeweils über einen 90°-Sektor 23 a, b, c, d des Ständers 19 erstrecken. Dieεe bilden bei Beaufεchlagung mit Dreiphasenstrom vier Wanderfelder mit jeweils drei Polen aus. Pro Pol sind drei Nuten 18, insgeεamt pro Sektor also neun Nuten 18 vorhanden. Die momentane Lage der Pole ist mit den Bezugszeichen "S" (für Südpol) und "N" (für Nord¬ pol) veranschaulicht.

Die elektrische Maεchine 4 gemäß Fig. 4 entεpricht damit funktioneil vier Sektormaεchinen, die gemeinsam auf einen Läufer 17 wirken. Die vier Dreiphasenwicklungen 14 der vier Sektoren 23 a, b, c, d sind elektrisch unabhängig. Dies wird durch Beschaltung mit vier unabhängigen Wechselrich- tern (hier nicht dargestellt) erreicht. Jeder unabhängige Sektor 23a, b, c, d kann, wie in Fig. 3 für Sektormaschinen 15, 16 erläutert, Radialkräfte auf die Welle 4 aufbringen und so Radialschwingungen entgegenwirken.

Wie in Fig. 3 veranschaulicht, ruft eine Sektormaschine neben Radialkräften (beispielsweise F _R1 ) auch drehmomentver¬ ursachende Kräfte (beispielεweise F _T1 ) hervor. Daher kann mit der elektrischen Maschine 10 gemäß Fig. 4 neben Radial¬ schwingungen auch Drehschwingungen der Welle 4 entgegen- gewirkt werden, die von den Gas- und Masεekräften des Mo¬ tors 1 hervorgerufen werden. Fig. 5a veranεchaulicht (mit

durchgezogener Linie) das Drehmoment Mv des Verbrennungs¬ motors 1 als Funktion des Drehwinkels b der Kurbelwelle 2.

In Fig. 5b ist das Drehmoment Me als Funktion des Wellen- winkeis dargestellt, das von der elektrischen Maschine 10 aufgebracht wird. Der Verlauf dieseε Drehmoments entspricht weitgehend dem des Motordrehmoments Mv, ist jedoch entge¬ gengesetzt gerichtet. Eε ergibt εich eine Verringerung oder sogar praktisch ein Verschwinden der Drehmomentschwankungen Mv, wie in Fig. 5a durch die gestrichtelte Linie veran¬ schaulicht ist. Bei der in Fig. 5b gezeigten Betriebsweise sind die negativen und positiven Drehmomentextrema be¬ tragsmäßig gleich groß. Die bei einer Bremεphase gewonnene Energie iεt also im wesentlichen gleich groß wie die bei der folgenden Antriebεphaεe benötigte Energie.

Beim Entgegenwirken von Radialschwingungen oder Aufbringen eines bremsenden Drehmoments wird dem System mechanische Energie entzogen und in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Maschine 10 hat dann außerdem die Funktion eines Generators, der Strom z.B. zum Ausgleichen der Be¬ triebsverluste des Systems, zum Laden der Fahrzeugbatterie 24 und zum Betreiben elektrischer Verbraucher liefern kann.

Das Drehmomen Me der elektrischen Maschine 10 kann auch gemäß Fig. 5c in positiver Richtung verεchoben sein. Die elektrische Maschine 10 dient dann außer der Verringerung von Radial- bzw. Drehschwingungen alε (antreibender) Motor, z.B. um den Verbrennungεmotor 1 bei einer Fahrzeugbeεchleu- nigung zu unterεtützen.

Die elektrische Maschine 10 erfüllt somit mehrere Funktio¬ nen: einerseits verringert sie Radial- und Drehschwingungen der Welle 4, andererseits fungiert sie als Generator zur Ladung einer Fahrzeugbatterie 24 und ersetzt damit eine herkömmlicherweise im Kraftfahrzeug vorhandene Lichtmaschi¬ ne. Die Generatorfunktion kann ferner zum Abbremsen des

Fahrzeugs oder des Verbrennungsmotorε 1 dienen. Außerdem kann die elektrische Maschine alε Zuεatzmotor ("Booεter") fungieren, z.B. um den Verbrennungsmotor 1 beim Beschleuni¬ gen des Fahrzeugs zu unterstützen. Auch dient εie alε Star- ter für den Verbrennungεmotor 1 und kann εomit auch einen herkömmlicherweise beim Kraftfahrzeug geεondert vorgeεehe- nen Starter ("Anlaεεer") erεetzen. Schließlich fungiert sie aufgrund des Massenträgheitsmoments des Läufers 17 als Schwungrad und kann so das bei herkömmlich in Kraftfahr- zeugen vorhandene, auf der Kurbelwelle sitzende Schwungrad ersetzen.

Gemäß Fig. 2 liefert je ein Wechselrichter 28 pro Wirksek¬ tor des Ständers 19 bzw. pro Sektormaschine 15, 16 bei einer hohen Taktfrequenz (z.B. 100 Hz) Spannungsimpulse frei wählbarer Amplitude, Frequenz und Phase (dargestellt ist nur ein Wechselrichter) .

Im Zwischenkreiε deε Wechselrichters 28 ist eine Kapazität 29 und mit dem Zwischenkreis des Wechselrichters 28 ver¬ bunden sind Speicher 26 angeordnet, bei denen es sich um ein Schwungrad, eine Batterie oder eine Kapazität handeln kann. Der Speicher 26 und die Kapazität 29 haben die Auf¬ gabe, die beim Bremsen der Welle 10 gewonnene Energie zwi- schenzuεpeichern und anεchließend wieder abzugeben.

Eine Steuereinrichtung 27 gibt dem Wechselrichter 28 durch entsprechende Ansteuerung εeiner Halbleiterεchalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die erzeugten Wechselspannungen haben. Die Steuereinrich¬ tung 27, die beispielεweiεe durch ein entsprechend program- mierteε Mikrocomputersystem gebildet sein kann, bestimmt zunächst den Betrag und die Richtung von Radialkraft und Drehmoment, welche die elektrische Maschine 10 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugen soll. Sie kann dies z.B. mit Hilfe einer Kennfeldεteuerung tun, indem sie als Eingangε- information Winkel- und Radiallage der Welle 4, die momen-

tane mittlere Drehzahl und ggf. weitere Betriebsparameter, wie z.B. die Drosεelklappenεtellung erhält und aus einem gespeicherten Kennfeld die momentan zu erwartende Radial¬ schwingung und Drehungleichförmigkeit in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern ermittelt. Eine andere Möglich¬ keit besteht darin, tatsächlich vorliegende Radialschwin¬ gungen und Drehungleichförmigkeiten zu ermitteln. Möglich ist auch eine Kombination aus Regelung und Steuerung.

Zum Messen der Radialauslenkung und -geschwindigkeit dienen zwei Sensoren 30 (dargestellt ist nur ein Sensor) . Der Sensor 30 weist einen jochförmig um die Welle 4 ausgeform¬ ten Ferritkern mit wechselstrombeaufschlagten Wicklungen auf. Die Flußlinien des erzeugten elektromagnetischen Fel- des treten an einem Ende deε Ferritkernε deε Sensors 30 aus und laufen über einen Luftspalt in die Welle 4, treten aus der Welle 4 aus und laufen über einen weiteren Luftspalt in das andere Ende des Ferritkerns des Sensors 30. Führt die Welle 4 Radialschwingungen aus, ändert sich die Größe der Luftspalte und somit die Induktivität des Sensors 30. Hier¬ aus kann die momentane Auslenkung und Geschwindigkeit der Welle 4 in einer Radialrichtung ermittelt werden. Zur De- tektierung der Auslenkung und Geschwindigkeit der Welle 4 in einer anderen Radialrichtung dient der zweite Sensor. Außerdem ist zur Mesεung der Drehungleichförmigkeiten die elektriεche Maschine 10 mit einem Drehtransformator (εog. Reεolver) ausgerüstet (hier nicht dargestellt) . Er besteht aus zwei benachbart angeordneten Leiterplatten, von denen eine festεteht und die andere sich mit der Welle 4 dreht. Die Leiterplatten tragen auf ihren zugewandten Oberflächen durch Leiterbahnen gebildete Windungen, derart daß sich ein drehwinkelabhängiges Tranεformator-Übersetzungsverhältniε ergibt. Der Drehtranεformator arbeitet nach dem Transpon- der-Prinzip: Die feststehenden Windungen (feststehende Platine) werden aktiv mit Strom/Spannung beaufschlagt und strahlen elektromagnetische Energie zu den drehbaren Win¬ dungen (drehbare Platine) hin ab. Letztere strahlen einen

Teil dieser Energie wieder zurück, wobei der Reflexions¬ faktor drehwinkelabhängig ist. Der rückgestrahlte Teil erzeugt in den feεtεtehenden Windungen ein drehwinkelabhän- gigeε Signal. Eine Auεwertung dieses Signals liefert den momentanen Drehwinkel der Welle 4 mit einer Genauigkeit von wenigstenε 0,5 Grad.

Aus dem ermittelten Wert für die momentane Radialschwingung und der momentanen Drehungleichförmigkeit werden (gegen- phasige) Werte der von der elektrischen Maschine 10 aufge¬ brachten, schnell variierenden Radialkraft und Drehmomente abgeleitet, denen ggf. ein positives oder negatives Zusatz¬ drehmoment gewünschter Stärke additiv überlagert wird. Zum Starten des Verbrennungsmotorε 1 kann das Solldrehmoment auf der Grundlage gespeicherter Werte bestimmt werden, die den zeitlichen Verlauf der Drehzahl oder des Drehmoments der elektrischen Maεchine 4 während deε Startvorgangs vor¬ geben, gegebenenfalls ergänzt durch eine Messung dieser Größen und eine rückgekoppelte Regelung, welche die Ein- haltung der Vorgaben sicherstellt.

In einem zweiten Schritt bestimmt die Steuereinrichtung 27, welche Amplitude, Frequenz und Phase der Spannungen bzw. der Ströme von den Wechselrichtern 28 bereitgestellt werden müssen, damit die elektrische Maschine 10 die gewünschten Radialkräfte und Drehmomente ausübt.

Ein und diesselbe elektrische Maschine 10 kann also sowohl Radialschwingungen als auch Drehschwingungen der Welle 4 entgegengewirken, wobei die Schwingungsdämpfung über ein weites Frequenzband erfolgen kann und Dämpfungsgrad und Dämpfungscharakteristik in weiten Grenzen frei einstellbar εind.