Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer angetriebenen Welle, einem Antriebsrad, das mit der angetriebenen Welle gekoppelt ist, einem Antriebsmittel, mindestens eine im Zugmitteltrieb relativ in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegbare Ausgleichsmasse und mindestens einen Stellmechanismus zum Bewegen der mindestens einen Ausgleichsmasse. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines Nockenwellen-Verstellsystems zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb und ein entsprechendes Verfahren zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb.

Bei der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge gewinnt das sogenannte NVH-Verhalten (Noise, Vibration and Harshness) zunehmend an Bedeutung. Neben dem Wunsch der Käufer nach einem hohen Schwingungskomfort trägt auch eine geringere Geräusch- und Schwingungsbelastung des Fahrers zur aktiven Sicherheit bei. Außerdem beeinträchtigen insbesondere die Schwingungsbelastungen die Lebensdauer von Bauteilen und zwingen bei der Dimensionierung der betroffenen Bauteile zu verstärkten Abmessungen.

In einem Kraftfahrzeug treten eine Vielzahl von Komponenten gleichzeitig als Anregungsquellen für Schwingungen und Geräusche auf. Eine dominante Rolle spielen dabei jedoch die Schwingungs- und Geräuschanregungen des Antriebsstrangs, insbesondere die Drehmomentanregungen der Kurbel- und Nockenwelle. Diese dynamischen Belastungen des Antriebsstrangs setzen sich dominant im gesamten Kraftfahrzeug fort und überlagern alle weiteren Schall- und Schwingungsquellen.

Aus der DE 40 10 856 A1 ein Massen- und Kräfteausgleich angetriebener Motorwellen, insbesondere der Kurbelwelle, bekannt, bei dem im Abstand von der Kurbelwelle und im gegenseitigen Abstand zueinander zwei mit Ausgleichsgewichten versehene Ausgleichswellen angeordnet werden. Die zwei Ausgleichswellen werden beide von der Kurbelwelle angetrieben und drehen sich gegensinnig. Wesentlicher Nachteil dieses sogenannten Lancaster-Ausgleichs liegt darin, dass er verhältnismäßig viel Bauraum beansprucht, was den Motor insgesamt vergrößert und schwerer macht. Darüber hinaus be-

nötigen die Ausgleichswellen zusätzliche Lager und der Antrieb der Ausgleichswellen erhöht die Reibungsverluste im Motor.

Eine Verbesserung des Lancester-Ausgleichs wird in der DE 199 08 437 C1 beschrieben, bei dem eine Ausgleichswelle mit einem auf einem Lagerzapfen der Kurbelwelle gelagerten Zahnrad mit Ausgleichsgewichten zusammenwirkt, um die Reibungsverluste und den notwendigen Bauraum derartiger Ausgleichsvorrichtungen zu verringern.

Darüber hinaus ist die Entwicklung eines Momentenausgleichs für eine Nockenwelle bekannt, bei dem ein Massenträger mit vier radial bewegbaren Ausgleichsmassen auf der Nockenwelle befestigt ist und die Ausgleichsmassen durch ein feststehendes Nockenprofil beim Drehen der Welle radial gegen die Vorspannkraft einer Feder bewegt werden. Diese Vorrichtung ermöglicht eine deutliche Senkung der dynamischen Momente für eine Drehzahl und eine Schwingungsordnung. Nachteile dieser Momentenausgleichsvor- richtung sind die durch das Gewicht der Vorrichtung erhöhten Massenträgermomente und die Beschränkung der Kompensation auf einen bestimmten Verlauf der Drehmomentanregung, üblicherweise für eine Schwingungsordnung und eine bestimmte Drehzahl.

Zur Reduzierung der Geräusch- und Schwingungsbelastung des Antriebstrangs sind in den letzten Jahren viele unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen worden, die sich im Rahmen ihres Einsatzes zum Teil gut bewährt haben. Die derzeit intensiven Bemühungen, das NVH-Verhalten in Kraftfahrzeugen weiter zu verbessern, erfordern insbesondere auch bei der dominierenden Schall- und Schwingungsquelle des Antriebsstrangs weitere Entwicklungsanstrengungen. Darüber hinaus sind die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen üblicherweise auf die Kompensation der maximalen Schwingungsbelastung im Resonanzbereich ausgerichtet, d.h. auf eine Schwingungsordnung und einen Drehzahlbereich optimiert. Daraus folgt, dass die dynamische Belastung des Antriebs über einen großen Betriebsbereich und auch für andere Schwingungsordnungen weiterhin relativ hoch ist. Eine weitere Reduzierung der Schwingungsbelastung insbesondere der Wechselmomente im Antriebsstrang ist daher wünschenswert, um insbesondere die Haltbarkeit der Antriebskette oder -riemen zu verbessern. Weiter könnte über Downsizing-Effekte bei der Dimensionierung des Antriebsstrangs eine Kostenreduzierung erreicht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion bereitzustellen, um die dynamischen Anteile der Schwingungen in dem Zugmitteltrieb für einen Verbrennungsmotor zu kompensieren oder zumindest zu reduzieren und dabei die Nachteile bekannter Lösungen möglichst zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion dadurch gelöst, dass der mindestens eine Stellmechanismus als sich tangential bewegender, aktiv wirkender Aktuator ausgebildet ist, um die mindestens eine Ausgleichsmasse zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle zu bewegen.

Die in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle relativ bewegbar angeordnete Ausgleichsmasse dreht sich im Allgemeinen im System des Zugmitteltriebs mit um die Achse der Welle wenn sich diese dreht. Eine Bewegung der Ausgleichsmasse relativ zu den anderen Bauteilen des Zugmitteltriebs wird durch den sich tangential bewegenden Aktuator bewirkt, wobei die durch den Aktuator indizierte Bewegung der Ausgleichsmasse in oder entgegen der Drehrichtung der Welle zumindest eine wesentliche, tangentiale Komponente mit einem Anteil von über 50 % des resultierenden Kraftvektors, bevorzugt über 80 %, aufweist. Die durch den aktiv wirkenden Aktuator kraftangeregte Ausgleichsmasse bewirkt entsprechend des aufgeprägten Kraft-Zeit-Zusammenhangs ein Reaktionsmoment in der angetriebenen Welle, das zur Kompensation eines bestehenden dynamischen Anteils der Schwingungen des Zugmitteltriebs genutzt werden kann. Diese im Gegensatz zu herkömmlichen Schwingungsausgleichsvorrichtungen im Wesentlichen kinematische Kraftaufbringung ermöglicht durch die Verschieblichkeit des Momentenvektors eine relativ freie Anordnung und freie Ausbildung der mindestens einen Ausgleichsmasse relativ zu den anderen Bauteilen des Zugmitteltriebs, z.B. auf einem Massenträger. Durch die direkte Momentenerzeugung in der angetriebenen Welle werden zum Einen nur geringe Massen und zum Anderen nur kleine Relativwege zur Erzeugung eines geeigneten Reaktionsmoments benötigt.

Im Gegensatz zu passiv reagierenden Stellmechanismen, z.B. eine vorgespannte Feder, die über eine äußere Anregung in Form einer Bewegung oder Krafteinleitung zu einer Reaktion veranlasst werden, agiert ein aktiv wirkender Aktuator, z.B. elektrische Antriebe, ohne eine äußere mechanische Anregung über die Ansteuerung mittels eines Wirk-

mediums, elektrischen Signals oder Impuls und erzeugt eine kraftübertragende, mechanische Bewegung.

Bei Nockenwellen sind zur Winkelverstellung der Steuerzeit sogenannte Nockenwellen- Verstellsysteme bekannt, bei denen die Nockenwelle relativ zur durch das Antriebsmittel festgelegten Antriebsrad verstellt wird, z.B. mittels Hydraulik. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb mit Ausgleichsvorrichtung bewirkt die relative Bewegung der Nockenwelle eine reine Anpassung der Steuerzeit an den von globalen Aspekten des Motors, z.B. Betriebstemperatur, Verbrennung, Abgaszusammensetzung und Leistungsspektrum, beeinflussten Verbrennungszustand in den Brennkammern des Motors. Die Winkelverstellung der Nockenwelle erfolgt im Vergleich zu der Drehzahl eines Verbrennungsmotors in sehr langen Zeiträumen ab, so dass sich durch die Winkelverstellung der Steuerzeit mit einem Nockenwellen-Verstellsystem im Hinblick auf eine Umdrehung der angetriebenen Welle weder ein wirksames Drehmoment entsteht noch gar ein Kompensationsmoment zum Ausgleich des dynamischen Anteils der Schwingungen des Zugmitteltriebs erzeugt wird.

Prinzipiell lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für alle Antriebe von Wellen einsetzen, bei denen eine Welle über ein Antriebsrad von einem Antriebsmittel angetrieben wird. Dabei können neben Steuertrieben von Verbrennungsmotoren auch Einspritzpumpen- und Wasserpumpentriebe oder ähnliche Antriebe mit einem entsprechenden Ausgleich zur Schwingungsreduktion versehen sein. Besonders interessant ist eine solche Ausgleichsvorrichtung jedoch für Nockenwellen, um die von Verbrennungsmotoren induzierten dynamischen Schwingungen auszugleichen. Durch die reduzierten dynamischen Anteile der Schwingungen im Zugmitteltrieb bzw. der dynamischen Wechselmomente in der angetriebenen Welle kann beispielsweise beim Antriebsstrang zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle die Steuerkette oder ein entsprechender Riemen signifikant leichter und filigraner dimensioniert werden. Bei einer nockenwellenseitigen Befestigung der Ausgleichsvorrichtung ergibt sich darüber hinaus eine spreizungsunabhängige Wirkung, so dass bei einer Winkelverstellung der Nockenwelle die Wirkung der Ausgleichsvorrichtung unverändert bleibt.

Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine Ausgleichsmasse auf einem Kreisbogen in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegbar ist. Durch die Drehung der Ausgleichsmasse um die Achse der angetriebenen Welle entlang eines

Teils der Kreislinie, die die Ausgleichsmasse um die Achse der Welle beschreibt, werden bei einer entsprechend ausgeglichenen Verteilung der Ausgleichsmasse(n) relativ zur Welle die Massenverhältnisse trotz der Bewegung der Ausgleichsmasse nicht verändert, so dass die statischen Momentenvemältnisse in der angetriebenen Welle im Wesentlichen unverändert bleiben. Anstatt einer kreisförmigen Bewegung der Ausgleichsmasse kann die mindestens eine Ausgleichsmasse auf einer Tangente eines Kreises um die Achse der Welle in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegbar seien. Durch die tangentiale Bewegung der Ausgleichsmasse kann die tangentiale Kraftanregung durch die Aktuatoren vollständig in ein Kompensationsmoment an der angetriebenen Welle umgesetzt werden, mit dem sich die dynamischen Schwingungsanteile im Antriebsmittel des Zugmitteltriebs kompensieren oder reduzieren lassen.

Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass ein Rückstellmechanismus vorgesehen ist, der an der mindestens einen Ausgleichsmasse zum Rückstellen der Bewegung der Ausgleichsmasse angeordnet ist. Ein derartiger Rückstellmechanismus, beispielsweise eine Federeinrichtung oder die Anbringung mittels eines elastischen Materials, z.B. Anvulkanisieren der Ausgleichsmasse, mit einer begrenzten Beweglichkeit der Ausgleichsmasse relativ zu dem Zugmitteltrieb, ermöglicht einen einfachen und wirkungsvollen Stellmechanismus, insbesondere einen tangentialen oder linearen Aktuator, zu nutzen. Zur Reduzierung der Komponenten und zur Beschränkung der Produktionskosten kann die mindestens eine Ausgleichsmasse mittels des Rückstellmechanismus bewegbar an einem Träger angeordnet sein. Eine besonders einfache Anbringung ermöglicht das Anvulkanisieren der mindestens einen Ausgleichsmasse, insbesondere auch im Hinblick auf den bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglichen geringen Stellweg der Masse.

Eine andere Ausführung sieht vor, dass der tangentiale Aktuator als Piezoelement ausgebildet ist. Ein Piezoelement ist bei einem relativ kleinen benötigten Bauraum ein einfacher und wirkungsvoller Stellmechanismus und darüber hinaus verhältnismäßig preiswert. Zur Einsparung eines gegebenenfalls benötigten Rückstellmechanismus kann das Piezoelement als doppelt wirkendes Piezoelement ausgebildet sein, um die mindestens eine Ausgleichsmasse in Druck- und Zugrichtung zu bewegen.

Zur aktiven Verstellung der Ausgleichsvoπrichtung kann eine Steuerung zum Ansteuern des mindestens einen Stellmechanismus vorgesehen sein. Die Steuerung ermöglicht

nicht nur eine angepasste Ansteuerung des Stellmechanismus bei wechselnden Drehzahlen, sondern auch eine Reaktion auf zusammengesetzte Schwingungen unterschiedlicher Ordnungen. Dabei erfolgt insbesondere zur Kompensation zusammengesetzter Schwingungen während einer Umdrehung der Welle ein kontinuierliches Verstellen der Ausgleichsmasse, so dass sich ein bei einer Umdrehung der Welle bereits ein Verstellweg der Ausgleichsmasse mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Auslenkungspositionen ergibt. Neben einer Steuerung des mindestens einen Stellmechanismus in Abhängigkeit des Motorkennfeldes ist auch eine aktive Steuerung in Abhängigkeit des momentanen Lastmoments an der angetriebenen Welle möglich. Dabei kann ein Sensor zum Aufnehmen des Lastmoments, bzw. des dynamischen Anteils des Lastmoments, an der angetriebenen Welle vorgesehen sein, der eine entsprechende Eingangsgröße für die Steuerung liefert. Bevorzugt kann dieser Sensor ein Dehnungsmessstreifen sein, der einfach auf der Welle anbringbar ist, schnell reagiert und kostengünstig ist. Alternativ kann der Sensor ein Piezoelement sein, das zwischen zwei Bestandteilen der angetriebenen Welle zwischengeschaltet werden muss und bei einer Anregung eine dem Lastmoment proportionale Spannung erzeugt, die wiederum direkt für den Stellmechanismus bzw. den Aktuator, bevorzugt ebenfalls ein Piezoelement, als Eingangsspannung genutzt werden kann.

Bevorzugt kann ein an der Welle fest angeordneter Massenträger vorgesehen sein und die mindestens eine Ausgleichsmasse ringförmig oder kreisförmig ausgebildet und drehbar auf einem Massenträger angeordnet sein. Bei einer gleichförmig homogenen oder periodisch verteilten ring- oder kreisförmigen Ausgleichsmasse, die drehbar auf dem Massenträger angeordnet ist, kann bereits mit einem einzelnen Stellmechanismus ein im Wesentlichen kinematisches Ausgleichsmoment bereitgestellt werden. Bei einer Drehung einer ringförmigen Ausgleichsmasse um die Achse der Welle können zusätzliche dynamische Momente annähernd vollständig vermieden werden, da die Ausgleichsmasse gleichmäßig um die Drehachse verteilt ist. Alternativ können zur Vermeidung zusätzlicher dynamischer Momente mindestens zwei Ausgleichsmassen vorgesehen sein und die Ausgleichsmassen gleichmäßig verteilt um die Welle, d.h. gleichmäßig in Bezug auf ihre Winkellage und Abstand zur Achse der Welle, auf dem Massenträger angeordnet sein. Dabei sind für eine gleichmäßige Verteilung zwei Ausgleichsmassen um 180° versetzt, drei Massen um 120° versetzt, vier Massen um 90° versetzt, usw. anzuordnen, um keine Unwucht zu erzeugen. Durch die gleichmäßige Anordnung mehrerer Ausgleichsmassen können bei einer gleichartigen Bewegung aller Massen das Einwirken äußerer

Kräfte auf die angetriebene Welle verhindert, zusätzliche dynamische Momente im Wesentlichen vermieden und die tangentiale Kraftanregung der Ausgleichsmassen vollständig in ein entsprechendes Ausgleichsmoment an der angetriebenen Welle umgesetzt werden. Weiter entstehen durch das gleichmäßig verteilte Anbringen der mindestens einen Ausgleichsmasse auch keine zusätzliche Lagerbelastung der angetriebenen Welle, da die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung im Wesentlichen nach außen hin kräftefrei bleibt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Stellmechanismus auf dem Massenträger angeordnet ist. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung einen Kontakt zu ortsfesten Konturen in der Umgebung der angetriebenen Welle vermeiden. Da sich damit auch die relative Position des Stellmechanismus zur Ausgleichsmasse nicht verändert, kann der Stellmechanismus mit einer relativ kleinen Relativgeschwindigkeit betätigt werden und das benötigte Kompensationsmoment direkt durch einen geeigneten Aktuator auf die am Massenträger angeordnete Ausgleichsmasse aufgebracht werden. Für eine gleichmäßige Bewegung und Auslenkung der Ausgleichsmasse zur Vermeidung zusätzlicher dynamischer Momente können mindestens zwei Stellmechanismen vorgesehen und die Stellmechanismen gleichmäßig um die Welle angeordnet sein. Die gleichmäßig verteilte Anordnung mehrerer Stellmechanismen um die angetriebene Welle herum verhindert eine Unwucht des Massenträgers, die ansonsten bei einer ungleichmäßigen Kraftanregung möglich ist. Bevorzugt ist daher für jede am Massenträger verteilte angeordnete Ausgleichsmasse mindestens ein Stellmechanismus und bei ring- oder kreisförmigen Ausgleichsmassen mindestens zwei Stellmechanismen vorgesehen.

In einer weiteren Ausführungsform sind die angetriebene Welle und das Antriebsrad relativ zueinander bewegbar ausgebildet, wobei der mindestens eine Stellmechanismus zwischen dem Antriebsrad und der angetriebenen Welle angeordnet ist, um die angetriebene Welle und das Antriebsrad zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle relativ zueinander zu bewegen. Diese Ausführung verzichtet auf zusätzliche Ausgleichsmassen und Massenträger, sondern nutzt die vorhandenen Bauteile des Zugmitteltriebs, um an der Welle ein Kompensationsmoment zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb zu bewirken.

Eine Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die angetriebene Welle als Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem zur Winkelverstellung der Steuerzeit ausgebildet ist, wobei die Nockenwelle gleichzeitig als Ausgleichsmasse ausgebildet ist und zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle relativ zum Antriebsrad bewegbar ist. Durch die Kombination der Drehmomentausgleichsvorrichtung mit einem vorhandenen Nockenwellen-Verstell-system kann die vorhandene relativ zum durch das Antriebsmittel festgehaltene Antriebsrad bewegbare Nockenwelle gleichzeitig als Ausgleichsmasse zum Drehmomentausgleich genutzt werden. Dadurch bleiben das insgesamt vorhandene Trägheitsmoment der Nockenwelle und die daraus entstehenden Kräfte im Antriebsmittel im Wesentlichen unverändert. Darüber hinaus werden durch diese Bauteil-Kombination der Konstruktionsaufwand für das Antriebsrad, bevorzugt ein Kettenrad zum Eingriff in eine Steuerkette, und dessen Herstellkosten reduziert.

Ein besonders effiziente Ausbildung der Kombination des Nockenwellen-Verstellsystems mit dem Drehmomentausgleich sieht vor, dass das Nockenwellen-Verstellsystem ein Steuerzeit-Verstellmechanismus aufweist, wobei der mindestens eine Stellmechanismus zur Schwingungsreduktion mit dem Steuerzeit-Verstellmechanismus in Reihe geschaltet ist, oder wobei der mindestens eine Stellmechanismus durch den Steuerzeit- Verstellmechanismus ausgebildet ist. Die in Reihe geschalteten Stellmechanismen können die gleichen Verbindungskomponenten zur bewegbaren Masse nutzen und unabhängig von der Ansteuerung des jeweils anderen Mechanismus gleichzeitig die Masse bewegen. Ein gemeinsamer Stellmechanismus für die Winkelverstellung der Steuerzeit und zur Schwingungsreduktion des Zugmitteltriebs reduziert durch das Einsparen eines Stellmechanismus nicht nur den konstruktiven Aufwand, sondern kann auch ohne überlagerungen mittels einer einzigen Steuerung angesteuert werden.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Nockenwellen-Verstellsystems zur Winkelverstellung der Steuerzeit einer Nockenwelle als Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb, wobei ein als tangential wirkender Aktua- tor ausgebildeter Stellmechanismus die Nockenwelle zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb in und/oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegt. Die Verwendung eines Nockenwellen-Verstellsystems zur gleichzeitigen Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb ermöglicht die Einsparung zusätzlicher Ausgleichsmassen und eine gemeinsame aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Stellmechanismen. Die synergeti-

sehen Effekte zwischen einem Nockenwellen-Verstellsystems und einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion können somit sowohl die Konstruktion vereinfachen als auch helfen Kosten einzusparen.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer angetriebenen Welle, einem Antriebsrad, das mit der angetriebenen Welle gekoppelt ist, und einem Antriebsmittel, wobei mindestens ein Stellmechanismus mindestens eine im Zugmitteltrieb relativ bewegbare Ausgleichsmasse bewegt, wobei das Verfahren das Ansteuern des mindestens einen Stellmechanismus mittels einer Steuerung, das Bewegen der mindestens einen Ausgleichsmasse mittels des Stellmechanismus in oder entgegen der Drehrichtung der Welle und das Erzeugen eines Kompensationsmoments an der angetriebenen Welle umfasst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann passend zu den Schwingungen im Antriebsstrang bzw. zum auszugleichenden Lastmoment in einer angetriebenen Welle ein Kompensationsmoment zur Tilgung der dynamischen Anteile der Schwingungen bzw. des Lastmoments erzeugt werden. Dabei ist der notwendige Bewegungsweg der Ausgleichsmasse relativ gering, zum Teil nur wenige Millimeter oder bei einer entsprechend großen Ausgleichsmasse nur Bruchteile von Millimetern, und kann bei einem ebenfalls mit um die Achse der Welle umlaufenden Stellmechanismus direkt auf die Ausgleichsmasse aufgebracht werden. Die Ausgleichsmasse wird in diesem Verfahren durch den im Wesentlichen tangential wirkenden Stellmechanismus kraftangeregt, wodurch auf der angetriebenen Welle direkt ein Ausgleichsmoment erzeugt wird. Neben der minimalen Auslenkung der Ausgleichsmasse durch den Stellmechanismus ist durch die direkte Wirkung auf die angetriebene Welle auch die benötigte Masse klein, so dass die bei diesem Verfahren erzeugte zusätzlichen statischen Momente gering ausfallen. Durch die direkte Wirkung des Verfahrens über den Stellmechanismus und die Ausgleichsmasse kann die Anordnung der Masse und dessen Verschieblichkeit optimal aufeinander abgestimmt werden. Weiter bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch die direkte Wirkung insbesondere auch für eine Regelung bzw. Steuerung des Verfahrens in Bezug auf die tatsächlich in der angetriebenen Welle auftretenden dynamischen Momentenbelastung, bzw. den dynamischen Schwingungsanteilen im Zugmitteltrieb, an. Insgesamt kann durch dieses Verfahren das Problem der Schwingungen im Zugmitteltrieb, bzw. der dadurch induzierten Wechselmomente in einer angetriebenen Welle deutlich reduziert und sogar nahezu getilgt werden, wodurch die Dimensionierung des Antriebsmittel und Antriebsrad eines Zugmitteltriebs bei einem Verbrennungsmotor verklei-

nert werden kann bei einer gleichzeitig erhöhten Haltbarkeit der Antriebskette bzw. - riemen.

Günstigerweise kann das Verfahren zur Schwingungsreduktion das Bestimmen des dynamischen Drehmomentanteils an der angetriebenen Welle und das Ansteuern des mindestens einen Stellmechanismus unter Berücksichtigung des dynamischen Drehmomentanteils umfassen. Dadurch kann das an der angetriebenen Welle tatsächlich vorliegende Lastmoment, bzw. dessen dynamische Anteile, in der Ansteuerung des Stellmechanismus berücksichtigt werden. Für eine direkte Messung des dynamischen Drehmomentanteils kann die angetriebene Welle mit einem Sensor versehen sein, mittels dem der tatsächlich vorliegende dynamische Drehmomentanteil der angetriebenen Welle bestimmt wird. Darüber hinaus kann das dynamische Drehmoment an der angetriebenen Welle, bzw. das dynamische Schwingungsverhalten im Zugmitteltrieb, mithilfe indirekter Kennwerte, insbesondere des Motorkennfeldes eines Verbrennungsmotors, z.B. Drehzahl, Antriebsmoment, usw., ermittelt werden. Die Bestimmung des dynamischen Drehmomentanteils und des Schwingungsverhaltens des Zugmitteltriebs mithilfe indirekter Kennwerte ermöglicht es auf entsprechende Sensoren an der angetriebenen Welle zu verzichten.

Eine besondere Modifikation des Verfahrens zur Schwingungsreduktion sieht vor, dass die angetriebene Welle als Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem zur Winkelverstellung der Steuerzeit ausgebildet ist und die Nockenwelle relativ zum Zugmitteltrieb bewegbar ist, das Verfahren umfasst weiter das Ansteuern des mindestens einen Stellmechanismus oder eines in Reihe zum Stellmechanismus angeordneten Steuerzeit- verstellmechanismus des Nockenwellen-Verstellsystems zur Winkelverstellung der Nockenwelle. Die Kombination des Verfahrens zum Drehmomentausgleich mit der Steuerzeitverstellung einer Nockenwelle ermöglicht eine Reihe von Synergieeffekten, die nicht nur das Trägheitsmoment und die Kettenkräfte im Wesentlichen auf das bereits vorhandene Maß einer entsprechenden Steuerzeitverstellung begrenzen, sondern insbesondere bei einer gemeinsamen Steuerung gegenläufige Bewegungen der Ausgleichsmasse verhindern.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung für vorteilhafte Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine stirnseitige Draufsicht einer Ausgleichsvorrichtung mit einer bewegbar angeordneten Ausgleichsmasse für einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,

Fig. 1 b eine stirnseitige Draufsicht einer weiteren Ausgleichsvorrichtung mit einer ringförmigen Ausgleichsmasse für einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,

Fig. 1c eine stirnseitige Draufsicht noch einer Ausgleichsvorrichtung mit zwei versetzt zueinander angeordneten Ausgleichsmassen für einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,

Fig. 1d ein Analogie-Schaltbild für die Ausgleichsvorrichtungen aus den Figuren 1a bis 1c,

Fig. 2 ein Schnitt in Längsrichtung durch eine angetriebene Welle mit einer Ausgleichsvorrichtung für einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,

Fig. 3 der relative Verfahrweg der Ausgleichsmassen über den Drehwinkel der angetriebenen Welle in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,

Fig. 4a eine stirnseitige Draufsicht einer anderen Ausgleichsvorrichtung mit einer bewegbar angeordneten Welle zum Drehmomentausgleich für einen erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,

Fig. 4b ein Analogie-Schaltbild für die Ausgleichsvorrichtung auf Fig. 4a, und

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Kettenrad und eine Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem zur Verwendung als Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb.

Die Figuren 1a bis 1c zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion in einem Zugmitteltrieb in einer stirnseitigen Draufsicht. Dabei ist auf dem Massenträger 1 der Ausgleichsvorrichtung jeweils eine oder zwei Ausgleichsmassen 2 bewegbar angeordnet und die Ausgleichsmassen 2 jeweils mit einem Stellmechanismus 3 versehen, der die Ausgleichsmasse 2 in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle 4 bewegen kann.

In der in Fig. 1a dargestellten Ausgleichsvorrichtung ist nur eine Ausgleichsmasse 2 auf dem Massenträger 1 in einem Abstand zur Drehachse A der angetriebenen Welle 4 angeordnet. Diese Ausgleichsmasse 2 wird durch einen Stellmechanismus 3, der sich am Massenträger 1 abstützt bevorzugt auf einem Kreisbogen des Massenschwerpunkts der Ausgleichsmasse 2 um die Drehachse A in oder entgegen der Drehrichtung der Welle bewegt. Die Bewegung dieser einen exzentrisch angeordneten Ausgleichsmasse 2 erzeugt neben dem gewünschten Kompensationsmoment zur Schwingungsreduktion zusätzlich auch ein statisches und ein dynamisches Moment, die jedoch bei einer geringen Masse und kleinem Abstand zur Drehachse A gering gehalten werden können. Der dynamische Anteil kann durch die entsprechende Positionierung einer um 180° versetzten Gegenmasse auf den funktionsabhängigen Anteil reduziert werden.

Fig. 1b zeigt eine weitere Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion, bei der im Gegensatz zu Fig. 1a die auf dem Massenträger 1 bewegbar angeordnete Ausgleichsmasse 2 ringförmig ausgebildet ist, wobei der Massenschwerpunkt der ringförmigen Ausgleichsmasse in der Drehachse A der angetriebenen Welle 4 liegt. Die ringförmige Ausgleichsmasse 2 wird in der gezeigten Ausführungsform durch einen Stellmechanismus 3 bewegt. Bei der hier vorliegenden kreisbogenförmigen Bewegung B der ringförmigen Ausgleichsmasse 2 auf einem Kreisbogen um die Drehachse A der angetriebenen Welle 4 entstehen bei der Erzeugung des Kompensationsmoments zur Schwingungsreduktion keine zusätzlichen dynamischen Momente, da sich die Massenverhältnisse relativ zur Drehachse A der Welle nicht verändern. Bei einer tangentialen Bewegung mit einem Bewegungsanteil außerhalb der kreisbogenförmigen Bewegung B wird in diesem Fall jedoch ein geringes zusätzliches dynamisches Moment an der Welle erzeugt, wobei auch die radiale Bewegungskomponente bei einer gezielten Anregung bzw. Anordnung zusätzlich ausgleichend wirken kann.

Eine Ausgleichsvorrichtung mit zwei Ausgleichsmassen 2 ist in Fig. 1c dargestellt, wobei die Ausgleichsmassen 2 um 180° zueinander versetzt und im gleichen Abstand zur Drehachse A der angetriebenen Welle 4 auf dem Massenträger 1 angeordnet sind. Beide Ausgleichsmassen 2 sind jeweils mit einem Stellmechanismus 3 verbunden, die sich am Massenträger 1 abstützen und die Ausgleichsmassen 2 in die relativ zur Drehachse A gleiche Richtung in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle drehen, d.h. bei einer um 180° versetzten Anordnung der Ausgleichsmassen 2 ist auch die Bewegungsrichtung

um 180° versetzt. Die versetzte Anordnung und Bewegung der Ausgleichsmassen 2 verhindert unabhängig davon, ob die Ausgleichsmassen 2 eine kreisförmige Bewegung B oder eine tangentiale Bewegung mit einem nichtkreisbogenförmigen Anteil ausführen, die Erzeugung zusätzlicher dynamischer Momente, bzw. führt dazu, dass sich entstehende zusätzliche dynamische Momente im Wesentlichen ausgleichen.

Fig. 1d zeigt ein Analogie-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs 11 für die in den Figuren 1a bis 1c dargestellten Ausgleichsvorrichtungen. Am Knoten 12 ist der Zugmitteltrieb relativ zum Verbrennungsmotor festgelegt, wobei der Zugmitteltrieb an dem Knoten 12 mit dem Antriebsmittel mit der Steifigkeit C _Am angreift. An dem Antriebsmittel mit der Steifigkeit C _Am ist das Antriebsrad und die Welle, die fest miteinander verbunden sind, mit der Masse m _Ar+ w gekoppelt, auf die Welle wirkt das zu kompensierende Lastmoment M _L (t). Zwischen dem Antriebsrad und der Welle mit der Masse m _Ar+w und der Ausgleichsmasse 2 mit der Masse m _Am wirkt der Stellmechanismus 3 mit der zeitabhängigen Stellbewegung u(t). Durch die Stellbewegung u(t) der Masse rrw, wird in dem Zugmitteltrieb ein Ausgleichsmoment M _A (t), das als Trägheitsmoment relativ beschleunigten Masse m _Am entsteht, zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb erzeugt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung durch eine Ausgleichsvorrichtung entsprechend der Fig. 1b. Der Massenträger 1 ist hier fest mit der angetriebenen Welle 4 verbunden und dreht sich zusammen mit der Welle 4 kreisförmig um die Drehachse A. Der Massenträger 1 kann dabei als separates von der eigentlichen Funktion der angetriebenen Welle 4 unabhängiges Bauteil ausgebildet sein, oder der Massenträger 1 kann gleichzeitig zu seiner Funktion als Träger der Ausgleichsmassen und gegebenenfalls der Stellmechanismen im Zugmitteltrieb als Antriebs- bzw. Abtriebsrad der Welle 4 genutzt werden. Der Massenträger 1 ist dieser Ausführungsform mit einer ringförmigen oder kreisförmigen Ausgleichsmasse 2 versehen, die drehbar um die Drehachse A der Welle 4 oder zumindest bewegbar auf dem Massenträger 1 befestigt ist. Der ebenfalls auf dem Massenträger 1 angeordnete Stellmechanismus 3 bewegt die Ausgleichsmasse 2 in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle 4, wobei der Stellmechanismus 3 hier als hin- und herbewegendes Piezoelement ausgebildet ist. Auf einen Rückstellmechanismus kann bei einem solchen sich in Zug- und Druckrichtung bewegenden und Kraft ausübenden Piezoelement verzichtet werden. Der Stellmechanismus 3 wird durch eine Steuerung 5 über Steuerleitungen 8 aktiv angesteuert, um die dynamischen Anteile des an der angetriebenen Welle 4 anliegenden Lastmoments M zu kompensieren bzw. die Schwin-

gungen im Zugmitteltrieb zu reduzieren. Zur aktiven Steuerung des Stellmechanismus 3 wird die Steuerung 5 von einem auf der angetriebenen Welle 4 angeordneten Dehnungsmessstreifen 6 mit über die Signalleitung 7 mit einer Eingangsgröße versorgt.

Zur Kompensierung oder Reduktion der Schwingungen im Zugmitteltrieb muss entsprechend dem momentan herrschenden Schwingungsverhalten bzw. den vorliegenden dynamischen Momenten in der angetriebenen Welle 4 die Ausgleichsmasse 2 in Abhängigkeit von der momentanen Winkelstellung der angetriebenen Welle 4 während einer Umdrehung in unterschiedlicher Weise ausgelenkt werden. Fig. 3 zeigt beispielhaft den relativen Verfahrweg der Ausgleichmasse 2 in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung der angetriebenen Welle 4 während einer Umdrehung der Welle. Dabei erfolgt während einer Drehung der Welle sowohl eine kontinuierliche Vor- und Zurückbewegung der Ausgleichsmasse 2, aber auch ein Verharren der Ausgleichsmasse auf einer ausgelenkten Position. Der absolute Verfahrweg einer Ausgleichsmasse 2 ist abhängig von deren Masse und Positionierung gegenüber der Drehachse A der angetriebenen Welle 4. An dem relativen Verfahrweg der Ausgleichsmasse 2 in Fig. 3 lässt sich erkennen, dass die Ausgleichsmasse 2 nicht nur einfach bewegt sondern auch kontinuierlich in Abhängigkeit der momentanen Schwingungssituation ausgelenkt wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieses drehwinkelabhängige Verfahrprofil von der Ausgleichsvorrichtung in sehr kleinen Zeiträumen abgearbeitet wird, z.B. bei einer Motordrehzahl von 3.000 U/min innerhalb von 40 ms.

Fig. 4a zeigt eine andere Ausführungsform einer Ausgleichsvorrichtung eines erfindungsgemäßen Zugmitteltriebs zur Schwingungsreduktion. Bei dieser Ausführungsform wird die bewegbar angeordnete Ausgleichsmasse direkt von der angetriebenen Welle 4 gebildet, d.h. der Zugmitteltrieb kommt ohne Massenträger 1 zur Anordnung der Ausgleichsmasse 2 aus. Falls die Festlegung des Antriebsrads im Steuermitteltrieb eine Bewegung relativ zum Zugmitteltrieb ermöglicht, kann alternativ auch das Antriebsrad bzw. ein anderes geeignetes Bauteil, als Ausgleichsmasse fungieren und zur Erzeugung eines Kompensationsmoments bewegt werden.

Die in Fig. 4a gezeigte Ausgleichsvorrichtung kann dabei nicht nur zur Erzeugung eines Kompensationsmoments zum Ausgleich des dynamischen Anteils des Lastmoments M, d.h. zur Schwingungsreduktion im Antriebsmittel, sondern gleichzeitig auch zur Winkelverstellung der Welle, hier eine Nockenwelle, dienen und somit eine Veränderung des

Zündzeitpunkts im Verbrennungsmotor bewirken. Bei bekannten Nockenwellen- Verstellsystemen zur Steuerzeit-Verstellung ist das Antriebsrad 9, das gleichzeitig auch eine Verzahnung zum Eingriff in eine Antriebskette bzw. eine Lauffläche für einen Riemen aufweisen kann, relativ beweglich zur angetriebenen Nockenwelle 4, um die Welle 4 herum angeordnet und mit einem Steuerzeit-Verstellmechanismus versehen, der eine Bewegung des Antriebsrad 9 gegenüber der Nockenwelle 4 in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungscharakteristik des Motors ermöglicht. Bei der relativen Bewegungen der Nockenwelle 4 gegenüber dem Antriebsrad 9 kann sich je nach Bezugspunkt auch die Lage des Antriebsrads 9 gegenüber der Nockenwelle 4 verstellen.

Bei dieser Stellvorrichtung erfolgt eine Bewegung der als Ausgleichsmasse dienenden angetriebenen Welle 4 mittels des Stellmechanismus 3 ebenfalls in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle 4. Da die Welle 4 gegenüber dem Antriebsrad 9 um ihre eigene Achse A bewegbar und geführt ist, erfolgt die Bewegung des „Massenkörpers" in einer kreisbogenförmigen Bewegung B um die Drehachse A der Welle 4. Dabei kann die Welle 4 als Nockenwelle durch den Stellmechanismus 3 sowohl zur langfristigen Winkelverstellung der Steuerzeit als auch zum momentanen Erzeugen eines Kompensationsmoments an der Nockenwelle 4 bewegt werden. Neben einem einzelnen Stellmechanismus 3 können auch zwei in Reihe geschaltete Stellmechanismen vorgesehen sein, die unabhängig voneinander die Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebskettenrad und die Bewegung der Welle gegenüber dem Zugmitteltrieb zum Erzeugen eines auf die aktuelle Drehwinkelstellung abgestimmten Kompensationsmoments bewirken.

Fig. 4b zeigt ein Analogie-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Zumitteltriebs 11 für die in der Fig. 4a dargestellte Ausgleichsvorrichtung. Wiederum ist der Zugmitteltrieb am Knoten 11 relativ zum Verbrennungsmotor festgelegt und an der zweiten Seite des Knotens 12 das Antriebsmittel des Zugmitteltriebs mit einer Steifigkeit C _Am angeordnet. An dem Antriebsmittel mit der Steifigkeit C _A m ist das Antriebsrad mit der Masse m _Ar angekoppelt. Zwischen dem Antriebsrad mit der Masse m _Ar und der angetriebenen Welle mit der Masse m _w , an der das Lastmoment M _L (t) der angetriebenen Nockenwelle angreift, wirkt der Stellmechanismus 3 mit der zeitabhängigen Stellbewegung u(t). Durch die Stellbewegung u(t) der angetriebenen Welle mit der Masse m _w wird in dem Zugmitteltrieb ein Ausgleichsmoment M _A (t) zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb erzeugt, ohne eine zusätzliche Masse in das System des Zugmitteltriebs integrieren zu müssen.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein Kettenrad und eine Nockenwelle mit einem Nockenwellen-Verstellsystem, das durch den Einsatz eines tangential wirkenden Aktuators zur Schwingungsreduktion in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb verwendbar ist. Das Antriebsrad 9 ist in einen inneren Teil 13 und einen äußeren Teil 14 getrennt, wobei der innere Teil 13 und der äußere Teil 14 des Antriebsrad 9 durch geeignete Lager 15 relativ zueinander gleitend bewegbar sind. Der äußere Teil 14 des Antriebsrads 9 ist mit einem Zahnkranz 16 zum Eingriff des als Antriebskette ausgebildeten Antriebsmittel versehen. Der innere Teil 13 des Antriebsrads 9 ist fest mit der Welle 4 verbunden, z.B. durch Aufpressen, und dreht sich zusammen mit der Welle 4 um die Achse A. Die Anordnung eines oder mehrerer Stellmechanismen 3 zwischen den nach Außen vorstehenden Armen des inneren Teils 13 und den nach Innen ragenden Armen des äußeren Teils 14 des Antriebsrads 9 ermöglicht eine Bewegung der Welle 4 mit dem inneren Teil 13 in und/oder entgegen der Drehrichtung D der angetriebenen Welle auf einem Kreisbogen B um die Achse A relativ zu dem äußeren Teil 14 des Antriebsrads 9 sowie der daran angreifenden Antriebskette, die den Zugmitteltrieb gegenüber den Verbrennungsmotor festlegt.

Im Folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des oben beschriebenen Zugmitteltriebs bzw. der Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion einer angetriebenen Welle näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung bewirkt durch die Relativbewegung der Ausgleichsmassen 2 gegenüber dem zugeordneten Zugmitteltrieb bzw. der angetriebenen Welle 4 ein Kompensationsmoment, das bei einer geeigneten Ansteuerung der Stellmechanismen zur Tilgung oder Reduzierung der dynamischen Anteile des an der angetriebene Welle 4 aufgeprägten Lastmoments und damit zur Schwingungsreduktion im Zugmitteltrieb selbst führt. Zur Verringerung der dynamischen Anteile des Lastmoments M reicht bereits eine periodische Anregung der Ausgleichsmassen 2 durch den Stellmechanismus 3, die mechanisch durch Nocken, Federn oder Verzahnungen einer gegenüber der angetriebenen Welle 4 ortsfesten Kontur erreicht werden kann. Mit einer derartigen rein periodischen Relativbewegung lassen sich insbesondere die im Resonanzbereich der angetriebenen Welle 4 auftretenden maximalen dynamischen Momente und damit auch die Resonanz-Schwingungen im Zugmitteltrieb reduzieren. Demgegenüber kann bei einer aktiven Steuerung der Stellmechanismen 3 mittels einer Steuerung 5

eine Tilgung oder Reduzierung der dynamischen Anteile des Lastmoments M bzw. der Schwingungen über den gesamten Drehzahlbereich der Welle 4, oder zumindest über einen großen Bereich davon, erreicht werden. Eine aktive Ansteuerung des Stellmechanismus 3 durch die Steuerung 5 kann sowohl in Abhängigkeit eines vorliegenden Motorkennfeldes, als auch mittels der Messung des tatsächlich an der angetriebenen Welle 4 anliegenden dynamischen Drehmoments als proportionale Größe für die Schwingungen im System erfolgen.

Mit einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb mit Ausgleichsvorrichtung wird das benötigte Kompensationsmoment direkt durch die mittels eines Aktuators in oder entgegen der Drehrichtung D der Welle 4 drehbaren Ausgleichsmasse 2 aufgebracht. Mittels des als Aktuator ausgebildeten Stellmechanismus 3, z.B. einem Piezoelement, werden die Ausgleichsmassen 2 tangential kraftangeregt, wodurch ein entsprechendes Reaktionsmoment auf der Welle zur Kompensation des dynamischen Anteils des Lastmoments M und damit der Schwingungen im Zugmitteltrieb erzeugt wird. Durch die direkte Momentenerzeugung sind nur kleine Relativwege der Ausgleichsmasse 2 notwendig, so dass die notwendigen Auslenkungswege der Ausgleichmassen 2 zum Teil nur wenige Millimeter oder bei großen Massen weniger als ein Millimeter betragen. Diese geringe Auslenkung der Ausgleichsmasse 2 ermöglicht die Nutzung schneller und steuerungsfähiger Stellmechanismen 3, z.B. Piezoelemente, wodurch die Ausgleichsvorrichtung flexibel einsetzbar und der Schwingungsausgleich auf die Drehzahl anpassbar ist. Durch die direkte Momentenerzeugung mittels der tangentialen Kraftanregung der Ausgleichmassen 2 lässt sich auch der sich ergebende Momentenvektor gegenüber der Drehachse A der Welle 4 verschieben und damit die Ausgleichsmassen 2 in Abhängigkeit der Relativwege frei anordnen und dimensionieren.

Die direkte Krafteinbringung durch tangential wirkende Aktuatoren ermöglicht die direkte Kompensation des dynamischen Anteils der Schwingungen bzw. des gemessenen Lastmoments M. Das an einer angetriebenen Welle 4 anliegende Lastmoment M kann dabei beispielsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens 6 gemessen werden, dessen Ausgangsspannung direkt als Eingangsgröße für den Stellmechansimus, bzw. Aktuator, oder als Eingangsgröße für eine den Stellmechanismus 3 ansteuernde Steuerung 5 genutzt werden kann, wobei der angesteuerte Stellmechanismus 3 die notwendige Kraft zum Bewegen der Ausgleichsmasse 2 im Wesentlichen tangential auf die Ausgleichsmasse 2 aufbringt und so ein entsprechendes Kompensationsmoment erzeugt.

Darüber hinaus kann eine direkte Ansteuerung des Stellmechanismus 3 erreicht werden, indem das dynamische Drehmoment an der angetriebenen Welle 4 mittels eines Piezo- elements aufgenommen wird, wobei das Piezoelement im Prinzip frei auf dem bewegten System angeordnet werden kann. Eine besonders sinnvolle Anordnung ist ein spiegelbildlicher Aufbau zur Ausgleichsvorrichtung, wobei das Piezoelement mit einem Ende am Massenträger befestigt wird, während das andere Ende mit einer (kleinen) Masse versehen ist. Hierdurch erzeugt das Piezoelement ein Ausgangssignal, das proportional zum Trägheitsmoment ist, anstatt zur elastischen Auslenkung. So befinden sich Mess- und Stellgröße in derselben Ableitungsordnung (2. Ordnung/Beschleunigung), wodurch eine direkte ungesteuerte Schaltung zur Kompensation der Momente möglich wird. Die Ausgangsspannung des Piezoelements dient dann direkt als Eingangsgröße für den Stellmechanismus 3, beispielsweise ebenfalls ein Piezoelement, das dann die tangentiale Kraftanregung der Ausgleichsmasse 2 aufbringt, um ein dem dynamischen Anteil des Lastmoments M proportionales Kompensationsmoment an der angetriebenen Welle 4 zu erzeugen.

Die mindestens eine Ausgleichsmasse 2 einer erfindungsgemäßen Drehmoment- Ausgleichsvorrichtung ist im Falle einer einzelnen Masse bevorzugt als ringförmige oder kreisförmige Ausgleichsmasse 2 ausgebildet, die drehbar um die Drehachse A der Welle auf dem Massenträger 1 angeordnet ist. Diese ring- oder kreisförmige Ausgleichsmasse 2 wird durch den tangential wirkenden Aktuator in eine Drehung auf einem Kreisbogen in oder entgegen der Drehrichtung der Welle versetzt. Da sich diese ring- oder kreisförmige Ausgleichsmasse 2 um die Drehachse A der angetriebenen Welle 4 dreht, entstehen keine zusätzlichen dynamischen Momente. Als zweite Möglichkeit zusätzliche dynamische Momente zu verhindern, ist die gleichmäßig versetzte Anordnung mehrerer Ausgleichsmassen 2 um die Drehachse A der Welle 4 herum mit einem jeweils gleichen Abstand zueinander sowie einem gleichen Abstand zur Drehachse A. Solange alle einzelnen Ausgleichsmassen 2 gleichartig relativ zur Drehachse A angeregt werden, entsteht unabhängig davon, ob eine Anregung auf einem Kreisbogen oder einer Tangente eines Kreises erfolgt, kein zusätzlich dynamisches Moment. Durch das paarweise oder gleichmäßige Anbringen der Ausgleichsmassen 2 bleibt die Ausgleichsvorrichtung bei gleicher Ansteuerung der Ausgleichsmassen 2 nach außen hin kräftefrei, so dass auch keine zusätzliche Lagerbelastung entsteht.

Die vorliegende Ausgleichsvorrichtung ermöglicht ein Drehmomentenausgleich einer angetriebenen Welle mit kleinen Ausgleichsmassen 2 und einer kleinen Auslenkung der Ausgleichsmasse 2 über tangential kraftangeregte Aktuatoren. Durch die geringen zusätzlich notwendigen Ausgleichsmassen bzw. durch den Verzicht auf zusätzliche Massen können auch die zusätzlichen statischen Momente durch die Ausgleichsvorrichtung gering gehalten werden, beispielsweise wenn der Massenträger 1 gleichzeitig als Antriebs- oder Abtriebsrad der Welle 4 genutzt wird oder die angetriebene Welle 4 selbst als Ausgleichsmasse 2 dient. Auch bei nicht vollständig ausgeglichen angeordneten Ausgleichsmassen 2 bzw. ungleichen oder einseitigen Bewegungen der Ausgleichsmasse 2 sind durch die kleinen Auslenkungswege und kleinen Massen die zusätzlichen dynamischen Momente relativ gering.

Eine andere mögliche Ausführungsform sieht vor, eine reine Ausgleichsvorrichtung zur Schwingungsreduktion in einem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb, im Falle eines Steuertriebs, nockenwellenseitig zu installieren, um eine spreizungsabhängige Wirkung zu erreichen.

Bei der in Fig. 4a gezeigten Kombination eines Nockenwellen-Verstellsystems herkömmlicher Bauart in einem Zugmitteltrieb mit einer Ausgleichsvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung, wird die Wirkungsweise der einzelnen Funktionen nicht verändert, obwohl beide Funktionen durch eine einzige Vorrichtung bewirkt werden. Die Winkelverstellung der Steuerzeit erfolgt bei dieser Vorrichtung durch den Stellmechanismus 3 in Abhängigkeit einer für den jeweiligen Leistungsbereich oder Betriebszustand des Motors gewünschten Einstellung die von den Schwingungen im Zugmitteltrieb bzw. dem momentanen Lastmoment M an der Nockenwelle völlig unabhängig ist. Im Gegensatz zur Winkelverstellung der Steuerzeit hängt die Ansteuerung zur Schwingungsreduktion direkt von Schwingungen oder dem an der Welle 4 anliegenden Lastmoment M, bzw. dessen dynamischer Anteile, ab, die wiederum von der momentanen Beschleunigung der Welle 4 mittels des Antriebsrads abhängen. In dieser kombinierten Vorrichtung ist die Ansteuerung der Ausgleichsmasse zur Schwingungsreduktion mit der Winkelverstellung der Steuerzeit überlagert, obwohl die einzelnen Funktionen auf unterschiedlichen Ebenen wirken. Die Schwingungen des Zugmitteltriebs bzw. der dynamische Anteil des Lastmoments M verändern sich bereits im Laufe der Drehung der Welle 4 um die Drehachse A um wenige Winkelgrade, während die Steuerzeit-Verstellung eine längerfristige, von der Drehung der Welle und der Drehwinkelstellung unabhängigen Lageverstellung

der Nockenwelle 4 zu deren Antrieb durch das Antriebsmittel bewirkt, d.h. für eine sehr große Anzahl von Umdrehungen der Nockenwelle 4 bzw. für einen bestimmten Betriebsbereich des Motors. Um diese auf unterschiedlichen Ebenen wirkenden Funktionen zu bewältigen, muss der Stellmechanismus 3 sowohl einen entsprechenden Hub in oder entgegen der Drehrichtung D der Nockenwelle 4 bereitstellen, als auch die notwendige Reaktionsgeschwindigkeit zum Erzeugen eines Kompensationsmoments aufweisen.