Dr. Ad Kooy
Roland Seebacher

Eine weitere Entwicklungsrichtung stellt das FKP im Einmassenschwungrad eines Nutzfahrzeugantriebs dar. Als Besonderheit ist hier der Flansch zu erwähnen, auf dem die Pendel angeordnet sind und der die Geometrie der Bahnen darstellt. Er ist mit Schrauben am Schwungrad befestigt, was eine modulare Bauweise ermöglicht.

Auslegung von Fliehkraftpendeln ab Leerlaufdrehzahl

Bei der Auslegung von FKP im Bereich ab Leerlaufdrehzahl werden drei Ziele verfolgt. Erstens gilt es, eine gute Isolation auch bei niedrigen Drehzahlen zu erreichen. Zu diesem Zweck sind möglichst viel Masse und ein möglichst großer Schwingwinkel erforderlich. Zweitens soll das Abheben des Pendels von der Führungsbahn bei niedrigen Drehzahlen und großen Schwingwinkeln verhindert werden, um Verschleiß an den Bahnen zu vermeiden. Und drittens sollen bei niedrigen Drehzahlen möglichst wenig Anschläge der Dämpfer am Bahnende verursacht werden, um die Gummipuffer zu schonen, die einen Teil der Anschlagsenergie zur Vermeidung von Eigengeräuschen absorbieren.

Die als Farbkarten in Bild 3 dargestellten Prinzipsimulationen auf Basis eines Fahrzeugmodells mit Vierzylindermotor in einem P2-Hybridantrieb zeigen die wichtigsten Abhängigkeiten der gewählten Ordnung. Die jeweilige Ordnung wird im FKP über die Bahnkrümmung von Pendel und Flansch in Kombination mit dem Rollendurchmesser umgesetzt. Dargestellt werden drehzahlabhängig die erreichten Isolationen und die hierfür nötigen Schwingwinkel.

Die Änderung der Bahnkrümmung über den Schwingwinkel im FKP führt zu einer Änderung der Ordnung. Der Effekt dieser Änderung kann im Farbdiagramm abgelesen werden. Wird eine von der 2. Ordnung abweichende Ordnung verwendet, verschlechtert sich zwar die Isolation, dafür reduziert sich aber auch der Schwingwinkel, was ein Anschlagen des Pendels verhindert. Am Ende der Bahn werden deswegen relativ starke Verstimmungen eingesetzt.

Bei der Simulation der Isolationswirkung eines FKP ist allerdings zu beachten, dass bei großen Schwingwinkeln auch die Bahnbereiche für kleine Schwingwinkel mit überstrichen werden, was die sich ergebende integrale Ordnung beeinflusst. Die Prinzipsimulation erfolgt deswegen zunächst bei Volllast. Bei Teillast mit ihren niedrigeren Schwingwinkeln ist der Verlauf der Ordnung und damit die Isolationswirkung trotz identischer Bahn anders. Da aber bei Teillast auch die Anregungen des Motors geringer sind, ist in der Auslegung der Bahngeometrie dafür in der Regel kein Kompromiss erforderlich.

Als Ergebnis kann mit dem FKP eine sehr gute Isolation erreicht werden. Lediglich im Bereich knapp über der Leerlaufdrehzahl ist sie noch nicht ganz ideal. Hier liegt ein Ansatzpunkt für Verbesserungen. Bei innenliegenden FKP ist der Einsatz signifikant höherer Massen ein Lösungsweg, der bei ausreichendem Bauraum beschritten werden kann. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung radial weiter außen liegender, neben der Bogenfeder positionierter FKP, wenn genügend axialer Bauraum vorhanden ist. Die enge Verbindung von Bauraumvorgaben und möglichen konstruktiven Lösungen zur Dämpfung der Drehschwingungen unterstreicht, dass eine frühzeitige Absicherung durch valide Simulationen erforderlich ist.

Auslegung im Start-Stopp-Bereich unterhalb Leerlaufdrehzahl

Beim Abstellen des Motors sinken die Drehzahlen rasch. Ab einem bestimmten Punkt dominiert die Schwerkraft über die Fliehkraft, die Pendel verlieren den Kontakt zu den Rollen. Insbesondere bei außenliegenden FKP, deren Pendelmassen radial weit außen positioniert und die nicht wie im innenliegenden FKP gekapselt sind, können dabei wahrnehmbare, unerwünschte Geräusche entstehen. Der Motorstart ist im Vergleich dazu durch relativ starke Anregungen gekennzeichnet, so dass hier das Anschlagen am Bahnende dominiert.

Mit Hilfe von Simulationen lässt sich die Aufprallenergie der schwingenden Komponenten beim Start zwar gut berechnen; schwieriger verhält sich dies jedoch mit dem Rückprallen der sich relativ zueinander bewegenden Bauteile, da von Aufschlagpunkt und Bahntoleranzen abhängige Drehbewegungen auftreten. Bild 4 zeigt einen Lösungsansatz für dieses Problem. Mit Hilfe eines sogenannten W-Anschlagdämpfers werden die ungewollten Eigendrehbewegungen über eine Zweipunktführung des Pendels weitgehend unterbunden. Durch den dabei verwendeten Elastomerdämpfer konnte eine deutliche Reduzierung dieser Drehbewegungen erreicht werden. Wie beim V-Anschlagdämpfer wird durch das Aufschlagen auf eine breite Gummifläche die absorbierbare Aufschlagsenergie im Vergleich zu bisherigen, ringförmigen Anschlagelementen wesentlich erhöht.

Für innenliegende FKP, die in den Flansch integriert sind, können die beschriebenen Geräusche beim Abstellen des Motors so im Allgemeinen auf ein vertretbares Maß reduziert werden. Bei außenliegenden Pendeln ist das schwieriger. Eine Lösung stellt das sogenannte Koppelpendel da, bei dem die Pendel über Federn sich gegenseitig in Umfangsrichtung abstützen.

Die Vorspannung der Federn ist dabei so gewählt, dass das Pendel auch bei völligem Stillstand des Motors in der Bahn bleibt, der Kontakt zwischen Pendel, Rolle und Flansch also nicht verloren geht. Der Effekt, dass die Federkräfte sich mit den Fliehkräften überlagern, wird über eine Ordnungskorrektur der Bahn weitgehend kompensiert. Sehr hilfreich ist eine solche Federanordnung insbesondere für Pendel in 1. Ordnung, wie sie zum Beispiel bei Zylinderabschaltung von 4 auf 2 aktive Zylinder nötig sind. Denn die Schwerkraft erzeugt bei einem drehenden Pendel ebenfalls eine Anregung 1. Ordnung, die verstärkend auf die Anregung aus der Zylinderabschaltung wirkt.

Das Prinzip lässt sich auch auf ein innenliegendes Pendel übertragen. Auch hier wird das sogenannte Zweiflansch-Design eingesetzt, Bild 4 rechts, das eine einfache Integration der Federn für die Pendelvorspannung ermöglicht. Aus Kostengründen wird dieses Prinzip allerdings nur für sehr hohe Anforderungen und Komfortansprüche wie beispielsweise Hybridfahrzeuge mit häufigen und ohne Zutun des Fahrers automatisiert erfolgenden Wiederstarts eingesetzt.

Der beste Kompromiss zwischen erforderlichen Kontaktkräften und Isolationsverhalten lässt sich durch die Einführung von Reibelementen am FKP finden, und zwar einer Wellscheibe oder einer Tellerfeder zwischen Pendel und Flansch, Bild 7 rechts. Diese verschlechtern die Isolation bei höheren Drehzahlen nicht merklich, helfen aber bei niedrigen Drehzahlen, den Schwingwinkel des FKP zu optimieren. Weiterhin sorgen sie für eine axiale Stabilisierung des Pendels und reduzieren Stopp-Geräusche. Die Reibelemente werden aus Kunststoff gefertigt, haben einen hohen Verschleißwiderstand und erreichen auch bei einer sehr hohen Anzahl von Schwingungen eine ausreichende Lebensdauer. Das Konstruktionsprinzip lässt sich sowohl für Dreizylindermotoren als auch für Vierzylindermotoren einsetzen.

Fliehkraftpendel in Hybridfahrzeugen

Bei Plug-in-Hybriden soll der wahrnehmbare schwingungstechnische Unterschied zwischen dem rein elektromotorischen Fahrbetrieb und dem verbrennungsmotorischen Fahren möglichst gering sein. Daraus ergeben sich komplexe Anforderungen an die Isolation, die dadurch erschwert werden, dass die E-Maschine den Bauraum für den Dämpfer oft noch zusätzlich einschränkt.

Auch die Anordnung des E-Motors spielt eine erhebliche Rolle. Bei P0- und P1-Anordnungen muss das zusätzliche Moment des Elektromotors vom Dämpfer übertragen werden, bei P2- bis P4-Anordnungen ist das nicht der Fall. Besonders bei P2-Anordnungen hilft die zusätzliche Massenträgheit des E-Motors bei der Dämpfung von Drehschwingungen. Die jeweils optimale Lösung hängt stark vom Bauraum ab. Dabei lassen sich verschiedene Wirkprinzipien wie Massen, Federdämpfer und FKP miteinander kombinieren. Durch den Schleppstart zum Wiederstarten nach dem Segeln bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor kommt neben dem normalen Start ein zusätzlicher, kritischer Betriebspunkt hinzu. Denn der Wiederstart sollte für den Fahrer möglichst unmerklich erfolgen. Wird ein FKP eingesetzt, so kann ein Koppelpendel wie oben beschrieben dabei helfen, Anschlaggeräusche zu vermeiden.

Ein interessanter Ansatz für einen besonders schlanken Dämpfer ist ein sekundärseitig zum Getriebe hin angeordnetes FKP als sogenannter „Reversed Small Radial Damper“ (RSRD), Bild 8. Bei diesem Konzept wird der Flansch, der die Bogenfeder betätigt, direkt an der Kurbelwelle des Motors angeschraubt. Durch die Verlagerung der primären Massenträgheit an das Vorderende des Motors muss die Bedämpfung der Kurbelwellen-Eigenfrequenz von 300 bis 500 Hz am hinteren Ende der Kurbelwelle stattfinden. Simulationen zeigen, dass die Bogenfeder die Schwingungen innerhalb der Kurbelwelle bei entsprechender Auslegung dämpfen kann. Dadurch kann ein herkömmlicher, separater Kurbelwellentilger eingespart werden. Weiterer Vorteil: Die Bogenfeder ist radial unter dem FKP angeordnet, außerhalb davon ist lediglich das eigentliche FKP mit einem Berstschutz angebracht. So entsteht zusätzlicher Bauraum für die E-Maschine, bei einer deutlich verbesserten Isolation.

Eine Antiresonanz lässt sich auch durch einen sogenannten Summierdämpfer oder eine Leistungsverzweigung erreichen. Auch hier werden Drehmomentamplituden so addiert, dass sie sich bei einer Frequenz vollständig auslöschen. Diese Systeme haben als zusätzlichen Parameter eine Übersetzung. Der Vorteil besteht darin, dass keine zusätzliche Resonanz entsteht, da kein zusätzlicher Freiheitsgrad durch eine zusätzliche Feder entsteht.

Für alle Antiresonanz-Systeme gilt, dass die Amplitude der Gegenanregung exakt gegenphasig sein sollte. Dabei ist es zwar möglich, die Antiresonanz durch geschickte Wahl der Parameter frei zu wählen. Wenn die Parameter allerdings konstant bleiben, bleibt auch die Antiresonanz auf einer festen Frequenz. Die Anregungsfrequenz ändert sich aber im Fahrzeug proportional zur Motordrehzahl. Das Problem kann dadurch gelöst werden, indem einer der relevanten Parameter proportional zur Anregungsfrequenz verändert werden kann. Ein Beispiel dafür ist das FKP. Es nutzt die Fliehkraft als Energiespeicher hat dadurch in gewisser Weise eine von der Motordrehzahl abhängige Federrate.

Limitierende Faktoren sind hier die Begrenzung des Schwingwinkels durch den Bauraum und der nichtlineare Verlauf der tangentialen Rückstellkraft, die mit zunehmendem Pendelwinkel immer kleiner wird. Dies führt dazu, dass das FKP mit abnehmender Drehzahl an Potenzial verliert.

Anwendung der Wirkprinzipien am Fliehkraftpendel

Die Anwendung der oben beschriebenen Wirkprinzipien kann dem FKP neue Potenziale erschließen. So kann einem Mangel an Bauraum dadurch begegnet werden, dass die Masse des Dämpfersystems in Richtung FKP umverteilt wird, Bild 11. Dadurch kann die Isolation bei gleicher Gesamtmasse verbessert werden; denkbar ist sogar eine Verringerung der Gesamtmasse.

Anwendung der Wirkprinzipien für Tilger auf Zwischenflansch

Nicht immer findet man jedoch die Bauräume derart ideal vor, dass sich genügend FKP-Masse unterbringen lässt. Deshalb lohnt es sich, das Zusammenspiel Resonanz und Antiresonanz genauer zu analysieren. Auch hier können die Wirkprinzipien helfen: Wird der Tilger nicht direkt an der zu bedämpfenden Sekundärmasse angeordnet, sondern symmetrisch zwischen Primär- und Sekundärmasse, kann Antiresonanz entstehen, und das ohne die störende Resonanz im höheren Drehzahlbereich.

Umsetzung: Tilger auf Zwischenflansch

Die symmetrische Anordnung kann dadurch erzielt werden, indem der Tilger zwischen die beiden Massen auf einem sogenannten Zwischenflansch platziert wird. Dies ist in Kombination mit einem FKP eine mögliche Option, wenn ein allzu schweres FKP zu Festigkeitsproblemen führt, mögliche Begrenzungsanschläge Geräusche verursachen oder der vorhandene Bauraum für die radiale Auslenkung zu wenig Spiel lässt.

Bild 13 zeigt ein Beispiel mit verwinkeltem Bauraum. Im verfügbaren Bauraum fehlt der notwendige Platz für die radiale Auslenkung des FKP. Deswegen wird der Tilger auf einen Zwischenflansch gesetzt. In Verbindung mit dem schon vorhandenen FKP können so die Motordrehzahlen ohne zusätzliche Masse um etwa 300 min-1 abgesenkt werden, wodurch eine Verbrauchseinsparung in diesem Betriebspunkt von zirka 6 % möglich wäre.