DE102004043136B3 - Drehfeder, Drehfederersatz und Anordnung von Drehfedersätzen - Google Patents

Abstract

Eine Drehfeder mit einem am äußeren Umfang angeordneten Widerlager (1) und einem inneren Widerlager (5) zur Ankopplung an bewegliche und verformbare Teile, wobei die Widerlager (1, 5) relativ zueinander verdrehbar sind, wobei jedem der Widerlager (1, 5) eine Aufnahme (6, 7) für einen Endabschnitt (8, 9) eines Federkörpers zugeordnet ist, der der relativen Verdrehung der Widerlager (1, 5) entgegenwirkt, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Drehfeder anzugeben, die in axialer Richtung schmal baut und im Hinblick auf ihre Feder- und Dämpfungscharakteristik einfach an unterschiedliche Entkopplungsanforderungen anpassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem äußeren Widerlager (1) verbundener Federkörper (2) über mindestens ein Koppelelement (3) mit einem weiteren, mit dem inneren Widerlager (5) verbundenen Federkörper (4) im Sinne einer Reihenschaltung der Federkörper (2, 4) gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Drehfedersatz und eine Anordnung von Drehfedersätzen, welche die genannte Drehfeder umfassen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft eine Drehfeder mit einem am äußeren Umfang angeordneten Widerlager und einem inneren Widerlager zur Ankopplung an bewegliche und verformbare Teile, wobei die Widerlager relativ zueinander verdrehbar sind, wobei jedem der Widerlager eine Aufnahme für einen Endabschnitt eines Federkörpers zugeordnet ist, der der relativen Verdrehung der Widerlager entgegenwirkt. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Drehfedersatz und eine Anordnung von Drehfedersätzen.
• Eine gattungsbildende Drehfeder der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 57 330 C1 bekannt. Solche Drehfedern können insbesondere im Antriebsstrang von diesel- oder ottomotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen verwendet werden. Diese periodisch arbeitenden Kraftmaschinen haben einen diskontinuierlichen Drehmomentverlauf der Kurbelwelle und verursachen Schwingungen im gesamten Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Diese Schwingungen führen zu höheren Belastungen der angeschlossenen Bauteile und zu einer Geräusch- und Vibrationsbelastung im Fahrzeuginnenraum.
• Üblicherweise wird diese Problematik mit einer Reduktion der Schwingungen am hinteren Ende der Kurbelwelle mit einer drehweichen Entkopplung angegangen. Diese drehweiche Entkopplung kann durch den Drehfedersatz eines Zweimassenschwungrads realisiert werden. Mit zunehmender Leistung infolge höheren mittleren Drehmoments der Verbrennungsmotoren erwächst die grundlegende Aufgabe, eine geeignete Entkopplung zu erzielen. Damit geht das Darstellen kleiner Drehfederraten bei gegebenem mittlerem Drehmoment und begrenzt verfügbarem Bauraum einher. Es ist daher erforderlich, eine niedrigere Steifigkeit von Drehfedern zu erzielen und gleichzeitig bei großen Amplituden eine hohe Dämpfung zu erzielen, um Lastwechselschwingungen zu vermeiden. Die aus der DE 101 57 330 C1 bekannte Drehfeder stellt eine im Durchmesser kleine aber axial breite Drehfeder dar, welche die zuvor genannte hohe Leistungsdichte erzielt. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass die Drehfeder in axialer Richtung erheblichen Raum beansprucht.
• Darstellung der Erfindung
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Drehfeder, einen Drehfedersatz sowie eine Anordnung von Drehfedersätzen der eingangs genannten Art anzugeben, die in axialer Richtung schmal bauen und im Hinblick auf ihre Feder- und Dämpfungscharakteristik einfach an unterschiedliche Entkopplungsanforderungen anpassbar sind.
• Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch eine Drehfeder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Drehfeder derart ausgestaltet und weitergebildet, dass ein mit dem äußeren Widerlager verbundener Federkörper über mindestens ein Koppelement mit einem weiteren, mit dem innerer Widerlager verbundenen Federkörper im Sinne einer Reihenschaltung der Federkörper gekoppelt ist.
• In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass mittels eines radial gelagerten Koppelelements, welches Federkörper miteinander verbindet, eine Reihenschaltung von Federelementen in radialer Richtung realisierbar ist. Die Drehfeder erfährt beim Verdrehen eine Änderung in radialer Richtung, jedoch nicht in axialer Richtung. Insoweit ist eine Drehfeder realisiert, die axial schmal baut und in besonders einfacher und flexibler Weise im Hinblick auf ihre Feder- und Dämpfungscharakteristik an verschiedene Entkopplungsanforderungen anpassbar ist.
• Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Drehfeder die genannte Aufgabe gelöst.
• In besonders vorteilhafter Weise könnte die Drehfeder durch einen Aufbau gekennzeichnet sein, bei dem mehrere Koppelemente vorgesehen sind, welche konzentrisch angeordnet sind. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise der Drehfeder und erlaubt die Kombination einer Vielzahl von Federkörpern und Koppelementen. Insoweit ist gewährleistet, dass eine Reihenschaltung einzelner Federkörper auf engstem Raum realisierbar ist.
• In vorteilhafter Weise könnten die Federkörper ringsegmentförmig ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft dahingehend, dass eine Drehfeder im Sinne eines Bausatzes aufgebaut werden kann, wobei die Federkörper und die Widerlager als einzelne Bauelemente dienen. Die Ringsegmente und die Widerlager könnten vor diesem Hintergrund unterschiedliche Radien aufweisen, um im Hinblick auf das zu übertragende Drehmoment und die darzustellende Drehfederrate die Biegebeanspruchung in den Federkörpern zu begrenzen.
• Die Drehfeder könnte Federkörper umfassen, welche jeweils einen ersten Endabschnitt aufweisen, der mit je einer Aufnahme der Widerlager in Eingriff steht, sowie einen zweiten kulissenförmigen Abschnitt aufweisen, der mit je einer kulissenartigen Ausnehmung des Koppelements in Eingriff steht. Diese konkrete Ausgestaltung ist vorteilhaft, da die kulissenartige Führung des bewegten Federendes eine gleichverteilte Beanspruchung des Federkörpers bei hoher Relativverdrehung gewährleistet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn die Drehfederrate durch eine zweistufige Drehmoment-Drehwinkel-Kennlinie mit zwei Steigungen charakterisierbar sein soll, wobei die erste Steigung eine weiche und die zweite eine steife Federcharakteristik repräsentieren soll. Die weiche Federcharakteristik wird dadurch bewirkt, dass der Abschnitt des Federkörpers zunächst in der kulissenartigen Ausnehmung des Koppelelements führbar ist, bevor er zum Anschlag kommt und kraftbeaufschlagt wird. Der relativ zum Koppelelement bewegte Endabschnitt des Federkörpers könnte in seinem Freiraum mit Fluid befüllt sein. Das Verdrängen des Fluids hat besonders dämpfende Eigenschaften auf die Bewegung des Endabschnitts und damit des Federkörpers sowie der Drehfeder.
• Mindestens in einen Federkörper, welcher als Koppelelement fungiert, könnte eine Kulissenführung für den nächsten Federkörper integriert sein. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn eine Drehfeder mit hintereinander geschalteten Federkörpern realisiert werden soll.
• Das Koppelelement könnte radial steif drehbar gelagert sein und im Lastbetrieb seine radiale Position nicht gegenüber der Ruheposition verändern. Eine solche Ausgestaltung ist im Hinblick auf eine Vermeidung von Unwuchten von besonderer Bedeutung.
• Die Federraten der Federkörper werden durch deren Gestalt, insbesondere durch die axiale Breite, radiale Höhe und Erstreckung am Umfang bestimmt. Die Drehdämpfung könnte durch das radiale Umverlagern von Fluid zwischen den sichelförmigen an den Federkörper angrenzenden Bereichen bewirkt werden. Insoweit fungiert ein Federkörper als verdrängendes Element.
• Des Weiteren ist die eingangs genannte Aufgabe durch einen Drehfedersatz gelöst, der aus mindestens zwei erfindungsgemäßen Drehfedern besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass jeweils die äußeren Widerlager (1) einer jeden Drehfeder und die inneren Widerlager (5) einer jeden Drehfeder miteinander zur Parallelschaltung der Drehfedern drehfest verbunden sind. Eine solche Ausgestaltung löst erfindungsgemäß die eingangs genannte Aufgabe, indem ein axial schmal bauender Drehfedersatz realisierbar ist, der eine abstimmbare Gesamtfederkonstante aufweist. Um Wiederholungen zu vermeiden, sei in Bezug auf die erfinderische Tätigkeit auf die Ausführungen zur Drehfeder als solcher verwiesen.
• Es könnte mindestens ein Element zur Einstellung der Drehdämpfung des Drehfedersatzes vorgesehen sein. Das Element könnte den Fluidfluss zwischen miteinander verbundenen Hohlräumen zwischen Federkörpern, Widerlagern und Koppelelementen beeinflussen. Durch eine solche Ausgestaltung wird die Drehdämpfung, deren Maximalwert durch die Spalte zwischen den Federkörpern bestimmt wird, zum Beispiel auslenkungsabhängig abstimmbar. Insbesondere ist hierbei denkbar, in einem Drehfedersatz als Elemente Trennwände vorzusehen, welche radiale Ausnehmungen aufweisen. Diese Ausnehmungen können als Bypässe auslenkungsabhängig durch die Federkörper geöffnet und/oder geschlossen werden. So kann eine drosselnde Querschnittsfläche bei großen Amplituden geschlossen und damit die Drehdämpfung erhöht werden. Insoweit können durch Elemente, welche einen Fluidfluss günstig beeinflussen, ruckartige Bewegungen und Kraftstöße vermieden oder selektiv gesteuert werden. Vor diesem Hintergrund ist es denkbar, dass eine Trennwand als Blech ausgebildet ist. Die Ausgestaltung als Blech ist besonders kostengünstig und erlaubt eine einfache stanztechnische Herstellung.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung betrifft den sandwichartigen Aufbau dieser Trennwände aus einem Metall-Elastomer-Metall-Verbund. Infolge der höheren Wärmedehnung von Elastomer gegenüber Metall, wie z. B. Stahl, werden die axialen Spalte zwischen den Drehfedern und zwischen Drehfedern und Gehäuse sowie zwischen Drehfedern und Trennwänden mit ansteigender Temperatur kleiner. Dieser Effekt lässt sich so abstimmen, dass damit der Abfall der Viskosität des Fluids und die damit gekoppelte Abnahme des Drehdämpfungsvermögens infolge erhöhter Temperatur nahezu ideal kompensiert werden kann.
• Die Koppelelemente könnten radial steif drehbar gelagert sein und im Lastbetrieb ihre radiale Position nicht gegenüber der Ruheposition verändern. Eine solche Ausgestaltung ist im Hinblick auf eine Vermeidung von Unwuchten von besonderer Bedeutung. Hierbei ist eine Anordnung von zwei Drehfedersatzpaaren besonders vorteilhaft, wobei das erste Paar gleich orientiert ist und aus zwei nebeneinander liegenden Drehfedern besteht, und das zweite Paar aus jeweils rechts und links vom ersten Paar liegende um 180° relativ zum ersten verdreht angeordnete Drehfedern besteht. Durch die drehbare Lagerung der verbundenen Koppelelemente beider Drehfedersatzpaare wird der Gesamtschwerpunkt eines Drehfedersatzes bei sich bewegenden Widerlagern und Federkörpern nicht verändert.
• Die eingangs genannte Aufgabe wird des Weiteren durch eine Anordnung gelöst, welche aus mindestens zwei erfindungsgemäßen Drehfedersätzen besteht, bei denen jeweils die inneren Widerlager eines ersten Drehfedersatzes und die äußeren Widerlager eines zweiten Drehfedersatzes zur Reihenschaltung der Drehfedersätze drehfest verbunden sind. Eine solche Ausgestaltung löst erfindungsgemäß die eingangs genannte Aufgabe, indem eine Anordnung axial schmal bauender Drehfedersätze realisierbar ist, die eine abstimmbare Gesamtfederkonstante aufweist. Um Wiederholungen zu vermeiden, sei in Bezug auf die erfinderische Tätigkeit auf die Ausführungen zur Drehfeder als solcher verwiesen.
• Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
• Kurzbeschreibung der Zeichnung
• In der Zeichnung zeigen:
• 1 in einer radialen Schnittansicht eine erfindungsgemäße Drehfeder und
• 2 in einer axialen Schnittansicht eine Paralleschaltung erfindungsgemäßer Drehfedern.
• Ausführung der Erfindung
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Drehfeder mit einem am äußeren Umfang angeordneten Widerlager 1 und einem inneren Widerlager 5 zur Ankopplung an bewegliche und verformbare Teile. Die Widerlager 1, 5 sind relativ zueinander verdrehbar. Dabei ist das äußere Widerlager 1 auf einer Trajektorie verdrehbar, welche einen größeren Umfang beschreibt als das innere Widerlager 5. Dem Widerlager 1 ist eine Aufnahme 6 für einen Endabschnitt 8 eines Federkörpers 2 zugeordnet, der der Relativverdrehung der Widerlager 1 und 5 entgegenwirkt. Dem Widerlager 5 ist eine Aufnahme 7 für einen Endabschnitt 9 eines Federkörpers 4 zugeordnet, der der Relativverdrehung der Widerlager 1 und 5 entgegenwirkt.
• Der mit dem Widerlager 1 verbundene Federkörper 2 ist über ein Koppelelement 3 mit einem weiteren, mit dem Widerlager 5 verbundenen Federkörper 4 gekoppelt. Dabei weist der Federkörper 2 einen zweiten T-förmigen Endabschnitt 10 auf, der mit einer kulissenartigen Ausnehmung 12 des Koppelelements 3 in Eingriff steht. Der Federkörper 4 weist einen zweiten T-förmigen Endabschnitt 11 auf, der mit einer kulissenarigen Ausnehmung 13 des Koppelelements 3 in Eingriff steht.
• 2 zeigt in einer axialen Schnittansicht einen Drehfedersatz aus vier Drehfedern, bei dem eine erfindungsgemäße Drehfeder mit weiteren Drehfedern parallel geschaltet ist. Dabei sind jeweils die äußeren Widerlager 1 einer jeden Drehfeder und die inneren Widerlager 5 einer jeden Drehfeder miteinander verbunden. Die äußeren Widerlager 1 sind mit einem Antrieb 15 verbunden, die inneren Widerlager 5 mit einem Abtrieb 16. Die radial zwischen den Drehfedern 2 und 4 angeordneten Koppelelemente 3 sind verbunden und radial gelagert. Zwischen den Drehfedern sind als Elemente 14 Trennbleche angeordnet, die mit Ausnehmungen versehen sind, welche einem Fluiddurchtritt dienen. Diese Ausnehmungen sind in ihrer Dimension auslenkungsabhängig gestaltbar.
• Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
• Abschließend sei ganz besonders hervor gehoben, dass die zuvor rein willkürlich ausgewählten Beispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims (11)

1. Drehfeder mit einem am äußeren Umfang angeordneten Widerlager (1) und einem inneren Widerlager (5) zur Ankopplung an bewegliche und verformbare Teile, wobei die Widerlager (1, 5) relativ zueinander verdrehbar sind, wobei jedem der Widerlager (1, 5) eine Aufnahme (6, 7) für einen Endabschnitt (8, 9) eines Federkörpers zugeordnet ist, der der relativen Verdrehung der Widerlager (1, 5) entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem äußeren Widerlager (1) verbundener Federkörper (2) über mindestens ein Koppelelement (3) mit einem weiteren, mit dem inneren Widerlager (5) verbundenen Federkörper (4) im Sinne einer Reihenschaltung der Federkörper (2, 4) gekoppelt ist.
2. Drehfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkörper (2, 4) ringsegmentförmig ausgebildet sind.
3. Drehfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkörper (2, 4) jeweils einen ersten Endabschnitt (8, 9) aufweisen, der mit einer Aufnahme (6, 7) der Widerlager (1, 5) in Eingriff steht, und je einen zweiten kulissenförmigen Endabschnitt (10, 11) aufweisen, der mit je einer kulissenartigen Ausnehmung (12, 13) des Koppelelements (3) in Eingriff steht.
4. Drehfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federkörper als Koppelelement (3) fungiert und kulissenartig führbar ist.
5. Drehfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelement drehbar so gelagert ist, dass es im Lastbetrieb seine radiale Position nicht gegenüber der Ruheposition verändert.
6. Drehfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlräumen zwischen den Federkörpern (2, 4) und dem Koppelelement (3) ein Fluid vorhanden ist, welches durch die Bewegung der Federkörper (2, 4) verdrängbar ist.
7. Drehfedersatz bestehend aus mindestens zwei Drehfedern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die äußeren Widerlager (1) einer jeden Drehfeder und die inneren Widerlager (5) einer jeden Drehfeder miteinander zur Parallelschaltung der Drehfedern drehfest verbunden sind.
8. Drehfedersatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element (14) zur Einstellung der amplitudenabhängigen Drehdämpfung des Drehfedersatzes vorgesehen ist.
9. Drehfedersatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) sandwichartig aus Metall-Polymer-Metall aufgebaut ist.
10. Drehfedersatz nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente drehfest verbunden und radial steif drehbar gelagert sind.
11. Anordnung bestehend aus mindestens zwei Drehfedersätzen nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die inneren Widerlager (5) eines ersten Drehfedersatzes und die äußeren Widerlager (1) eines zweiten Drehfedersatzes zur Reihenschaltung der Drehfedersätze drehfest verbunden sind.