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Die vorliegende Erfindung betrifft ein drehschwingungsisoliertes Kupplungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige drehschwingungsisolierte Kupplungselemente kommen zur Reduzierung von unerwünschten Drehschwingungen in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen zum Einsatz, wie beispielsweise in den Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen, Schiffen, Kolbenkompressoren, Kolbenpumpen oder in stationären Kraftwerken zur Energieerzeugung.
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Für die letztgenannten Anwendungen werden sogenannte Genset-Motoren eingesetzt, die im Gegensatz zu mobilen PKW- oder LKW-Antrieben einen vorwiegend stationären Betriebspunkt mit einer gleichbleibenden Drehzahl und einem nahezu konstanten Lastmoment aufweisen. Der derzeitige Stand der Technik sieht hierfür überwiegend Kupplungen mit einer linearen Federkennlinie vor. Die konstante positive Drehfedersteifigkeit wird hierbei üblicherweise anhand des zu übertragenden Antriebsmoments dimensioniert. Durch diese Drehsteifigkeit des Antriebsstrangs werden allerdings auch Torsionsschwingungen (z.B. infolge von Schwankungen des Drehmoments) übertragen.
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Um das statische Antriebsmoment im stationären Betriebspunkt ohne unerwünschte Momentenschwankungen übertragen zu können, ist eine nichtlineare Drehsteifigkeit mit degressiver Federkennlinie erforderlich. Hierbei steigt das Torsionsmoment zunächst mit zunehmendem Verdrehwinkel des Kupplungselements an, bis im stationären Betriebspunkt ein nahezu konstantes Momentenniveau erreicht wird (engl.: QZS Quasi-Zero-Stiffness Isolator). Aus der vernachlässigbaren Drehsteifigkeit im Arbeitspunkt resultiert eine optimale Isolation des restlichen Antriebsstrangs von unerwünschten Drehschwingungen.
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Zur Realisierung einer solchen degressiven Federkennlinie wird das üblicherweise bereits im Antriebsstrang vorhandene lineare Drehfederelement (z.B. eine Gummikupplung mit konstanter positiver Drehsteifigkeit) um ein parallelgeschaltetes nichtlineares Drehfederelement ergänzt. Das nichtlineare Drehfederelement weist hierbei eine Drehsteifigkeit auf, die von der Relativverdrehung bzw. dem Verdrehwinkel des Kupplungselementes abhängig ist. Die nichtlineare Federkennlinie besitzt hierbei im Winkelbereich des stationären Betriebspunktes eine negative Steifigkeit, deren Absolutbetrag dem Wert der konstanten positiven Drehsteifigkeit des linearen Federelements entspricht. Aus der Parallelschaltung beider Federelemente resultiert somit eine verschwindende Drehsteifigkeit im Arbeitspunkt.
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Für die praktische Umsetzung einer solchen Drehschwingungsisolation ist ein nichtlineares Kupplungselement mit negativer Drehfedersteifigkeit im Arbeitspunkt erforderlich. Konzepte zur Realisierung negativer Drehsteifigkeiten werden beispielsweise für die Steigerung der Energieeffizienz von Aktuatoren vorgeschlagen, die zur Deformation von Tragflügelstrukturen in der Luftfahrt eingesetzt werden können. Abgesehen von grundlegenden Konzeptentwürfen ist bisher keine technische Realisierung einer negativen Drehsteifigkeit für den Einsatz in Antriebssträngen bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes drehschwingungsisoliertes Kupplungselement zu schaffen, welche die beiden Anforderungen, nämlich die Übertragung des statischen Drehmoments und gleichzeitig die breitbandige Isolation des Antriebsstranges, erfüllt und zudem die Nachteile eines erhöhten Bauraumbedarfes und eines begrenzten Frequenz- bzw. Drehzahlbereiches nicht mehr aufweist oder wenigstens in bedeutender Weise reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch ein drehschwingungsisoliertes Kupplungselement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Vor dem Hintergrund des beschriebenen QZS Quasi-Zero-Stiffness-Konzepts zur Drehschwingungsisolation besteht ein Erfindungsgedanke in der Realisierung eines nichtlinearen Kupplungselements mit negativer Drehsteifigkeit.
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Dementsprechend umfasst ein drehschwingungsisoliertes Kupplungselement mit einer Drehachse einen Außenring als Eingangsseite des Kupplungselementes, einen Innenring als Ausgangsseite des Kupplungselementes und mindestens eine Energiespeichereinheit mit mindestens einem Energiespeicherelement. Das drehschwingungsisolierte Kupplungselement weist eine nichtlineare Drehsteifigkeit auf.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Kupplungskonzept zur Realisierung einer nichtlinearen Drehfederkennlinie mit negativer Drehsteifigkeit vor. Eine mögliche Anwendung des Kupplungselements ist die beschriebene Drehschwingungsisolation (quasi-zero stiffness concept) von Antriebssträngen in Kombination mit einem bereits vorhandenen Kupplungselement mit positiver Drehsteifigkeit. Das Konzept erfüllt hierbei insbesondere die Anforderung einer negativen Drehsteifigkeit in einem begrenzten Winkelbereich (insbesondere im Bereich des stationären Arbeitspunktes).
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Ein besonderer Vorteil hierbei ist es, dass sich das vorgeschlagene Kupplungselement gegenüber alternativen Konzepten zur Realisierung negativer Drehsteifigkeiten, die beispielsweise auf magnetischen Wirkprinzipien basieren, durch einen sehr einfachen Mechanismus mit rein mechanischen Komponenten auszeichnet. Somit profitiert das Konzept neben geringen Fertigungskosten auch von einer vereinfachten Auslegung, Montage und Fertigbarkeit.
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Unter dem Begriff „Energiespeicherelement“ sind nicht nur Federn wie z.B. Druckfedern, sondern auch Alternativen wie z.B. Druckluftfedern mit variablem Druck als Vorspannung, Gasdruckfedern, Hydraulikfedern u. dgl. zu verstehen.
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Eine Ausführung sieht vor, dass die nichtlineare Drehsteifigkeit des drehschwingungsisolierten Kupplungselementes durch die Kombination einer positiven Drehsteifigkeit und einer negativen Drehsteifigkeit in einem Arbeitspunkt eine sehr geringe oder eine verschwindende Drehsteifigkeit, insbesondere den Wert Null, aufweist. Auf diese Weise resultiert vorteilhaft aus der vernachlässigbaren Drehsteifigkeit im Arbeitspunkt eine optimale Isolation des restlichen Antriebsstrangs von unerwünschten Drehschwingungen.
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In einer Ausführung ist die negative Drehsteifigkeit durch die Komprimierung des mindestens einen Energiespeicherelementes der mindestens einen Energiespeichereinheit gebildet, wobei das mindestens eine Energiespeicherelement eine radial angeordnete translatorische Druckfeder ist, die mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Profil des Außenrings in Kontakt steht.
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Die Druckfeder kann natürlich auch eine Druckluftfeder mit variablem Druck als Vorspannung, Gasdruckfeder, Hydraulikfeder o. dgl. sein.
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Es ist hierbei vorteilhaft, dass die Nichtlinearität der Drehsteifigkeit (d.h. die Variation der Drehsteifigkeit mit dem Verdrehwinkel der Kupplung) im Wesentlichen durch die Komprimierung der mindestens einen radial angeordneten translatorischen Druckfeder entsprechend eines in Umfangsrichtung verlaufenden Profils erreicht wird.
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Innerhalb des vorgegebenen Verdrehwinkelbereichs des Kupplungselementes gewährt dieses Prinzip eine größtmögliche Flexibilität bei der Auslegung der nichtlinearen Federkennlinie durch die nahezu unbegrenzte Anzahl möglicher Profilgeometrien. Ist die Profilgeometrie festgelegt, so ermöglicht die Variation der Federvorspannung eine nachträgliche Anpassung der Federkennlinie.
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Eine weitere Ausführung sieht vor, dass der Außenring des Kupplungselementes und der Innenring des Kupplungselementes über die mindestens eine Energiespeichereinheit gekoppelt sind, wobei der Außenring des Kupplungselementes und der Innenring des Kupplungselementes koaxial zueinander und zu der Drehachse) angeordnet sind. Dies ergibt einen vorteilhaft kompakten Aufbau.
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In einer alternativen Ausführung ist die negative Drehsteifigkeit durch die Komprimierung des mindestens einen Energiespeicherelementes der mindestens einen Energiespeichereinheit gebildet, wobei das mindestens eine Energiespeicherelement eine axial angeordnete translatorische Druckfeder ist, die mit einem in Längsrichtung der Drehachse verlaufenden Profil des Außenrings in Kontakt steht. Dies ist vorteilhaft, da keine Variation der Vorspannung der Druckfeder durch drehzahlabhängige Fliehkraft auftritt.
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Hierbei ist es vorgesehen, dass der Außenring des Kupplungselementes und der Innenring des Kupplungselementes über die mindestens eine Energiespeichereinheit gekoppelt sind, wobei der Außenring des Kupplungselementes und der Innenring des Kupplungselementes axial hintereinander in Richtung der Drehachse angeordnet sind. Auch hierbei tritt vorteilhaft keine Variation der Vorspannung der Druckfeder durch drehzahlabhängige Fliehkraft auf.
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Die axial angeordnete translatorische Druckfeder kann auch als eine Druckluftfeder mit variablem Druck als Vorspannung, Gasdruckfeder, Hydraulikfeder o. dgl. ausgebildet sein.
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Es ist zudem in einer noch weiteren Ausführung mit der radial angeordneten Druckfeder vorteilhaft, wenn zwischen einer innenliegenden Mantelfläche des Außenrings und einer Außenmantelfläche des Innenrings ein Zwischenraum gebildet ist, da somit der kompakte Aufbau noch verbessert wird.
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Hierzu ist es in einer Ausführung vorgesehen, dass der Außenring auf der innenliegenden Mantelfläche das Profil mit einer Profilkontur aufweist, wobei das Profil von der innenliegenden Mantelfläche des Außenrings in den Zwischenraum hervorsteht. Dies ist vorteilhaft, da somit eine noch weitere Verbesserung des kompakten Aufbaus erreicht werden kann.
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Hierbei ist es zudem vorteilhaft, wenn die Profilkontur des Profils des Außenrings als eine harmonische Profilkontur, beispielsweise mit einem Cosinus-Profil, ausgebildet ist. Es ist selbstverständlich möglich, dass auch andere Profile verwendet werden können, wie beispielsweise ein trapezförmiges Profil etc.
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Die Gestaltung der Profilkontur ermöglicht vorteilhaft die Realisierung beliebiger Federkennlinien. Mittels symmetrischer bzw. asymmetrischer Profilkonturen ist es zudem möglich, für die beiden Rotationsrichtungen des Kupplungselements entweder identische oder unterschiedliche Federkennlinien zu realisieren. Durch die flexible Profilkontur ist die negative Drehsteifigkeit nicht auf einen bestimmten Winkelbereich beschränkt, sondern kann auch für mehrere aufeinanderfolgende Winkelbereiche ausgelegt werden. Hierdurch ist eine optimal Drehschwingungsisolation für mehrere unterschiedliche Arbeitspunkte möglich.
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Für eine vorteilhafte Koppelung zwischen der innenliegenden Mantelfläche des Außenrings und seinem Profil ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Energiespeichereinheit in Abhängigkeit von einem Relativwinkel um die Drehachse zwischen dem Außenring und dem Innenring entweder mit der innenliegende Mantelfläche des Außenrings oder mit dem Profil mit seiner Profilkontur in Kontakt steht.
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In einer weiteren Ausführung umfasst die mindestens eine Energiespeichereinheit mindestens eine Druckfeder, ein Vorspannelement mit einer Mittelachse und ein Kontaktelement, wobei die mindestens eine Energiespeichereinheit mit der mindestens einen Druckfeder und einem Teil des Vorspannelementes in dem Innenring in einem Aufnahmeraum in Richtung der Mittelachse und somit in radialer Richtung in Bezug auf die Drehachse angeordnet ist. Dieser Aufbau ist vorteilhaft einfach und kompakt.
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Die Druckfeder kann auch in diesem Fall eine Druckluftfeder mit variablem Druck als Vorspannung, Gasdruckfeder o. dgl. sein
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In einer weiteren Ausführung steht die mindestens eine Druckfeder mit einem ersten Federende mit dem Vorspannelement in Verbindung oder in Kontakt, wobei ein zweites Federende der mindestens einen Druckfeder als das Kontaktelement ausgebildet oder mit dem Kontaktelement verbunden ist, und wobei die mindestens eine Druckfeder das Kontaktelement gegen die innenliegende Mantelfläche des Außenrings oder das Profil drückt. Hierzu sind vorteilhafterweise nur wenige Bauelemente erforderlich, deren Montage ebenfalls einfach gestaltet werden kann.
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Es in alternativer Ausführung auch möglich, dass das Profil im Falle der radial(en) angeordneten translatorischen Feder(n) sowohl an der Innenseite des Außenrings als auch an der Außenseite des Innenrings angeordnet sein kann. Im letzteren Fall befindet sich dann die Energiespeichereinheit im Außenring.
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In der alternativen Ausführung mit axial angeordneter/angeordneten translatorischer/translatorischen Feder/Federn ist das Profil links oder rechts der Energiespeichereinheit in axialer Richtung angeordnet.
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In einer anderen Ausführung ist eine Vorspannung der mindestens einen Druckfeder durch Verstellen des Vorspannelementes einstellbar. Durch die variable Federvorspannung ist auch nachträglich eine vorteilhafte Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle und Betriebszustände ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Kontaktelement ein Wälzkörper, insbesondere eine Kugel, ist, da auf diese Weise durch den Wälzkörper nur eine geringe Rollreibung auftritt und Verschleiß verringert wird. Außerdem wird ein Winkelausgleich der Rotationsachsen ermöglicht. Der Wälzkörper kann auch beispielsweise eine Zylinderrolle sein.
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In einer anderen Ausführung weist das drehschwingungsisolierte Kupplungselement weiterhin mindestens zwei Energiespeichereinheiten auf. Hierbei ist es von Vorteil, dass die mindestens zwei Energiespeichereinheiten symmetrisch in dem Kupplungselement angeordnet sind. Ein Vorteil hierbei besteht darin, dass sich die radialen Druckkräfte gegenüberliegender Druckfedern kompensieren. Es tritt somit keine resultierende Radialkraft zwischen dem Innenring und dem Außenring auf.
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In einer noch weiteren Ausführung ist das Kupplungselement ein Kupplungselement eines Antriebsstranges einer stationär betriebenen Anwendung, insbesondere eines Antriebsstranges einer stationär betriebenen Verbrennungsmaschine.
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Durch die Drehschwingungsisolation und die hierdurch verringerte Torsionsbeanspruchung des Antriebsstrangs sinken die schwingungstechnischen Anforderungen an die Einzelkomponenten. Zudem können zusätzliche Komponenten, die üblicherweise für die Reduzierung der Torsionsschwingungen erforderlich sind, entfallen. Die Kosten für diese Zusatzkomponenten und der erforderliche Bauraum werden somit verringert. Im Gegensatz zu vergleichbaren Drehfederkonzepten, deren Steifigkeitscharakteristiken üblicherweise nur in einem beschränkten Parameterbereich variiert werden können, erlaubt die im Folgenden beschriebene Erfindung durch die Berücksichtigung einer frei gestaltbaren Profilkontur die Realisierung verschiedenster Federkennlinien sowie ihre nachträgliche Modifikation über eine variable Federvorspannung.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere sind einzelne Merkmale der nachfolgenden Ausführungsbeispiele nicht nur bei diesen, sondern auch bei anderen Ausführungsbeispielen einsetzbar. Es zeigen:
- 1-5: schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen drehschwingungsisolierten Kupplungselementes in verschiedenen Stellungen;
- 6: eine schematische Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
- 7: eine schematische Schnittansicht des weiteren Ausführungsbeispiels nach 6;
- 8: eine vergrößerte schematische Darstellung des Bereich VIII aus 7; und
- 9-10 graphische Darstellungen von Federkennlinien.
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Im Folgenden beziehen sich Begriffe wie „außen“ oder „innen“ auf die jeweilige Zeichnungsebene sowie „axial“ sowie „radial“ auf eine Drehachse 1a eines drehschwingungsisolierten Kupplungselementes 1.
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1 stellt eine schematische radiale Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen drehschwingungsisolierten Kupplungselementes 1 in einer Ausgangslage dar.
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Das drehschwingungsisolierte Kupplungselement 1 weist eine Drehachse 1a auf. Das Kupplungselement 1 umfasst einen Außenring 2 als Eingangsseite mit einer zentralen Ausnehmung mit einer innenliegenden Mantelfläche 2a, einen Innenring 3 als Ausgangsseite, z.B. in Form einer Nabe, und eine Energiespeichereinheit 4.
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Der Außenring 2 und der Innenring 3 sind konzentrisch zu der Drehachse 1a des Kupplungselementes 1 angeordnet und um einen Relativwinkel φ um die Drehachse 1a gegeneinander verdrehbar.
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Der Innenring 3 ist in der Ausnehmung des Außenrings 2 angeordnet.
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Zwischen der innenliegenden Mantelfläche 2a des Außenrings 2 und einer Außenmantelfläche 3a des Innenrings 3 ist ein Zwischenraum ZR gebildet.
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Der Außenring 1 weist auf der innenliegenden Mantelfläche 2a ein Profil 7 auf. Das Profil 7 steht von der innenliegenden Mantelfläche 2a in den Zwischenraum ZR hervor. Das Profil 7 weist eine Profilkontur 7a auf.
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Die Energiespeichereinheit 4 umfasst ein Energiespeicherelement, das als eine Druckfeder 6 ausgebildet ist, ein Vorspannelement 9 mit einer Mittelachse 9a und ein Kontaktelement 10. Die Energiespeichereinheit 4 ist mit der Druckfeder 6 und einem Teil des Vorspannelementes 9 in dem Innenring 3 in einem Aufnahmeraum 5 in Richtung der Mittelachse 9a und somit in radialer Richtung in Bezug auf die Drehachse 1a angeordnet bzw. translatorisch gelagert.
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Unter dem Begriff „Energiespeicherelement“ sind nicht nur Federn wie z.B. Druckfedern, sondern auch Alternativen wie z.B. Druckluftfedern mit variablem Druck als Vorspannung, Gasdruckfedern, Hydraulikfedern u. dgl. zu verstehen.
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Die Druckfeder 6 ist mit einem ersten Federende 6a, das im Bereich eines zur Drehachse 1a weisenden Bodens des Aufnahmeraums 5 mit dem Vorspannelement 9, z.B. an einer Schraube, verbunden, daran befestigt oder steht mit dem Vorspannelement 9 in Kontakt.
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Ein zweites Federende 6b der Druckfeder 6 ist als das Kontaktelement 10 ausgebildet oder mit dem Kontaktelement 10 verbunden. Die Druckfeder 6 drückt das Kontaktelement 10 gegen die innenliegende Mantelfläche 2a des Außenrings.
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Das Kontaktelement 10 ist hier mit einem dreieckförmigen Querschnitt gezeigt und erstreckt sich parallel zu der Drehachse 1a über einen bestimmten Längenabschnitt der innenliegenden Mantelfläche 2a des Außenrings 2 in axialer Richtung der Drehachse 1a. Natürlich kann das Kontaktelement 10 auch einen punktförmigen Kontaktabschnitt besitzen.
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Auf diese Weise berührt entweder die Druckfeder 6 mit ihrem zweiten Federende 6b als Kontaktelement 10 oder über das Kontaktelement 10 selbst in einem Kontaktpunkt 8 bzw. -abschnitt die innenliegende Mantelfläche 2a des Außenrings 1. Die Vorspannung der Druckfeder 6 kann durch Anziehen bzw. Lösen des Vorspannelementes 9 (Schraube) erhöht bzw. gesenkt werden.
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In der in 1 gezeigten Ausgangslage (Relativwinkel φ = 0) der Kupplungselement1 tritt in dem Kontaktpunkt 8 die Kontaktnormalkraft Fc in radialer Richtung auf.
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Diese Kontaktnormalkraft Fc entspricht der durch das Vorspannelement 9 (Schraube) aufgeprägten Vorspannkraft der Druckfeder 6.
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2 zeigt die schematische radiale Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels nach 1 in einer von der Ausgangslage verdrehten Lage.
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Der Relativwinkel φ ist nun gegenüber seinem Wert 0 in der Ausgangslage erhöht, d.h. der Außenring 2 hat sich z.B. gegenüber dem Innenring 3 im Uhrzeigersinn verdreht.
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Wird der Relativwinkel φ so erhöht wie in 2 gezeigt, so folgt der Kontaktpunkt 8 der Profilkontur 7a des Profils 7 des Außenrings 1.
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Die Druckfeder 6 wird nun durch die radiale Verschiebung des Kontaktpunktes 8 in Richtung auf die Drehachse 1a derart komprimiert, dass die Kraft der Druckfeder 6 steigt.
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Zudem resultieren aus der Zerlegung der Kontaktnormalkraft Fc an der Flanke der Profilkontur 7a des Profils 7 eine radiale Kraftkomponente Fcr und eine Umfangskraft Fcu. Die Umfangskraft Fcu führt zu einem Torsionsmoment T, welches der Relativverdrehung um den Relativwinkel φ entgegenwirkt (positives Drehmoment). Dieser Anstieg des entgegengesetzten Drehmoments T (im Gegenuhrzeigersinn in 2) mit Erhöhung des Relativwinkels φ entspricht einer positiven Drehsteifigkeit. Die Zerlegung der Kontaktnormalkraft Fc bzw. die daraus resultierende Drehsteifigkeit in Abhängigkeit des Relativwinkels φ wird durch die Geometrie der Profilkontur 7a des Profils 7 beeinflusst. Der Betrag der Kontaktnormalkraft Fc bzw. ihrer Kraftkomponenten Fcr und Fcu ist zusätzlich von der Vorspannkraft des Vorspannelementes 9 abhängig.
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Wird der Relativwinkel φ weiter erhöht, so erreicht der Kontaktpunkt 8 den Scheitelpunkt des Profils 7, wie in 3 dargestellt ist.
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In diesem Fall wird die Druckfeder 6 in Richtung auf die Drehachse 1a maximal komprimiert, sodass die resultierende Druckkraft ihren Maximalwert erreicht. Die Komprimierung der Druckfeder 6 entspricht hierbei der radialen Abmessung bzw. der Höhe der Profilkontur 7a des Profils 7, d.h. der Abstand des Scheitels des Profils 7 von der innenliegenden Mantelfläche 2a des Außenrings 2.
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Aufgrund der radial wirkenden Kontaktnormalkraft Fc tritt keine Kraftkomponente Umfangskraft Fcu und somit kein Drehmoment (T=0) auf. Diese Abnahme des Torsionsmoments T bei steigendem Relativwinkel φ entspricht einer negativen Drehsteifigkeit.
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Wird der Relativwinkel φ wie in 4 gezeigt weiter erhöht, so folgt der Kontaktpunkt 8 weiter dem Profil 7 und die Druckfeder 6 wird wieder entspannt.
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Infolge der Kraftzerlegung an der Flanke des Profils 7 tritt erneut eine Kraftkomponente Umfangskraft Fcu der Kontaktkraft auf, jedoch entgegengesetzt zu der Umfangskraft Fcu in 2. Diese entgegengesetzte Umfangskraft Fcu resultiert in einem Drehmoment T, welches diesmal allerdings in Richtung des Relativwinkels φ wirkt (negatives Drehmoment), also im Uhrzeigersinn in 4.
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Die Abhängigkeit der negativen Drehsteifigkeit vom Relativwinkel φ wird durch die Geometrie der Profilkontur 7a des Profils 7 bzw. die Kraftzerlegung beeinflusst. Zusätzlich ist der Absolutbetrag der negativen Drehsteifigkeit von der in der Druckfeder 6 gespeicherten potenziellen Energie bzw. der Federvorspannung durch das Vorspannelement 6 abhängig.
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Abschließend erreicht der Kontaktpunkt 8, wie in 5 dargestellt ist, den unprofilierten Abschnitt der innenliegenden Mantelfläche 2a des Außenrings 2.
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Es tritt ausschließlich die bereits in der Ausgangslage in 1 gezeigte radiale Kontaktnormalkraft Fc und somit kein Drehmoment T auf.
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Mit anderen Worten, die Energiespeichereinheit 4 steht in Abhängigkeit von dem Relativwinkel φ um die Drehachse 1a zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 3 entweder mit der innenliegende Mantelfläche 2a des Außenrings 2 oder mit dem Profil 7 mit seiner Profilkontur 7a in Kontakt.
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6 stellt eine schematische Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des drehschwingungsisolierten Kupplungselementes 1 dar. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht des weiteren Ausführungsbeispiels nach 6. Es ist ein Radialschnitt im Bereich der Energiespeichereinheiten 4 dargestellt. In 8 ist eine vergrößerte schematische Darstellung des Bereich VIII aus 7 gezeigt.
9-10 zeigen graphische Darstellungen von Federkennlinien.
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Das weitere Ausführungsbeispiel des Kupplungselementes 1 weist vier Energiespeichereinheiten 4 mit jeweils einer Druckfeder 6 und einem Spannelement 9 auf. Die vier Energiespeichereinheiten 4 sind in 90°-Winkelabständen um die Drehachse 1a angeordnet. Es können natürlich auch mehr oder weniger (z.B. zwei Energiespeichereinheiten 4) als vier Energiespeichereinheiten 4 vorgesehen sein.
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Der Kontakt zwischen der Profilkontur 7a des Profils 7 und der Druckfeder 6 wird hier über einen Wälzkörper als Kontaktelement 10 realisiert. Die Federenden 6a und 6b sind hier als plattenförmige Bauteile ausgebildet. So wird der Wälzkörper als Kontaktelement 10 auf dem plattenförmigen Bauteil des Federendes 6b beim Abwälzen des Wälzkörpers an der Profilkontur 7a des Profils 7 nicht behindert.
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Der Wälzkörper kann beispielsweise eine Kugel, ein Zylinder o. dgl. sein.
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Eine Federlänge der Druckfeder 6 ist hier mit dem Buchstaben „I“ bezeichnet.
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Die resultierende Drehfederkennlinie des drehschwingungsisolierten Kupplungselementes 1 ist exemplarisch in den 9 und 10 (9 Kennlinie 11) und ( 10 Kennlinie 12) für eine harmonische Profilkontur (Cosinus-Profil) am Außenring 2 und verschiedene Vorspannungen bzw. Einschraubtiefen des Vorspannelementes 9 gezeigt.
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In den 9 und 10 ist jeweils ein Drehmoment T über dem Relativwinkel φ aufgetragen.
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Dabei ist eine Vorspannung durch eine Längendifferenz Δl der Federlänge l der Druckfeder 6 realisiert: In 9: Δl = 0 mm, in 10: Δl = - 1 mm. Die negative Zahl bedeutet Komprimierung der Druckfeder 6.
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Es ist erkennbar, dass durch Erhöhen der Vorspannung (bzw. der zur Verfügung stehenden potentiellen Energie der Druckfeder 6) der Betrag der negativen Drehsteifigkeit erhöht werden kann. Zudem wird durch die in Bezug auf die Ausgangslage (siehe 1) symmetrische Profilkontur 7a des Profils 7 gewährleistet, dass das Kupplungselement 1 für beide Rotationsrichtungen um die Drehachse 1a eine identische Drehfederkennlinie aufweist.
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Durch die symmetrische Anordnung der vier Energiespeichereinheiten 4 mit den Druckfedern 6 in Umfangsrichtung mit entsprechenden Profilen 7a an der innenliegenden Mantelfläche 2a des Außenrings 2 kompensieren sich die radialen Druckkräfte gegenüberliegender Druckfedern 6. Es tritt somit keine resultierende Radialkraft zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 2 auf.
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Gegenüber alternativen Konzepten zur Realisierung negativer Drehsteifigkeiten, die beispielsweise auf magnetischen Wirkprinzipien basieren, zeichnet sich das oben beschriebene drehschwingungsisolierte Kupplungselement 1 durch einen sehr einfachen Mechanismus mit rein mechanischen Komponenten aus.
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Somit profitiert das Konzept neben geringen Fertigungskosten auch von einer vereinfachten Auslegung, Montage und Fertigbarkeit. Zudem ist es durch die variable Federvorspannung der Druckfeder 6 auch nachträglich an unterschiedliche Anwendungsfälle und Betriebszustände anpassbar.
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Die Gestaltung der Profilkontur 7a des Profils 7 an der innenliegenden Mantelfläche 2a des Außenrings 2 ermöglicht die Realisierung beliebiger Federkennlinien.
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Mittels symmetrischer bzw. asymmetrischer Profilkonturen 7a ist es zudem möglich, für die beiden Rotationsrichtungen des Kupplungselementes 1 entweder identische oder unterschiedliche Federkennlinien zu realisieren. Durch die flexible Profilkontur 7a ist die negative Drehsteifigkeit nicht auf einen bestimmten Winkelbereich beschränkt, sondern kann auch für mehrere aufeinanderfolgende Winkelbereiche ausgelegt werden. Hierdurch ist eine optimale Drehschwingungsisolation für mehrere unterschiedliche Arbeitspunkte möglich.
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Die Erfindung ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
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In einer nicht gezeigten, aber leicht vorstellbaren Ausführung ist die Energiespeichereinheit axial in Richtung der Drehachse 1a angeordnet. Dabei ist das mindestens eine Energiespeicherelement als eine axial am Innenring 3 angeordnete translatorische Druckfeder 6 ausgebildet, die mit einem in Längsrichtung der Drehachse 1a verlaufenden Profil 7 des Außenrings 2 in Kontakt steht. Natürlich ist es auch möglich, dass sich die axial angeordnete translatorische Druckfeder 6 am Außenring 2 befindet und mit einem am Innenring 3 angeordneten Profil 7 in Kontakt steht.
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Hierbei befindet sich das Profil 7 jeweils links oder rechts von der Druckfeder 6.
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Bei der axial angeordneten Druckfeder 6 ergibt sich der Vorteil, dass keine Variation der Vorspannung der Druckfeder 6 durch drehzahlabhängige Fliehkraft auftritt.
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Hierbei sind der Außenring 2 des Kupplungselementes 1 und der Innenring 3 des Kupplungselementes 1 über die mindestens eine Energiespeichereinheit 4 gekoppelt, wobei der Außenring 2 des Kupplungselementes 1 und der Innenring 3 des Kupplungselementes 1 axial hintereinander in Richtung der Drehachse 1a angeordnet sind.
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Es ist selbstverständlich möglich, dass auch andere Profile 7 verwendet werden können. Ein solches Profil 7 kann beispielsweise trapezförmig sein.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Kupplungselement
- 1a
- Drehachse
- 2
- Außenring
- 2a
- Mantelfläche
- 3
- Innenring
- 3a
- Außenmantelfläche
- 4
- Energiespeichereinheit
- 5
- Aufnahmeraum
- 6
- Druckfeder
- 6a, 6b
- Federende
- 7
- Profil
- 7a
- Profilkontur
- 8
- Kontaktpunkt
- 9
- Vorspannelement
- 9a
- Mittelachse
- 10
- Kontaktelement
- 11, 12
- Kennlinie
- Fc
- Kontaktnormalkraft
- Fcr; Fcu
- Kraftkomponente
- I
- Federlänge
- T
- Drehmoment
- ZR
- Zwischenraum
- φ
- Relativwinkel