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Die Erfindung betrifft einen Torsionsschwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Durch die
DE 196 09 043 C1 ist ein Torsionsschwingungsdämpfer bekannt mit einem an einen Antrieb angebundenen antriebsseitigen Übertragungselement, mit einem gegenüber dem antriebsseitigen Übertragungselement um eine im Wesentlichen gleiche Drehachse auslenkbaren abtriebsseitigen Übertragungselement und mit einer zwischen den beiden Übertragungselementen vorgesehenen Dämpungseinrichtung.
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Derartige Übertragungselemente eines Torsionsschwingungsdämpfers werden, sofern sie nicht als Gußteile ausgebildet sind, üblicherweise aus einem thermomechanisch gewalzten und somit gut verformbaren Stahl, wie beispielsweise StW 24, hergestellt und mittels einer Kaltumformung, wie eines Tiefziehvorganges, in ihre bestimmungsgemäße Form gebracht. Ein thermomechanisch gewalzter Stahl liegt vor, wenn ein herstellungsbedingter Walzvorgang bei erhitztem Stahl erfolgt. Es entsteht ein Stahlband, das in Fachkreisen als ”Warmband” bezeichnet wird.
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Nachteilig bei einem solchen Warmband ist allerdings eine vergleichsweise geringe Streckgrenze und Mindestzugfestigkeit. Dies wirkt sich, einen Torsionsschwingungsdämpfer für Antriebe in Form von Brennkraftmaschinen betrachtend, insbesondere dann nachteilig aus, wenn die Antriebe mit hohen Mitteldrücken zur Erzielung großer Drehmomente arbeiten, da an dem mit der jeweiligen Kurbelwelle eines solchen Antriebes verbundenen antriebsseitigen Übertragungselement taumelbedingte Axialverlagerungen auftreten, die sich in Form von Biegebelastungen äußern. Diesen Axialverlagerungen am Primärschwungrad überlagerte Rotationsbewegungen führen zu Umlaufbiegebelastungen, die insbesondere an einem Befestigungsflansch dieses Übertragungselementes unmittelbar radial außerhalb der Befestigungsstelle desselben an der Kurbelwelle zu einer Rißbildung führen können.
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Derartige Umlaufbiegebelastungen werden vor einer Übertragung an das abtriebsseitige Übertragungselement gedämpft und sind somit für dieses Übertragungselement relativ unkritisch. Allerdings sind auch beim abtriebsseitigen Übertragungselement hochbelastete Elementenabschnitte vorhanden, wie beispielsweise an einer Nabenscheibe vorgesehene abtriebsseitige Ansteuerelemente für Energiespeicher der Dämpfungseinrichtung des Torsionsschwingungsdämpfers.
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Um einem Übertragungselement aus einem Stahl, wie beispielsweise StW 24, zu der gewünschten Festigkeit zu verhelfen, müssen zumindest die hochbelasteten Elementenabschnitte des Übertragungselementes einer thermischen Vergütung unterzogen werden, wodurch allerdings einerseits eine Materialversprödung und andererseits ein thermisch bedingter Verzug in Kauf genommen werden muss, der wiederum eine mechanische, spanabhebende Nachbearbeitung erforderlich machen kann. Die höhere Festigkeit wird also durch einen Anstieg des herrstellungsbedingten Aufwandes sowie der Kosten erkauft.
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Eine vergleichbare Situation ergibt sich bei einer Überbrückungskupplung eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers gemäß der
DE 696 15 732 T2 . Zur Verschleißreduzierung werden Bereiche der Überbrückungskupplung durch Beaufschlagung mit Hochenergiebestrahlung mittels Elektronenstrahls aufgeschmolzen und gehärtet.
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Aus der
DE 197 27 678 A1 ist es bekannt, Verschleiß in hochbelasteten Bereichen eines Torsionsschwingungsdämpfers zu reduzieren, indem Einsätze aus anderem Material vorgenommen werden. Vorgeschlagen wird hierbei eine Ausbildung dieser Einsätze aus Kunststoff, wodurch sich zwar die Gleiteigenschaften relativ zueinander bewegter Bauteile verbessern mögen, eine Erhöhung der Belastbarkeit hochbelasteter Bauteile oder zumindest hochbelasteter Elementenabschnitte ist damit aber nicht erzielbar. Außerdem nimmt die Anzahl der im Torsionsschwingungsdämpfer enthaltenen Bauteile zu, was die Fertigung verkompliziert, und die Herstellkosten erhöht.
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In der
DE 101 36 159 A1 ist ein Verfahren behandelt, mit welchem ein Metallteil herstellbar ist, das zumindest partiell über federelastische Eigenschaften verfügt. Dieses Metallteil besteht aus Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt und mit den drei Phasen Ferrit, Bainit und Martensit, und erfährt eine mechanische Behandlung, wie Kaltformen. Gemäß den Ausführungen in dieser Veröffentlichung soll das Metallteil über seine vorteilhaften Eigenschaften verfügen, ohne dass ein Arbeitsgang Anlassen und Biegen oder ein Arbeitsgang Wärmebehandlung erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugunde, ein Übertragungselement eines Torsionsschwingungsdämpfers derart herzustellen, dass dieses ohne Wärmebehandlung und mechanische spanabhebende Nachbearbeitung sowohl über die geforderte Festigkeit als auch über die gewünschte Maßhaltigkeit und Oberflächengüte verfügt.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hierzu wird das jeweilige Übertragungselement des Torsionsschwingungsdämpfers zumindest in hochbelasteten Elementenabschnitten aus einem thermomechanisch gewalzten Stahl als Werkstoff hergestellt, der als Besonderheit über Legierungsbestandteile mit vorbestimmten Anteilen von Mangan und Silizium verfügt. Aufgrund dieser Werkstoffzusammensetzung ist der als Warmband hergestellte Stahl, dessen fertigungstechnischer Walzvorgang oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur stattgefunden hat, dazu geeignet, vor einer Kaltverformung, wie beispielsweise einem Tiefziehvorgang, vorzügliche Verformungseigenschaften aufzuweisen, und durch die Kaltverformung zur Herstellung der dem Übertragungselement zugewiesenen Formgebungen, eine Endfestigkeit zu erzielen, die betächtlich oberhalb der Festigkeit vor dieser Kaltverformung liegt. Die durch die Kaltverformung erzielbare Festigkeitserhöhung wird in Fachkreisen als ”work hardening” bezeichnet und kann die Festigkeit des Stahls ohne weiteres um im Wesentlichen 170 N/mm2 erhöhen. Gemessen an einem üblichen Stahl in Warmbandqualität, wie beispielsweise StW 24, bedeutet dies eine Erhöhung der Streckgrenze um im Wesentlichen 125% und der Mindestzugfestigkeit um im Wesentlichen 160%, und dies bei einer vertretbaren Reduzierung der Bruchdehnung um im Wesentlichen 34%. Als Beispiel für einen derartigen Stahl wird auf den höchstfesten Stahl mit TRIP-Effekt der Firma Arcelor, Typ 800, verwiesen. Nachfolgend ist ein derartiger Stahl kurz als verformungsverfestigender Stahl bezeichnet.
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Durch einen verformungsverfestigenden Stahl entsteht zumindest an hochbelasteten Elementenabschnitten von Übertragungselementen nach Abschluss des Herstellungsvorganges eine hohe Festigkeit, so dass wenigstens dort keine thermische Vergütung erforderlich ist. Insofern besteht auch nicht das Risiko eines durch die thermische Vergütung verursachten Verzugs am Übertragungselement. Statt dessen liegt, wenn die Kaltverformung mit entsprechender Fertigungsgenauigkeit durchgeführt worden ist, mit Abschluss dieses Fertigungsvorganges ein Übertragungselement mit hoher Maßhaltigkeit und auch mit hochwertiger Oberfläche vor, so dass es keiner Nachbearbeitung bedarf.
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Von wesentlicher Bedeutung ist, dass die durch die Kaltverformung erzielte Festigkeitserhöhung vom Umformgrad im Bauteil abhängig ist. Eine stärkere Dehnung aufrund einer Zugverformung bei der Kaltumformung hat demnach, allerdings nur innerhalb bestimmter Dehnungsbereiche, eine erhebliche Anhebung der Streckgrenze zur Folge. So sollte der Dehnungsbereich einen unteren Wert von etwa 10% nicht wesentlich unterschreiten. Selbstverständlich existiert auch ein oberer Wert, bei dessen Überschreitung nur noch eine unwesentliche Erhöhung der Festigkeit zu erwarten ist. Dieser obere Wert liegt in der Größenordnung von etwa 30%.
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Für hochbelastete Elementenabschnitte eines Übertragungselementes sollte eine Annäherung an den oberen Wert des Dehnungsbereiches erwogen werden, da somit genau an derjenigen Stelle, an welcher hohe Belastungen anliegen, der verformungsverfestigende Stahl über die hierfür geeignete hohe Festigkeit verfügt. Dadurch steigt die Lebensdauer dieses hochbelasteten Elementenabschnittes deutlich an, und damit, da gerade dieser Bereich zumeist die Lebensdauer des gesamten Torsionsschwingungsdämpfers begrenzt, letztlich auch die Lebensdauer des letztgenannten.
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Schließlich bietet die hohe Festigkeit des verformungsverfestigenden Stahls die Möglichkeit, auf ansonsten notwendige Materialanhäufungen zur Gewährleistung der erforderlichen Betriebssicherheit zu verzichten. Die Übertragungselemente und damit der Torsionsschwingungsdämpfer ermöglichen also die zuvor erwähnte höhere Lebensdauer bei gleichzeitig geringerem Gewicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles behandelt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine hälftige Darstellung eines Torsionsschwingungsdämpfers mit antriebsseitigem Übertragungselement und abtriebsseitigem Übertragungselement in Schnittdarstellung, und
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2 eine vereinfachte Darstellung einer Nabenscheibe des abtriebsseitigen Übertragungselementes gemäß einer Schnittlinie II-II in 1.
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In 1 ist ein Torsionsschwingungsdämpfer dargestellt, der an einem Antrieb 1, wie beispielsweise einer Kurbelwelle 3 einer Brennkraftmaschine, aufgenommen ist. Hierzu weist die Kurbelwelle 3 an ihrem freien Ende einen Flansch 4 auf, der mit Gewindebohrungen 5 ausgebildet ist, die zur Aufnahme von Befestigungsmitteln 7 in Form von Schrauben 9 vorgesehen sind, deren Schaft 11 jeweils in eine der Gewindebohrungen 5 einführbar ist. Der Schaft 11 jeder Schraube 9 durchgreift weiterhin Durchgänge 13 eines sich im wesentlichen nach radial außen erstreckenden Befestigungsflansches 15, der Teil eines antriebsseitigen Übertragungselementes 36 ist, sowie Durchgänge 14 einer Anlagescheibe 17, die axial zwischen dem Kopf der Schraube 9 und dem Befestigungsflansch 15 eingespannt ist.
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Der Befestigungsflansch 15 weist radial innen eine Primärnabe 19 auf, die sich in einer von der Kurbelwelle 3 abgewandten Richtung erstreckt. Im radial mittleren Bereich ist der Befestigungsflansch 15 mit einer als Planetenradträger 20 dienenden Lagerausdrückung versehen, die ein Planetenrad 23 eines Planetengetriebes 25 drehbar aufnimmt. Im radial äußeren Bereich geht der Befestigungsflansch 15 in eine sich im Wesentlichen axial erstreckende Ringwand 27 über, die radial außen einen Zahnkranz 29 trägt, der mit einem nicht gezeigten Anlasserritzel in Drehverbindung bringbar ist. Diese Ringwand 27 dient zur Aufnahme einer Zusatzmass 32 sowie einer nach radial innen laufenden Dichtungswand 33, die zusammen mit der Ringwand 27 und dem Befestigungsflansch 15 eine Fettkammer 35 umschließt, die zumindest teilweise mit viskosem Medium befüllt und Teil des antriebsseitigen Übertragungselementes 36 ist. Zur Abdichtung dieser Fettkammer 35 ist der Dichtungswand 33 eine Axialabdichtung 37 zugeordnet, hier gebildet durch eine Tellerfeder, die sich einerends an der Dichtungswand 33 und anderenends an einer Nabenscheibe 39 abstützt, die im radial inneren Bereich eine auf die Kurbelwelle 3 zu gerichtete Sekundärnabe 41 aufweist.
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Radial zwischen der bereits erwähnten Primärnabe
19 des Befestigungsflansches
15 und der Sekundärnabe
41 der Nabenscheibe
39 ist eine Radiallagerung
43 vorgesehen, die im vorliegenden Fall als Gleitlagerung ausgebildet ist. Radial außerhalb der Sekundärnabe
41 ist die Nabenscheibe
39 gegenüber dem Befestigungsflansch
15 über eine Axiallagerung
31 eingestellt, die axial zwischen der Anlagescheibe
17 und der Nabenscheibe
39 gehalten ist. Noch weiter radial außen ist eine Vernietung
49 vorgesehen, durch welche eine Verbindung zu einer abtriebsseitigen Schwungmasse
51 hergestellt wird, die ebenso wie die Nabenscheibe
39 als abtriebsseitiges Übertragungselement
53 wirksam ist und in an sich bekannter, somit nicht dargestellter Weise zur Aufnahme einer konventionell ausgebildeten Reibungskupplung dient. Eine derartige Reibungskupplung ist in der
DE 197 27 678 A1 dargestellt und beschrieben, die mit ihrem diesbezüglichen Offenbarungsgehalt in die vorliegende Patentanmeldung integriert sein soll. Das abtriebsseitige Übertragungselement
53 ist um eine Drehachse
63 drehbar, um die im Wesentlichen auch das antriebsseitige Übertragungselement
36 drehbar ist.
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Zurückkommend auf die Nabenscheibe 39 weist diese radial außerhalb der Vernietung 49 eine Innenverzahnung 47 auf, mit welcher sie in Verzahnungseingriff mit der Verzahnung des zuvor bereits erwähnten Planetenrades 23 steht. Die Nabenscheibe 39 ist demnach als Hohlrad 45 des Planetengetriebes 25 wirksam.
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Am Umfangsbereich der Nabenscheibe 39 sind, ausgehend vom Nabenkörper 40 und sich radial nach außen erstreckend, abtriebsseitige Ansteuerelemente 55 einer Dämpfungseinrichtung 57 vorgesehen, die über eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Energiespeicher 59 verfügt, angeformt. Die Energiespeicher 59 stützen sich jeweils über Gleitelemente 61 nach radial außen ab. Ein dem jeweiligen antriebsseitigen Ansteuerelement 55 entsprechendes antriebsseitiges Ansteuerelement 58 ist am Befestigungsflansch 15 und ein weiteres an der Dichtungswand 33 befestigt, und zwar jeweils an der Fettkammerseite des entsprechenden Elementes.
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Von dem in 1 gezeigten antriebsseitigen Übertragungselement 36 müssen nicht sämtliche Teile mit dem erfindungsgemäß eingesetzten, verformungsverfestigenden Stahl, wie beispielsweise dem höchstfesten Stahl mit TRIP-Effekt, Typ 800 der Firma Arcelor, bestehen. So sind beispielsweise die Planetenräder 23 ebenso wie die Zusatzmasse 32 oder die Dichtungswand 33 vergleichsweise gering belastet, so dass die Zusatzmasse 32 und die Dichtungswand 33 durchaus aus einem handelsüblichen Stahl, wie beispielsweise StW 24 bestehen können. Die Planetenräder 23 können dagegen mit Vorzug aus Kunststoff bestehen.
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Hochbelastete Elementenabschnitte 67 sind dagegen am Befestigungsflansch 15 vorhanden, und zwar an folgenden Stellen: Im radial inneren Bereich ist der Befestigungsflansch 15 durch die Befestigungsmittel 7 am Flansch 4 der Kurbelwelle 3 und demnach relativ starr befestigt. Radial außerhalb dieses Bereiches nimmt dagegen die Elastizität des Befestigungsflansches 15 erheblich zu, was sich insbesondere bei von der Kurbelwelle 3 eingeleiteten Taumelbewegungen aufgrund der dann auf den Befestigungsflansch 15 einwirkenden Umlaufbiegebelastungen auswirkt. Hierdurch kann unmittelbar radial außerhalb der Verbindungsstelle Flansch 4/Befestigungsflansch 15 eine unerwünschte Rissbildung im letztgenannten entstehen.
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Ebenfalls problematisch ist die Ausbildung der Planetenradträger 20 am Befestigungsflansch 15, da diese Stelle, wie aus 1 erkennbar ist, einem enormen Verformungsgrad unterworfen ist, da im Verlauf der fertigungsbedingten Kaltumformung, vorzugsweise mittels eines Tiefziehvorganges, der Planetenradträger 20 aus dem Befestigungsflansch 15 zu ziehen ist. Dieser hohe Verformungsgrad am Planetenradträger 20 kann bei längerer Laufzeit infolge hoher Lastwechselanzahl zu Problemen führen.
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Als weiterer hochbelasteter Elementenabschnitt 67 des antriebsseitigen Übertragungselementes 36 ist die Anlagescheibe 17 zu benennen. Bei erfindungsgemäß eingesetztem verformungsverfestigenden Stahl wird vermieden, dass sich der jeweilige Kopf der Befestigungsmittel 7 in die zugeordnete Seite der Anlagescheibe 17 einarbeiten kann.
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Am abtriebsseitigen Übertragungselement 53 sind ebenfalls hochbelastete Elementenabschnitte 67 vorhanden, und zwar an der Nabenscheibe 39 in Form der sich vom Nabenkörper 40 nach radial außen erstreckenden abtriebsseitigen Ansteuerelemente 55, von denen über den Umfang der Nabenscheibe 39 eine Mehrzahl vorgesehen ist. Diese abtriebsseitigen Ansteuerelemente 55 wirken über die Schiebeelemente 61 auf die Energiespeicher 59 der Dämpfungseinrichtung 57. Aufgrund eines erheblichen Umformgrades bei der fertigungsbedingten Kaltumformung an den abtriebsseitigen Ansteuerelementen 55 gewinnen diese die gewünschte hohe Streckgrenze und Mindestzugfestigkeit, so dass nicht nur die Dauerhaltbarkeit dieser abtriebsseitigen Ansteuerelemente 55 verbessert wird, sondern gleichzeitig auch deren Erstreckungsbreite b in Umfangsrichtung reduziert werden kann, wodurch das Federvolumen der Energiespeicher 59 erhöht und damit die Entkopplungsgüte des Torsionsschwingungsdämpfers verbessert werden kann.
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An all diesen hochbelasteten Elementenabschnitten 67 der Übertragungselemente 36 und 53 wird demnach erfindungsgemäß eingesetzter verformungsverfestigender Stahl mit Vorzug verwendet. Da sowohl der Befestigungsflansch 15 als auch die Anlagescheibe 17 und die Nabenscheibe 39 jeweils über eine komplizierte Geometrie verfügen, und zur Herstellung von deren endgültiger Form ohnehin eine erhebliche Kaltumformung erforderlich ist, die aufgrund der vorzüglichen Umformbarkeit des verformungsverfestigenden Stahls auch problemlos durchführbar ist, ergibt sich aufgrund der Verwendung dieses verformungsverfestigenden Stahls praktisch nebenbei ohne zusätzliche Fertigungsschritte der erhebliche Vorteil einer besonderen Festigkeit, sobald die Kaltverformung abgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb
- 3
- Kurbelwelle
- 4
- Flansch
- 5
- Gewindebohrungen
- 7
- Befestigungsmittel
- 9
- Schrauben
- 11
- Schaft
- 13
- Durchgänge
- 14
- Durchgänge
- 15
- Befestigungsflansch
- 17
- Anlagescheibe
- 19
- Primärnabe
- 20
- Planetenradträger
- 23
- Planetenrad
- 25
- Planetengetriebe
- 27
- Ringwand
- 29
- Zahnkranz
- 31
- Axiallagerung
- 32
- Zusatzmasse
- 33
- Dichtungswand
- 35
- Fettkammer
- 36
- antriebsseitiges Übertragungselement
- 37
- Axialabdichtung
- 39
- Nabenscheibe
- 40
- Nabenkörper
- 41
- Sekundärnabe
- 43
- Radiallagerung
- 44
- Durchgangsöffnung
- 45
- Hohlrad
- 47
- Innenverzahnung
- 49
- Vernietung
- 51
- abtriebsseitige Schwungmasse
- 53
- abtriebsseitiges Übertragungselement
- 55
- abtriebsseitiges Ansteuerelement
- 57
- Dämpfungseinrichtung
- 58
- antriebsseitiges Ansteuerelement
- 59
- Energiespeicher
- 61
- Schiebeelemente
- 63
- Drehachse
- 65
- Reibungskupplung
- 67
- Elementenabschnitt
- 70
- Werkstoff
