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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Drehfeder mit einem ersten und einem zweiten Endbereich einer zentralen Federeinrichtung, wobei die Endbereiche relativ zueinander verdrehbar sind und wobei die Federeinrichtung durch Verdrehen der Endbereiche in ihrem Umfang veränderbar ist und dem relativen Verdrehen entgegenwirkt.
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Stand der Technik
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Drehfedern der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Solche Drehfedern können insbesondere im Antriebsstrang von diesel- oder ottomotorisch angetriebenen Fahrzeugen 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.
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Problematisch ist überdies, dass in modernen Kraftfahrzeugen immer höhere mittlere Drehmomente zu übertragen sind und dynamische Anregungen ebenfalls verstärkt auftreten.
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Mit den gattungsbildenden Drehfedern sind bei vorgegebenem Bauraum, vorgegebener Federrate und vorgegebenem zu übertragenden mittleren Drehmoment kleinere Federraten nahezu nicht darstellbar. Zugleich sind bei einer vorgegebenen Federrate höhere Drehmomente nicht problemlos übertragbar.
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DE 1 953 196 A offenbart eine Kupplungseinrichtung, welche eine Vielzahl von spiralförmigen und ineinandergreifende Federelemente aufweist.
DE 846 041 B beschreibt eine elastische Wellenkupplung für eine Drehrichtung, welche zwischen zwei Kupplungsscheiben koaxial eingespannte Schraubenfedern aufweist.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehfeder der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass deren Leistungsdichte erhöhbar ist.
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Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch einen Drehfeder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Drehfeder mit einem ersten und einem zweiten Endbereich einer zentralen Federeinrichtung versehen, wobei die Endbereiche relativ zueinander verdrehbar sind und wobei die Federeinrichtung durch Verdrehen der Endbereiche in einer Verdrehrichtung in ihrem Umfang veränderbar ist und dem relativen Verdrehen in Richtung der Verdrehrichtung entgegenwirkt. Die zentrale Federeinrichtung ist durch Veränderung ihres Durchmessers mit mindestens einer weiteren Federeinrichtung wirkverbindbar, wobei den Endbereichen Elemente zugeordnet sind, die durch Verdrehen in Richtung der Verdrehrichtung relativ zu den Endbereichen mit diesen in Eingriff bringbar sind, und wobei die Endbereiche und die Elemente relativ zueinander über einen definierten Winkelbereich in Richtung der Verdrehrichtung verdrehbar sind, ohne dass die zentrale Federeinrichtung wirkt.
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In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass der Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl moderner Verbrennungsmotoren Drehfedern erfordert, welche unterschiedliche Federraten bzw. Federsteifigkeiten darstellen können. Dies ist erforderlich, um Schwingungen zu bedämpfen, die durch Verbrennungsmotoren erzeugt werden. Des Weiteren ist erkannt worden, dass die Realisierung unterschiedlicher Federraten in einer Drehfeder durch eine Kombination zweier Federeinrichtungen realisierbar ist. Das Zusammenspiel der Federeinrichtungen ist dadurch realisiert, dass eine zentrale Federeinrichtung mit einer ersten Federrate mit einer weiteren Federeinrichtung zusammenwirkt, indem die zentrale Federeinrichtung ihren Durchmesser verändert. Nach Erreichen eines gewissen Verdrehungswinkels wirkt die zentrale Federeinrichtung mit einer weiteren Federeinrichtung zusammen, welche eine zweite Federrate aufweist. Insoweit ist realisiert, dass in einem ersten Verdrehungswinkelintervall eine erste Federrate wirkt und in einem zweiten Verdrehungswinkelintervall eine Federrate wirkt, welche sich aus der Federrate der zentralen Federeinrichtung und einer weiteren Federeinrichtung zusammensetzt. Erfindungsgemäß ist weiter erkannt worden, dass sich die kompakte Bauweise gerade dann ergibt, wenn nämlich die zentrale Federeinrichtung durch Veränderung ihres Durchmessers mit einer weiteren Federeinrichtung zusammenwirkt. Die Veränderung des Durchmessers kann nämlich durch die zweite Federeinrichtung vorteilhaft begrenzt werden, so dass die Durchmesseränderung der zentralen Federeinrichtung limitiert ist. Insoweit ist eine Drehfeder mit erhöhter Leistungsdichte realisiert.
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Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Drehfeder die Aufgabe gelöst.
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In besonders vorteilhafter Weise könnte die zentrale Federeinrichtung mit mindestens einer weiteren Federeinrichtung parallel schaltbar sein. Die Parallelschaltung zweier Federeinrichtungen mit jeweils einer Federrate führt zu einer Gesamtanordnung, deren Federrate der Summe der Federraten der einzelnen Federeinrichtungen entspricht. Insoweit ist eine Drehfeder realisierbar, welche nach Erreichen eines gewissen Verdrehungswinkels eine deutlich erhöhte Federrate darstellt. Hierdurch ist es möglich, eine Drehfeder an einen Drehmomentverlauf anzupassen.
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Die zentrale Federeinrichtung könnte eine innere Federeinrichtung umgeben. Dabei könnte die zentrale Federeinrichtung konzentrisch um eine innere Federeinrichtung angeordnet sein. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass die innere Federeinrichtung zylinderförmig ausgestaltet ist. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt die Anlage der zentralen Federeinrichtung an eine innere Federeinrichtung, wenn sich nämlich der Durchmesser der zentralen Federeinrichtung verringert. Dies ist dann der Fall, wenn die Endbereiche der zentralen Federeinrichtung gegeneinander verdreht werden und die Federeinrichtung sich beim Verdrehen zusammenzieht. Nach Erreichen eines gewissen Verdrehungswinkels kommt sodann das Innere der zentralen Federeinrichtung an der inneren Federeinrichtung zur Anlage und beaufschlagt diese mit einer Kraft. Diese Ausgestaltung erlaubt einen kompakten Aufbau der Drehfeder.
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Die innere Federeinrichtung könnte mindestens eine elastisch deformierbare Schicht umfassen. Dabei ist denkbar, dass die elastisch deformierbare Schicht aus Kunststoff oder Metall besteht. Eine deformierbare Schicht erlaubt einen besonders Platz sparenden Aufbau der inneren Federeinrichtung, da die deformierbare Schicht nur wenige Millimeter dick sein kann.
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Die elastisch deformierbare Schicht könnte zumindest teilweise aus einem Elastomer bestehen. Die Verwendung eines Elastomers hat den Vorteil, dass eine Federeinrichtung geschaffen werden kann, deren Federrate durch geeignete Wahl der Elastomerzusammensetzung problemlos einstellbar ist. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Elastomers vorteilhaft, da dieses problemlos mit weiteren Bauteilen der inneren Federeinrichtung verbunden werden kann. Dabei ist denkbar, dass das Elastomer durch Vulkanisation mit metallischen Schichten oder Lagen der inneren Federeinrichtung verbunden ist. Die Vulkanisation stellt einen besonders festen Verbund des Elastomers sicher, so dass ein besonders stabiler Aufbau der inneren Federeinrichtung gewährleistet ist.
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Die elastisch deformierbare Schicht könnte Ausnehmungen aufweisen. Dabei ist denkbar, dass die elastisch deformierbare Schicht als Mantelfläche eines Zylinders ausgestaltet ist, welche parallel zur Zylinderachse verlaufende Ausnehmungen aufweist. Hierdurch werden zwischen jeweils zwei längs verlaufenden Ausnehmungen Stege der elastisch deformierbaren Schicht geschaffen, welche sich bei Kraftbeaufschlagung der inneren Federeinrichtung an benachbarte Stege annähern können. Beispielsweise könnten die Ausnehmungen in ihrer Tiefe oder Breite so gewählt werden, dass bei Kraftbeaufschlagung der inneren Federeinrichtung zunächst benachbarte Stege in Richtung der Ausnehmungen gepresst werden, so dass die Ausnehmungen verkleinert werden. Hierdurch ist eine erste Federrate der inneren Federeinrichtung darstellbar. Erst bei weiterer Kraftbeaufschlagung könnte dann das Elastomer als solches deformiert werden, wodurch eine weitere Federrate darstellbar ist.
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Die elastisch deformierbare Schicht könnte zwischen zwei Lagen angeordnet sein. Diese konkrete Ausgestaltung stellt sicher, dass die elastisch deformierbare Schicht nicht direkt von der zentralen Federeinrichtung kraftbeaufschlagt wird, sondern nur mittelbar über eine der Lagen. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass das Material der elastisch deformierbaren Schicht geschont wird. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass zwischen zwei metallischen Lagen eine Elastomerschicht angeordnet ist.
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Die zentrale Federeinrichtung könnte spiralförmig oder wendelförmig ausgestaltet sein. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt eine Anordnung der Endbereiche der zentralen Federeinrichtung übereinander, so dass die zentrale Federeinrichtung quasi wie eine Schraubenfeder ausgestaltet ist. Die spiralförmige oder wendelförmige Ausgestaltung erlaubt die Darstellung einer Federrate allein durch Wahl der Anzahl der Wendelgänge bzw. der Höhe der zentralen Federeinrichtung. Eine besonders flach bauende zentrale Federeinrichtung könnte vor diesem Hintergrund eine sehr geringe Federrate, eine hochbauende zentrale Federeinrichtung eine hohe Federrate aufweisen.
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Die zentrale Federeinrichtung könnte einstückig ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ist im Hinblick auf eine kostengünstige Fertigung vorteilhaft. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass bei Kraftbeaufschlagung der zentralen Federeinrichtung ein kontinuierlicher Drehmomentverlauf sichergestellt ist, da die zentrale Federeinrichtung materialeinheitlich gefertigt ist und keine Versatzstellen oder Anschlussstellen von Einzelteilen der Federeinrichtung aufweist.
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Den Endbereichen sind Elemente zugeordnet, die durch Verdrehen relativ zu den Endbereichen mit diesen in Eingriff bringbar sind. Die Vorkehrung solcher Elemente erlaubt die Ankopplung der Drehfeder an relativ zueinander bewegliche Teile eines Motors. Die Elemente könnten zumindest teilweise mit einer Verzahnung versehen sein, über die eine Drehmomenteinleitung erfolgen kann.
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Vor diesem Hintergrund sind die Endbereiche und die Elemente relativ zueinander über einen definierten Winkelbereich frei oder ohne Wirkung der Federrate der zentralen Federeinrichtung verdrehbar. Diese konkrete Ausgestaltung realisiert über einen gewissen Verdrehungswinkelbereich quasi einen Freigang, bei dem entweder keine Federrate oder nur eine geringe Federrate wirken kann. Denkbar ist beispielsweise, dass in einer kulissenartigen Ausnehmung eines Elementes eine Struktur eines Endbereiches angeordnet ist, die nach Durchlaufen eines Weges an einem Anschlag innerhalb des Elementes zur Anlage kommt. Dieser Weg könnte mit Fluid befüllt sein. Während des Durchlaufens des mit Fluid gefüllten Raums erfolgt eine Bedämpfung, die durch die Viskosität des Fluids einstellbar ist. Denkbar ist jedoch auch, dass kein Fluid, sondern nur ein Luft gefüllter Raum vorliegt, in dem sich die Struktur ohne Reibung frei bewegen kann. Dieser Grenzfall entspräche einem Freigang ohne Federrate. Des Weiteren ist denkbar, dass die Elemente geometrisch so ausgestaltet sind, dass die Endbereiche der Drehfeder relativ zu den Elementen exzentrisch verdrehbar sind.
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Insgesamt ist durch diese konkrete Ausgestaltung eine Drehfeder mit drei Federsteifigkeiten realisierbar. Über einen ersten Verdrehungswinkelbereich wirkt eine erste Federrate, über einen zweiten Verdrehungswinkelbereich eine zweite Federrate, die durch die zentrale Federeinrichtung dargestellt wird, und eine dritte Federrate wirkt durch das Zusammenspiel der inneren Federeinrichtung und der zentralen Federeinrichtung. Diese Ausgestaltung erlaubt die Darstellung eines progressiven Drehmomentverlaufs in Abhängigkeit vom Verdrehungswinkel.
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Die zentrale Federeinrichtung könnte von einer Begrenzungseinrichtung umgeben sein. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die zentrale Federeinrichtung und die innere Federeinrichtung in Öl- oder Fettumgebung arbeiten können. Des Weiteren stellt die Begrenzungseinrichtung sicher, dass der äußere Umfang der zentralen Federeinrichtung nur bis zu einem gewissen Maß erhöht werden kann. Hierdurch ist realisierbar, dass nach Erreichen eines gewissen Verdrehungswinkels die Biegebeanspruchung der zentralen Federeinrichtung begrenzt wird. Durch die Begrenzungseinrichtung wird ein Endanschlag geschaffen, wenn nämlich die zentrale Federeinrichtung an der Begrenzungseinrichtung zur Anlage kommt. Die Begrenzungseinrichtung könnte vor diesem Hintergrund als metallische Hülse ausgebildet sein.
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Hierbei ist auch denkbar, dass die Begrenzungseinrichtung als äußere Federeinrichtung ausgestaltet ist. Dabei könnte die äußere Federeinrichtung mit einer elastischen Lage versehen sein. Ganz analog zur inneren Federeinrichtung könnte auch die äußere Federeinrichtung ausgestaltet sein. Insbesondere ist denkbar, dass auch der äußeren Federeinrichtung eine Elastomerschicht zugeordnet ist. Diese Ausgestaltung erlaubt die Darstellung einer weiteren Federrate, nämlich durch die äußere Federeinrichtung.
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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 anhand 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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine Drehfeder mit einer zentralen Federeinrichtung, welche konzentrisch zu einer inneren Federeinrichtung angeordnet ist,
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2 eine hülsenförmig ausgestaltete innere Federeinrichtung,
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3 eine Schnittansicht, die die Positionierung eines Endbereichs der zentralen Federeinrichtung in der Aufnahme eines Elements zeigt,
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4 eine Schnittansicht einer Anordnung, welche eine Drehfeder und zwei Wellen umfasst, und
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5 ein Diagramm, das den qualitativen Drehmomentverlauf über dem Verdrehungswinkel der der Drehfeder zugeordneten Elemente darstellt.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine Drehfeder mit einem ersten und einem zweiten Endbereich 1, 2 und einer zentralen Federeinrichtung 3. Die Endbereiche 1, 2 sind relativ zueinander verdrehbar. Die Federeinrichtung 3 ist durch Verdrehen der Endbereiche 1, 2 in ihrem Durchmesser veränderbar. Beim Verdrehen der Endbereiche 1 und 2 gegeneinander wirkt die Federrate der zentralen Federeinrichtung 3 dem Verdrehen entgegen. Die zentrale Federeinrichtung 3 ist durch Veränderung ihres Durchmessers mit mindestens einer weiteren Federeinrichtung 4 wirkverbindbar.
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Die zentrale Federeinrichtung 3 ist mit mindestens einer weiteren Federeinrichtung 4 parallel schaltbar. Durch Verminderung des inneren Durchmessers der zentralen Federeinrichtung 3 kommt die zentrale Federeinrichtung 3 an der inneren Federeinrichtung 4 zur Anlage. Hierdurch wird eine Parallelschaltung der beiden Federeinrichtungen 3 und 4 realisiert. Dabei umgibt die zentrale Federeinrichtung 3 die innere Federeinrichtung 4 konzentrisch.
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Die zentrale Federeinrichtung 3 ist spiralförmig ausgebildet, wobei die Endbereiche 1, 2 übereinander liegend angeordnet sind. Die zentrale Federeinrichtung 3 ist einstückig ausgestaltet und weist mehrere Windungen auf. Den Endbereichen 1, 2 der zentralen Federeinrichtung 3 sind Elemente 5, 6 zugeordnet, die durch Verdrehen relativ zu den Endbereichen 1, 2 mit diesen in Eingriff bringbar sind. Die Endbereiche 1, 2 und die Elemente 5, 6 sind relativ zueinander über einen definierten Winkelbereich in einer Weise verdrehbar, wie er im Zusammenhang mit 3 beschrieben ist.
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Die zentrale Federeinrichtung 3 ist von einer Begrenzungseinrichtung 11 umgeben, welche als metallische Hülse ausgestaltet ist. Die Begrenzungseinrichtung 11 umgibt die zentrale Federeinrichtung 3 bzw. die innere Federeinrichtung 4 konzentrisch. Der Übersicht halber ist die Begrenzungseinrichtung 11 in 1 durchbrochen dargestellt.
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2 zeigt eine innere Federeinrichtung 4, welche hülsenförmig ausgestaltet ist. Die innere Federeinrichtung 4 umfasst drei Lagen 12, 13 und 14. Die Lage 13 ist eine elastisch deformierbare Schicht, welche ein Elastomer umfasst. Die elastisch deformierbare Schicht 13 weist Ausnehmungen 15 auf, welche längs der Zylinderachse der zylinderförmig ausgestalteten Federeinrichtung 4 angeordnet sind. Die Ausnehmungen 15 begrenzen Stege 16 aus Elastomer. Je nach Beabstandung der Ausnehmungen 15 kann die Größe der Stege 16 gewählt werden, wodurch die Federrate der inneren Federeinrichtung 4 zusätzlich modifizierbar ist.
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Die elastisch deformierbare Schicht 13 ist zwischen zwei metallischen Lagen 12 und 14 angeordnet. Die äußere metallische Lage 12 wird von den Ausnehmungen 15 durchbrochen.
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3 zeigt in einer Schnittansicht einen Endbereich 1, 2 der zentralen Federeinrichtung 3 sowie ein Element 5, 6. Die Elemente 5, 6 sind um eine Drehachse D drehbar. Die Endbereiche 1, 2 sind in den Elementen 5, 6 zwangsgeführt. Die Zwangsführung erfolgt innerhalb einer Kulisse 7, welche in ihrer Geometrie durch zwei Kreisbögen beschrieben wird. Die Kreisbögen weisen bezüglich eines Mittelpunkts M einen inneren Radius Ri und einen äußeren Radius Ra auf. Die Endbereiche 1, 2 werden zwischen diesen Kreisbögen zwangsgeführt. Bei relativer Verdrehung eines Elements 5, 6 zu einem der Endbereiche 1, 2 erfolgt eine zu der Drehung des Elements 5, 6 exzentrische Verdrehung des Endbereichs 1, 2. Die Kulisse 7 ist in axialer Richtung als Rampe mit einer definierten Steigung ausgebildet. Die Steigung der Rampe entspricht der Steigung der Windungen der zentralen Federeinrichtung 3. Durch eine solche Ausgestaltung kann eine weiche erste Federrate bei kleinen Verdrehungswinkeln realisiert werden. Hierdurch wird eine merkliche Verbesserung der Isolation von Schwingungen erzielt.
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Neben der so realisierten ersten Federrate stellen die beidseits der zentralen Federeinrichtung 3 angeordneten exzentrischen Führungen, die durch die Kreisbögen definiert werden, einen ersten Bereich relativer Verdrehung dar. Nach Durchlaufen dieses Bereichs kommt der Endbereich 1, 2 der zentralen Federeinrichtung mit seinen Anlagebereichen 9, 10 mit den Anlagebereichen 5a, 6a eines Elements 5, 6 zur Anlage. Dies erfolgt symmetrisch zur Drehachse D, so dass ein Kräftepaar angreifen kann und eine reine Drehmomenteinleitung erfolgt. Hieraus resultiert eine gleichförmige Beanspruchungsverteilung in der Drehfeder, insbesondere bei großer Verformung. Bei weiterer Verdrehung der Elemente 5, 6 relativ zueinander wirkt eine zweite Federrate, nämlich die Federrate der zentralen Federeinrichtung 3.
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4 zeigt eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Drehfeder, die zwischen einer Eingangswelle 17 und einer Ausgangswelle 18 positioniert ist. Dichtelemente 19, welche beispielsweise als Nutringe ausgebildet sind, verhindern das Austreten von Ölen oder Fetten, welche zur Schmierung der Drehfeder und von Lagerelementen zum Einsatz kommen. Neben einer radialen Führung 20, welche beispielsweise als Gleit- oder Wälzlager ausgestaltet sein könnte, ist eine axiale Führung dargestellt, die als Gleit- oder Wälzlager ausgebildet sein könnte. Diese umfasst konkret Anlaufelemente 21 und 22. Ein radial außen angeordnetes Anlaufelement 22 ist durch eine umgreifende Anordnung in der Lage, axiale Spreizkräfte aufzunehmen. Diese Spreizkräfte resultieren aus axial druckbeaufschlagten Gehäusebereichen. Dieser Druck wird durch Umverlagern von Ölen oder Fetten erzeugt, welche zum geschmierten und damit reibungsarmen Arbeiten der Drehfeder eingesetzt werden. Bei Bewegung der Drehfeder werden die Öle oder Fette aus den inneren und äußeren Ringräumen, welche die Drehfeder umgeben, verdrängt. Hierdurch wird der genannte Druck aufgebaut. 4 zeigt die Drehfeder in einer Anordnung mit einer Ausgangswelle und einer Eingangswelle. Eine solche Anordnung kann bevorzugt im Antriebsstrang eine Kraftfahrzeugs Verwendung finden.
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5 zeigt schematisch ein Diagramm, in dem ein Drehmomentverlauf in Abhängigkeit vom Verdrehungswinkel (Drehwinkel zwischen Ein- und Ausgang) dargestellt ist. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass in einem ersten Bereich A eine weiche, erste Federrate wirkt. Der Bereich B stellt eine Federrate dar, welche durch die elastischen Eigenschaften der zentralen Federeinrichtung bewirkt wird. Der Bereich C stellt eine dritte Federrate dar, welche sich aus dem Zusammenspiel der elastischen Eigenschaften der zentralen Federeinrichtung und der weiteren Federeinrichtung ergibt. Die Bereiche D und E repräsentieren die Endanschläge, wenn nämlich der Federweg erschöpft ist. Nach Durchlaufen des Erschöpfungsweges ist ein Rücklauf nur unter Durchlaufen einer Hysteresekurve möglich. Dies hat seinen Grund darin, dass kinetische Energie im Anschlag aufgenommen wird, welche für den Rücklauf nicht mehr zur Verfügung steht. Ein bedämpftes Einlaufen in einen Anschlag ist von großem Vorteil, da hierdurch eine Energieadsorption erfolgt.
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Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich ausgewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.
