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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Drehfeder, umfassend eine Antriebsscheibe
und eine Abtriebsscheibe, welche gegen die Rückstellkraft einer schraubenförmigen Feder
relativ zueinander um eine Drehachse verdrehbar sind, wobei die
schraubenförmige
Feder, die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe die Drehachse
konzentrisch umgeben und wobei die schraubenförmige Feder radial aufweitbar
und kontrahierbar ist.
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Stand der Technik
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Drehfedern
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt
und können
insbesondere im Antriebsstrang von diesel- oder ottomotorisch angetriebenen
Fahrzeugen verwendet werden.
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Die
Drehbewegung der Kurbelwellen dieser Fahrzeuge ist aufgrund der
periodischen Arbeitsweise ungleichförmig und verursacht Schwingungen
im Antriebsstrang des Fahrzeugs. Diese Schwingungen führen zu
höherer
Belastung der angeschlossenen Bauteile und zu einer Geräusch- und Vibrationsbelastung
im Fahrzeuginnenraum. Problematisch ist überdies, dass in der Entwicklung
befindliche Motoren immer höhere
mittlere Drehmomente erzeugen und dynamische Anregungen deutlich
verstärkt
auftreten.
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Die
derzeit im Antriebsstrang eingesetzten Drehfedern stoßen im vorgegebenen
Bauraum bei noch weiter steigenden mittleren Drehmomenten und steigender
dynamischer Anregung an Grenzen, d. h. sie können den Erfordernissen entsprechend
nicht noch drehweicher ausgebildet werden.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach Drehfedern mit hoher Leistungsdichte.
Dabei zeigt eine Drehfeder eine hohe Leistungsdichte, wenn bauraumbezogen
bei vorgegebener Federrate ein hohes Drehmoment übertragen werden kann. Eine
hohe Leistungsdichte ist auch dann gegeben, wenn bei vorgegebenem
hohem Drehmoment eine niedrige Federrate vorliegt.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Drehfedern ist dabei insbesondere
nachteilig, dass schraubenförmige
Federn zu einem Auswandern in radialer Richtung neigen. Hiermit
ist eine Unwuchtproblematik verbunden, die insbesondere bei größeren Federn
auftritt. Erhebliche Unwuchten können
bei der Verwendung von Federn auftreten, deren Durchmesser ≥ 150 mm ist.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehfeder zur Drehdämpfung zu
schaffen, welche bei kompakter Bauweise eine nahezu unwuchtfreie
Betriebsweise ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe durch eine Drehfeder mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach sind der schraubenförmigen
Feder Führungsmittel
zugeordnet, welche die schraubenförmige Feder beim Aufweiten
oder Kontrahieren auf ihrer konzentrischen Position um die Drehachse
halten.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt
worden, dass eine in einem Ringraum untergebrachte schraubenförmige Feder
eine hohe Leistungsdichte besitzt, drehweich ausgeführt werden
kann sowie mittlere statische Drehmomente zuverlässig übertragen kann. Weiter ist
erkannt worden, dass insbesondere schraubenförmige Federn größeren Durchmessers
erhebliche Unwuchten erzeugen können.
Darauf ist erkannt worden, dass die Unwuchten mit einem Auswandern
der schraubenförmigen
Federn in radialer Richtung einhergehen. Schließlich ist erkannt worden, dass
Führungsmittel
die schraubenförmige
Feder konzentrisch zur Drehachse positionieren können.
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Durch
die konzentrische Anordnung der schraubenförmigen Feder um die Drehachse
wird erfindungsgemäß eine im
Wesentlichen rotationssymmetrische Verteilung der Masse der schraubenförmigen Feder
um die Drehachse bewirkt. Hierdurch werden Unwuchten nahezu ausgeschlossen.
Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
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Die
Führungsmittel
könnten
Führungshülsen aufweisen,
auf und/oder in denen Führungsstege gleiten.
Durch diese konkrete Ausgestaltung ist es möglich, die Enden der schraubenförmigen Feder
auf den Führungshülsen durch
die Führungsstege
so zu führen,
dass mit dem Kontraktions- bzw. Aufweitungsverhalten der schraubenförmigen Feder
diese konzentrisch zur Drehachse gehalten wird. Vor diesem Hintergrund
ist konkret denkbar, dass die Bahnkurve der Führungshülsen derart gewählt wird,
dass die Durchmesseränderung
der schraubenförmigen Feder
linear mit dem Verdrehwinkel der Antriebsscheibe relativ zur Abtriebsscheibe
einher geht.
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Die
Führungshülsen könnten axial
beidseitig der schraubenförmigen
Feder angeordnet sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann jeweils
ein Ende der schraubenförmigen
Feder auf einer ihr zugeordneten Führungshülse geführt werden. Die axial beidseitige
Anordnung der Führungshülsen erlaubt eine
gleichförmige
Beanspruchungsverteilung der schraubenförmigen Feder. Hierbei wird
mittels der Führungshülsen beidseits
der Feder eine Relativverdrehung ermöglicht, bei der die Führungsmittel
die schraubenförmige
Feder derart führen,
dass die schraubenförmige
Feder unabhängig
von der Relativverdrehung von Antriebsscheibe und Abtriebsscheibe
konzentrisch um die Drehachse gehalten wird. Dabei ist eine äußere Führungshülse mit
der Antriebsscheibe und eine innere Führungshülse mit der Abtriebsscheibe
verbunden. Die Führungshülsen umgeben
dabei die schraubenförmige
Feder innen und außen.
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Der
schraubenförmigen
Feder könnten
Koppelringe mit Nocken und Führungsstegen
zugeordnet sein. Die Ausbildung von Führungsstegen und Nocken erlaubt
einerseits die Führung
der Enden der schraubenförmigen
Feder auf den Führungshülsen und
andererseits eine strenge Beibehaltung der Konzentrizität der schraubenförmigen Feder.
Ein Drehmoment wird über
die Koppelringe mit angeformten Nocken, die beidseits der schraubenförmigen Feder stoffschlüssig mit
der Feder verbunden sind, ein- und ausgeleitet. Diese Nocken werden
zur Drehmomentein- und Ausleitung in Nuten aufgenommen, die sowohl
in der Antriebs- und Abtriebsscheibe angeformt sind. Hiermit ist
neben der Drehmomentein- und Ausleitung eine radiale Verschieblichkeit
der Koppelringe gegeben. Damit die bedarfsgerechte radiale Position
der Koppelringe gegeben ist, sind Führungsmittel vorgesehen, die
sich zumindest auf den Relativverdrehwinkel erstreckende Abschnitte
erstrecken.
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Die
Führungsmittel
umfassen Führungsstege,
die an die Koppelringe angeformt sind und in und/oder auf den Führungshülsen gleiten.
Die Führungshülsen sind in
sehr guter Näherung
als Exzenter gestaltbar. Die Führungshülsen können Bereiche aufweisen,
die als exzentrische Bahn ausgebildet sind.
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Den
Führungsmitteln
sind an die Koppelringe angeformte Nocken zugeordnet, so dass auch
bei radialer Verschiebung der Koppelringe Drehmoment über die
schraubenförmige
Feder übertragen
werden kann. Die Koppelringe werden dadurch bei der Relativverdrehung
der Enden der schraubenförmigen
Feder radial in sehr guter Näherung
linear zum Verdrehwinkel verschoben.
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Hieraus
würde ohne
weitere Maßnahme
aus der Desachsierung der Koppelringe auf Antriebs- und Abtriebsseite
eine Unwucht generiert. Da die Enden der schraubenförmigen Feder
mittels der inneren und äußeren Führungshülse, den
Nuten der Antriebs- und Abtriebsscheibe sowie den Nocken der Koppelringe
relativ zueinander verdrehbar sind, können in der Ebene der Koppelringe
sowohl an innerer und äußerer Führungshülse Kompensationsmassen
angebracht werden. Diese sind so zu positionieren, dass sie sich
im Falle der nicht belasteten Drehfeder d. h. nicht relativ verdrehter
Enden der schraubenförmigen
Feder bezüglich
der Drehachse gegenüber
liegen. Somit erzeugen diese Kompensationsmassen keine resultierende
Kraft. Die Größe der Kompensationsmassen
ist so zu dimensionieren, dass sich bei Relativverdrehung der Führungshülsen die
vektoriell addierten Kräfte
mit den Kräften
der Unwucht der Koppelringe die Waage halten. Die Kompensationsmassen
können
angebracht oder auch in die Gestalt der Enden der Führungshülsen eingearbeitet
werden.
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Vor
diesem Hintergrund könnten
die Koppelringe axial beidseitig der schraubenförmigen Feder angeordnet sein.
Hierdurch ist eine gleichmäßige Führung der
schraubenförmigen
Feder gewährleistet.
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In
der Antriebsscheibe und der Abtriebsscheibe könnten sich radial erstreckende
Nuten ausgebildet sein. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt die
Aufnahme von Nocken, um Drehmoment zu übertragen und die Enden der
schraubenförmigen
Feder radial zu führen.
Durch diese konkrete Ausgestaltung wird die Konzentrizität der schraubenförmige Feder beim
Aufweiten und Kontrahieren beibehalten. Durch die radiale Führung der
Koppelringe und damit der Enden der schraubenförmigen Feder in den Nuten wird
diese radial und in Umfangsrichtung geführt.
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Vor
diesem Hintergrund ist denkbar, dass sowohl in der Antriebsscheibe
als auch in der Abtriebsscheibe sich jeweils zwei radial erstreckende
einander diametral gegenüberliegende
Nuten ausgebildet sind. Durch diese konkrete Ausgestaltung wird
eine gleichförmige
Beanspruchungsverteilung in der schraubenförmigen Feder gewährleistet.
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Mit
der Führung
der Enden der schraubenförmigen
Feder geht eine radiale Verschiebung der Koppelringe einher. Die
radiale Desachsierung der Koppelringe führt zu Unwuchten. Daher könnten der Antriebsscheibe
und der Abtriebsscheibe Kompensationsmassen zugeordnet sein. Die
Kompensationsmassen könnten
derart angeordnet sein, dass sie die Unwucht der desachsierten Koppelringe
kompensieren.
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Die
Koppelringe könnten
stoffschlüssig
mit der schraubenförmigen
Feder verbunden sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung ist ein
besonders teilearmer Aufbau der Drehfeder realisierbar.
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Die
schraubenförmige
Feder mit angeformten Koppelringen könnte in Fluid oder Fett eingebettet
sein, um zum einen ein reibungsarmes Relativbewegen der Komponenten
der Drehfeder sicher zu stellen und zum anderen eine Drehdämpfung bereit zu
stellen. Dies geschieht durch Umverlagern von Fluid oder Fett von
innen nach außen
beim Zuziehen der schraubenförmigen
Feder bzw. von außen
nach innen beim Aufweiten der schraubenförmigen Feder. Hierbei werden
radiale Spalte zwischen den Windungen der schraubenförmigen Feder
von Fluid oder Fett durchströmt.
Für das
Durchströmen
bedarf es abhängig
vom Durchströmwiderstand
eines Spaltes eines Differenzdrucks, der zusammen mit den druckbeaufschlagten
Flächen
zu Kräften
bzw. Drehmomenten führt,
die drehdämpfend
wirken. Die schraubenförmige
Feder wirkt somit auch analog einem hydraulischen Schwingungsdämpfer, nämlich als
verdrängender
Dämpfungskolben.
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Der
Querschnitt der schraubenförmigen
Feder könnte
von einem nahezu rechteckigen Querschnitt in einen H-förmigen Querschnitt
gleicher Biegesteifigkeit d. h. gleicher Drehfederrate der schraubenförmigen Feder überführt werden.
Hierdurch kann die Gesamtmasse der schraubenförmigen Feder deutlich reduziert
werden.
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Darüber hinaus
könnten
die Ausnehmungen des H-förmigen
Querschnitts mit Füllelementen
versehen werden. Diese könnten
in ihrer Wärmeausdehnung
so abgestimmt sein, dass deren mit steigender Temperatur zunehmende
Ausdehnungen die durchströmten
Spalte zwischen den Windungen der schraubenförmigen Feder derart verringern,
dass eine mit steigender Temperatur abnehmende Viskosität des Fluids
oder Fetts kompensiert wird.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.
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In
Verbindung mit der Erläuterung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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
perspektivische Ansicht der einzelnen Teile der Drehfeder,
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2 eine
antriebsseitige perspektivische Ansicht der schraubenförmigen Feder
mit Koppelringen und einer inneren Führungshülse,
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3 eine
abtriebsseitige perspektivische Ansicht der schraubenförmigen Feder
mit Koppelringen und einer inneren und einer äußeren Führungshülse und
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4 eine
Ansicht des Querschnitts einer Windung der schraubenförmigen Feder,
der H-förmig mit
Füllelementen
ausgestaltet ist.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht eine Drehfeder, die eine Antriebsscheibe 1 und
eine Abtriebsscheibe 2 umfasst. Die Antriebsscheibe 1 und
die Abtriebsscheibe 2 sind gegen die Rückstellkraft einer schraubenförmigen Feder 3 relativ
zueinander um eine Drehachse 4 verdrehbar, wobei die schraubenförmige Feder 3,
die Antriebsscheibe 1 und die Abtriebsscheibe 2 die
Drehachse 4 konzentrisch umgeben und wobei die schraubenförmige Feder 3 radial
aufweitbar und kontrahierbar ist. Der schraubenförmigen Feder 3 sind
Führungsmittel 5, 6 zugeordnet,
welche die schraubenförmige
Feder 3 beim Aufweiten oder Kontrahieren auf ihrer konzentrischen
Position um die Drehachse 4 halten.
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Dabei
weisen die Führungsmittel
Führungshülsen 5 und
Führungsstege 6 auf.
Die Führungsstege 6 gleiten
in und auf den Führungshülsen 5 und werden
dadurch auf eine exzentrische Bahn gezwungen. Die Führungshülsen 5 sind
axial beidseitig der schraubenförmigen
Feder 3 angeordnet, wobei eine innere Führungshülse 5 das Innere der
Feder 3 übergreift
und eine äußere Führungshülse 5 das Äußere.
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Der
schraubenförmigen
Feder 3 sind Koppelringe 7 mit Nocken 8 zugeordnet.
Die Koppelringe 7 sind axial beidseitig der schraubenförmigen Feder 3 angeordnet
und mit dieser stoffschlüssig
verbunden. An den Koppelringen 7 sind die Führungsstege 6 angeformt,
die in gleitender Verbindung mit den Führungshülsen 5 stehen.
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In
der Antriebsscheibe 1 und der Abtriebsscheibe 2 sind
sich radial erstreckende Nuten 9 ausgebildet. Sowohl in
der Antriebsscheibe 1 als auch in der Abtriebsscheibe 2 sind
sich jeweils zwei radial erstreckende, einander diametral gegenüberliegende Nuten 9 ausgebildet.
Beidseits der schraubenförmigen
Feder 3 sind Koppelringe 7 mit Nocken 8 und Führungsstegen 6 angeordnet.
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Der
Antriebsscheibe 1 und der Abtriebsscheibe 2 können nicht
gezeigte Kompensationsmassen zugeordnet sein, die dem Desachsieren
der Koppelringe 7 begegnen, um Unwuchten zu vermeiden.
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2 ist
eine antriebsseitige Ansicht der schraubenförmigen Feder 3 mit
Koppelringen 7 und innerer Führungshülse 5. 2 können besonders deutlich
die Führungsstege 6 entnommen
werden, die auf dem äußeren Rand 5a der
inneren Führungshülse 5 gleiten.
Die Nocken 8 können
in nicht gezeigten Nuten 9 in radialer Richtung geführt werden.
Die innere Führungshülse 5 ist
dabei mit der Abtriebsscheibe 2 gemäß 1 fest verbunden.
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Hierdurch
wird die schraubenförmige
Feder 3, welche stoffschlüssig mit den Koppelringen 7 verbunden
ist, sowohl beim Aufweiten als auch beim Kontrahieren auf ihrer
konzentrischen Position um die Drehachse 4 gehalten.
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3 ist
eine abtriebsseitige Ansicht der schraubenförmigen Feder 3 mit
Koppelringen 7, innerer und äußerer Führungshülse 5. 3 können besonders
deutlich die Führungsstege 6 entnommen werden,
die in dem inneren Rand 5b der äußeren Führungshülse 5 gleiten. Die
Nocken 8 können
in nicht gezeigten Nuten 9 in radialer Richtung geführt werden.
Die äußere Führungshülse 5 ist
dabei mit der Antriebsscheibe 1 gemäß 1 fest verbunden.
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Hierdurch
wird die schraubenförmige
Feder 3, welche stoffschlüssig mit den Koppelringen 7 verbunden
ist, sowohl beim Aufweiten als auch beim Kontrahieren auf ihrer
konzentrischen Position um die Drehachse 4 gehalten.
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4 zeigt
eine Ansicht des Querschnitts einer Windung der schraubenförmigen Feder 3,
der H-förmig
mit Füllelementen 3a ausgestaltet
ist.
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Die
Ausnehmungen 3b des H-förmigen Querschnitts
sind mit Füllelementen 3a versehen,
die in ihrer Wärmeausdehnung
so abgestimmt sind, dass deren mit steigender Temperatur zunehmende
Ausdehnung einen durchströmten
Spalt zwischen den Windungen der schraubenförmigen Feder 3 derart verringert, dass
eine mit steigender Temperatur abnehmende Viskosität des Fluids
oder Fetts kompensiert wird.
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Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre
wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits
auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Abschließend sei
ausdrücklich
hervorgehoben, dass das zuvor gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur
Erörterung
der erfindungsgemäßen Lehre
dient, diese jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel einschränkt.