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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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Zudem offenbart
DE 10 2005 044 214 A1 eine Drehfeder, die eine zentrale Federeinrichtung mit einem ersten und einem zweiten Bereich aufweist, die relativ zueinander verdrehbar sind. Innerhalb der zentralen Federeinrichtung ist eine innere Federeinrichtung konzentrisch angeordnet, wobei durch Verdrehen der zentralen Federeinrichtung diese an der inneren Federeinrichtung zur Anlage kommt, so dass eine Parallelschaltung der beiden Federeinrichtungen realisiert wird.
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Ferner geht aus
DE 100 49 001 A1 ein Drehfedersatz für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs hervor, der ein innenliegendes Bauteil und ein relativ dazu verdrehbar angeordnetes, außenliegendes Bauteil aufweist, die über eine Drehfeder miteinander wirkverbunden sind. Bei einer Relativverdrehung der beiden Bauteile wird die Drehfeder exzentrisch verdreht.
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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, wobei die Führungsmittel Führungshülsen und Führungsstege aufweisen und wobei beim Aufweiten oder Kontrahieren der schraubenförmigen Feder die Führungsstege auf und/oder in den Führungshülsen entlang einer Bahnkurve gleiten, um die schraubenförmige Feder auf ihrer konzentrischen Position um die Drehachse zu 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 weisen Führungshülsen auf, 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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Figurenliste
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In der Zeichnung zeigen
- 1 eine perspektivische Ansicht der einzelnen Teile der Drehfeder,
- 2 eine antriebsseitige perspektivische Ansicht der schraubenförmigen Feder mit Koppelringen und einer inneren Führungshülse,
- 3 eine abtriebsseitige perspektivische Ansicht der schraubenförmigen Feder mit Koppelringen und einer inneren und einer äußeren Führungshülse und
- 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.
