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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungstilger für eine Welle, insbesondere
einen Gelenkwellentilger für
die Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Torsionsschwingungstilger
für die
Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs sind bekannt. Es handelt sich
dabei um Tilger mit einer Tilgermasse, welche elastisch mittels
Kopplungselemente, mit der Antriebswelle des Fahrzeugs verbunden
sind. Über
eine geeignete Abstimmung der Resonanzfrequenz des Tilgers können bestimmte
Resonanzschwingungen des Antriebsstranges vermieden oder zumindest deutlich
reduziert werden.
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Mit
bekannten Gelenkwellentilgern werden insbesondere Resonanzen höherer Ordnung,
welche beispielsweise durch Drehungleichförmigkeiten des Motors verursacht
werden, reduziert.
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Neben
relativ hochfrequenten Drehungleichförmigkeiten des Motors kommt
es allerdings auch zu niedrigfrequenten Schwingungen des Antriebsstranges, beispielsweise
beim Auskuppeln oder auch bei Lastwechseln infolge von Eigenschwingungen
des Antriebsstranges kleiner zweiter Ordnung. Insbesondere beim
Auskuppeln kann der Triebstang durch die schlagartig geöffnete Kupplung
ausschwingen, wodurch es beispielsweise zu störenden Klacker-Geräuschen kommen
kann.
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Die
torsionalen Amplituden derartiger Schwingungen liegen zumeist wesentlich über den Amplituden
der Anregungen durch Drehungleichförmigkeiten des Motors. So liegt
die Anregeamplitude infolge von Drehungleichförmigkeiten des Motors in der
Regel im Bereich von weniger als ±2°. Insbesondere beim Auskuppeln
kann es dagegen an lokalen Stellen des Triebstranges zu Anregeamplituden
von ±10° oder mehr
kommen.
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Bekannte
Gelenkwellentilger haben in der Regel Resonanzfrequenzen von über 30 Hz.
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Es
ist bislang nur unzureichend gelungen, einen niederfrequenten Gelenkwellentilger
bereitzustellen, welcher zum einen nicht zu störenden Unwuchten bei höheren Drehzahlen
führt und
zum anderen für
Anregeamplituden von mehr als ±2° geeignet
ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungstilger für eine Welle bereitzustellen,
bei dem die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest
reduziert sind.
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Es
ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, einen Schwingungstilger
für eine
Welle bereitzustellen, welcher auch auf Resonanzfrequenzen von unter
30 Hz abgestimmt werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungstilger für eine Welle
bereitzustellen, bei dem die Tilgermasse für eine torsionale Resonanzamplitude
von mindestens 10° ausgebildet
ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungstilger für eine Welle
mit einer präzisen
Einstellbarkeit der Resonanzfrequenz bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Lösung
der gestellten Aufgaben wird durch einen Schwingungstilger für eine Welle
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 1 bis
27 zu entnehmen.
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Die
Erfindung betrifft zum einen einen Schwingungstilger für eine Welle,
welcher insbesondere als Gelenkwellentilger zur Anbringung an der Antriebswelle
eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Der Schwingungstilger ist
zur Dämpfung
von Torsionsschwingungen vorgesehen.
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Der
Schwingungstilger umfasst ein Kopplungselement, welches insbesondere
auf oder an der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs angebracht werden
kann, beispielsweise angeschweißt
oder aufgeschrumpft.
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Weiter
umfasst der Schwingungstilger eine Tilgermasse, welche vorzugsweise
ringförmig
um die Antriebswelle ausgebildet ist. Kopplungselement und Tilgermasse
sind über
einen Elastomerkörper
verbunden, so dass die Tilgermasse um die Achse der Antriebswelle
schwingen kann und so bei geeigneter Frequenzabstimmung als passiver
Schwingungstilger wirkt.
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Der
Elastomerkörper
weist zumindest zwei Elastomerelemente auf, welche in Reihe geschaltet sind.
Unter einer Reihenschaltung der Elastomerelemente wird eine Anordnung
verstanden, bei welcher beispielsweise ein Drehmoment von dem Kopplungselement
zuerst auf ein Elastomerelement und von dort auf ein weiteres Elastomerelement übertragen wird.
Bei einer Verdrehung der Tilgermasse relativ zum Kopplungselement
nimmt jedes Elastomerelement nur einen Teil des Torsionswinkels
auf. Bei beispielsweise zwei Elastomerelementen kann der Schwingungstilger
so ausgebildet sein, dass jedes Elastomerelement nur die Hälfte des
jeweiligen Torsionswinkels aufnimmt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung weist der Elastomerkörper zumindest zwei Elastomerelemente
mit unterschiedlichem Abstand zu einer Mittelachse des Kopplungselementes
auf. Die Mittelachse des Kopplungselementes entspricht der Mittelachse
der Antriebswelle, auf welcher der Schwingungstilger befestigt wird.
Durch zumindest zwei Elastomerelemente, die einen unterschiedlichen
Abstand zur Mittelachse haben und welche miteinander gekoppelt sind,
wird der Drehwinkel der Tilgermasse auf mehrere Elastomerelemente
aufgeteilt.
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Durch
eine derartige Anordnung ist es zum einen gelungen, einen Schwingungstilger
für eine Welle
bereitzustellen, welcher zur Tilgung von Anregeamplituden von zumindest ±3°, vorzugsweise
von zumindest ±5° und besonders
bevorzugt von zumindest ±10° ausgebildet
ist. Insbesondere wird eine Drehbewegung der Tilgermasse von zumindest ±45°, vorzugsweise
von zumindest ±60° und besonders bevorzugt
von zumindest ±70° ermöglicht.
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Gleichzeitig
konnte ein Schwingungstilger mit einer niedrigeren Steifigkeit bereitgestellt
werden, welcher insbesondere eine Resonanzfrequenz von weniger als
30 Hz, vorzugsweise von weniger als 15 Hz und besonders bevorzugt
von weniger als 10 Hz aufweist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Elastomerelemente als Elastomerspuren, vorzugsweise
als im Wesentlichen zylinderförmige
Elastomerspuren ausgebildet. Über
derartige Elastomerspuren lässt
sich der gesamte Umfang ausnutzen, insbesondere können die
Elastomerspuren sich über
den gesamten Winkel von 360° erstrecken.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung sind die Elastomerspuren im Wesentlichen
randseitig miteinander verbunden.
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Möglich ist
auch, die Elastomerspuren über eine
Insertbuchse zu verbinden. So ist zum einen eine besonders einfache
Kopplung der Elastomerspuren möglich
und zum anderen wird im Wesentlichen das gesamte Volumen der Elastomerspuren
auf kleinem Raum zur Ausbildung eines Elastomerkörpers ausgenutzt.
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Vorzugsweise
weist der Elastomerkörper
zumindest drei Elastomerelemente, insbesondere Elastomerspuren mit
unterschiedlichem Abstand zur Mittelachse des Kopplungselementes
auf. Die miteinander verbundenen Elastomerspuren verlaufen dabei, in
einer radialen Schnittansicht, vorzugsweise mäanderförmig vom Kopplungselement zur
Tilgermasse. Die mäanderförmige Ausgestaltung
ermöglicht
ebenfalls eine besonders kompakte Ausbildung eines Elastomerkörpers mit
niedriger Torsionssteifigkeit, der gleichzeitig für relativ
große
Verdrehwinkel geeignet ist.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist eine innere Elastomerspur
eine höhere
Steifigkeit als eine im Verhältnis äußere Elastomerspur
auf. Da aufgrund des größeren Hebels
zur Tilgermasse die innere Elastomerspur höheren Kräften ausgesetzt ist, ist es
durch die Ausbildung der inneren Elastomerspur mit höherer Steifigkeit
möglich,
den Drehwinkel im Wesentlichen gleichmäßig auf alle Elastomerspuren zu
verteilen.
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Gemäß der Erfindung
ist die Tilgermasse zusätzlich
zu dem Elastomerkörper über ein
Radiallager auf dem Kopplungselement gelagert. Das Radiallager erlaubt
nur eine Torsionsbewegung zwischen Tilgermasse und Kopplungselement.
Hierdurch werden insbesondere Unwuchten aufgrund des weich ausgebildeten
Elastomerkörpers
und einer damit möglichen
radialen und/oder axialen Verschiebung der Tilgermasse auf ein akzeptables
Niveau begrenzt.
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Vorzugsweise
ist das Radiallager als Wälzlager,
insbesondere als Kugellager ausgebildet. Derartige Lager haben zum
einen einen niedrigen Verschleiß,
zum anderen können
Kugellager sehr leichtgängig
ausgebildet sein und haben in der Regel gleichmäßige Rollreibkräfte. Daher
ist bei Verwendung insbesondere eines Kugellagers eine besonders
exakte Frequenzabstimmung des Schwingungstilger möglich.
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Der
bevorzugte Anwendungsbereich des Schwingungstilgers ist der Antriebsstrang
bei einem Kraftfahrzeug und hier vor allem an der Verbindungsstelle
der Antriebswelle mit einer Kardanwelle. Der Schwingungstilger wird
so angebracht, dass er die kardanische Beweglichkeit von miteinander
zu verbindenden Wellen nicht beeinträchtigt und auch keine sich
negativ auswirkende Belastung für
Elemente der Wellenverbindung ergibt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung
nachstehend näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
Schwingungstilger mit drei Elastomerelementen in perspektivischer
Ansicht mit einem Ausschnitt in Richtung zur Mittelachse,
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2 den
Schwingungstilger nach 1 in leichter Drehung zur Mittelachse,
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3 die
Detailansicht A aus 2,
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4 den
Schwingungstilger mit einer Sekantenfläche,
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5 die
Ansicht des Schwingungstilgers von der Seite der Befestigungswelle
aus,
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6 einen
Schwingungstilger mit zwei Elastomerelementen,
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7 den
Schwingungstilger nach 6 mit leichter Drehung zur Mittelachse,
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8 die
Detailansicht A aus 7,
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9 den
Tilger mit einer Sekantenfläche und
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10 die
Ansicht des Tilgers von der Befestigungswelle aus.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht einen Schwingungstilger 1 für eine Welle,
welcher abschnittsweise radial in Richtung der Mittelachse aufgeschnitten
ist.
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Der
Schwingungstilger 1 für
eine Welle umfasst ein Kopplungselement 2 und eine Tilgermasse 3.
Die Tilgermasse 3 ist mit dem Kopplungselement 2 über einen
Elastomerkörper 6 elastisch
verbunden, derart dass eine vorgegebene Torsion zwischen Kopplungselement 2 und
Tilgermasse 3 möglich
ist. Das Kopplungselement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zum Anbringen auf der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs (nicht
dargestellt) ausgebildet und weist eine Bohrung 4 auf, über deren
Mittelachse auch die Mittelachse des Kopplungselements 2 selbst
definiert wird. Das Kopplungselement 2 wird mit der Bohrung 4 auf
die Antriebswelle aufgebracht und durch Aufschrumpfen und/oder Anschweißen fixiert.
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Das
Kopplungselement 2 ist in etwa klauenförmig ausgebildet und verfügt über Schrauben 5, 17, mit
denen das Kopplungselement 2 beispielsweise über eine
Hardyscheibe mit der Getriebewelle des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt)
verbindbar ist.
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Bei
geeigneter Frequenzabstimmung wirkt die beispielsweise aus Grauguss
ausgebildete Tilgermasse 3 als passiver Schwingungstilger
für insbesondere
niederfrequente Schwingungen im Antriebsstrang.
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Neben
der Verbindung der Tilgermasse 3 über den Elastomerkörper 6 mit
dem Kopplungselement 2, ist zwischen Tilgermasse 3 und
Kopplungsstellelement 2 ein Kugellager 7 eingesetzt,
welches im Wesentlichen parallel zum Elastomerkörper 6 angeordnet
ist. Durch das Kugellager 7 ist lediglich eine Torsionsbewegung
zwischen Tilgermasse und Kopplungselement 2 möglich. So
werden zum einen Unwuchten aufgrund einer radialen Verschiebung
der Tilgermasse 3 vermieden. Gleichzeitig ist aufgrund der
geringen und gleichmäßigen Rollreibkraft
des Kugellagers 7 eine relativ exakte Frequenzabstimmung
des Schwingungstilgers 1 möglich, da eine Frequenzbeeinflussung
aufgrund der Rollreibkräfte weitgehend
vermieden werden kann.
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2 zeigt
eine weitere perspektivische Ansicht des Schwingungstilger 1 für eine Welle.
In dieser Ansicht ist gut zu erkennen, dass die Tilgermasse 3 zwei
aus einem elastischen Material ausgebildete Torsionsanschläge 9 aufweist,
welche jeweils an einem Anschlagtopf 10, der mit dem Kopplungselement 2 verbunden
ist, anschlagen können
und so die Drehbewegung der Tilgermasse 3 begrenzen. Die mögliche Torsion
kann beispielsweise ±75° betragen.
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An
der Schraube 5, welche zur getriebeseitigen Befestigung
des Schwingungstilgers 1 dient, wird der Anschlagtopf 10 gehalten.
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Um
die Schrauben 5, 17 montieren zu können, weist
die Tilgermasse 3 Aussparungen 8 auf, durch welche
bei geeigneter Verdrehung die Schrauben 5, 17 zugänglich sind.
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Bezugnehmend
auf 3, welche eine Detailansicht des Bereiches A aus 2 zeigt,
werden die Details des Elastomerkörpers 6 näher erläutert.
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Der
Elastomerkörper 6 umfasst
in diesem Ausführungsbeispiel
drei Elastomerspuren, nämlich eine
innere 11, eine mittlere 12 und eine äußere Elastomerspur 13.
Die innere Elastomerspur 11 ist an der Innenhülse 16 befestigt,
die ihrerseits mit dem Kopplungselement 2 verbunden ist.
Dazu wird beispielsweise die Hülse 16 auf
dem Kopplungselement 2 verpresst.
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Die äußere Elastomerspur 13 ist
mit der Tilgermasse 3 verbunden.
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Untereinander
sind die Elastomerspuren 12 und 13 durch die Insertbuchse 15 verbunden.
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Die
Elastomerspuren 11, 12, 13 verlaufen
somit in dieser radialen Schnittansicht im Wesentlichen mäanderförmig vom
Kopplungselement 2 zur Tilgermasse 3.
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So
sind die Elastomerspuren 11, 12, 13 in Reihe
geschaltet und wirken auf besonders kleinem Raum alle als Teil des
Elastomerkörpers 6,
der mit besonders niedriger Steifigkeit bereitgestellt werden kann.
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4 zeigt
eine weitere perspektivische Ansicht des Schwingungstilgers 1 für eine Welle,
bei welcher der Schwingungstilger 1 zusätzlich entlang einer Sekantenfläche aufgeschnitten
ist.
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Zu
erkennen ist insbesondere der Torsionsanschlag 9. An der
Schraube 17 des klauenförmig ausgebildeten
Kopplungselements 2 ist kein Anschlagtopf vorhanden. Die
Schraube 17 kann also frei an dem Torsionsanschlag 9 vorbei
bewegt werden, wohingegen an der Schraube 5 ein Anschlagtopf 10 (nicht
zu sehen) angeordnet ist.
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5 zeigt
eine weitere, getriebeseitige, perspektivische Darstellung eines
Schwingungstilger 1 für
eine Welle.
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Zu
erkennen ist hier insbesondere die klauenförmige Ausgestaltung des Kopplungselementes 2,
welches in diesem Ausführungsbeispiel
vier Arme aufweist. Die Arme mit den Schrauben 5 haben
jeweils einen Anschlagtopf 10 während an den Schrauben 17 kein
Anschlagtopf vorgesehen ist. Das so ausgebildete Kopplungselement 2 kann
mit den Schrauben 5, 17 an der getriebeseitigen
Hardyscheibe eines Kraftfahrzeugs befestigt werden und dient damit
zugleich als Flansch zur Anbringung an der Antriebswelle (nicht
dargestellt).
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Durch
die Erfindung kann ein besonders niederfrequent abgestimmter Schwingungstilger
mit großem
Drehwinkel bereitgestellt werden.
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In
den 6 bis 10 ist ein Schwingungstilger 1 in
besonders bevorzugter Ausführungsform gezeigt,
der in seinem Aufbau dem in den 1 bis 5 behandelten
Schwingungstilger 1 entspricht mit der Abweichung, dass
der Elastomerkörper 6 aus zwei
Elastomerelementen 110 und 120 besteht. Diese
Elastomerelemente 110 und 120 sind außerdem nicht
als durchgehend einheitliche Elastomerspuren ausgebildet, sondern
bestehen aus in Kreisen angeordneten einzelnen axialen Stegen 111 und 121.
Die Stege 111 und 121 sind an ihren axialen freien
Rändern 112 und 122 am
Haltering 14 befestigt. Letzteres kann durch Vulkanisation
erfolgen. Die den inneren Kreis, das innere Elastomerelement 110,
bildenden Stege 111 sind an der Innenhülse 16 anvulkanisiert.
Die den äußeren Kreis,
das äußere Elastomerelement 120,
bildenden Stege 121 sind an die Außenhülse 150 anvulkanisiert.
Auf diese Weise entsteht ein Elastomerkörper 6, der in weiten
Bereichen an die zu tilgenden Frequenzen angepasst werden kann.
Außerdem
lässt er
weite Winkel bei seinen Torsionsbewegungen zu. Schließlich kann
der Elastomerkörper 6 als
ein gesondertes Teil hergestellt werden, das vorgefertigt in den
Zwischenraum zwischen dem Kopplungselement 2 und der Tilgermasse 3 eingepresst
werden kann. Auch wird eine Faltenbildung am Elastomerkörper 6 bei
starken Drehbewegungen zwischen der Tilgermasse 3 und dem
Kopplungselement 2 vermieden.
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Im
Hinblick auf die sehr weiche Ausbildung des Elastomerkörpers 6 ist
es vorteilhaft, wenn die Elastomerelemente 110 und 120 Unterbrechungen haben,
was im vorliegenden Fall durch die Verwendung von Stegen 111 und 121 erreicht
wird. Hierdurch wird eine Faltenbildung bei den Drehbewegungen der
Wellen vermieden. Bevorzugt werden die Elastomerelemente 110 und 120 durch
im Kreis und mit Abstand zueinander angeordnete Stege 111 und 121 gebildet.
Schließlich
ist es von Vorteil, wenn die Elastomerelemente 110 und 120 fluchtend
zueinander angeordnet sind.
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Die
Reihenschaltung der Elastomerelemente 110 und 120 wird
dadurch erreicht, dass das innen liegende Elastomerelement 110 mit
den axial innen liegenden Rändern 301 der
Stege 111 mit der Innenhülse 16, die axial
außen
liegenden Ränder 112 und 122 beider
Elastomerelemente 110 und 120 am Haltering 14,
und das radial außen
liegende Elastomerelement 120 mit seinen innen liegenden
Rändern 210 der
Stege 121 über
den Haltering 14 mit dem Kopplungselement 2 verbunden
sind.
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Zur
sicheren Halterung und leichten Verdrehbarkeit der als Schwungring
ausgebildeten Tilgermasse 3 auf dem Kopplungselement 2 ist
der Schwungring über
das Lager 7 auf dem Kopplungselement 2 gelagert.