DE102010019903A1

DE102010019903A1 - Entkoppelte Antriebsscheibe mit sehr geringer Steifigkeit

Info

Publication number: DE102010019903A1
Application number: DE102010019903A
Authority: DE
Inventors: Dr. Depp Jürgen Christian
Original assignee: Metaldyne International Deutschland GmbH
Current assignee: Metaldyne International Deutschland GmbH
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: DE102010019903B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine entkoppelte Antriebsscheibe 1, die ausgestaltet ist, an ihrem Außenumfang mit einem Zugmittel zusammenzuwirken, sodass ein Drehmoment zwischen der Antriebsscheibe und dem Zugmittel übertragbar ist, wobei die Antriebsscheibe aufweist: • ein erstes ringförmiges Element 2, das drehfest mit einer um eine Rotationsachse 20 drehbare Welle 30 verbindbar ist, • ein zweites ringförmiges Element 3, das über eine erste elastische Kupplung 4 an das erste ringförmige Element 2 angekoppelt ist, sodass eine Relativbewegung des zweiten ringförmigen Elements 3 und des ersten ringförmigen Elements 2 in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten elastischen Kupplung 4 am zweiten ringförmigen Element 2 Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten an der Welle 30 reduziert werden, wobei die Antriebsscheibe außerdem ein drittes ringförmiges Element 5 aufweist, das über eine zweite elastische Kupplung 6 an das zweite ringförmige Element angekoppelt ist, sodass eine Relativbewegung des dritten ringförmigen Elements 5 und des zweiten ringförmigen Elements 3 in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der zweiten elastischen Kupplung 6 am dritten ringförmigen Element 5 Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten am zweiten ringförmigen Element 3 reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine entkoppelte Antriebsscheibe mit einem ersten ringförmigen Element, das drehfest mit einer Welle verbindbar ist, einem zweiten ringförmigen Element, das über eine erste elastische Kupplung an das erste ringförmige Element angekoppelt ist, und einem dritten ringförmigen Element, das über eine zweite elastische Kupplung an das zweite ringförmige Element angekoppelt ist, sodass eine Bewegung des dritten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements relativ zur Welle in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten und zweiten elastischen Kupplung eine Drehbewegung des zweiten und dritten ringförmigen Elements um die Rotationsachse von Drehungleichförmigkeiten der Welle entkoppelt ist.
In Fahrzeugen, insbesondere Straßenkraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, treten Drehungleichförmigkeiten der Antriebswelle auf, da durch die zeitlich veränderliche Gasdruckanregung über Kolben und Pleuel die Kurbelwelle ständig beschleunigt und verzögert wird. Der mittleren Drehzahl wird so eine Drehzahlschwankung überlagert, die umso ausgeprägter ist, je größer der Abstand zwischen den einzelnen Zylindern ist. Die Zündabstände nehmen mit abnehmender Zylinderzahl zu, so dass der Einzylindermotor die größten Drehungleichförmigkeiten aufweist. Außer zum Antrieb des Fahrzeugs werden die Motoren aber auch für Nebenaggregate, wie z. B. einen Generator genutzt. Über eine drehfest mit der Kurbelwelle verbundene Scheibe und ein langgestrecktes, um den Außenumfang der Scheibe umlaufendes Übertragungsmittel, wie Riemen oder Kette, werden die Nebenaggregate angetrieben. Die Drehungleichförmigkeiten, die auch als Drehzahlschwankungen oder niederfrequente Drehschwingungen bezeichnet werden, werden daher ohne weitere Maßnahme direkt auf das Übertragungsmittel übertragen. Die Folge sind Geräusche und mechanische Beanspruchungen, die den Verschleiß des Übertragungsmittels steigern. Insbesondere im Falle eines Riementriebs kann der Riemen durch die Torsionsschwingungen starke Geräusche verursachen, reißen oder auf der Riemenscheibe rutschen. Auch die Spannmittel im Riementrieb unterliegen erheblichen Beanspruchungen. Drehungleichförmigkeiten müssen daher von einem Zugmitteltrieb, wie z. B. einem Riementrieb, so weit wie möglich ferngehalten, d. h. entkoppelt werden.
Die EP 1 266 152 B1 beschreibt eine von den Schwingungen einer Kurbelwelle entkoppelte Riemenscheibe, die zusätzlich in einem einzigen Bauteil mit einem Drehschwingungsdämpfer kombiniert ist. Die entkoppelte Riemenscheibe der EP 1 266 152 B1 umfasst einen Schwungring, der in einem mit einem viskosen Medium gefüllten Dämpfergehäuse angeordnet und relativ zu diesem verdrehbar ist, sowie ein Lager und eine Kupplung aus gummielastischem Werkstoff zur relativ verdrehbaren und in Umfangsrichtung der Riemenscheibe elastischen Abstützung der Riemenscheibe gegenüber dem Dämpfergehäuse. Die schwingungstechnische Entkopplung des Riementriebs erfolgt durch die drehelastische Kupplung aus gummielastischem Werkstoff.
Ausgangspunkt der Erfindung ist die Entkopplung eines Riementriebs oder anderen Zugmitteltriebs von Drehschwingungen bei Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge kleinerer Zylinderzahlen, wie Vierzylinder- und insbesondere Drei- und Zweizylindermotoren. Es werden derzeit leistungsfähige Motoren, die den Kraftstoffverbrauch senken, mit drei oder nur zwei Zylindern entwickelt. Dadurch entstehen im niedrigen Drehzahlbereich große Drehungleichförmigkeiten, d. h. Drehschwingungen mit großen Amplituden und der Frequenz f = 0.5·z·n/60 [Hz], wobei z die Zylinderzahl und n [1/min], die Drehzahl des Verbrennungsmotors ist.
Den Drehschwingungen ist die eigentliche Drehbewegung der Kurbelwelle überlagert.
Für die Entkopplung des Riementriebs von den Drehungleichförmigkeiten von Motoren kleinerer Zylinderzahlen werden geeignete entkoppelte Antriebsscheiben benötigt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entkoppelte Antriebsscheibe anzugeben, die zur Entkopplung von Drehungleichförmigkeiten auch von Motoren mit nur zwei oder drei Zylindern geeignet ist.
Gemäß einem grundlegenden Gedanken der vorliegenden Erfindung werden zur Lösung dieser Aufgabe in der Antriebsscheibe zwei oder mehr elastische Kupplungen in Serie angeordnet, um damit insgesamt eine geringe Steifigkeit zu erzielen, ohne dass in den Einzelkupplungen zu hohe Spannungen und Deformationen auftreten, die zu Beschädigungen führen können. Eine Anordnung in Serie bedeutet, dass Kupplungen im Kraftübertragungsweg, z. B. von der Welle hin zur Außenseite der Antriebsscheibe, aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die einzelnen Kupplungen durch andere Bauteile, wie z. B. ringförmige Elemente, getrennt sein können.
Der Begriff „Steifigkeit” beschreibt erfindungsgemäß den Deformationswiderstand der Kupplung gegen ein einwirkendes Drehmoment. Je nach Anordnung der Kupplung ist damit zum Beispiel der Widerstand gegen eine Verwindung der Kupplung in Umfangsrichtung der Welle/Antriebsscheibe gemeint. Durch die Anordnung zweier Kupplungen in Serie wird die einzelne Kupplung weniger durch Spannungen und Deformationen belastet.
Durch die Serienanordnung mindestens zweier Kupplungen erreicht man eine niedrige Steifigkeit. Im speziellen Fall von zwei Kupplungen wird die Steifigkeit c nach folgender Formel errechnet: c = c₁·c₂/(c₁ + c₂) mit c = Gesamtsteifigkeit; c₁ = Steifigkeit der ersten Kupplung, c₂ = Steifigkeit der zweiten Kupplung.
Der Verdrehwinkel (Amplitude) der Drehschwingung ist in zwei Anteile aufgeteilt: Φ = Φ₁ + Φ₂, wobei Φ₁/Φ₂ = c₂/c₁ mit Φ = Gesamtverdrehwinkel, Φ₁ = Verdrehwinkel der ersten Kupplung, Φ₂ = Verdrehwinkel der zweiten Kupplung.
Bei einer geeigneten Geometrie, wie nachfolgend detaillierter beschrieben, reduzieren sich die Spannungen und Deformationen auf ein Maß für die einzelnen elastischen Kupplungen, das einen dauerhaften, verschleißarmen Betrieb ermöglicht. Die erfindungsgemäße entkoppelte Antriebsscheibe ist daher dazu geeignet, niederfrequente Drehschwingungen mit hohen Amplituden zu entkoppeln.
Eingesetzt wird die entkoppelte Antriebsscheibe der Erfindung insbesondere in Antriebsaggregaten von Kraftfahrzeugen, insbesondere Straßenkraftfahrzeugen. In der Regel ist die Welle die Kurbelwelle des Antriebsaggregats. Über die Antriebsscheibe werden mittels eines Zugmittels bevorzugt zusätzliche externe Aggregate und Einrichtungen, so genannte Nebenaggregate, angetrieben. Beispiele sind dafür sind Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie, Pumpen und Kompressoren.
Zugmittel werden allgemein in Zugmitteltrieben – auch Umschlingungsgetriebe genannt – eingesetzt. Ein Zugmitteltrieb ist ein Getriebe, bei dem ein Drehmoment, üblicherweise zwischen einer antreibenden Welle und einer oder mehrerer angetriebenen Wellen, mit Hilfe eines die Wellenenden umschlingenden Zugmittels übertragen wird. Hierbei kann das Zugmittel auf einer Antriebsscheibe aufliegen, die an die Wellen angekoppelt ist. Zugmittel sind beispielsweise Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen, eine Sonderform des Keilriemens, Rundriemen, Zahnriemen und Ketten. Im Spezialfall handelt es sich bei der entkoppelten Antriebsscheibe der vorliegenden Erfindung um eine entkoppelte Riemenscheibe.
Insbesondere wird Folgendes vorgeschlagen: Eine entkoppelte Antriebsscheibe, die ausgestaltet ist, an ihrem Außenumfang mit einem Zugmittel zusammenzuwirken, sodass ein Drehmoment zwischen der Antriebsscheibe und dem Zugmittel übertragbar ist, wobei die Antriebsscheibe aufweist:

• ein erstes ringförmiges Element, das drehfest mit einer um eine Rotationsachse drehbare Welle verbindbar ist,
• ein zweites ringförmiges Element, das über eine erste elastische Kupplung an das erste ringförmige Element angekoppelt ist, sodass eine Relativbewegung des zweiten ringförmigen Elements und des ersten ringförmigen Elements in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten elastischen Kupplung am zweiten ringförmigen Element Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten an der Welle reduziert werden,

Der Begriff „Antriebsscheibe” beinhaltet in der vorliegenden Erfindung, dass die Scheibe ein Zugmittel antreiben kann oder auch umgekehrt. Wenn sich die Antriebsscheibe auf einer antreibenden Welle befindet und ein Zugmittel antreibt, so wird Kraft von der Welle auf das erste ringförmige Element, das drehfest mit der Welle verbunden ist, übertragen. Die weitere Kraftübertragung erfolgt vom ersten ringförmigen Element über die erste elastische Kupplung auf das zweite ringförmige Element. Vom zweiten ringförmigen Element wird die Kraft über die zweite elastische Kupplung auf das dritte ringförmige Element übertragen. Schließlich wird die Kraft auf den Außenumfang der Antriebsscheibe und auf ein dort aufliegendes Zugmittel übertragen. Wird aber die Scheibe von einem Zugmittel angetrieben, so verläuft die Kraftübertragung in umgekehrter Richtung.
Der Begriff „drehfest” bedeutet, dass keine Relativbewegung des ersten ringförmigen Elements und der Welle in Umfangsrichtung möglich ist.
Befindet sich die Antriebsscheibe der vorliegenden Erfindung auf einer angetriebenen Welle, so wird das erste ringförmige Element, das drehfest mit der Welle verbunden ist, den Drehungleichförmigkeiten der Welle mit gleicher Amplitude folgen. Aufgrund ihrer geringen Steifigkeit verformt sich die erste elastische Kupplung, so dass bei dem ersten ringförmigen Element Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten an der Welle reduziert werden. Aufgrund ihrer ebenfalls geringen Steifigkeit verformt sich auch die zweite elastische Kupplung, so dass bei dem dritten ringförmigen Element Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten am ersten ringförmigen Element nochmals reduziert werden. Im Ergebnis folgt das erste ringförmige Element auf der Innenseite bzw. Antriebsseite der Scheibe den Drehungleichförmigkeiten der Welle stärker, und ein Element auf der Außenseite bzw. Abtriebsseite der Scheibe, welches das dritte ringförmige Element selbst sein kann, folgt den Drehungleichförmigkeiten weniger stark. Es findet somit – von Kupplung zu Kupplung, insbesondere in Richtung radial nach außen, eine Abschwächung der Drehungleichförmigkeit der Welle statt. Im Idealfall, der aber für die Erfindung nicht zwingend ist, sind auf der Außenseite der Antriebsscheibe keinerlei Drehungleichförmigkeiten mehr vorhanden. Wird die Antriebsscheibe von einem Zugmittel angetrieben, so verläuft der zuvor beschriebene Mechanismus in umgekehrter Richtung.
Der Effekt der Abschwächung von Drehungleichförmigkeiten bzw. die Reduzierung von Amplituden von Drehungleichförmigkeiten, im Idealfall auf Null, wird in dieser Erfindung auch als „Entkopplung” bezeichnet.
Der Außenumfang der Antriebsscheibe muss nicht von dem dritten ringförmigen Element gebildet werden. Es können zwischen dem dritten ringförmigen Element und dem Äußeren der Antriebsscheibe weitere Elemente bzw. Bauteile vorhanden sein, wie nachfolgend noch beschrieben.
Das ringförmiges Element, das auch als „ringförmiges Bauteil” oder ringförmiges Mittel” bezeichnet werden kann, ist vorzugsweise rotationssymmetrisch oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet. In einer alternativen Begrifflichkeit wird das erste ringförmige Element auch als ringförmige Primärmasse, das zweite ringförmige Element als ringförmige Sekundärmasse und das dritte ringförmige Element als ringförmige Tertiärmasse bezeichnet.
Die ringförmigen Elemente der vorliegenden Erfindung besitzen eine sehr hohe Steifigkeit. Die Steifigkeit der ringförmigen Elemente ist gegenüber der Steifigkeit der elastischen Kupplungen vernachlässigbar.
Bevorzugt bestehen die ringförmigen Elemente aus Metall, wie Gusseisen, Stahl, Aluminium oder Kunststoff. Die ringförmigen Elemente können aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein, z. B. ringförmigen Einzelteilen.
Die elastischen Kupplungen können insbesondere aus Gummi hergestellt sein. Unter „Gummi” wird in der vorliegenden Beschreibung jegliches elastomere Material verstanden, das durch Vulkanisation von Naturkautschuk (NR) oder von Synthesekautschuken wie beispielsweise EPDM, AEM, HNBR, oder Silikongummimischungen gewonnen wurde.
Die erste und die zweite Kupplung können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Steifigkeiten der elastischen Kupplungen werden vorzugsweise so gewählt, dass die maximalen Schubspannungen jeweils auf ungefähr dem gleichen Niveau und unterhalb der zulässigen Schubspannung des Gummis liegen. Die zulässige Schubspannung ist die maximale Schubspannung, mit der die elastische Kupplung auf Dauer belastet werden kann, ohne zu reißen oder zu brechen.
Die Antriebsscheibe ist so ausgestaltet, dass sie an ihrem Außenumfang mit einem Zugmittel zusammen wirken kann. Die Ausgestaltung der Antriebsscheibe ist vorzugsweise derart, dass sie an ihrem Außenumfang mit einer Lauffläche für einen Riemen oder mit Zähnen zum Eingriff eine Kette versehen ist. Beispielsweise ist der Außenumfang der Antriebsscheibe mit in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten versehen, so dass entsprechend passgenau geformte Vorsprünge eines Riemens (z. B. eines so genannten Keilriemens oder Keilrippenriemens) in die Nuten eingreifen können.
Neben den erwähnten ersten, zweiten und dritten ringförmigen Elementen können weitere ringförmige Elemente vorhanden sein, die über zusätzliche elastische Kupplungen miteinander und mit den beschriebenen ringförmigen Elementen verkuppelt sind und die in den Kraftübertragungsweg eingebunden sind. In einer speziellen Ausführungsform weist die Antriebsscheibe ein viertes ringförmiges Element auf, das über eine dritte elastische Kupplung an das dritte ringförmige Element angekoppelt ist, sodass eine Relativbewegung des vierten ringförmigen Elements und des dritten ringförmigen Elements in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten, zweiten und dritten elastischen Kupplung eine Drehbewegung des vierten ringförmigen Elements um die Rotationsachse von Drehungleichförmigkeiten der Welle entkoppelt ist. Dieses Prinzip kann weiter fortgesetzt werden, indem man, je nach vorhandenem Platz für die Antriebsscheibe weitere ringförmige Elemente und elastische Kupplungen hinzufügt.
In einer speziellen Ausführungsform wird eine entkoppelte Antriebsscheibe angegeben, bei der die erste elastische Kupplung zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche des ersten ringförmigen Elements und einer radial nach innen weisenden Oberfläche des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche des zweiten ringförmigen Elements und einer radial nach innen weisenden Oberfläche des dritten ringförmigen Elements angeordnet ist. Der Bezugspunkt für die radiale Raumrichtung ist die Rotationsachse der Welle, so dass die Richtung radial nach außen die Richtung von der Rotationsachse weg angibt und die Richtung radial nach innen die Richtung zur Rotationsachse angibt.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform wird eine entkoppelte Antriebsscheibe angegeben, bei der die erste elastische Kupplung zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche des ersten ringförmigen Elements und einer radial nach innen weisenden Oberfläche des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen des zweiten ringförmigen Elements und des dritten ringförmigen Elements angeordnet ist. Die axiale Raumrichtung ist in Richtung der Rotationsachse der Welle definiert.
In noch einer weiteren speziellen Ausführungsform wird eine entkoppelte Antriebsscheibe angegeben, bei der die erste elastische Kupplung zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen des ersten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen des zweiten ringförmigen Elements und des dritten ringförmigen Elements angeordnet ist.
In noch einer weiteren speziellen Ausführungsform wird eine entkoppelte Antriebsscheibe angegeben, bei der die erste elastische Kupplung zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen des ersten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche des zweiten ringförmigen Elements und einer radial nach innen weisenden Oberfläche des dritten ringförmigen Elements angeordnet ist.
Generell können eine radial nach außen weisende Oberfläche eines ringförmigen Elements und eine radial nach innen weisende Oberfläche eines anderen ringförmigen Elements auch als radial gegenüber liegend bezeichnet werden. Solch radial gegenüberliegende Oberflächen sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie im axialen Querschnitt zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel verlaufen. Zueinander im Wesentlichen parallel bedeutet vorzugsweise, dass die beiden Oberflächen im axialen Querschnitt einen Winkel von höchstens 10°, noch mehr bevorzugt höchstens 5°, einschließen. Noch mehr bevorzugt verlaufen sie im axialen Querschnitt auch parallel oder im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Welle. Im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Welle bedeutet vorzugsweise, dass die beiden Oberflächen im axialen Querschnitt mit der Rotationsachse einen Winkel von höchstens 10°, noch mehr bevorzugt höchstens 5°, einschließen.
Axial einander gegenüberliegende Oberflächen von zwei verschiedenen ringförmigen Elementen können so angeordnet sein, dass sie im axialen Querschnitt zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel verlaufen. Noch mehr bevorzugt verlaufen die axial einander gegenüberliegenden Oberflächen senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse der Welle. Im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse der Welle bedeutet vorzugsweise, dass die beiden Oberflächen im axialen Querschnitt mit einer Senkrechten zur Rotationsachse einen Winkel von höchstens 10°, noch mehr bevorzugt höchstens 5°, einschließen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die axial einander gegenüberliegenden Oberflächen so angeordnet, dass sich im axialen Schnitt ein konischer Verlauf ergibt. Noch mehr bevorzugt öffnet sich der Konus in radialer Richtung nach außen.
Eine Kupplung, die zwischen radial gegenüberliegende Oberflächen zweier ringförmiger Elemente angeordnet ist, wird in der vorliegenden Erfindung auch als „Hülsenfederkupplung” bezeichnet. Eine Kupplung, die zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen zweier ringförmiger Elemente angeordnet ist, wird in der vorliegenden Erfindung auch als „Scheibenfederkupplung” bezeichnet. Bei der Serienanordnung der Kupplungen können diese Kupplungstypen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, wobei auch mehr als zwei Kupplungen vorhanden sein können.
Eine bevorzugte Form der Hülsenfederkupplung ist derart, dass die Kupplung im axialen Querschnitt in radialer Richtung nach außen verjüngt ist. Dies bedeutet, dass die Breite der Kupplung, d. h. ihre Ausdehnung in axialer Richtung, mit zunehmendem Abstand von der Drehachse der Welle verringert ist. Dadurch können Schubspannungsdifferenzen innerhalb der Kupplung ausgeglichen werden. Noch mehr bevorzugt wird die Breite der Kupplung umgekehrt proportional zum Quadrat des radialen Abstands von der Drehachse (Radius) gewählt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Schubspannungen in der Hülsenfederkupplung konstant sind.
Eine bevorzugte Form der Scheibenfederkupplung ist derart, dass die Kupplung im axialen Querschnitt einen konischen Verlauf aufweist, wobei sich der Konus in radialer Richtung nach außen öffnet. Dadurch können Schubspannungsdifferenzen innerhalb der Kupplung ausgeglichen werden. Noch mehr bevorzugt wird die Breite der Kupplung proportional zum radialen Abstand von der Drehachse (Radius) gewählt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Schubspannungen in der Scheibenfederkupplung konstant sind.
Zwischenformen der oben beschriebenen Hülsen- und Scheibenfederkupplungen sind in der Antriebsscheibe verwendbar. So können beispielsweise einander gegenüberliegende Oberflächen zweier ringförmiger Elemente, zwischen denen die Kupplung angeordnet ist, im axialen Querschnitt mit der Rotationsachse der Welle einen Winkel im Bereich von > 10° bis < 80° einschließen. Zusätzlich dazu können zwei einander gegenüberliegende Oberflächen zweier ringförmiger Elemente im axialen Querschnitt einen Winkel von > 10° einschließen.
Schließlich wird eine spezielle Ausführungsform einer entkoppelten Antriebsscheibe angegeben, bei der die erste elastische Kupplung und die zweite elastische Kupplung axial nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist mit den vorangegangenen Ausführungsformen kombinierbar, insbesondere mit der Ausführungsform, bei der die erste elastische Kupplung zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche des ersten ringförmigen Elements und einer radial nach innen weisenden Oberfläche des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche des zweiten ringförmigen Elements und einer radial nach innen weisenden Oberfläche des dritten ringförmigen Elements angeordnet ist.
Der Begriff „axial nebeneinander” bedeutet, dass die Querschnitte der ersten elastischen Kupplung und der zweiten elastischen Kupplung senkrecht zur Rotationsachse der Welle, d. h. die radialen Querschnitte, auf einer zur Rotationsachse parallelen Sichtachse zumindest teilweise überlappen. Die in radialer Richtung äußerste Oberfläche der zweiten elastischen Kupplung kann in radialer Richtung weiter außen liegen als die in radialer Richtung äußerste Oberfläche der ersten elastischen Kupplung. Die beiden in radialer Richtung äußersten Oberflächen der beiden Kupplungen können aber auch den gleichen Abstand von der Welle bzw. der Rotationsachse aufweisen. Die Anordnung von Kupplungen axial nebeneinander hat den Vorteil eines geringen Raumbedarfs der Antriebsscheibe in radialer Richtung.
Bei einer Anordnung von Kupplungen axial nebeneinander können auch drei oder mehr Kupplungen axial nebeneinander angeordnet sein.
Um eine Anordnung einer ersten und einer zweiten Kupplung axial nebeneinander zu erreichen kann bei einem ringförmigen Element, das zwischen den beiden Kupplungen angeordnet ist, eine Form gewählt werden, bei der das ringförmige Element von der Kontaktstelle mit der ersten Kupplung bis zur Kontaktstelle mit der zweiten Kupplung radial verengt ist, d. h. eine sich radial verengende Form aufweist. Im Fall genau zweier in Serie angeordneter Kupplungen in der Antriebsscheibe ist das besagte ringförmige Element das zweite ringförmige Element.
Im Fall zweier in Serie angeordneter Hülsenfederkupplungen kann das zweite ringförmige Element im axialen Querschnitt einen Verlauf aufweisen, der in Richtung von der ersten Kupplung zur zweiten Kupplung des ringförmigen Elements in Richtung der Welle abgestuft ist. Anders ausgedrückt, wird das zweite ringförmige Element gebildet aus einem parallel oder im wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Welle verlaufenden ersten Ringteil, einem senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden zweiten Ringteil und einem parallel oder im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verlaufenden dritten Ringteil, wobei der dritte Ringteil näher bei der Welle angeordnet ist als der erste Ringteil.
In einer weiteren Variante kann das zweite ringförmige Element im axialen Querschnitt auch einen L-förmigen Verlauf aufweisen, wobei es gebildet wird aus einem parallel oder im wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Welle verlaufenden ersten Ringteil und einem senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden zweiten Ringteil. Der zweite Ringteil kann mit einer Scheibenfederkupplung verbunden sein.
Für die Definition der Begriffe „im Wesentlichen parallel” und „in Wesentlichen senkrecht” gelten die analogen Definitionen wie zuvor bezüglich der Oberflächen von ringförmigen Elementen.
Die Anordnung der elastischen Kupplung ist vorzugsweise derart, dass die Kupplung haftend mit angrenzenden Bauteilen verbunden ist. In einer speziellen Variante sind die angrenzenden Bauteile die ringförmigen Elemente, so dass die ringförmigen Elemente direkt über eine an ihren Oberflächen haftende elastische Kupplung verbunden sind. Noch nicht vulkanisiertes elastomeres Material kann in den Zwischenraum zwischen zwei ringförmigen Elementen eingebracht und darin vulkanisiert werden, so dass es mit den Oberflächen der ringförmigen Elemente haftend verbunden wird.
Zusätzlich zu den elastischen Kupplungen kann die Antriebsscheibe eine Dämpfungseinrichtung aufweisen, z. B. eine in einer viskosen bzw. viskoelastischen Flüssigkeit drehbeweglich gelagerte Dämpfungsmasse. Insbesondere kann in das erste ringförmige Element ein solcher Viskositätsdämpfer zur Dämpfung von Drehschwingungen der Welle integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Dämpfungseinrichtung einen oder mehrere Gummidämpfer oder Kombinationen von Gummi- und Viskosedämpfern aufweisen.
Ferner gehört zur vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer entkoppelten Antriebsscheibe, insbesondere einer entkoppelten Antriebsscheibe wie zuvor beschrieben, wobei:

• über eine erste elastische Kuppung ein zweites ringförmiges Element an ein erstes ringförmiges Element, das drehfest mit einer um eine Rotationsachse drehbare Welle verbindbar ist, angekoppelt wird, sodass eine Relativbewegung des zweiten ringförmigen Elements und des ersten ringförmigen Elements in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten elastischen Kupplung eine Drehbewegung des zweiten ringförmigen Elements um die Rotationsachse von Drehungleichförmigkeiten der Welle entkoppelt ist,
• über eine zweite elastische Kupplung ein drittes ringförmiges Element an das zweite ringförmige Element angekoppelt wird, sodass eine Relativbewegung des dritten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten und der zweiten elastischen Kupplung eine Drehbewegung des dritten ringförmigen Elements um die Rotationsachse von Drehungleichförmigkeiten der Welle entkoppelt ist, und wobei

Ausführungsbeispiele in der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
1 einen axialen Schnitt durch eine entkoppelte Antriebsscheibe, wobei die Schnittebene die Rotationsachse der Welle enthält, mit der das erste ringförmige Element der Riemenscheibe drehfest verbindbar ist,
2 einen axialen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer entkoppelten Antriebsscheibe,
3 einen axialen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer entkoppelten Antriebsscheibe,
4 einen axialen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform einer entkoppelten Antriebsscheibe,
1 zeigt eine Antriebsscheibe, bei der die erste elastische Kupplung 4 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 10 des ersten ringförmigen Elements 2 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 11 des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 12 des zweiten ringförmigen Elements 3 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 13 des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist. Die radial nach außen weisende Oberfläche 10 des ersten ringförmigen Elements 2 und die radial nach innen weisende Oberfläche 11 des zweiten ringförmigen Elements 3 sind im axialen Schnitt zueinander parallel, ebenso wie die radial nach außen weisenden Oberfläche 12 des zweiten ringförmigen Elements 3 und die radial nach innen weisende Oberfläche 13 des dritten ringförmigen Elements 5.
Das erste Element 2 ist drehfest mit einer Welle 30, welche die Rotationsachse 20 aufweist, verbunden.
1 zeigt einen Aufbau, bei dem die erste elastische Kupplung 4 und die zweite elastische Kupplung 6 axial nebeneinander angeordnet sind. Um diese Anordnung zu erreichen, weist das zweite ringförmige Element 3 im Axialschnitt einen stufenförmigen Verlauf auf. In Richtung von der ersten elastischen Kupplung zur zweiten elastischen Kupplung ist der Verlauf in Richtung der Welle 30 abgestuft. Das zweite ringförmige Element 3 weist einen parallel zur Rotationsachse liegende ersten Ringteil 18 auf. Der erste Ringteil weist die radial nach innen weisende Oberfläche 11 auf, an der die erste elastische Kupplung 4 befestigt ist. An den ersten Ringteil schließt sich ein radial verlaufender zweiter Ringteil 19 an, gefolgt von einem wiederum parallel zur Rotationsachse liegenden dritten Ringteil 21. Der dritte Ringteil weist die radial nach außen weisende Oberfläche 12 auf, an der die zweite elastische Kupplung 6 befestigt ist. Der dritte Ringteil 21 liegt näher an der Rotationsachse als der erste Ringteil 18, wodurch die erste elastische Kupplung 4 und die zweite elastische Kupplung 6 axial nebeneinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da die Antriebsscheibe in radialer Richtung trotz zweier elastischer Kupplungen nur einen geringen Raumbedarf hat.
Das dritte ringförmige Element 5 bildet radial außenseitig den Außenumfang der Antriebsscheibe mit einer Lauffläche für einen Riemen 40. Der Außenumfang der Antriebsscheibe bzw. die Lauffläche ist mit in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten 50 versehen, in die entsprechend geformte Vorsprünge eines Riemens eingreifen können
Die in 1 gezeigte Form der Kupplung wird auch als „Hülsenfederkupplung” bezeichnet. Die erste Kupplung weist die Steifigkeit c₁ auf und die zweite Kupplung die Steifigkeit c₂. Im axialen Querschnitt verjüngen sich die erste elastische Kupplung 4 die die zweite elastische Kupplung 6 in radialer Richtung nach außen, da die Schubspannungen in der Hülsenfederkupplung dann konstant sind, wenn die Breite der Kupplung umgekehrt proportional zum Quadrat des radialen Abstands von der Drehachse (Radius) gewählt wird.
2 zeigt einen Aufbau, bei dem die erste elastische Kupplung 4 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 16, 17 des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 14, 15 des zweiten ringförmigen Elements 3 und des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist. Im axialen Querschnitt weist das zweite ringförmige Element 3 einen S-förmigen Verlauf auf.
Das erste ringförmige Element 2 weist einen L-förmigen Querschnitt mit einem Winkel von mehr als 90° zwischen den Schenkeln auf, wobei der eine Schenkel die Kontaktoberfläche zur ersten Kupplung 4 bildet. Es ist mit dem anderen Schenkel drehfest mit einer Welle 30, welche die Rotationsachse 20 aufweist, verbunden.
Das dritte ringförmigen Element 5 weist einen L-förmigen Querschnitt auf, bei dem die Schenkel einen Winkel von weniger als 90° einschließen, wobei der eine Schenkel die Kontaktoberfläche zur zweiten Kupplung 4 bildet
Die in 2 gezeigte Form der Kupplung wird auch als „Scheibenfederkupplung” bezeichnet. Die paarweise axial gegenüberliegenden Oberflächen 16/17, 14/15 sind so angeordnet, dass sich im axialen Schnitt ein konischer Verlauf ergibt, wobei sich der Konus in radialer Richtung nach außen öffnet, da die Schubspannungen in einer Scheibenfederkupplung dann konstant sind, wenn die Breite der Kupplung proportional zum radialen Abstand von der Drehachse (Radius) gewählt wird. Dadurch weisen die erste elastische Kupplung 4 die die zweite elastische Kupplung 6 einen trapezförmigen Querschnitt auf.
3 zeigt einen Aufbau, bei dem die erste elastische Kupplung 4 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 10 des ersten ringförmigen Elements 2 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 11 des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 14, 15 des zweiten ringförmigen Elements 3 und des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist. Der Aufbau der 3 ist eine Mischform von Elementen aus dem Aufbau der 1 und 2. Die erste elastische Kupplung 4 hat die Form einer Hülsenfederkupplung und die zweite elastische Kupplung 6 hat die Form einer Scheibenfederkupplung.
In Aufbau der 3 weist das zweite ringförmige Element 3 einen L-förmigen Querschnitt mit einem Winkel von mehr als 90° zwischen den Schenkeln auf und das dritte ringförmige Element 5 weist einen L-förmigen Querschnitt mit einem Winkel von weniger als 90° zwischen den Schenkeln auf.
4 zeigt einen Aufbau, bei dem die erste elastische Kupplung 4 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 16, 17 des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 12 des zweiten ringförmigen Elements 3 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 13 des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist.
In den Ausführungsbeispielen der 1–4 ist die Welle das antreibende Element, befindet sich somit auf der Antriebsseite, und der Riemen wird angetrieben und befindet sich somit auf der Abtriebsseite.
Der Aufbau der 4 ist ebenfalls eine Mischform von Elementen aus dem Aufbau der 1 und 2, wobei die Anordnung der Kupplungen genau umgekehrt ist wie in der 3. Hier hat die erste elastische Kupplung 4 die Form einer Scheibenfederkupplung und die zweite elastische Kupplung 6 die Form einer Hülsenfederkupplung.
Die Ausführungsformen der 2–4 haben den Vorzug, dass sie eine relativ geringe Ausdehnung in axialer Richtung haben, was von Vorteil ist, wenn auf der Welle in axialer Richtung nur wenig Raum zur Anordnung der Antriebsscheibe zur Verfügung steht. Die Ausführungsform der 1 ist hingegen von Vorteil, wenn in radialer Richtung wenig Raum zum Einbau der Antriebsscheibe zur Verfügung steht.
Im Vergleich zur Ausführungsform der 4 ist die Ausführungsform der 3 vorteilhafter, weil die Hülsenfederkupplung als erste elastische Kupplung 4 radial weiter innen liegt und dadurch eine geringe Steifigkeit aufweist. Der steifigkeitserhöhende größere radiale Abstand der Scheibenfederkupplung kann durch einen steifigkeitserniedrigenden größeren axialen Abstand der axial gegenüberliegenden Oberflächen 14, 15 ausgeglichen werden. Im Ergebnis wird bei der der Ausführungsform der 3 eine nahezu gleiche Steifigkeit beider Kupplungen erzielt.
Auch in der Ausführungsform der 2 kann der steifigkeitserhöhende größere radiale Abstand der zweiten Scheibenfederkupplung durch einen steifigkeitserniedrigenden größeren axialen Abstand der axial gegenüberliegenden Oberflächen 14, 15 ausgeglichen werden. Das führt aber zu anderen Bauraumverhältnissen, da die erste Scheibenfederkupplung radial weiter innen liegt und deshalb zur Erzielung einer ungefähr gleichen Steifigkeit einen sehr viel kürzeren axialen Abstand der axial gegenüberliegenden Oberflächen 16, 17 aufweisen muss.
Hinsichtlich der Ausnutzung eines in der Praxis zur Verfügung stehenden Bauraums mit Beschränkungen in axialer und radialer Richtung stellt die Ausführungsform 3 deshalb die bestmögliche Lösung dar.
Die Ausführungsform der 1 hat den Vorteil, dass sie in radialer Richtung wenig Raum benötigt, wie bereits erwähnt, und dass beide Hülsenfederkupplungen radial nah bei der Welle angeordnet sind, was ihre Steifigkeit reduziert. Dazu ist allerdings ein größerer axialer Bauraum erforderlich.
Bezugszeichen der 2–4, die in dieser Beschreibung nicht mehr genannt sind, wurden bereits anhand der 1 erläutert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1266152 B1 [0003, 0003]

Claims

Entkoppelte Antriebsscheibe 1, die ausgestaltet ist, an ihrem Außenumfang mit einem Zugmittel zusammenzuwirken, sodass ein Drehmoment zwischen der Antriebsscheibe und dem Zugmittel übertragbar ist, wobei die Antriebsscheibe aufweist: • ein erstes ringförmiges Element 2, das drehfest mit einer um eine Rotationsachse 20 drehbare Welle 30 verbindbar ist, • ein zweites ringförmiges Element 3, das über eine erste elastische Kupplung 4 an das erste ringförmige Element 2 angekoppelt ist, sodass eine Relativbewegung des zweiten ringförmigen Elements 3 und des ersten ringförmigen Elements 2 in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten elastischen Kupplung 4 am zweiten ringförmigen Element 2 Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten an der Welle 30 reduziert werden dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsscheibe außerdem ein drittes ringförmiges Element 5 aufweist, das über eine zweite elastische Kupplung 6 an das zweite ringförmige Element angekoppelt ist, sodass eine Relativbewegung des dritten ringförmigen Elements 5 und des zweiten ringförmigen Elements 3 in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der zweiten elastischen Kupplung 6 am dritten ringförmigen Element 5 Amplituden von Drehungleichförmigkeiten gegenüber Amplituden von Drehungleichförmigkeiten am zweiten ringförmigen Element 3 reduziert werden
Entkoppelte Antriebsscheibe nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste elastische Kupplung 4 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 10 des ersten ringförmigen Elements 2 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 11 des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 12 des zweiten ringförmigen Elements 3 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 13 des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist.
Entkoppelte Antriebsscheibe nach Anspruch 1, wobei die erste elastische Kupplung 4 zwischen einer radial nach außen weisenden Oberfläche 10 des ersten ringförmigen Elements 2 und einer radial nach innen weisenden Oberfläche 11 des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 14, 15 des zweiten ringförmigen Elements 3 und des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist.
Entkoppelte Antriebsscheibe nach Anspruch 1, wobei die erste elastische Kupplung 4 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 16, 17 des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 3 angeordnet ist, und die zweite elastische Kupplung 6 zwischen sich axial gegenüberliegenden Oberflächen 14, 15 des zweiten ringförmigen Elements 3 und des dritten ringförmigen Elements 5 angeordnet ist.
Entkoppelte Antriebsscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste elastische Kupplung 4 und die zweite elastische Kupplung 6 axial nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren zur Übertragung von Kraft mit einer entkoppelten Antriebsscheibe 1, insbesondere mit einer Antriebsscheibe nach einem der Ansprüche 1–5, wobei ein erstes ringförmiges Element 2, das drehfest mit einer um eine Rotationsachse 20 drehbare Welle verbindbar ist, über eine erste elastische Kupplung 4 Kraft auf ein zweites ringförmiges Element 3 überträgt und das zweite ringförmige Element über eine zweite elastische Kupplung 6 Kraft auf ein drittes ringförmiges Element 5 überträgt und vom Außenumfang der Scheibe Kraft auf ein Zugmittel übertragen wird, das am Außenumfang der Antriebsscheibe angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer entkoppelten Antriebsscheibe, insbesondere einer entkoppelten Antriebsscheibe nach einem der Ansprüche 1–5, wobei: • über eine erste elastische Kupplung 4 ein zweites ringförmiges Element 3 an ein erstes ringförmiges Element 2, das drehfest mit einer um eine Rotationsachse 20 drehbare Welle 30 verbindbar ist, angekoppelt wird, sodass eine Relativbewegung des zweiten ringförmigen Elements 3 und des ersten ringförmigen Elements 2 in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten elastischen Kupplung 4 eine Drehbewegung des zweiten ringförmigen Elements um die Rotationsachse 20 von Drehungleichförmigkeiten der Welle 30 entkoppelt ist, • über eine zweite elastische Kupplung 6 ein drittes ringförmiges Element 5 an das zweite ringförmige Element 3 angekoppelt wird, sodass eine Relativbewegung des dritten ringförmigen Elements 5 und des zweiten ringförmigen Elements 3 in Umfangsrichtung möglich ist und sodass aufgrund der ersten und zweiten elastischen Kupplung 6 eine Drehbewegung des dritten ringförmigen Elements um die Rotationsachse 20 von Drehungleichförmigkeiten der Welle 30 entkoppelt ist, und • die Antriebsscheibe ausgestaltet wird, an ihrem Außenumfang mit einem Zugmittel zusammenzuwirken, sodass ein Drehmoment zwischen der Antriebsscheibe und dem Zugmittel übertragbar ist.