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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schwingungsgedämpften Übertragung von Drehmomenten nach der im Oberbergriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Vorrichtungen zur Übertragung von Drehmomenten, welche auch Drehschwingungen dämpfen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, und werden üblicherweise in Antriebssträngen eingesetzt, um Drehschwingungen beziehungsweise Torsionsschwingungen, welche bei drehmomentstarken und verbrauchsoptimierten Motoren in erhöhtem Maße im Betriebsbereich des Motors auftreten, zu dämpfen, bevor diese in ein am Motor angeschlossenes Getriebe gelangen. Ebenso werden sprunghaft ansteigende Belastungen in der Gegenrichtung in ihren Auswirkungen auf den Motor gedämpft. Beispielhaft soll hierzu auf die elastische Kupplung gemäß der
DE 38 20 998 C1 oder den durch die
DE 198 30 208 A1 beschriebenen Aufbau verwiesen werden.
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Ein entsprechender Aufbau einer elastischen Kupplung, insbesondere eines Zweimassenschwungrads für eine Brennkraftmaschine in vergleichbarer Art ist außerdem aus der
DE 102 41 103 A1 bekannt. Bei diesem Aufbau ist ein rotierendes primäres Teil über eine Federkopplung und eine Dämpfung mit einem sekundären Teil gekoppelt. Die Federkopplung und die Dämpfung sind dabei in getrennt voneinander angeordneten Räumen innerhalb einem von dem primären Teil gebildeten Gehäuse untergebracht, sodass über die Federkopplung und die bei den Federn einstellbaren Parameter, insbesondere die Federkennlinie, bei kleinen Verdrehwinkeln eine Schwingungsisolation erzielt wird, ohne dass die Dämpfungsfunktion in Richtung des übertragenen Drehmoments bereits einsetzt. Dies gilt insbesondere für kleine Verdrehwinkel von in etwa ±2° der Primärseite relativ zur Sekundärseite. Kommt es zu größeren Relativwinkeln, so wird die Dämpfung aktiviert, indem die bisher frei schwimmende Dämpfungssegmente durch seitliche Anschläge entsprechend verdreht werden. Damit kommt es zu einer Strömung eines viskosen Mediums beziehungsweise Dämpfungsmediums, typischerweise eines speziellen temperaturstabilen Öls, hochviskosen Öls oder Fetts, von einer Seite einer Dämpfungskammer auf die andere Seite, wobei das Dämpfungsmedium einen Drosselspalt passiert. Durch eine geeignete Wahl der Viskosität des Dämpfungsmediums sowie des Strömungsquerschnitts des Drosselspalts lässt sich so die Dämpfung der Torsionsschwingungen in dem übertragenen Drehmoments beeinflussen. In der genannten Schrift ist es dabei auch beschrieben, die Dämpfung in Abhängigkeit des Verdrehwinkels von Primärteil zu Sekundärteil entsprechend zu beeinflussen, indem der Drosselspalt sich durch die Relativbewegung dieser beiden Teile zueinander entsprechend ändert, beispielsweise verengt oder erweitert.
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Problematisch ist bei diesem Aufbau, dass das viskose Medium aufgrund von Adhäsion an verschiedenen Teilen des Gehäuses, also des primären Teils, und des in diesem Gehäuse befindlichen sekundären Teils sowie der Dämpfungssegmente und gegebenenfalls weiterer in dem Gehäuse befindlichen Teilen anhaftet. Kommt es nun zu einer Anhaftung des viskosen Mediums durch Adhäsion an zwei während des Betriebs gegeneinander bewegten Elementen, so übertragen die in dem viskosen Medium auftretenden Scherkräfte die Bewegung des einen Elements auf das andere. Dies trägt weitgehend unkontrolliert zur Dämpfung bei. Das Übertragungsverhalten der Vorrichtung wird also nicht nur durch die definiert vorgegebenen Federkennlinien und den definiert vorgebbaren Drosselspalt sowie die Viskosität des viskosen Mediums bei Betriebstemperatur beeinflusst, sondern zusätzlich durch die oben beschriebenen Effekte der Adhäsion und der Übertragung von Kräften innerhalb des viskosen Mediums durch Scherkräfte. Kommt es nun beispielsweise zu einer konstruktiven Änderung von in dem Gehäuse befindlichen mit dem viskosen Medium in Kontakt stehenden Elementen, so kann es trotz identischer Federkennlinie und identischem Drosselspalt zu einer Veränderung des Übertragungsverhaltens kommen. Das Übertragungsverhalten ist also in der Praxis nicht gezielt durch Vorgabe der Federkennlinien der elastischen Kupplung und der Geometrie des Drosselspalts beeinflussbar.
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Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur schwingungsgedämpften Übertragung von Drehmomenten zu verbessern und die Einstellbarkeit des Übertragungsverhaltens, insbesondere des Dämpfungsverhaltens, zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass zumindest ein Abschnitt von einem der Teile und/oder von anderen indem Gehäuse angeordneten Elementen eine das viskose Medium abweisende Oberfläche aufweisen. Das als Dämpfungsmedium genutzte viskose Medium kann dabei ein Öl, eine hochviskoses Öl oder eine Fett sein. Typischerweise ist es außerdem sehr temperaturbeständig. Eine solche, das viskose Medium abweisende Oberfläche, welche auch als oleophob oder lipophob bezeichnet werden kann, sorgt dafür, dass die Adhäsion zwischen der Oberfläche und dem viskosen Medium deutlich reduziert wird. Die in dem viskosen Medium selbst auftretenden Scherkräfte sind dann von untergeordneter Bedeutung, da das viskose Medium auf der oleophoben bzw. lipophoben Oberfläche entsprechend leichter gleitet und so die Übertragungscharakteristik und die Dämpfungscharakteristik nicht oder nur in sehr viel geringerem Maße als bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik beeinflusst. Die Dämpfung wird dann annähernd vollständig durch den Drosselspalt realisiert. Dies ermöglicht durch eine geeignete Auslegung des Drosselspalts eine sehr gute Möglichkeit, die Dämpfung konstruktiv durch Abmessungen, Form und Maße des Drosselspalts zu beeinflussen. Unerwünschte Nebeneffekte, wie sie oben beschrieben sind, lassen sich aufgrund der das viskose Medium abweisenden Oberflächen weitgehend vermeiden.
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Ein zusätzlicher Effekt liegt auch darin, dass bei den oben beschriebenen sehr kleinen Verdrehwinkeln eine sehr freie Bewegung des primären Teils gegenüber dem sekundären Teil möglich ist, und dass diese nicht aufgrund von Scherkräften in dem viskosen Medium und aufgrund von Adhäsion des viskosen Mediums an den Teilen beeinträchtigt wird.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass die das viskose Medium abweisende Oberfläche als Beschichtung ausgebildet ist. Eine solche Beschichtung lässt sich vollflächig oder in Teilabschnitten beispielsweise auf Teile des Gehäuses, das primäre Teil, das sekundäre Teil oder andere in dem Gehäuse befindliche und mit dem viskosen Medium in Kontakt kommende Elemente auftragen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann die Beschichtung dabei Polytetrafluorethylen aufweisen. Polytetrafluorethylen ist sehr gut geeignet, um eine lipophobe Oberfläche auszubilden und kann als alleiniger Bestandteil oder als Teil eines Stoffgemischs in der Beschichtung vorgesehen sein. Die Beschichtung kann insbesondere durch chemisches Vernickeln oder in Form eines Gleitlacks ausgebildet sein. Sowohl in der durch chemisches Vernickeln gebildeten Beschichtung als auch in dem Gleitlack kann dabei vorzugsweise Polytetrafluorethylen enthalten sein. Selbstverständlich ist es auch denkbar, einzelne Teile chemisch zu vernickeln und andere Teile mit einem Gleitlack zu versehen, welcher beispielsweise lufthärtend, unter Temperatur aushärtend oder auch durch UV-Strahlung aushärtend ausgebildet sein kann.
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Ergänzend oder alternativ hierzu kann es ferner vorgesehen sein, dass die Oberfläche eine das viskose Medium abweisende Struktur, insbesondere Nanostruktur, aufweist. Eine solche Strukturierung der Oberfläche, welche insbesondere direkt auf dem Bauteil oder ebenfalls durch eine Beschichtung ausgebildet sein kann, ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich. Sie wird auch unter dem Begriff „Lotuseffekt” beschrieben. Der Effekt liegt darin, dass die Oberfläche eine derartige (Nano)-Struktur aufweist, dass das viskose Medium an dieser nicht anhaften kann und sich die eingangs beschriebenen Adhäsionskräfte zwischen dem viskosen Medium und der Oberfläche nicht aufbauen.
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Eine weitere alternative oder ergänzende Möglichkeit besteht darin, das Gehäuse, eines der Teile und/oder wenigstens eines der Elemente zumindest teilweise aus einem polytetrafluorethylenhaltigen Material auszubilden. Die Möglichkeit, das Gehäuse, eines der Teile und/oder wenigstens eines der Elemente aus einem polytetrafluorethylenhaltigen Material auszubilden, besteht insbesondere dann, wenn das entsprechende Bauteil aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Dann kann diesem Kunststoff, bei geeigneter Wahl des Kunststoffs beispielsweise Polytetrafluorethylen zugefügt werden, sodass zumindest Teile des Bauteils und damit auch deren Oberfläche eine das viskose Medium abweisende Eigenschaft aufweist.
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Diese Variante lässt sich insbesondere bei der Herstellung eines Spritzgussteils sehr einfach und effizient realisieren, da dann lediglich in dem Ausgangsmaterial für das Spritzgussteil Polytetrafluorethylen enthalten sein muss. Ohne weitere Nachbearbeitungen der Oberfläche, Beschichtung oder dergleichen lässt sich so bei der Herstellung des jeweiligen Bauteils einfach und effizient die gewünschte das viskose Medium abweisende Oberfläche realisieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich ferner aus den Ausführungsbeispielen, weiche nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert sind.
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Dabei zeigen:
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1 einen prinzipmäßig dargestellten Antriebsstrang mit einer Vorrichtung zur schwingungsgedämpften Übertragung von Drehmomenten;
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2 einen Querschnitt durch einen Teil Vorrichtung zur schwingungsgedämpften Übertragung von Drehmomenten;
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3 ein Dämpfungssegment in dreidimensionaler Ansicht; und
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4 einen Längsschnitt durch einen Teil der Vorrichtung zur schwingungsgedämpften Übertragung von Drehmomenten.
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In 1 ist ein schematischer Antriebsstrang 1 dargestellt, wie er beispielsweise als Antriebsstrang 1 eines Nutzfahrzeugs, eines Busses, eines Traktors, eines Schienenfahrzeugs, eines Pkws oder dergleichen eingesetzt wird. Der Antriebsstrang besteht im Wesentlichen aus einem Verbrennungsmotor 2 oder alternativ hierzu einem Elektromotor oder einer Kombination dieser Motortypen. Beim Einsatz eines Elektromotors oder auch mehrerer Elektromotoren kann die elektrische Leistung einer elektrischen Speichereinrichtung (Batterie und/oder Kondensatoren), einer Brennstoffzelle oder einem über eine Brennkraftmaschine, Gasturbine oder dergleichen betriebenen Generator entstammen.
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Ausgehend vom Motor 2 wird über eine Welle 3 eine Vorrichtung 4 zur schwingungsgedämpften Übertragung von Drehmomenten angetrieben, welche ihrerseits über eine Welle 5 eine Getriebeeinheit 6 antreibt. In dieser Getriebeeinheit 6 kann das Antriebsmoment mechanisch und/oder hydrodynamisch entsprechend gewandelt und/oder in Stufen geschaltet werden, sodass an der Abtriebswelle 7 des Antriebsstrangs 1 das gewünschte Drehmoment mit der gewünschten Drehzahl anliegt.
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Die Vorrichtung 4 wird häufig auch als Drehschwingungsdämpfer bezeichnet. Sie besteht im Wesentlichen aus einem primären Teil 8, welches über die Welle 3 mit dem Motor 2 verbunden ist, und einem sekundären Teil 9, welches über die Welle 5 mit der Getriebeeinheit 6 in Verbindung steht. Das primäre Teil 8 und das sekundäre Teil 9 sind in an sich bekannter Art und Weise relativ zueinander verdrehbar und stützen sich über Federelemente 10, welche in der Schnittdarstellung der 2 zu erkennen sind, gegeneinander ab. Auf diese Weise fungiert die Vorrichtung 4 als eine im Antriebsstrang 1 eingebaute elastische beziehungsweise hochelastische Kupplung. Das Drehmoment des Motors 2 wird über die in Umfangsrichtung angeordneten, hier zylindrischen Federelemente 10, welche beispielsweise als Druckfedern ausgebildet sind, vom primären Teil 8 auf das sekundäre Teil 9 übertragen. Die Federelemente 10 können neben den hier dargestellten ineinander geschachtelten Spiralfedern auch in beliebiger anderer Art und Weise, beispielsweise in Form von elastomeren Federn oder dergleichen ausgebildet sein. Spiralfedern insbesondere aus Stahl haben dabei den Vorteil einer hohen Temperaturbeständigkeit sowie einer von der Temperatur weitgehend unabhängigen Federsteifigkeit. Außerdem lassen sich über entsprechende Federn, beispielsweise über den hier dargestellten Einsatz von zwei ineinander liegenden Federn, annähernd beliebige Kennlinien, zum Beispiel mit abknickenden Verläufen, realisieren.
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Wie in dem Querschnitt der 2 zu erkennen ist, ist das primäre Teil 8 so ausgebildet, dass dieses unter anderem das mit 11 bezeichnete Gehäuse der Vorrichtung 4 ausbildet. Das sekundäre Teil 9 ist als in diesem Gehäuse 11 befindliche Mittelscheibe 12 realisiert. Im äußeren Bereich des Umfangs ist diese Mittelscheibe 12 mit Nocken 13 versehen. Auf den in Umfangsrichtung zwischen den Nocken 13 frei bleibenden Abschnitten innerhalb des Gehäuses 11 sind drehfest mit dem Gehäuse 11 verbundene Bauteile 14 zu erkennen. Außerdem befinden sich in diesem Bereich Dämpfungssegmente 15, welche eine Dämpfungskammer 16 zwischen sich und dem Gehäuse 11 einschließen, in welcher auch die Bauteile 14 angeordnet sind. In der dreidimensionalen Darstellung der 3 ist ein solches beispielsweise als Spritzgussteil ausgebildetes Dämpfungssegment 15 zu erkennen. Die von dem Dämpfungssegment 15 zwischen diesem und dem Gehäuse 11 ausgebildete Dämpfungskammer 16 wird durch die Bauteile 14 in zwei Teilabschnitte 16a und 16b aufgeteilt. Zumindest die Dämpfungskammer 16 ist mit einem viskosen Medium, typischerweise einem temperaturbeständigen Öl oder Fett, als Dämpfungsmedium gefüllt. Ferner sind typischerweise auch die an die Dämpfungskammer 16 angrenzenden Bereiche des Gehäuses 11 zumindest teilweise mit dem Dämpfungsmedium gefüllt. Beim Betrieb der Vorrichtung 4 kommt es nun bei geringfügigen Verdrehwinkeln des primären Teils 8 gegenüber dem sekundären Teil 9 zu einer Bewegung der Nocken 13 der Mittelscheibe 12 zwischen den beiden benachbarten Segmenten 15. Solange die Nocken 13 die Segmente 15 nicht berühren, ist die über die Segmente 15 realisierte Dämpfung nicht aktiv. Erst bei Verdrehwinkeln zwischen dem primären Teil 8 und dem sekundären Teil 9, welche die Nocke 13 in Kontakt mit einem der Segmente 15 bringen, wird dieses Segment 15 von der Nocke 13 entsprechend relativ zum Gehäuse 11 und damit zu den Bauteilen 14 verschoben. Zwischen dem Segment 15 und den Bauteilen 14 ist dabei ein Drosselspalt 17 ausgebildet. Dieser Drosselspalt 17 muss von dem viskosen Medium beim Übergang von dem einen Teilabschnitt 16a in den anderen Teilabschnitt 16b oder andersherum passiert werden. Hierdurch kommt es zu der gewünschten Dämpfung. Um sicherzustellen, dass das gesamte in dem unter Druck stehenden Teilbereich 16a oder 16b der Dämpfungskammer 16 stehende viskose Medium durch den Drosselspalt 17 gedrückt wird, verschließt der Nocken 13 eine Öffnung 18 auf jeweils einer der Seiten jedes Segments 15. Andererseits ist die gegenüberliegende Öffnung 18 in dem Segment 15 geöffnet, sodass bei längerer Betätigung ein Nachströmen des viskosen Mediums aus den außerhalb der Dämpfungskammer 16 liegenden Bereichen des Gehäuses 11 gewährleistet ist.
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Das Übertragungsverhalten der Vorrichtung 4 lässt sich nun anhand der Charakteristik der Federelemente 10 entsprechend beeinflussen. Die Dämpfungscharakteristik wird im Wesentlichen durch den Drosselspalt 17 beziehungsweise die Geometrie des Drosselspalts 17 und die bei Betriebstemperatur vorliegende Viskosität des viskosen Mediums beeinflusst. Da auch in den Bereichen außerhalb der Dämpfungskammer 16 viskoses Medium in dem Gehäuse 11 vorhanden ist, kommt es nun zusätzlich zu einer Anhaftung des viskosen Mediums durch Adhäsion im Bereich der Mittelscheibe 13, des Gehäuses 11, der Segmente 15 und der Bauteile 14. Dies führt dazu, dass beispielsweise im Bereich eines Spalts 19 zwischen der Nocke 13 der Mittelscheibe 12 und dem Gehäuse 11 oder vergleichbar auch in einem Spalt 20 zwischen der Mittelscheibe 12 und den Segmenten 15 sowie im Bereich von Spalten 21, 22 und 23, – welche in der Schnittdarstellung der 4 zu erkennen sind – zwischen dem Segment 15 und der Nocke 13 der, hier beispielhaft zweiteilig ausgebildeten, Mittelscheibe 12 beziehungsweise dem Gehäuse 11 unerwünschte Effekte auftreten. Diese rühren daher, dass in diesem Bereich das viskose Medium über Adhäsion an den beiden Oberflächen, welche einen solchen Spalt 19 bis 23 ausbilden, anhaftet. Aufgrund von Scherkräften in dem viskosen Medium selbst kommt es dann zu einer Beeinflussung der Bewegung zwischen diesen beiden Elementen, sodass beispielsweise über die Adhäsion und die in dem viskosen Medium selbst wirkenden Scherkräfte Bewegungen von dem einen Element auf das andere Element übertragen werden. Dies führt dazu, dass die Dämpfung nicht nur durch die Geometrie des Drosselspalts 17 beeinflusst wird, sondern auch diese Effekte und durch die geometrischen Voraussetzungen im Bereich dieser Spalte 19 bis 23. Dies ist jedoch unerwünscht.
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Um eine solche Beeinflussung zu vermeiden ist es daher vorgesehen, dass die Oberflächen der Teile 8, 9 und/oder des Segments 15 in Abschnitten, und insbesondere in Abschnitten im Bereich dieser Spalte 19 bis 23, zumindest teilweise mit einer das viskose Medium abweisenden Oberfläche versehen sind. Diese Oberfläche kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. So ist es beispielsweise denkbar, die Oberfläche über eine (Nano)-Strukturierung so zu strukturieren, dass das viskose Medium an der Oberfläche nicht anhaftet und die oben beschriebene Adhäsion nicht auftritt. Eine solche Strukturierung ist beispielsweise unter dem Begriff „Lotuseffekt” bekannt. Ergänzend oder alternativ dazu kann eine lipophobe Beschichtung der Oberflächen im Bereich der Spalte 19 bis 23 oder in Teilen hiervon vorgesehen sein. Eine solche, das viskose Medium abweisende Beschichtung, kann insbesondere Polytetrafluorethylen enthalten. Sie kann beispielsweise in Form eines Gleitlacks vor der Montage auf die Bauteile der Vorrichtung 4 aufgetragen werden. Ergänzend oder alternativ hierzu ist es auch denkbar, die Oberfläche über ein chemisches Vernickeln, welches gegebenenfalls auch wieder Polytetrafluorethylen aufweisen kann, mit derartigen das viskose Medium abweisenden Eigenschaften zu versehen. Die Beschichtung ist dabei vorzugsweise im Bereich der Spalte 19 bis 23 vorzusehen, typischerweise auf der der Dämpfungskammer 16 abgewandten Seite der Segmente 15. Im Bereich der Segmente 15, in denen das viskose Medium durch den Drosselspalt 17 gepresst wird, ist eine Adhäsion zumindest nicht schädlich, gegebenenfalls sogar erwünscht. Auch hier könnte die Adhäsion aber prinzipiell reduziert werden, da durch den Drosselspalt 17 eine ausreichende und klar definierte Dämpfung ohnehin vorliegt. Dementsprechend wäre es auch denkbar, die Segmente 15, welche typischerweise als Spritzgusselemente aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Polyamid, hergestellt sein können, insgesamt mit einem Material auszubilden, welches das viskose Medium abweist. So wäre es beispielsweise denkbar, das Granulat zur Herstellung der Spritzgussteile mit Polytetrafluorethylen zu versehen und so eine das viskose Medium abweichende Eigenschaft des gesamten Segments 15 zu realisieren. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, nur Teilabschnitte des Segments 15 beispielsweise durch einen mehrstufigen Spritzgussprozess oder durch das gleichzeitige Einspritzen eines mit Polytetrafluorethylen versehenen Materials auf der einen Seite und eines Materials ohne Polytetrafluorethylen auf der anderen Seite zu realisieren.
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Insgesamt wird durch die Ausgestaltung von das viskose Medium abweisenden Oberflächen, insbesondere im Bereich von schmalen Spalten, eine Verringerung der Übertragung von Kräften durch Adhäsion des viskosen Mediums an den Oberflächen und in dem viskosen Medium auftretenden Scherkräften erreicht. Damit lässt sich die Dämpfung kontrolliert durch die Geometrie des Drosselspalts 17 beeinflussen und unerwünschte Effekte unterbleiben. Die Dämpfung lässt sich damit sehr viel exakter durch die Geometrie des Spalts beeinflussen. Gleichzeitig wird das Übertragungsverhalten fast ausschließlich durch die Federelemente 10 realisiert, sodass durch eine geeignete Auslegung der Federelemente 10 und des Drosselspalts 17 die gewünschte Übertragungscharakteristik sehr einfach und exakt eingestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3820998 C1 [0002]
- DE 19830208 A1 [0002]
- DE 10241103 A1 [0003]
