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Es wird ein Zweimassenschwungrad für einen Fahrzeugantriebsstrang beschrieben.
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Ein derartiges Zweimassenschwungrad in einem Fahrzeugantriebsstrang soll die Gaskräfte eines Hubmotors, die insbesondere bei niedriger Motordrehzahl ein ungleichförmiges Drehmoment an der Kurbelwelle erzeugen, durch ein Federmasse-Dämpfungssystem ausgleichen. Dazu sind in einem Zweimassenschwungrad üblicherweise Bogenfedern in Form von Schraubenfedern als Außendämpfer angeordnet, welche kurzzeitig große Drehmomentschwankungen beispielsweise beim Lastwechsel aufnehmen können. Bei hohen Motordrehzahlen jedoch werden die Bogenfedern derart blockiert, dass Innendämpfer aus einer Mehrzahl von Schraubenfedern die Schwingungsdämpfung übernehmen müssen.
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Eine Aufgabe ist es, ein Zweimassenschwungrad für einen Fahrzeugantriebsstrang zu schaffen, das mit einem Federsystem arbeitet, welches kostengünstig an unterschiedliche Motorleistungen und damit an unterschiedliche Drehschwingungskonditionen anpassbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung weist ein Zweimassenschwungrad für einen Fahrzeugantriebsstrang auf. Das Zweimassenschwungrad weist eine primäre Rotationsschwungmasse, die mit einer Antriebswelle des Fahrzeugantriebsstranges koppelbar ist und eine sekundäre Rotationsschwungmasse, die mit einer Abtriebswelle des Fahrzeugantriebsstranges koppelbar ist, auf. Mindestens ein Federelement ist zwischen der primären und der sekundären Rotationsschwungmasse angeordnet. Ein drehbares Koppelelement koppelt die primäre Rotationsschwungmasse mit der sekundären Rotationsschwungmasse über das Federelement. Das Federelement weist mindestens eine Blattfeder auf, die durch Drehen des Koppelelements um einen Winkel (α) um einer Antriebsachse der Antriebswelle oder einer Abtriebsachse der Abtriebswelle federelastisch vorspannbar ist.
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Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass die Steifigkeit der Blattfedern durch Variation von Länge, Breite und Stärke kostengünstig an die unterschiedlichen Anforderungen eines Zweimasseschwungrads anpassbar sind. Weiterhin hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass mit wenigen Federelementen im Extremfall mit einer einzigen Blattfeder derartige Zweimassenschwungräder im Fahrzeugantriebsstrang beispielsweise zwischen Kurbelwelle und Getriebe ausgestattet werden können.
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Das Koppelelement kann entweder auf der Antriebswelle fixert und folglich um die Antriebsachse der Abtriebswelle drehbar sein oder auf der Abtriebswelle fixert und um die Abtriebsachse der Abtriebswelle drehbar sein.
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In einem Ausführungsbeispiel sind Achsen der primären und der sekundären Rotationsschwungmasse fluchtend zueinander angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist zwischen der primären Rotationsschwungmasse (3) und der sekundären Rotationsschwungmasse ein Hohlraum angeordnet, der in seinem Zentrum das Koppelelement aufweist, das an der primären Rotationsschwungmasse fixiert ist. Der Hohlraum kann ringförmig sein.
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Eine gewisse Einschränkung bei nur einer einzigen Blattfeder besteht darin, dass die Abtriebswelle und damit die Lagerung der Abtriebswelle einseitig belastet wird und die Schwierigkeiten beim Auswuchten eines derartigen Zweimasseschwungrades mit nur einer Blattfeder zunehmen.
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Günstiger ist es dagegen, zwei oder mehrere Blattfedern zwischen der primären Rotationsschwungmasse und der sekundären Rotationsschwungmasse anzuordnen und ein achssymmetrisches Koppelelement vorzusehen, das eine federelastische Spreizung der beiden Blattfedern gegeneinander mit zunehmender Rückstellkraft ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform sind in dem Hohlraum mehrere Blattfedern angeordnet, wobei das Koppelelement zwischen den mehreren Blattfedern angeordnet und wobei Enden der Blattfedern an der primären Rotationsschwungmasse in Widerlagern fixiert sind.
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In einer Ausführungsform sind in dem Hohlraum zwei Blattfedern angeordnet. Das Koppelelement ist zwischen den zwei Blattfedern angeordnet. Das Koppelelement weist eine elliptische Kontur mit einer Länge (l) in einer Längsachse und einer Breite (b) in einer Querachse auf, und wobei die Breite dem Abstand zwischen den parallelen Blattfedern und die Länge der maximalen Spreizung der Blattfedern entspricht.
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Die zwei oder mehrere Blattfedern können parallel zueinander angeordnet werden. Dies ermöglicht, dass die Belastung der Antriebswelle bzw. Abtriebswelle gegenüber einer einzigen Blattfeder reduziert wird.
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Dabei wird die maximale Spreizung der beiden Blattfedern bei 90° Verdrehung des Koppelelements gegenüber den auf der sekundären Rotationsschwungmasse fixierten Blattfedern erreicht. Dieses hat den Vorteil, dass der Drehwinkel des Koppelelements gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich vergrößert ist. Mit zunehmender Zahl von Blattfedern nimmt jedoch der Drehwinkel ab, so dass bereits bei drei Blattfedern ein Drehwinkel von lediglich etwa 55° für den Arbeitsbereich des Zweimassenschwungrades möglich ist. Bei vier Blattfedern verringert sich der Arbeitsbereich bzw. der mögliche Drehwinkel auf unter 40°.
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Entscheidend für die Steifheit der Blattfederanordnung ist auch die Ausbildung der Widerlager.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Widerlager eine starre Fixierung der Blattfedern auf. Dies ermöglicht, dass gleichzeitig die größte Rückstellkraft bzw. die höchste Steifheit der Blattfedern erreicht wird.
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Bei Widerlagern mit schwenkbarer Fixierung der Blattfedern wird hingegen eine weichere Federdämpfungscharakteristik erreicht.
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In beiden Fällen ist es vorgesehen, die Blattfedern in den Widerlagern längsverschieblich anzuordnen, so dass die Blattfedern der mit einer Spreizung verbundenen Variation der Fixierung in den Widerlagern folgen können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Hohlraum Begrenzungsblöcke angeordnet sind, welche den Drehwinkel des Koppelelements begrenzen. Diese Ausführungsform ermöglicht, die Spreizung der Blattfedern derart zu begrenzen, dass der Drehwinkel des Koppelelements in dem zulässigen federelastischen Bereich bleibt und nicht die maximal vorgesehene Spreizung der Blattfedern überschreitet.
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Darüber hinaus weisen die Blattfedern in einer weiteren Ausführungsform auf halber Blattfederlänge (l/2) ein Rollenkontaktelement auf, das mit der Kontur des Koppelelements in Eingriff steht. Durch das Rollenkontaktelement wird die Reibung in dem Kontaktbereich zwischen Blattfedern und Koppelelement vermindert.
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Eine Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auch auf einen Fahrzeugantriebsstrang, wobei der Fahrzeugantriebsstrang eine Kurbelwelle als Antriebswelle und eine Getriebewelle als Abtriebswelle aufweist, und wobei zwischen der Kurbelwelle und der Getriebewelle das Zweimassenschwungrad gemäß einer der Ausführungsformen vorgesehen ist.
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Zu einer Ausführungsform der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugantriebsstrang, welcher ein derartiges Zweimassenschwungrad gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen aufweist.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Zweimassenschwungrad im Bereich eines Federelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer einzigen Blattfeder als Federelement;
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei parallelen Blattfedern als Federelemente;
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit drei Blattfedern als Federelemente;
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung mit starren Widerlagern für die eingespannten Enden der Blattfedern;
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6 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad gemäß einer modifizierten dritten Ausführungsform der Erfindung mit schwenkbarer Fixierung der Enden der Blattfedern in den Widerlagern.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Zweimassenschwungrad 1 im Bereich eines Federelements 7 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Von dem Zweimassenschwungrad 1 ist lediglich eine Hälfte dargestellt, zumal es sich um Rotationsmassen handelt mit rotationssymmetrisch angeordneten Komponenten die innerhalb eines Fahrzeugantriebsstranges 2 angeordnet sind. Dabei weist das Zweimassenschwungrad 1 eine primäre Rotationsschwungmasse 3 auf, die mit einer Antriebswelle 4 verbunden ist, wobei die Antriebswelle 4 die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist.
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Ferner ist in 1 auch der Querschnitt einer sekundären Rotationsschwungmasse 5 zu sehen, die mit einer Abtriebswelle 6, üblicherweise einer Schaltgetriebewelle über eine Kupplung mechanisch verbunden ist. Zwischen der primären Rotationsschwungmasse 3 und der sekundären Rotationsschwungmasse 5 ist ein ringförmiger Hohlraum 12 angeordnet, in den als Federelement 7 in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Blattfeder 10 außermittig in dem ringförmigen Hohlraum 12 angeordnet ist. Ein Ende 14 der Blattfeder 10 ist an einem Widerlager 18 fixiert, das zum Ausgleich von Drehmomentschwingungen der Kurbelwelle in Zusammenwirken mit den Rotationsmassen 3 und 4 Energie speichert und abgibt und damit die Drehmomentschwingungen, welche von den Hubkolben einer Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle verursacht werden, dämpft.
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Dabei wird die hier gezeigte Blattfeder 10 aus ihrer gezeigten Ruhelage bei ansteigendem Drehmoment verformt und bei abfallendem Drehmoment kann die in der Feder gespeicherte Energie an das Zweimassenschwungrad wieder abgegeben und somit die Drehschwingungen weitestgehend ausgeglichen werden. Dazu ist die Steifigkeit und Geometrie der Blattfeder auf die zu erwartenden Drehmomentschwankungen abzustimmen und durch Änderung der Blattfederstärke, der Blattfederbreite sowie auch der Blattfederlänge kann auf einfache Weise die Wirkung des Zweimassenschwungrades an die unterschiedlichen Anforderungen von unterschiedlichen Brennkraftmaschinen kostengünstig angepasst werden.
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In den nachfolgenden Figuren werden nun anhand von unterschiedlichen Ausführungsformen die Möglichkeiten und Grenzen von Blattfederkonstruktionen als Federelemente in einem Zweimassenschwungrad 1 im Detail betrachtet.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer einzigen Blattfeder 10 als Federelement. Die Blattfeder 10 ist mit ihren Blattfederenden 14 und 15 in jeweils einem Widerlager 18 bzw. 19 drehbar eingespannt und weist in ihrer Mitte ein Rollenkontaktelement 25 auf, an dem ein Koppelelement 9 mit seiner Kontur unter Vorspannung der Blattfeder 10 abrollen kann. Das Koppelelement 9 ist wie ein Excenter ausgebildet und berührt in der gezeigten Position das Rollenkontaktelement 25 in seiner Querachse 24, die eine Breite b aufweist. In der Längsachse 23 hat das Koppelelement 9 seine größte Ausdehnung, so dass beim Drehen des Koppelelements 9 in Pfeilrichtung A die Blattfeder 10 im Bereich des Rollenkontaktelements 25 federelastisch bis zu einer maximalen Spreizung smax ausgelenkt wird. Der Arbeitswinkel α, um den das Koppelelement im Zusammenwirken mit der Blattfeder schwingen kann, ist auf etwa 80° begrenzt, was durch einen Begrenzungsblock 26 erreicht wird, der eine größere Spreizung als smax nicht zulässt. Damit wird gleichzeitig gewährleistet, dass das Koppelelement 9 nicht über diesen Punkt der maximalen Spreizung hinausgedreht werden kann. Während in dieser Ausführungsform der Erfindung das Federelement an der primären Rotationsschwungmasse 3 angeordnet ist und das Koppelelement mit der sekundären Rotationsschwungmasse zusammenwirkt, so ist es generell auch möglich Koppelelement und Federelement auszutauschen.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei parallelen Blattfedern 10 und 11 als Federelemente 7 bzw. 8. Die Blattfedern sind mit ihren Enden 14 bis 17 in entsprechenden Widerlagern 18 bis 21 fixiert, in denen sie starr gehalten werden und sich lediglich in Langschlitzen hin und her bewegen können, um eine Spreizung zu ermöglichen. Die Spreizung der beiden Blattfedern wird durch Drehen des Koppelelements 9 erreicht, das mit seiner elliptischen Kontur 22 an den Rollenkontaktelementen 25 im jeweiligen Mittenbereich der Blattfedern 10 und 11 abrollen kann. Die Breite b des Koppelelements in seiner Querachse entspricht dem Abstand a der Blattfedern voneinander, während die Länge l, die in Richtung der Längsachse 23 des Koppelelements die maximale Spreizung der beiden Blattfedern voneinander definiert. Um den Arbeitswinkel α zu begrenzen sind in dieser Ausführungsform der Erfindung zwei Begrenzungsblöcke 26 und 27 vorgesehen, die ein Spreizen der Blattfedern beim Drehen um den Winkel α in Pfeilrichtung A begrenzen.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit drei Blattfedern 10 als Federelemente 7, die in dem Hohlraum zwischen der primären Rotationsmasse und der sekundären Rotationsmasse als Dreieck in entsprechenden Widerlagern 18, 19 und 20 mit ihren Blattfederenden eingespannt sind. Die Kontur des Koppelelements 9 ist derart an die angespannten drei Blattfedern 10 angepasst, dass sie in dem Drei-Blattfeder-Winkel die Rollenkontaktelemente 25 berühren und beim Drehen um den Winkel α bis etwa 55° die drei Blattfedern entsprechend den hier gezeigten strichpunktierten Linien spreizen bis zu einer maximalen Spreizung smax. Auch in diesem Fall wird durch entsprechende Begrenzungsblöcke 26 dafür gesorgt, dass die maximale Spreizung beim Verdrehen der primären Rotationsschwungmasse gegenüber der sekundären Rotationsschwungmasse nicht überschritten wird.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Zweimassenschwungrad 200 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung mit starren Widerlagern 18 bis 21 für die eingespannten Enden 14 bis 17 der Blattfedern 10 und 11, wie es bereits in 3 gezeigt wurde. Jedoch wird in dieser Darstellung der 5 die elastischere Verformung der in die Widerlager 18 bis 21 eingespannten Blattfedern durch strichpunktierte Linien gezeigt. Mit den doppelt gestrichelten Linien wird außerdem das Abrollen der Kontur 22 des Koppelelements 9 unter gleichzeitiger Spreizung der Blattfedern 10 und 11 gezeigt. Dabei bildet sich eine Kontur der gespreizten Blattfedern aus, die S-förmig ist und aufgrund der starren Fixierung in den Widerlagern eine erhöhte Steifigkeit zeigt.
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Eine deutlich weichere Lagerung ist in 6 zu sehen, die ebenfalls eine Modifikation der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Modifikation bezieht sich lediglich auf die Einspannung der Enden 14 bis 17 der beiden Blattfedern 10 und 11 in den Widerlagern 18 bis 21, die hier schwenkbar gelagert sind, so dass keine S-förmige Verformung wie in 5 auftritt, sondern die Blattfedern 10 und 11 beim Spreizen bogenförmig gespannt werden, so dass sich aufgrund der bekannten Berechnungsgrundlagen ein deutlich weicheres Rückstellverhalten ergibt, so dass allein durch die Art der Einspannung in den Widerlagern 18 bis 21 die Steifheit der Blattfederkonstruktion vermindert werden kann.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zweimassenschwungrad
- 2
- Fahrzeugantriebsstrang
- 3
- primäre Rotationsschwungmasse
- 4
- Antriebswelle
- 5
- sekundäre Rotationsschwungmasse
- 6
- Abtriebswelle
- 7
- Federelement
- 8
- Federelement
- 9
- Koppelelement
- 10
- Blattfeder
- 11
- Blattfeder
- 12
- Hohlraum
- 13
- Zentrum des Hohlraums
- 14
- Ende einer Blattfeder
- 15
- Ende einer Blattfeder
- 16
- Ende einer Blattfeder
- 17
- Ende einer Blattfeder
- 18
- Widerlager
- 19
- Widerlager
- 20
- Widerlager
- 21
- Widerlager
- 22
- Kontur
- 23
- Längsachse
- 24
- Querachse
- 25
- Rollenkontaktelement
- 26
- Begrenzungsblock
- 27
- Begrenzungsblock
- 100
- Zweimassenschwungrad (Ausführungsform)
- 200
- Zweimassenschwungrad (Ausführungsform)
- 200'
- Zweimassenschwungrad (Ausführungsform)
- 300
- Zweimassenschwungrad (Ausführungsform)
- α
- Drehwinkel
- l
- Länge
- b
- Breite
- a
- Abstand
- smax
- maximale Spreizung
