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Die Erfindung betrifft einen Torsionsschwingungsdämpfer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Kraftwagen mit einem solchen Torsionsschwingungsdämpfer.
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DE 196 54 970 A1 offenbart einen gattungsgemäßen Torsionsschwingungsdämpfer zum Dämpfen von Torsionsschwingungen, insbesondere in einem Antriebsstrang eines Kraftwagens. Dazu ist der Torsionsschwingungsdämpfer beispielsweise für eine Kupplung oder ein Zwei-Massen-Schwungrad des Antriebsstrangs verwendbar, wobei ein Antriebsaggregat, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, des Antriebsstrangs über den Torsionsschwingungsdämpfer mit einer Welle des Antriebsstrangs koppelbar ist.
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Der Torsionsschwingungsdämpfer umfasst ein erstes Dämpferteil, ein um eine Drehachse relativ zum ersten Dämpferteil drehbares, zweites Dämpferteil und wenigstens eine Federeinrichtung. Die Federeinrichtung umfasst wenigstens ein Federelement zur Torsionsschwingungsdämpfung, über das die Dämpferteile in Umfangsrichtung um die Drehachse aneinander abstützbar sind. Mit anderen Worten werden Drehmomente zwischen den Dämpferteilen über das Federelement übertragen, wobei das Federelement eine Torsionsschwingungsdämpfung gewährleistet.
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Als Federelemente zur Torsionsschwingungsdämpfung werden Schraubenfedern verwendet, welche üblicherweise auch als Spiralfedern bezeichnet werden und welche beispielsweise aus einem Rund- oder Ovaldraht hergestellt sind.
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Zur Darstellung eines vorteilhaften Geräuschverhaltens, welches üblicherweise auch als NVH-Verhalten (NVH – Noise Vibration Harshness) bezeichnet wird, wird die torsionale Abkopplung des Antriebsaggregats vom übrigen Antriebsstrang zunehmend wichtiger. Diese torsionale Abkopplung kann über den Torsionsschwingungsdämpfer erfolgen. Da jedoch zur Verfügung stehender Bauraum knapp ist und torsionale Motoranregungen ständig zunehmen, werden vermehrt kostenintensive Zusatzmaßnahmen wie Tilger, Fliehkraftpendel und/oder dergleichen im Antriebsstrang verwendet, um ein vorteilhaftes Geräuschverhalten des Kraftwagens zu realisieren. Vor dem Hintergrund der Verwendung von Schraubenfedern zur Torsionsschwingungsdämpfung ist man insbesondere aufgrund der Bauraumsituation an einem Punkt angelangt, an dem die Federsteifigkeit der Federelemente bei im Wesentlichen gleichem Bauraum nicht weiter reduziert werden kann, wenn eine Übertragungsfähigkeit des maximalen Drehmoments des Antriebsaggregats auf den übrigen Antriebsstrang über den Torsionsschwingungsdämpfer gewährleistet werden soll. Dies liegt insbesondere am Wirkprinzip der Schraubenfeder, bei der sich einzelne Windungen der Schraubenfeder nicht gegenseitig unterstützen können. Daher wird die gesamte Belastung bzw. Spannung über den Drahtquerschnitt übertragen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Torsionsschwingungsdämpfer sowie einen Kraftwagen mit einem Antriebsstrang mit einem solchen Torsionsschwingungsdämpfer bereitzustellen, wobei der Torsionsschwingungsdämpfer einen besonders geringen Bauraumbedarf aufweist und gleichzeitig die Übertragung von besonders hohen Drehmomenten zwischen den Dämpferteilen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Torsionsschwingungsdämpfer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Torsionsschwingungsdämpfer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welcher einen besonders geringen Bauraumbedarf aufweist sowie gleichzeitig die Übertragung von besonders hohen Drehmomenten zwischen den Dämpferteilen gewährleistet, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Federelement zur Torsionsschwingungsdämpfung als Weilfeder ausgebildet ist.
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Mittels einer Weilfeder zur Torsionsschwingungsdämpfung kann im Vergleich zu einer Schraubenfeder bei zumindest im Wesentlichen gleichem Bauraum eine geringere Federsteifigkeit der Wellfeder gegenüber der Schraubenfeder erzielt werden, so dass Torsionsschwingungen sehr gut durch die Wellfeder gedämpft werden können. Gleichzeitig können auch besonders große Drehmomente über die Wellfeder zwischen den Dämpferteilen übertragen werden, so dass besonders hohe Drehmomente von einem Antriebsaggregat, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, eines Antriebsstrangs des Kraftwagens, über den Torsionsschwingungsdämpfer auf eine Welle des Antriebsstrangs übertragen werden können.
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Im Vergleich zu Schraubenfedern ist eine höhere Momentenkapazität bei zumindest im Wesentlichen gleicher Federsteifigkeit realisierbar. Darüber hinaus kann im Vergleich zur Verwendung von Schraubenfedern mehr Bauraum für eine Dämpferstruktur bei zumindest im Wesentlichen gleicher Momentenkapazität und Federsteifigkeit geschaffen werden. Diese vorteilhafte Funktionalität der Wellfeder wird insbesondere durch eine Parallel- und Reihenschaltung von einzelnen, federnden Wellen wenigstens einer Windung der Wellfeder erreicht. Dadurch wird die Belastung nicht von einem einzelnen Querschnitt der Wellfeder übertragen, sondern kann sich auf mehrere Querschnitte der einzelnen Wellen der Wellfeder verteilen. Durch dieses Wirkprinzip kann auch ein Querschnitt der wenigstens einen Windung besonders gering gehalten werden, was zu einem geringen Gewicht sowie zu einer geringeren Blocklänge der Wellfeder in ihrer axialen Richtung führt.
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Des Weiteren ermöglicht die Wellfeder eine besonders vorteilhafte Dämpfung von Torsionsschwingungen auf nur sehr geringem Bauraum, so dass kostenintensive Zusatzmaßnahmen wie Fliehkraftpendel, Tilger und/oder dergleichen nicht vorgesehen werden müssen. Dies führt zu einer besonders kompakten und gewichtsgünstigen Bauweise des Torsionsschwingungsdämpfers. Bei zumindest im Wesentlichen gleichem Bauraum können im Vergleich zur Verwendung von Schraubenfedern die oben geschilderten, funktionalen Verbesserungen erzielt werden.
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Zur Realisierung einer besonders vorteilhaften Dämpfungswirkung der Wellfeder weist die Wellfeder eine Mehrzahl von in axialer Richtung der Wellfeder aufeinanderfolgenden Wellfederlagen auf. Mit anderen Worten weist die Wellfeder eine Mehrzahl von Windungen auf, welche in axialer Richtung aufeinander folgen.
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Eine besonders vorteilhafte Dämpfungswirkung der Wellfeder ist erzielt, wenn die Wellfeder aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Dadurch kann auch ihr Bauraumbedarf besonders gering gehalten werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die wenigstens eine Windung der Wellfeder einen zumindest im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf. Dadurch kann insbesondere im Vergleich zu Schraubenfedern eine Erstreckung der Wellfeder in ihrer axialen Richtung gering gehalten werden. Vorzugsweise ist die Wellfeder aus einem Flachdraht gebildet. Die Wellfeder ist dadurch sehr kostengünstig herstellbar. Im Vergleich zu aus Runddraht hergestellten Schraubenfedern kann der axiale Bauraum um bis zu 50% reduziert werden. Weiterhin kann durch die Verwendung von Flachdraht im Vergleich zu Runddraht eine höhere Anzahl an Windungen bei zumindest im Wesentlichen gleichem, axialem Bauraumbedarf vorgesehen werden, um dadurch die Federrate der Wellfeder effektiv zu reduzieren.
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Um eine besonders geringe Teileanzahl sowie besonders geringe Kosten zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Wellfeder einstückig ausgebildet ist.
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Zur Erfindung gehört auch ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen, mit einem Antriebsstrang, über welchen der Kraftwagen antreibbar ist und welcher wenigstens einen erfindungsgemäßen Torsionsschwingungsdämpfer aufweist. Mittels des Torsionsschwingungsdämpfers sind Torsionsschwingungen im Antriebsstrang besonders effizient und sehr bauraumgünstig zu dämpfen. Durch die effiziente Dämpfung von Torsionsschwingungen kann ein sehr gutes Geräuschverhalten (NVH-Verhalten, NVH – Noise Vibration Harshness) des Kraftwagens realisiert werden.
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Mittels des Torsionsschwingungsdämpfers kann beispielsweise ein Antriebsaggregat, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, des Antriebsstrangs vom übrigen Antriebsstrang schwingungstechnisch zumindest im Wesentlichen entkoppelt werden. Über den Torsionsschwingungsdämpfer werden beispielsweise Drehmomente von dem Antriebsaggregat auf eine Welle des Antriebsstrangs übertragen, über die Räder des Kraftwagens antreibbar sind.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Wellfeder zur Torsionsschwingungsdämpfung ist, dass die Wellfeder eine besonders einfache Montage aufweist. Hierbei kann beispielsweise die Wellfeder mit einer Windung und Spalt oder mit überlappenden Enden leicht klemmend in eine Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung, eingesetzt oder auf eine Welle gesteckt werden, wobei insbesondere eine leichte Überkopf-Montage möglich ist.
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Eine solche Wellfeder, welche üblicherweise auch als Wellenfeder bezeichnet wird, ist auch an besonders variable und unterschiedliche Anforderungen anpassbar. Hierzu kann die Wellfeder durch Variation von Flachdrahtdimensionen, Anzahl an Wellen einer jeweiligen Windung der Wellfeder und/oder Anzahl an Windungen der Wellfeder variabel ausgestaltet und an unterschiedliche Zwecke angepasst werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Draufsicht eines Torsionsschwingungsdämpfers zum Dämpfen von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Kraftwagens, mit zwei um eine Drehachse relativ zueinander drehbaren Dämpferteilen und mit Federeinrichtungen, welche jeweilige Federelemente zur Torsionsschwingungsdämpfung umfassen, über die die Dämpferteile in Umfangsrichtung um die Drehachse aneinander abstützbar sind, wobei die Federelemente Wellfedern ausgebildet sind;
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2 eine schematische Schnittansicht des Torsionsschwingungsdämpfers gemäß 1 entlang einer in 1 gezeigten Schnittlinie A-A;
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3 eine schematische Perspektivansicht einer Wellfeder;
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4 schematische Perspektivansichten einer weiteren Ausführungsform der Wellfeder;
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5 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer Wellfeder;
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6 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Wellfeder; und
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7 jeweils eine schematische Seitenansicht einer Wellfeder und einer Schraubenfeder zur Veranschaulichung einer Bauraumreduzierung, welche durch Verwendung der Wellfeder anstatt der Schraubenfeder erzielbar ist.
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1 und 2 zeigen einen Torsionsschwingungsdämpfer 10 zum Dämpfen von Torsionsschwingungen in einem Antriebsstrang eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagen. Der Torsionsschwingungsdämpfer 10 kann beispielsweise für ein Zwei-Massen-Schwungrad oder für eine Kupplung des Antriebsstrangs verwendet werden und dient zur schwingungstechnischen Abkopplung oder Entkopplung eines Antriebsaggregats des Kraftwagens vom übrigen Antriebsstrang. Das Antriebsaggregat kann hierbei als Verbrennungskraftmaschine, insbesondere als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, ausgebildet sein. Über den Torsionsschwingungsdämpfer 10 können Drehmomente von dem Antriebsaggregat auf eine Welle, über die Räder des Kraftwagens angetrieben werden, übertragen werden oder umgekehrt.
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Wie in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist, umfasst der Torsionsschwingungsdämpfer 10 ein erstes Dämpferteil 12 mit zwei Scheiben 14, 16 sowie ein zweites Dämpferteil 18 mit einer Nabenscheibe 20. Die Nabenscheibe 20 ist mit einer Nabe 22 drehfest verbunden, so dass die Nabenscheibe 20 über die Nabe 22 mit einer Welle des Antriebsstrangs drehfest verbindbar ist. Dazu ist die Welle zumindest bereichsweise in der Nabe 22 aufnehmbar.
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Die Welle ist dabei um eine in 2 gezeigte Drehachse 24 drehbar, wobei auch die Dämpferteile 12, 18 um die Drehachse 24 drehbar sind. Dabei sind die Dämpferteile 12, 18 in vorgebbaren Grenzen relativ zueinander drehbar.
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Der Torsionsschwingungsdämpfer 10 umfasst – wie 1 zu entnehmen ist – Federeinrichtungen 26 mit jeweils einem Federelement in Form einer Wellfeder 28. Über die Wellfedern 28 sind die Dämpferteile 12, 18 in Umfangsrichtung um die Drehachse 24 aneinander abstützbar, so dass Drehmomente zwischen den Dämpferteilen 12, 18 über die Wellfedern 28 übertragen werden. Die Wellfedern 28 sind dabei in jeweiligen Federfenstern 29 der Dämpferteile 12, 18 angeordnet.
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Das erste Dämpferteil 12 ist beispielsweise über ein Anschlusselement 30 mit der Verbrennungskraftmaschine koppelbar, so dass dadurch Drehmomente von der Verbrennungskraftmaschine über die Wellfedern 28 auf die Welle oder umgekehrt übertragen werden können. Die Wellfedern 28 gewährleisten dabei eine effiziente und effektive Torsionsschwingungsdämpfung, ohne dass zusätzliche, gewichts-, bauraum- und kostenintensive Zusatzmaßnahmen vorgesehen sind. Gleichzeitig weisen die Wellfedern 28 in ihrer jeweiligen, axialen Richtung eine nur sehr geringe Erstreckung und somit einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf.
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Wie 1 zu entnehmen ist, weisen die Wellfedern 28 mehrere Lagen, d. h. mehrere, in axialer Richtung aufeinanderfolgende Windungen auf, welche jeweils mehrere, sich in axialer Richtung erstreckende Wellen aufweist. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Windungen in axialer Richtung gewellt. Die Wellfedern 28 sind jeweils einstückig ausgebildet und aus einem Flachdraht hergestellt, welcher einen zumindest im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
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Die Wellfedern 28 sind beispielsweise im Rahmen eines Wickelprozesses hergestellt, wobei der Wickelprozess eine Fertigung mehrlagiger Wellfedern aus einem durchgehenden Flachdraht ohne Schweißpunkte zwischen lokalen Berührpunkten der Windungen und ohne Stapeln mehrerer Einzelfedern ermöglicht. Das Einbringen der jeweiligen Wellen der Windungen kann während des laufenden Wickelprozesses unterbrochen werden, um flache Enden der Wellfedern 28 zu realisieren.
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Wie aus 3 und 4 erkennbar ist, liegen jeweilige, sich in eine erste axiale Richtung erstreckende Wellenberge einer Windung der Wellfeder 28 an jeweiligen, sich in einer der ersten axialen Richtung entgegengesetzten, zweiten axialen Richtung erstreckenden Wellenbergen einer in axialer Richtung auf diese Windung folgenden, weiteren Windung der Wellfeder 28 an. Mit anderen Worten befinden sich die Windungen über ihre einander zugewandten Wellenberge in gegenseitiger Stützanlage, so dass jeweilige, sich an die Wellenberge anschließende Wellentäler der wellenförmigen Windungen in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Somit sind die aufeinander folgenden Windungen über die in Umfangsrichtung zwischen den Wellenbergen angeordneten Wellentäler in axialer Richtung voneinander beabstandet und liegen über die Wellenberge aneinander an.
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6 zeigt eine solche Wellfeder 28 mit flachen Enden 31, 32. Dies bedeutet, dass eine in axialer Richtung erste der Windungen der Wellfeder 28 sowie eine in axialer Richtung der ersten Windung gegenüberliegende, letzte der Windungen der Wellfeder 28 nicht gewellt (ungewellt) und somit zumindest im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Durch die Verwendung der flachen Enden 31, 32 kann eine in Umfangsrichtung der Wellfeder 28 über 360° zumindest nahezu vollständig geschlossene Kontaktfläche geschaffen werden, über die die Wellfeder 28 einerseits zumindest mittelbar am ersten Dämpferteil 12 und andererseits zumindest mittelbar am zweiten Dämpferteil 18 abstützbar ist. Wellfedern aus Flachdraht gewährleisten dabei aufgrund reiner Biegebelastungen in den jeweiligen Wellen eine rein axiale Krafteinleitung ohne Torsionsbewegungen an jeweiligen Anlageflächen.
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3 bis 5 zeigen weitere Ausführungsformen von Wellfedern 28, wobei die erste Windung und die letzte Windung mit Wellen versehen sind, d. h. wellenförmig ausgebildet sind. Auch die Windungen zwischen der ersten und der letzten Windung sind wellenförmig ausgebildet. 7 veranschaulicht einen Vergleich einer Wellfeder 28 mit einer üblicherweise auch als Spiralfeder bezeichneten Schraubenfeder 34. Wie anhand von 7 erkennbar ist, weist die Wellfeder 28 bei zumindest im Wesentlichen gleicher Federrate wie die Schraubenfeder 34 eine wesentlich geringere, axiale Erstreckung auf als die Schraubenfeder 34. In 7 ist mit 36 ein Bauraum bezeichnet, der bei Verwendung der Wellfeder 28 gegenüber einer Verwendung der Schraubenfeder 34 eingespart werden kann. In 7 sind dabei das erste Dämpferteil 12 und das zweite Dämpferteil 18 sehr schematisch dargestellt.
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Durch diese Möglichkeit, bei zumindest im Wesentlichen gleichem Bauraum eine geringere Federsteifigkeit realisieren zu können, kann eine besonders effiziente und effektive torsionale Abkopplung der Verbrennungskraftmaschine vom übrigen Antriebsstrang erfolgen, was zu einem besonders vorteilhaften Geräuschverhalten des Antriebsstrangs und somit des Kraftwagens führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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