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Die Erfindung betrifft ein Bogenfedersystem für ein Zweimassenschwungrad, mit dessen Hilfe Drehschwingungen beispielsweise einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors gedämpft werden können.
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Insbesondere bei mit Hilfe eines Turboladers aufgeladenen Kraftfahrzeugmotoren kann bereits in einem unteren Drehzahlbereich von beispielsweise 1000 U/min bis 1500 U/min ein hohes Drehmoment erzeugt werden, das zu einem starken Anstieg des Drehmoments ab der Leerlaufdrehzahl führt. Dies führt dazu, dass ein mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugmotors verbundenes Zweimassenschwungrad zum Dämpfen von durch die motorische Verbrennung des Kraftfahrzeugmotors erzeugten Drehschwingungen erhöhten Anforderungen ausgesetzt ist, damit ein Bogenfedersystem des Zweimassenschwungrads auch bei hohen Drehmomenten über einen hinreichend großen Drehwinkelbereich Drehschwingungen dämpfen kann.
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Das in 1 dargestellte Bogenfedersystem 10 weist eine Außenfeder 12 und zwei identische Innenfedern 14 auf, die gleichzeitig komprimiert werden können, um Drehschwingungen auszugleichen. Dieses Bogenfedersystem 10 führt jedoch zu der in 5 dargestellten sehr steifen ersten Federkennlinie 16, die einen Motorstart des Kraftfahrzeugmotors erschwert. Bei dem in 2 dargestellten Bogenfedersystem ist zwischen den identisch ausgestalteten Innenfedern 14 ein Freiwinkel 18 vorgesehen, so dass sich für die zugehörige in 5 dargestellte zweite Federkennlinie 20 ein zweistufiger Verlauf ergibt, da zunächst nur die vergleichsweise weich ausgestaltete Außenfeder 12 wirksam ist, bevor die sehr steifen Innenfedern 14 wirksam werden. Auch die zweite Federkennlinie 20 ist im Ergebnis sehr steif und erschwert einen Motorstart des Kraftfahrzeugmotors. Ferner können auftretenden Drehschwingungen durch dieses Bogenfedersystem nur unzureichend für ein nachgeschaltetes Fliehkraftpendel zur Drehschwingungsdämpfung vorgefiltert werden. Bei dem in 3 dargestellten Bogenfedersystem sind im Vergleich zu dem in 2 dargestellten Bogenfedersystem die Innenfedern 14 mit unterschiedlichen Steifigkeiten ausgestaltet, so dass sich die in 5 dargestellte dritte Federkennlinie 22 ergibt. Die dritte Federkennlinie 22 weist einen dreistufigen Verlauf auf, da zunächst nur die Außenfeder 12, danach die Außenfeder 12 und die beiden Innenfedern und am Ende nur die Außenfeder und eine der Innenfedern 14 wirksam sind, da zum Ende der dritten Federkennlinie die weichere Innenfeder 14 auf Block geht, das heißt blockiert, und nicht weiter komprimiert werden kann. Aufgrund von Fertigungs- und Einbautoleranzen ist es sehr schwierig den dreistufigen Verlauf der dritten Federkennlinie 21 zu realisieren, so dass es sogar vorkommen kann, dass die letzte Stufte unabsichtlich entfällt und ein gewünschtes Dämpfungsverhalten nicht erreicht wird. Eine Erhöhung der Toleranzanforderungen würde dagegen die Herstellungskosten erheblich erhöhen.
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Es gibt ein ständiges Bedürfnis Drehschwingungen von Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere mit Hilfe eines Turboladers aufgeladenen Kraftfahrzeugmotoren, kostengünstig zu dämpfen ohne dabei ein Starten des Kraftfahrzeugmotors zu erschweren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, die ein kostengünstiges Dämpfen von Drehschwingungen von Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere mit Hilfe eines Turboladers aufgeladenen Kraftfahrzeugmotoren, und einfaches Starten des Kraftfahrzeugmotors ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Bogenfedersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Bogenfedersystem für ein Zweimassenschwungrad zur Drehschwingungsdämpfung, insbesondere einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors, vorgesehen mit einer Startbogenfeder zur Drehschwingungsdämpfung, einer parallel zur Startbogenfeder geschalteten ersten Zusatzbogenfeder zur Drehschwingungsdämpfung und einer parallel zur Startbogenfeder geschalteten zweiten Zusatzbogenfeder zur Drehschwingungsdämpfung, wobei die zweite Zusatzbogenfeder in Reihe zur ersten Zusatzbogenfeder geschaltet ist, wobei erfindungsgemäß die Startbogenfeder eine Federsteifigkeit DS aufweist, die geringer als die Federsteifigkeit D1 der ersten Zusatzbogenfeder und geringer als die Federsteifigkeit D2 der zweiten Zusatzbogenfeder ist, wobei bei einem Komprimieren des Bogenfedersystems über einen Gesamtfederweg Sges die zweite Zusatzbogenfeder vor der ersten Zusatzbogenfeder und vor der Startbogenfeder blockiert.
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Da die zweite Zusatzbogenfeder vor dem Erreichen des Endes des gesamten Federwegs des Bogenfedersystem, welcher dem gesamten Verdrehwinkelbereich des zugehörigen Zweimassenschwungrads entspricht, auf Block gehen kann und im blockierten Zustand nicht weiter komprimiert werden kann, kann das Bogenfedersystem bei blockierter zweiter Zusatzbogenfeder eine deutlich erhöhte Federsteifigkeit für das Bogenfedersystem bereitstellen, so dass das Bogenfedersystem auch bei hohen Drehmomenten eine Dämpfungsfunktion ausüben kann. Gleichzeit kann durch die Parallelschaltung der Startbogenfeder und der in Reihe geschalteten Zusatzbogenfedern zu Beginn des Federwegs eine besonders niedrige Federsteifigkeit für das Bogenfedersystem bereitstellen, da sowohl die Startbogenfeder, die erste Zusatzbogenfeder und die zweite Zusatzbogenfeder komprimiert werden können. Dies erleichtert es einen Kraftfahrzeugmotor zu starten, da das Bogenfedersystem beim Start des Kraftfahrzeugmotors nur ein geringes Widerstandsmoment bereitstellt. Der überstrichene Federweg des Bogenfedersystems, ab dem die zweite Zusatzbogenfeder blockiert, kann über die Federsteifigkeit und die Federlänge der Zusatzbogenfedern ohne große Toleranzanforderungen an verschiedene Antriebsstränge angepasst werden. Hierbei ist insbesondere ein Freiwinkel oder eine Totstrecke zwischen der ersten Zusatzfeder und der zweiten Zusatzfeder im Rahmen von vorzusehenden erforderlichen Toleranzen im Wesentlichen vermieden. Dies ermöglicht ein kostengünstiges Dämpfen von Drehschwingungen von Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere mit Hilfe eines Turboladers aufgeladenen Kraftfahrzeugmotoren, und gleichzeitig ein einfaches Starten des Kraftfahrzeugmotors.
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Da die Startbogenfeder eine geringere Federsteifigkeit als jeweils die erste Zusatzbogenfeder und die zweite Zusatzbogenfeder aufweist, kann mit Hilfe der Startbogenfeder ein besonders langer Federweg und damit ein besonders großer Verdrehwinkel des zugehörigen Zweimassenschwungrads erreicht werden. Dadurch ist es möglich über einen besonders großen Frequenzbereich Drehschwingung zu dämpfen und herauszufiltern. Die Startbogenfeder ist insbesondere von Beginn des überstrichenen Federwegs an wirksam. Die Zusatzbogenfedern sind vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen von Beginn des überstrichenen Federwegs an wirksam, wobei die Zusatzbogenfedern toleranzbedingt erforderlichenfalls geringfügig später als die Startbogenfeder wirksam sein können. Die Funktionalität des Bogenfedersystems ein leichtes Starten des Kraftfahrzeugmotors zu ermöglichen und auch bei großen Drehmomenten eine Dämpfungswirkung bereitzustellen ist dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt. Die Startbogenfeder, die erste Zusatzbogenfeder und/oder die zweite Zusatzbogenfeder sind insbesondere entlang eines Teilkreises gebogen ausgeführt, so dass die Startbogenfeder, die erste Zusatzbogenfeder und/oder die zweite Zusatzbogenfeder besonders einfach in eine in Umfangsrichtung verlaufende Tasche eines Zweimassenschwungrads eingesetzt sein können, um eine an dem Bogenfedersystem angreifende Primärscheibe über das Bogenfedersystem mit einer an dem Bogenfedersystem angreifenden Sekundärscheibe des Zweimassenschwungrads zu koppeln. Durch das Bogenfedersystem wird insbesondere eine zweistufige Federkennlinie bereitgestellt, die ohne große Toleranzanforderungen erreicht werden kann. Dadurch kann das Bogenfedersystem eine Federkennlinie mit einer Startstufe aufweisen, die nicht nur eine Absenkung einer Resonanzdrehzahl der Antriebswelle erreicht sondern auch einen größeren Frequenzbereich an Drehschwingung für ein nachgeschaltetes Fliehkraftpendel zur Drehschwingungsdämpfung vorfiltern. Mit Blockieren der zweiten Zusatzbogenfeder kann eine zweite Stufe der Federkennlinie bereitgestellt werden, die bis zum Erreichen eines maximalen Kontaktmoments, bis zu dem eine Dämpfen von Drehschwingungen durch das Bogenfedersystem möglich ist, eine steilere Federkennlinie als während der Startstufe bereitstellen kann.
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Insbesondere ist die Federsteifigkeit D1 der ersten Zusatzbogenfeder größer als die Federsteifigkeit D2 der zweiten Zusatzbogenfeder und/oder die entspannte Federlänge L1 der ersten Zusatzbogenfeder ist größer als die entspannte Federlänge L2 der zweiten Zusatzbogenfeder. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die zweite Zusatzbogenfeder vor der ersten Zusatzbogenfeder blockiert und dadurch abgeschaltet wird. Wenn die zweite Zusatzbogenfeder weicher als die erste Zusatzbogenfeder ist, legt die zweite Zusatzbogenfeder bei einer angreifenden Kraft einen größeren Federweg zurück und kann dadurch schneller als die erste Zusatzbogenfeder das Ende ihrer Komprimierfähigkeit erreichen. Wenn die zweite Zusatzbogenfeder kürzer als die erste Zusatzbogenfeder ist, kann der maximal mögliche Federweg der zweiten Zusatzbogenfeder bei einer angreifenden Kraft früher als bei erste Zusatzbogenfeder erreicht werden.
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Vorzugsweise sind die erste Zusatzbogenfeder und die zweite Zusatzbogenfeder radial innerhalb der Startbogenfeder angeordnet. Der Bauraumbedarf kann dadurch gering gehalten werden. Ferner kann die Startbogenfeder die erste Zusatzbogenfeder und die zweite Zusatzbogenfeder beispielsweise vor Verschmutzung schützen. Die Zusatzbogenfedern können dadurch auch bei geringen Toleranzanforderungen über die Lebensdauer des Bogenfedersystems ein im Wesentlichen konstantes Verhalten aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist die erste Zusatzbogenfeder an einem ersten Ende der Startbogenfeder und die zweite Zusatzbogenfeder an einem zweiten Ende der Startbogenfeder eingehangen. Dies ermöglicht eine direkte Verbindung der Zusatzbogenfedern mit der Startbogenfeder, so dass das Bogenfedersystem als eine gemeinsame Baueinheit einfach montiert werden kann. Beispielsweise sind die Startbogenfeder, die erste Zusatzbogenfeder und die zweite Zusatzbogenfeder als Spiralfeder ausgestaltet, wobei die erste Zusatzbogenfeder und/oder die zweite Zusatzbogenfeder mit einer der letzten Windungen des zugeordneten Endes der Startbogenfeder verbunden ist.
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Insbesondere weist im entspannten Zustand des Bogenfedersystems die Startbogenfeder eine entspannte Federlänge LS, die erste Zusatzbogenfeder eine entspannte Federlänge L1 und die zweite Zusatzbogenfeder eine entspannte Federlänge L2 auf, wobei L1 + L2 + ΔLT ≤ LS gilt, wobei ΔLT eine Sicherheitstoleranz ist, die insbesondere Fertigungstoleranzen, Einbautoleranzen und/oder betriebsbedingte Änderungen der Federlänge berücksichtigt. Eine derart gewählte Sicherheitstoleranz ermöglicht ein einfaches Starten des Kraftfahrzeugmotors sowie bei geringen Toleranzanforderungen auch bei großen Drehmomenten eine Dämpfungswirkung bereitzustellen. Die Zusatzbogenfedern können in Summe in etwas so lang wie die Startbogenfeder oder geringfügig kürzer sein, wobei durch das Vorsehen der Sicherheitstoleranz sichergestellt werden kann, dass der Bauraumbedarf des Bogenfedersystems in Federrichtung allein durch die Startbogenfeder definiert wird. Doppelpassungen und enge Toleranzfelder sind dadurch vermieden, so dass das Bogenfedersystem entsprechend kostengünstig hergestellt werden kann.
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Vorzugsweise gilt für die Sicherheitstoleranz ΔLT 0,01 Sges ≤ ΔLT ≤ 0,25 Sges, insbesondere 0,02 Sges ≤ ΔLT ≤ 0,20 Sges, vorzugsweise 0,05 Sges ≤ ΔLT ≤ 0,15 Sges und besonders bevorzugt 0,07 Sges ≤ ΔLT ≤ 0,10 Sges. Eine derart gewählte Sicherheitstoleranz ermöglicht ein einfaches Starten des Kraftfahrzeugmotors sowie bei geringen Toleranzanforderungen auch bei großen Drehmomenten eine Dämpfungswirkung bereitzustellen.
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Besonders bevorzugt gilt für die Federsteifigkeit DS der Startbogenfeder, die Federsteifigkeit D1 der ersten Zusatzbogenfeder und/der der Federsteifigkeit D2 der zweiten Zusatzbogenfeder DS ≤ 0,75 D1, insbesondere DS ≤ 0,50 D1, vorzugsweise DS ≤ 0,30 D1 und besonders bevorzugt DS ≤ 0,20 D1 und/oder DS ≤ 0,75 D2, insbesondere DS ≤ 0,50 D2, vorzugsweise DS ≤ 0,30 D2 und besonders bevorzugt DS ≤ 0,20 D2. Die Startbogenfeder kann dadurch eine erheblich geringere Federsteifigkeit als jeweils die Zusatzbogenfedern aufweisen, so dass ein besonders langer Federweg und ein entsprechend großer Verdrehwinkel eines zugeordneten Zweimassenschwungrads bereitgestellt werden kann, um über einen besonders großen Frequenzbereich Drehschwingungen zu dämpfen.
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Insbesondere ist der Gesamtfederweg Sges bei einem in das Bogenfedersystem eingeleitetem Drehmoment von Mmax erreicht, wobei die zweite Zusatzbogenfeder bei einem Drehmoment MBlock blockiert, wobei für das Verhältnis MBlock/Mmax 0,50 ≤ MBlock/Mmax ≤ 0,95, insbesondere 0,60 ≤ MBlock/Mmax ≤ 0,85, vorzugsweise 0,65 ≤ MBlock/Mmax ≤ 0,80 und besonders bevorzugt 0,70 ≤ MBlock/Mmax ≤ 0,75 gilt. Dadurch kann mit der ersten Stufe des Bogenfedersystems bevor die zweite Zusatzbogenfeder blockiert nicht nur eine Resonanzdrehzahl der Antriebswelle reduziert werden, um den Kraftfahrzeugmotor leicht starten zu können. Es ist auch möglich, dass Drehschwingungen über einen großen Drehmomentbereicht bis zur Erreichung eines maximalen Kontaktmoments, bei dem ein weiteres Komprimieren des Bogenfedersystems nicht mehr möglich ist, gedämpft werden. Insbesondere können für ein nachfolgend vorgesehenes Fliehkraftpendel bereits ein Großteil der auftretenden Ungleichförmigkeiten im Drehmoment vorgefiltert werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Zweimassenschwungrad zur Drehschwingungsdämpfung, insbesondere einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors, mit einer Primärscheibe zur Einleitung eines Drehmoments und einer über ein Bogenfedersystem, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, mit der Primärscheibe in Umfangsrichtung relativ zur Primärscheibe verdrehbar verbundenen Sekundärscheibe. Dies ermöglicht ein kostengünstiges Dämpfen von Drehschwingungen von Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere mit Hilfe eines Turboladers aufgeladenen Kraftfahrzeugmotoren, und gleichzeitig ein einfaches Starten des Kraftfahrzeugmotors.
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Insbesondere ist ein Fliehkraftpendel zur Drehschwingungsdämpfung vorgesehen. Durch das Bogenfedersystem des Zweimassenschwungrads können für das Fliehkraftpendel bereits ein Großteil der auftretenden Ungleichförmigkeiten im Drehmoment vorgefiltert werden, so dass das Fliehkraftpendel entsprechend einfacher noch verbleibende Drehschwingungen dämpfen kann. Insbesondere kann das Fliehkraftpendel für die Dämpfung von Resonanzschwingungen höherer Ordnung ausgelegt sein. Das Fliehkraftpendel ist beispielsweise mit der Primärscheibe oder der Sekundärscheibe des Zweimassenschwungrads verbunden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Bogenfedersystems in einer ersten Ausführungsform,
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2: eine schematische Prinzipdarstellung eines Bogenfedersystems in einer zweiten Ausführungsform,
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3: eine schematische Prinzipdarstellung eines Bogenfedersystems in einer dritten Ausführungsform,
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4: eine schematische Prinzipdarstellung eines Bogenfedersystems in einer erfindungs gemäßen Ausführungsform und
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5: ein schematisches Diagramm von Federkennlinien der in 1 bis 4 dargestellten Bogenfedersysteme.
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Das in 4 dargestellte erfindungsgemäße Bogenfedersystem 10 weist eine als Außenfeder ausgestaltete Startbogenfeder 22 auf, zu der radial innen koaxial zur Startbogenfeder 22 in Reihe hintereinander geschaltet eine erste Zusatzbogenfeder 24 und eine zweite Zusatzbogenfeder 24 angeordnet sind. Die erste Zusatzbogenfeder 24 kann an einem ersten Ende 28 eingehangen sein. Entsprechend kann die zweite Zusatzbogenfeder 26 an einem zweiten Ende 30 eingehangen sein. Das Bogenfedersystem 10 kann als Energiespeicherelement für ein Zweimassenschwungrad verwendet werden, um ohne große Energieverluste Drehschwingungen zu dämpfen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erste Zusatzbogenfeder 24 im dargestellten entspannten Zustand eine Länge L1 auf, die länger als die Länge L2 der zweiten Zusatzbogenfeder 26 ist, so dass die zweite Zusatzbogenfeder 26 eher auf Block gehen kann als die erste Zusatzbogenfeder 24. Zwischen der ersten Zusatzbogenfeder 24 und der zweiten Zusatzbogenfeder 26 ist eine Sicherheitstoleranz ΔLT vorgesehen, um Toleranzen und funktionstechnische Veränderungen zu kompensieren. Durch die geringe Federsteifigkeit des Bogenfedersystems 10 zu Beginn eines überstrichenen Federwegs S oder eines korrespondierenden überstrichenen Drehwinkel α des entsprechenden Zweimassenschwungrads und der höheren Federsteifigkeit des Bogenfedersystems 10 bei blockierender zweiten Zusatzfeder 26 kann sich beispielsweise die in 5 dargestellte Federkennlinie 32 ergeben. Ferner ist es möglich ist durch eine geeignete Wahl der Federsteifigkeiten und/oder Längen der Startbogenfeder 22, der ersten Zusatzbogenfeder 24 und/oder der zweiten Zusatzbogenfeder 26 den Kennlinienverlauf an verschiedene Antriebsstränge anzupassen, so dass sich entsprechend einfach auch eine alternative Kennlinie 34 einstellen lässt, bei welcher die zweite Zusatzbogenfeder 26 zu einem späteren Zeitpunkt blockiert und die Federsteifigkeit des Bogenfedersystem 10 zu Beginn des Federwegs höher ist im Vergleich zur Kennlinie 32.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bogenfedersystem
- 12
- Außenfeder
- 14
- Innenfeder
- 16
- erste Federkennlinie
- 18
- Freiwinkel
- 20
- zweite Federkennlinie
- 21
- dritte Federkennline
- 22
- Startbogenfeder
- 24
- erste Zusatzbogenfeder
- 26
- zweite Zusatzbogenfeder
- 28
- erstes Ende
- 30
- zweites Ende
- 32
- Federkennlinie
- 34
- alternative Kennlinie