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Die Erfindung betrifft einen abkoppelbaren Schwingungstilger zum Tilgen von drehzahlabhängigen Schwingungen, der im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Tilgen von Erregerschwingungen verwendet wird.
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In 3 ist ein herkömmliches Fliehkraftpendel 101 gezeigt, das drei Pendelmassen 103 aufweist. Die Pendelmassen 103 sind über Laufrollen 104 an einem Flansch 102 gelagert. Die Pendelmassen weisen Aussparungen für die Laufrollen 104 auf, die die Laufbahn der Laufrollen 104 definieren. Die Pendelmassen 103 bestehen aus zwei einzelnen Massenelementen, die miteinander über Verbindungsbolzen 105 verbunden sind. In dem Flansch 102 sind Aussparungen für die Verbindungsbolzen 105 und für die Laufrollen 104 vorgesehen, wobei die Laufrollen 104 im Betrieb des Fliehkraftpendels am Außenumfang der Aussparungen im Flansch 102 abrollen. Der Flansch 102 wird dabei über die Schraublöcher 106 an einer Kurbelwelle, einer Nabe oder einem Kupplungsflansch drehfest mit Schrauben und gegebenenfalls Muttern befestigt (nicht gezeigt).
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Die Wirkung des Fliehkraftpendels 101 entfaltet sich jedoch hauptsächlich im unteren und mittleren Drehzahlbereich. Bei hohen Drehzahlen ist die Wirkung des Fliehkraftpendels 101 eher gering. Da jedoch das Fliehkraftpendel 101 über den gesamten Drehzahlbereich der Kurbelwelle mitdreht müssen die Bauteile des Fliehkraftpendels 101 ausreichend dicke Querschnitte aufweisen, damit die Teile bei hohen Drehzahlen und den damit verbundenen hohen Zentrifugalkräften nicht bersten. Beispielsweise sind die Materialien an den Laufbahnen der Laufrollen bei hohen Drehzahlen einer sehr hohen Flächenpressung ausgesetzt. Die Anforderungen an diese Materialien sind daher sehr hoch. Darüber hinaus muss aus diesem Grund an den Fliehkraftpendeln je nach Anwendungsfall ein Berstschutz (nicht gezeigt) angebracht werden. Da es bei Fliehkraftpendeln von besonderem Vorteil ist, eine hohe tilgende Masse auf einem möglichst großen Wirkradius unterzubringen, also die Pendelmassen selbst sehr hoch sein sollen, die Zentrifugalkraft jedoch quadratisch mit der Drehzahl steigt, ergibt sich ein Konflikt zwischen der Wirkung des Fliehkraftpendels und dessen Berstfestigkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fliehkraftpendel bereitzustellen, das die volle Wirkung im relevanten Drehzahlbereich des Antriebsstrangs entfaltet, gleichzeitig aber auch keine hohen Anforderungen an die Festigkeit, insbesondere die Berstfestigkeit des Fliehkraftpendels stellt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schwingungstilger nach Anspruch 1 gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Ein erfindungsgemäßer Schwingungstilger zum Tilgen von drehzahlabhängigen Schwingungen, insbesondere eine Fliehkraftpendeleinrichtung, umfasst einen Pendelmassenträger und zumindest zwei Pendelmassen, die auf dem Pendelmassenträger gelagert sind. Der erfindungsgemäße Schwingungstilger umfasst ferner eine Feststelleinrichtung, die zum drehfesten Verbinden des Schwingungstilgers mit dem Antriebsstrang und zum Lösen der drehfesten Verbindung bei einer vorbestimmten Drehzahl ausgebildet ist. Der Begriff Antriebsstrang umfasst hierbei jede Welle oder jeden Flansch, an dem der Schwingungstilger befestigt wird. So umfasst das befestigen am Antriebsstrang auch das Befestigen an einem Flansch einer Kupplungsvorrichtung und das Befestigen an der Kurbelwelle oder einer Nabe. Da sich der Schwingungstilger bei einer vorbestimmten Drehzahl vom Antriebsstrang löst und nicht mehr drehfest mit dem Antriebsstrang verbunden ist, entfaltet das Fliehkraftpendel zwar keine Tilgerwirkung mehr, wird jedoch auch nicht gezwungen, mit den hohen Drehzahlen des jeweiligen Bauteils mitzudrehen. Da bei hohen Drehzahlen die Anforderungen an die Berstfestigkeit hoch sind, jedoch der Schwingungstilger bei diesen Drehzahlen abgekoppelt wird, ist es nicht notwendig, die Festigkeit des Schwingungstilgers auf hohe Drehzahlen abzustimmen. Die Funktionsverluste treffen dabei lediglich den Bereich des Schwingungstilgers, bei dem die Tilgerwirkung sowieso nicht so gut ist. Die Feststelleinrichtung des Schwingungstilgers kann eine Federvorrichtung umfassen. Eine Federvorrichtung ist eine zuverlässige und kostengünstige Möglichkeit, das Lösen bei einer vorbestimmten Drehzahl bereitzustellen. Die Federstärke wird dabei so eingestellt, dass sie der bei einer bestimmten Drehzahl zu erwartenden Zentrifugalkraft entspricht. Eine zusätzliche Einstellmöglichkeit kann die mit der Feder verbundene Masse sein, da die Masse ebenfalls die Zentrifugalkraft bestimmt.
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Die drehfeste Verbindung der Feststelleinrichtung ist vorzugsweise formschlüssig und/oder reibschlüssig ausgeführt. Eine formschlüssige Ausführung hat den Vorteil, dass alle Rückstellmomente und somit auch die Tilgerwirkung nahezu verlustfrei auf den Antriebsstrang wirken können. Bei einer reibschlüssigen Verbindung besteht dagegen der Vorteil, dass das Öffnen und Schließen der Feststelleinrichtung sanft und geräuscharm durchgeführt werden kann.
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Es ist daher von großem Vorteil, beide Verbindungsarten miteinander zu kombinieren. Dabei ist in einer Ausführungsform die vorbestimmte Drehzahl für die formschlüssige Verbindung niedriger als die vorbestimmte Drehzahl der reibschlüssigen Verbindung, wodurch gewährleistet wird, dass zuerst die formschlüssige Verbindung und dann erst die reibschlüssige Verbindung gelöst wird (von niedriger Drehzahl auf hohe Drehzahl), oder im umgekehrten Fall zuerst die reibschlüssige Verbindung und dann die formschlüssige Verbindung geschlossen werden (von hoher Drehzahl auf niedrige Drehzahl). Durch ein solches Vorgehen werden die beiden Vorteile der form- und reibschlüssigen Verbindung optimal miteinander kombiniert.
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Vorzugsweise ist jeweils eine Vielzahl von form- und/oder reibschlüssigen Verbindungen vorgesehen. Dadurch werden die auf die Feststelleinrichtung wirkenden Kräfte auf einer Vielzahl von Verbindungsvorrichtungen verteilt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind reibschlüssige und formschlüssige Verbindungen in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Dies ergibt eine in Axialrichtung platzsparende Konstruktion, bei der die Vorteile von reib- und formschlüssiger Verbindung gut miteinander kombiniert werden können. In einer anderen Ausführungsform sind die formschlüssigen und die reibschlüssigen Verbindungen in Axialrichtung nebeneinander angeordnet. Dadurch können mehrere formschlüssige und reibschlüssige Verbindungen verwendet werden und die Kräfte so auf eine größtmögliche Vielzahl von Verbindungen verteilt werden, gleichzeitig aber auch der Vorteil von formschlüssigen und reibschlüssigen Verbindungen, kombiniert werden.
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Der Schwingungstilger ist vorzugsweise mit einem Wälzlager, vorzugsweise ein Kugellager, am Antriebsstrang gelagert. Ein Wälzlager und insbesondere ei Kugellager ermöglicht einerseits eine optimale reibungsarme Relativbewegung zwischen Schwingungstilger und Antriebsstrang und kann gleichzeitig die entstehenden Axialkräfte ausreichend aufnehmen und übertragen.
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Die vorbestimmte Drehzahl, bei der sich die Feststelleinrichtung öffnet, wird vorzugsweise in Abhängigkeit des Schwingungstilgers festgelegt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass bei Erreichen der vorbestimmten Drehzahl der Schwingungstilger vom Antriebsstrang gelöst wird, und bei Unterschreiten der vorbestimmten Drehzahl der Schwingungstilger wieder mit dem Antriebsstrang verbunden wird. So wird gewährleistet, dass der Schwingungstilger nie unter einen gewissen Drehzahlbereich fallen kann, auch wenn der Antriebsstrang über einen langen Zeitraum eine Drehzahl aufweist, die höher als die vorbestimmte Drehzahl ist. In einer anderen Ausführungsform wird die vorbestimmte Drehzahl nur bei einem oder einigen wenigen der Verbindungen von der Drehzahl des Schwingungstilgers abhängig gemacht, und zumindest eine oder mehrere der übrigen Verbindungen von der Drehzahl des Antriebsstrangs abhängig gemacht. So kann verhindert werden, dass der Schwingungstilger eine höhere Drehzahl aufweist, als der Antriebsstrang.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Feststelleinrichtung eine (elektro-)magnetische Schaltung, das heißt ein elektromagnetisches Ventil oder einen Permanentmagneten. Mit einem elektromagnetischen Ventil oder einer elektromagnetischen Schaltung kann das Öffnen und Schließen der Feststelleinrichtung mit einer elektrischen Schaltung ganz konkret auf eine Drehzahl eingestellt und flexibel gehandhabt werden. Ferner können sich durch eine solche Schaltung baugleiche Fliehkraftpendeleinrichtungen für verschiedenste Anwendungen und Anforderungen verwendet werden. Ein Permanentmagnet ist dagegen eine gute Alternative zu einer mechanischen Feder, da die Magnetkraft die Federfunktion ersetzen und auf eine vorbestimmte Zentrifugalkraft oder Drehzahl eingestellt werden kann.
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Die Erfindung kann auch ein Verfahren zum Steuern der Tilgerwirkung eines Fliehkraftpendels umfassen. Ein solches Verfahren weist folgende Schritte auf: Festlegen einer Abkoppeldrehzahl in Bezug auf den Antriebsstrang und/oder dem Fliehkraftpendel; Abkoppeln des Fliehkraftpendels bei Erreichen oder Überschreiten der Abkoppeldrehzahl; Einkoppeln des Fliehkraftpendels bei Unterschreiten des Fliehkraftpendels.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein herkömmliches Fliehkraftpendel.
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In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe "axial", "radial" und "umfänglich" verwendet. Dabei bedeutet axial bedeutet dabei eine Richtung entlang der Drehachse Z (siehe 1 und 2), radial eine Richtung senkrecht zur Drehachse Z und umfänglich entlang des Umfangs beispielsweise entlang des Umfangs des Fliehkraftpendels 1.
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In den 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Fliehkraftpendel 1 als Schwingungstilger gezeigt, das am sekundären Schwungrad 22 eines Zweimassenschwungrads 20 angeordnet ist. Das Fliehkraftpendel 1 ist schematische dargestellt und weist einen Pendelmassenträger 2 auf, in dessen Aussparungen die Pendelmassen 3 auf einer Laufrolle 4 abrollen. Der Pendelmassenträger 2 wird auch als Flansch bezeichnet.
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Das Zweimassenschwungrad 20 ist ein herkömmliches Zweimassenschwungrad mit einem primären Schwungrad 21, einem sekundären Schwungrad 22 und den Bogenfedern 23 und 24. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Fliehkraftpendel 1 am sekundären Schwungrad 22 befestigt. Die Erfindung ist allerdings nicht abhängig vom Befestigungsort des Fliehkraftpendels. Das Fliehkraftpendel kann daher an jedem gewünschten Ort am Antriebsstrang befestigt sein, beispielsweise auch am primären Schwungrad, an der Kurbelwelle, an einem Kupplungsflansch, an der Getriebewelle oder wo immer ein Schwingungstilger eingesetzt werden soll.
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Am sekundären Schwungrad ist ebenfalls ein Passstift 25 befestigt, mit dem eine Kupplungsvorrichtung, bzw. der Mitnehmerring (nicht gezeigt) der Kupplung am Schwungrad 20 zentriert wird.
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Der erfindungsgemäße Schwingungstilger, im Folgenden nur noch Fliehkraftpendel 1 bezeichnet, ist vorzugsweise auf einem Wälzlager 6, hier ein Kugellager, auf dem sekundären Schwungrad 22 gelagert. Wenn im Folgenden von Antriebsstrang die Rede ist, ist damit der jeweilige Befestigungsort des Fliehkraftpendels gemeint. Das heißt, in den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist damit das sekundäre Schwungrad 22 gemeint. Da jedoch die Erfindung nicht auf das sekundäre Schwungrad beschränkt ist, wird der allgemeinere Ausdruck "Antriebsstrang" verwendet.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Fliehkraftpendel eine Feststelleinrichtung 10. Die Feststelleinrichtung 10 umfasst in den gezeigten Beispielen eine Federvorrichtung 11, die drehfest an einem Befestigungselement 12 mit dem Antriebsstrang 22 verbunden ist. Das Befestigungselement 12 überträgt daher die Kräfte in Umfangsrichtung (also die Momente) zwischen Fliehkraftpendel 1 und Antriebsstrang 22. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an der Federvorrichtung 11 ein Reibungselement 13 befestigt, das mit einem Reibungselement 14 auf der Fliehkraftpendelseite zusammenwirkt. Die Federvorrichtung 11 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Druckfeder realisiert, die eine vorbestimmte Vorspannung aufweist.
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Im Ruhezustand oder bei niedrigen und mittleren Drehzahlen ist die Feststelleinrichtung geschlossen und die Reibflächen 13, 14 übertragen die Drehmomente zwischen Fliehkraftpendel 1 und Antriebsstrang 22. Wenn die Drehzahl eine vorbestimmte Drehzahl erreicht oder überschreitet, steigt die Zentrifugalkraft so an, dass das Reibelement 13 vom Reibelement 14 abgehoben wird und das Fliehkraftpendel 1 auf dem Antriebsstrang 22 über das Wälzlager 6 abrollt. Zu diesem Zeitpunkt gibt es keine Verbindung zwischen Fliehkraftpendel 1 und Antriebsstrang 22 mehr, die Kräfte in Umfangsrichtung (Drehmomente) überträgt. Das heißt, dass das Fliehkraftpendel frei auf dem Antriebsstrang 22 abrollt, solange bis die Drehzahl des Antriebsstrangs 22 wieder unter die vorbestimmte Drehzahl abgesunken ist. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Feststelleinrichtung 10 selbstverständlich auch lediglich über der vorbestimmten Drehzahl öffnen und einschließlich bis zur vorbestimmten Drehzahl geschlossen bleiben kann.
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Die Feststelleinrichtung 10 kann auch so ausgestaltet sein, dass die Federvorrichtung 11 drehfest mit dem Fliehkraftpendel 1 mit einem am Fliehkraftpendel 1 angebrachten Befestigungselement verbunden ist, und das entsprechende Reibelement mit einem anderen Reibelement zusammenwirkt, das drehfest mit dem Antriebsstrang 22 verbunden ist. Die drehfeste Verbindung zwischen Feder und Fliehkraftpendel 1 müsste jedoch radial weiter außen liegen als die Reibflächen, so dass die Zentrifugalkraft nicht zum Schließen der reibschlüssigen Verbindung 13, 14 dient, sondern zum Öffnen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist dann nicht die Drehzahl des Antriebsstrangs die Bezugsgröße, bei der die Feststelleinrichtung 10 öffnet und schließt, sondern die Drehzahl des Fliehkraftpendels 1. Das hat den Vorteil, dass auch bei langanhaltenden hohen Drehzahlen des Antriebsstrangs 22 das Fliehkraftpendel 1 nicht zum Stillstand kommen kann oder auf eine sehr niedrige Drehzahl ausläuft und beim Schließen, wenn der Antriebsstrang eine niedrigere Drehzahl als die vorbestimmte Drehzahl erhält, das Fliehkraftpendel plötzlich auf die vorbestimmte Drehzahl beschleunigt werden muss.
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Ebenso ist denkbar, eine Vielzahl von Feststelleinrichtungen 10 umfänglich anzubringen. Einige von diesen umfänglich angebrachten Feststelleinrichtungen 10 könnten drehfest mit dem Antriebsstrang ausgestaltet werden und andere drehfest mit dem Fliehkraftpendel 1. Die drehfest mit dem Fliehkraftpendel 1 ausgestalteten Feststelleinrichtungen 10 können dann auch eine andere vorbestimmte Drehzahl aufweisen. So könnte ein Ausführungsbeispiel bereitgestellt werden, in dem eine hohe vorbestimmte Drehzahl zum Lösen des Fliehkraftpendels 1 vom Antriebsstrang 22 vorgesehen ist, die sowohl fliehkraftpendelseitig als auch antriebsstrangseitig eine drehfeste Federvorrichtung aufweisen. D.h., die zum Fliehkraftpendel drehfesten Federn können eine Federkraft aufweisen, die schon bei einer niedrigen Drehzahl reagiert, insbesondere die Feststelleinrichtung 10 löst und wieder schließt, so dass, wenn das Fliehkraftpendel 1 zu langsam wird, zumindest eine Minimaldrehzahl des Fliehkraftpendels 1 aufrecht erhalten wird. Denn durch Erreichen der niedrigen Drehzahl des Fliehkraftpendels 1 werden die Feststelleinrichtungen 10, die bei einer niedrigen Drehzahl öffnen und schließen, geschlossen und treiben so das Fliehkraftpendel 1 wieder an.
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In 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hier ist anstatt einer reibschlüssigen Verbindung mit zwei Reibflächen 13, 14 eine formschlüssige Verbindung 15, 16 vorgesehen. Ansonsten funktioniert die Vorrichtung äquivalent zu dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, inklusive der drehfesten Anordnung der Federvorrichtungen.
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Der Formschluss ist vorzugsweise durch Zähne ausgestaltet, die so ausgebildet sind, dass sie bei sinkender Drehzahl durch den Druck der Federvorrichtung 11 in ihre Formschlussposition gleiten. Beispielsweise könnte der Formschluss durch im Querschnitt pyramidenförmige Zähne ausgestaltet sein, die durch ihre Geometrie nahezu immer miteinander eingreifen können (schmale Spitze, breite Eingriffsaussparung) und dann an den Zahnflanken entlang gleiten, bis die Spitze eines Zahnes am Grund zwischen zwei benachbarten Zähnen auf der gegenüberliegenden Seite liegt. Ebenso können aber auch rechteckige Querschnittsformen als Zähne verwendet werden oder kegelstumpfförmige Querschnitte, ja sogar Zähne mit Zahnflanken, die bei Zahnrädern und Ritzeln verwendet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden eine reibschlüssige Verbindung 13, 14 und zumindest eine formschlüssige Verbindung 15, 16 miteinander kombiniert. Dadurch werden der Vorteil der formschlüssigen Verbindung 13, 14, nämlich das sehr gute Übertragen von Momenten, und der Vorteil der reibschlüssigen Verbindung 15, 16, nämlich das sanftere, schlaglose und geräuscharme Schließen der Feststelleinrichtung 10, miteinander verbunden. Die Feststelleinrichtungen 10 können abwechselnd oder in einer anderen Reihenfolge umfänglich angeordnet sein. Das heißt, beispielsweise bei insgesamt acht Verbindungen, vier reibschlüssige 13, 14 und vier formschlüssige 15, 16, wobei auch dabei die drehfeste Verbindung 12 der Federvorrichtungen 11 unterschiedlich gewählt werden kann. Vorzugsweise sind die reibschlüssigen Feststelleinrichtungen 10 oder zumindest einige der reibschlüssigen Feststelleinrichtungen 10, drehfest mit dem Fliehkraftpendel 1 verbunden. Diese können einen niedrigeren Drehzahlreaktionsbereich haben (bei dem die Festelleinrichtung 10 öffnet/schließt).
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Die reibschlüssige und die formschlüssige Feststelleinrichtung 10 können aber auch in axialer Richtung nebeneinander liegen. Dadurch ist es möglich, einen kompletten Umfang mit reibschlüssigen Verbindungen 13, 14 und einen kompletten Umfang mit formschlüssigen Verbindungen 15, 16 zu versehen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann anstelle einer Federvorrichtung, oder auch in Kombination mit einer Federvorrichtung, ein Magnet vorgesehen sein, der die reibschlüssige Verbindung 13, 14 und/oder die formschlüssige Verbindung 15, 16 in einer anziehenden oder in einer abstoßenden Weise miteinander verbindet. Die Fliehkraft, die dann anstelle durch Federkraft und Masse des Verbindungselements 13, 15 bestimmt wird, wird dann durch die Magnetkraft und die Masse des Verbindungselements 13, 15 bestimmt.
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Ebenso ist eine elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische Anordnung möglich, in der über ein Steuergerät bei einer vorbestimmten Drehzahl die Feststelleinrichtung geschlossen und geöffnet wird (nicht gezeigt).
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Mit all diesen Ausführungsbeispielen ist es möglich, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem zuerst eine Drehzahl bestimmt wird, bei der das Fliehkraftpendel vom Antriebsstrang gelöst werden soll und bei Erreichen dieser Drehzahl dann auch vom Antriebsstrang 22 gelöst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fliehkraftpendel
- 2
- Pendelmassenträger
- 3
- Pendelmasse
- 4
- Laufrolle
- 6
- Wälzlager
- 10
- Feststelleinrichtung
- 11
- Federvorrichtung
- 12
- Befestigungselement
- 13
- drehfeste Verbindung (reibschlüssig)
- 14
- drehfeste Verbindung (reibschlüssig)
- 15
- drehfeste Verbindung (formschlüssig)
- 16
- drehfeste Verbindung (formschlüssig)
- 20
- Zweimassenschwungrad
- 21
- primäres Schwungrad
- 22
- sekundäres Schwungrad
- 23
- Bogenfeder
- 24
- Bogenfeder
- 25
- Passstift
- 101
- Fliehkraftpendel
- 102
- Flansch
- 103
- Pendelmassen
- 104
- Laufrollen
- 105
- Befestigungsbolzen
- 106
- Befestigungslöcher