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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Torsionsfederelement mit mindestens zwei axial voneinander beabstandet angeordneten und relativ zueinander verdrehbaren Federelementaufnahmen, die jeweils zumindest eine Lagerstelle für ein radial von der Drehachse beabstandetes und die Federelementaufnahmen zwischen einander zugeordneten Lagerstellen verbindendes, elastisches Federelement aufweisen, wobei bei einer relativen rotatorischen Auslenkung der Federelementaufnahmen aus der Nulllage heraus das mindestens eine Federelement gelängt wird und dabei eine Axialkraft mit einem Axialkraftvektor und eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor erzeugt, wobei die Richtung des Sekantenkraftvektors von der Auslenkung aus der Nulllage abhängt und die Sekantenkraft, mittels einem senkrecht von dem Sekantenkraftvektor zur Drehachse verlaufenden Hebelarm, ein Rückstellmoment auf die Federelementaufnahmen ausübt.
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Derartige Torsionsfederelemente erlauben eine relative Schwenkbewegung der Federelementaufnahmen und der entsprechend daran befestigten Bauteile um die gemeinsame Drehachse. Eine mögliche Anwendung für ein Torsionsfederelement der eingangs genannten Art findet sich im Automobilbau im Bereich des Fahrwerks eines Fahrzeugs. Hier gilt es beispielsweise die von der Fahrbahn über die Räder eingebrachten Schwingungsanregungen aufzunehmen.
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Die
DE 100 26 119 A1 offenbart ein elastisches Torsionsfederelement, das ein erstes in sich starres Anschlussteil, ein zweites in sich starres Anschlussteil und mindestens drei endseitig an den beiden Anschlussteilen gelagerte und zwischen diesen verlaufende formveränderliche Verbindungsteile aufweist, wobei die Verbindungsteile die Torsionskräfte und/oder -bewegungen um eine Hauptachse des Torsionsfederelements zwischen den Anschlussteilen vermitteln. Die Verbindungsteile sind rotationssymmetrisch zu der Hauptachse angeordnet und weisen, zumindest in einer Mehrzahl von Funktionsstellungen des Torsionsfederelements, zwischen den beiden Anschlussteilen einen helikal um die Hauptachse herum gekrümmten Verlauf mit veränderlicher Steigung auf. Die helikale Ausbildung der Verbindungsteile bedingt jedoch, dass das Konstruktionselement nur in einer Drehrichtung wirksam ist und in der anderen Richtung einen erheblichen Leerlauf aufweist, bis die Verbindungsteile wirksam werden.
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Die
CN 1749593 A zeigt ein Torsionsfederlement mit zwei axial beabstandet voneinander angeordneten und relativ zueinander verdrehbaren, scheibenförmigen Federelementaufnahmen, sowie mehreren radial von der Drehachse beabstandeten und die Federelementaufnahmen verbindenden elastischen Federelementen. Die Federelemente sind als Streifen aus elastischem Material ausgebildet und fest in den Federelementaufnahmen gelagert. Bei einer relativen Verdrehung der Federelementaufnahmen um die gemeinsame Drehachse werden die Federelemente entsprechend verbogen, wodurch eine Rückstellkraft auf die Federelementaufnahmen ausgeübt wird. Hierbei erfolgt jedoch eine Verkürzung der Gesamtlänge des Torsionsfederelements.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2013 010 418 A1 beschreibt ein gattungsgemäßes Torsionsfederelement mit mindestens zwei axial voneinander beabstandet angeordneten und relativ zueinander verdrehbaren Federelementaufnahmen, die jeweils zumindest eine Lagerstelle für ein radial von der Drehachse beabstandetes und die Federelementaufnahmen zwischen einander zugeordneten Lagerstellen verbindendes, elastisches Federelement aufweisen, wobei bei einer relativen rotatorischen Auslenkung der Federelementaufnahmen aus der Nulllage heraus das mindestens eine Federelement gelängt wird und dabei eine Axialkraft mit einem Axialkraftvektor und eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor erzeugt, wobei die Richtung des Sekantenkraftvektors von der Auslenkung aus der Nulllage abhängt und die Sekantenkraft, mittels einem senkrecht von dem Sekantenkraftvektor zur Drehachse verlaufenden Hebelarm, ein Rückstellmoment auf die Federelementaufnahmen ausübt.
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Nachteilig an den Torsionsfederelementen nach dem Stand der Technik ist, dass die zur Verfügung stehenden Federelemente lediglich eine geringe prozentuale Bruchdehnung aufweisen und diese bei einer axial kompakten Bauweise bereits bei eher geringen Auslenkungen der Federelementaufnahmen relativ zueinander überschritten wird, was zum Versagen des Bauteils führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Torsionsfederelement bereitzustellen, das axial kompakt baut und dennoch tolerant gegenüber größeren Auslenkungen der Federelementaufnahmen relativ zueinander ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein Torsionsfederelement hat mindestens zwei axial voneinander beabstandet angeordnete und relativ zueinander verdrehbare Federelementaufnahmen, die jeweils zumindest eine Lagerstelle für ein radial von der Drehachse beabstandetes und die Federelementaufnahmen zwischen einander zugeordneten Lagerstellen verbindendes, elastisches Federelement aufweisen, wobei bei einer relativen rotatorischen Auslenkung der Federelementaufnahmen aus der Nulllage heraus das mindestens eine Federelement gelängt wird und dabei eine Axialkraft mit einem Axialkraftvektor und eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor erzeugt, wobei die Richtung des Sekantenkraftvektors von der Auslenkung aus der Nulllage abhängt und die Sekantenkraft, mittels einem senkrecht von dem Sekantenkraftvektor zur Drehachse verlaufenden Hebelarm, ein Rückstellmoment auf die Federelementaufnahmen ausübt und wobei zumindest eines der Federelemente über zumindest eine der Lagerstellen hinaus, die dann als Loslager ausgeführt ist, zu einer weiteren als Festlager ausgebildeten Lagerstelle geführt ist.
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Das Torsionsfederelement spricht dabei bei einer Auslenkung aus der Nulllage heraus in beiden Richtungen mit einem zur Nulllage gerichteten Rückstellmoment an. Das Rückstellmoment wird dabei nicht durch eine Biegebeanspruchung der Federelemente erzeugt, sondern durch deren Längung, wodurch sich eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor ergibt. Die Sekantenkraft erzeugt mittels des senkrecht auf dem Sekantenkraftvektor stehenden und zur Drehachse gerichteten Hebelarm dieses Rückstellmoment. Wichtig ist, dass die Federelemente elastisch sind, also nach Wegfall der angelegten Kraft wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren, da auf diese Art und Weise das Rückstellmoment auf die Federelementaufnahmen erzeugt wird. Es wäre auch denkbar, dass die Federelemente in Nulllage etwas „durchhängen” und das Rückstellmoment erst nach Überwinden eines gewissen Leerwegs anliegt. Derartige Ausgestaltungen sollen hiermit auch umfasst sein. Zur besseren Veranschaulichung der wirkenden Kräfte kann das Bezugssystem in die von einer der Federelementaufnahmen definierte Ebene gelegt werden, so dass diese Federelementaufnahme in der Betrachtung quasistatisch ist und sich nur die verbleibenden Federelementaufnahmen relativ zu dieser verdrehen. Durch Variation von Länge, Dicke, Material, Anzahl und radialem Abstand der Federelemente zur Drehachse, lässt sich eine gewünschte Federkennlinie des Torsionsfederelements einstellen. Auch die Hintereinanderschaltung von mehreren Federelementaufnahmen mit entsprechender Verbindung durch Federelemente gewährt eine Einflussnahme auf die Federkennlinie. Indem zumindest eines der Federelemente über zumindest eine der Lagerstellen hinaus, die dann als Loslager ausgeführt ist, zu einer weiteren als Festlager ausgebildeten Lagerstelle geführt ist, kann ein deutlich längeres Federelement auf nach wie vor kurzem axialem Bauraum angeordnet werden. Die wirksame Länge zur Erzeugung des Rückstellmoments auf die Federelementaufnahmen ist nach wie vor nur im Bereich zwischen den Federelementaufnahmen wirksam, während das über die als Loslager ausgebildete Lagerstelle hinaus geführte Stück des Federelements nur axial mitgedehnt wird. Bei gleichbleibender prozentualer Bruchdehnung kann durch das nun insgesamt viel längere Federelement eine größere absolute Auslenkung der Federelementaufnahmen relativ zueinander ohne Materialversagen erreicht werden. Die als Loslager ausgebildete Lagerstelle erlaubt eine Krafteinleitung des Federelements in die Federelementaufnahme in radialer Umfangsrichtung der entsprechenden Federelementaufnahme bei gleichzeitig axialer Beweglichkeit relativ dazu. Die Loslager können nur auf einer der Federelementaufnahmen oder auf mehreren vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die als Loslager ausgebildeten Lagerstellen einer Federelementaufnahme zu den jeweils zugehörigen weiteren Lagerstellen nicht relativ verdrehbar. In einer besonders bevorzugten Ausführung weist zumindest eine der Federelementaufnahmen neben den als Loslager oder Festlager ausgebildeten Lagerstellen auch die weiteren, stets als Festlager ausgebildeten, Lagerstellen auf. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die als Loslager ausgebildeten Lagerstellen der entsprechenden Federelementaufnahme nicht relativ verdrehbar zu den jeweils zugehörigen weiteren Lagerstellen sind.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Federelementaufnahmen scheibenförmig ausgebildet. Scheibenförmige Aufnahmen bieten Vorteile bei der Bauraumausnutzung. Über den Durchmesser der Scheiben kann die Länge des Hebelarms zu den Lagerstellen der Federelemente gesteuert werden, was sich wiederum auf das erzielbare Rückstellmoment auswirkt. Jedoch sind auch andere topologieoptimierte Formen (z. B. Vielecke) denkbar.
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In einer bevorzugten Ausführung umfassen die als Loslager ausgebildeten Lagerstellen ösenförmige Haltemittel. Durch die ösenförmigen Haltemittel kann das Federelement entsprechend durchgefädelt werden. Die Ösenform erlaubt eine Krafteinleitung des Federelements in die Federelementaufnahme in radialer Umfangsrichtung der entsprechenden Federelementaufnahme bei gleichzeitig axialer Beweglichkeit relativ dazu. In einer besonders bevorzugten Ausführung stehen die ösenförmigen Haltemittel von der entsprechenden Federelementaufnahme, insbesondere von der Mantelfläche der Federelementaufnahme, radial (sternförmig) ab.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Federelementaufnahmen über eine die Drehachse bildende Welle oder ein die Federelementaufnahmen drehbar lagerndes Gehäuse zueinander beabstandet. Die Welle ist dazu ausgebildet den Abstand zwischen den Federelementaufnahmen zumindest im Bereich der Anbindung der Welle an die jeweilige Federelementaufnahme konstant zu halten aber dennoch eine Verdrehung der Federelementaufnahmen relativ zueinander zuzulassen. Die Welle kann zu diesem Zweck mittelbar oder unmittelbar mit den entsprechenden Federelementaufnahmen verbunden sein. Das Gehäuse ist dazu ausgebildet den Abstand zwischen den Federelementaufnahmen zumindest im Bereich der Anbindung des Gehäuses an die jeweilige Federelementaufnahme konstant zu halten. Das Gehäuse definiert dadurch indirekt auch die Drehachse der Federelementaufnahmen und umgreift diese schützend zumindest teilweise. Das Gehäuse ist dazu vorzugsweise hohlzylindrisch mit zwei beiderseits (Grund- und Deckfläche) angeordneten Ausschnitten zur Lagerung der Federelementaufnahmen aufgebaut und besteht zur besseren Fügbarkeit aus zwei schalenförmigen Gehäusehälften.
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In einer bevorzugten Ausführung übt das mindestens eine Federelement in der Nulllage eine Vorspannungsaxialkraft auf die damit verbundenen Federelementaufnahmen aus. Durch die Vorspannungsaxialkraft lässt sich das Ansprechverhalten des Torsionsfederelements aus der Nulllage heraus auf den konkreten Anwendungsfall anpassen. Zur Erzeugung einer Vorspannungsaxialkraft können beispielsweise die von einem Federelement verbundenen Lagerstellen auf den jeweiligen Federelementaufnahmen axial nicht fluchtend, also leicht versetzt zueinander, angeordnet werden.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die als Festlager ausgebildeten Lagerstellen der Federelementaufnahmen als Zapfen ausgebildet, die von dem mindestens einen Federelement, bevorzugt paarweise, umschlungen werden. Die Zapfen können einstückig mit den Federelementaufnahmen ausgebildet sein oder mit diesen gefügt (beispielsweise verschraubt oder gepresst) werden. Die konkrete Gestalt der Zapfen soll die Krafteinleitung in die Federelemente unterstützen und insbesondere unerwünschte Lastzustände vermeiden. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Zapfen über eine radiale Mantelfläche der Federelementaufnahmen verteilt angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführung besteht das mindestens eine Federelement aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff. Glasfasern haben den Vorteil, dass sie kostengünstig sind, eine vergleichsweise hohe Bruchdehnung aufweisen, nahezu keine Feuchtigkeit aufnehmen, sowie einen geringen E-Modul bei hoher Festigkeit und geringer Kriechneigung aufweisen. Alternativ lassen sich auch andere Fasertypen wie Kohlefasern, Aramidfasern oder Naturfasern verwenden. Die genannten Fasertypen können zur Verlängerung der Lebensdauer in eine Matrix aus einem Harz eingebettet sein. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung von Federstahlbändern oder Elastomeren.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Darin zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;
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2 eine seitliche Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;
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3 eine schematische Darstellung der wirkenden Kräfte in einer Vorderansicht;
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4 eine schematische Darstellung der wirkenden Kräfte in einer Draufsicht.
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Gemäß der 1 und 2 hat ein Torsionsfederelement 1, das vorliegend in Nulllage dargestellt ist, zwei Federelementaufnahmen 2, die über eine Welle 4 axial konstant voneinander beabstandet sind. Die Welle 4 bildet eine Drehachse D, um die sich die beiden Federelementaufnahmen 2 bei Einwirken eines von außen einwirkenden Drehmoments relativ zueinander verdrehen können. In der vorliegenden Ausführungsform sind an einer Federelementaufnahme 2 radial von der Mantelfläche abstehende Zapfen 5 als Lagerstellen 7 angeordnet, die von jeweils einem Federelement 3 umschlungen werden. Die von den Zapfen 5 gebildeten Lagerstellen 7 dienen als Festlager 7b, ermöglichen also eine Krafteinleitung in axialer Zugrichtung und in radialer Umfangsrichtung der Federelementaufnahme 2. Auf der gegenüberliegenden Federelementaufnahme 2 gelangt jedes der Federelemente 3 zunächst zu einer als Loslager 7a ausgebildeten Lagerstelle 7, die von einem ösenförmigen Haltemittel 9 gebildet wird. Das Federelement 3 wird durch das ösenförmige Haltemittel 9 hindurchgeführt und radial zu einer im Vergleich dazu weiter von der Drehachse D beabstandeten weiteren Lagerstelle 8 umgelenkt, die stets als Festlager für das entsprechende Federelement 3 dient. Die als Loslager 7a ausgebildete Lagerstelle 7 und die weitere Lagerstelle 8 sind an der selben Federelementaufnahme 2 und somit nicht relativ zueinander verdrehbar angeordnet.
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3 zeigt die wirkenden Kräfte in einem der (nicht dargestellten) Federelemente in Frontalansicht auf das (nicht dargestellte) Torsionsfederelement, wobei als Bezugssystem eine Federelementaufnahme 2 gewählt und die andere Federelementaufnahme 2 (nicht dargestellt) relativ dazu um einen radialen Verdrehwinkel φ von der Nulllage A in die Auslenkung B ausgelenkt wurde. Der Radius R ist der Abstand vom Anbindungspunkt des Federelements an der Federelementaufnahme 2 und der Drehachse D. Der Radius R ist in der Nulllage A und der Auslenkung B konstant. In dem Federelement wirkt bei Auslenkung B eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor E. Der Hebelarm H verbindet die Drehachse D mit dem Sekantenkraftvektor E, wobei der Hebelarm H senkrecht auf dem Sekantenkraftvektor E steht. Die Sekantenkraft übt mittels des von dem Sekantenkraftvektor E definierten Hebelarms H ein Rückstellmoment M auf die Federelementaufnahme 2 aus, was diese stets wieder in Richtung Nulllage A zwingt. Es gelten die folgenden Zusammenhänge: D = R·cos(φ/2)
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Die Sekantenkraft im Sekantenkraftvektor E kann wie folgt bestimmt werden: E = M/H.
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4 zeigt die wirkenden Kräfte in einem der (nicht dargestellten) Federelemente in Draufsicht auf das (nicht dargestellte) Torsionsfederelement, wobei als Bezugssystem eine Federelementaufnahme gewählt und die andere Federelementaufnahme (beide nicht dargestellt) relativ dazu um einen axialen Verdrehwinkel ϑ von der Nulllage A in die Auslenkung B ausgelenkt wurde. Der Axialkraftvektor X und der Sekantenkraftvektor E spannen in dem resultierenden Kräftedreieck den Federelementkraftvektor L auf. Die gegenseitigen Abhängigkeiten lassen sich mit folgenden Formeln berechnen, wobei R als Radius den Abstand des Federelements zur Drehachse D definiert (siehe
3):
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Die Längung des verdrehten Federelements kann über folgende Formeln ermittelt werden:
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Bezugszeichenliste
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- A
- Nulllage
- B
- Auslenkung
- D
- Drehachse
- E
- Sekantenkraftvektor
- H
- Hebelarm
- L
- Federelementkraftvektor
- M
- Rückstellmoment
- R
- Radius
- X
- Axialkraftvektor
- Y
- Axialkraft
- φ
- radialer Verdrehwinkel
- ϑ
- axialer Verdrehwinkel
- 1
- Torsionsfederelement
- 2
- Federelementaufnahme
- 3
- Federelement
- 4
- Welle
- 5
- Zapfen
- 7
- Lagerstelle
- 7a
- Lagerstelle als Loslager
- 7b
- Lagerstelle als Festlager
- 8
- weitere Lagerstelle
- 9
- ösenförmige Haltemittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10026119 A1 [0003]
- CN 1749593 A [0004]
- DE 102013010418 A1 [0005]
